CN109819496A - 一种海上多移动异构平台短距离组网方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种海上多移动异构平台短距离组网方法，具体包括以下步骤：步骤1：建立节点拓扑网络；步骤2：通信节点发起路由请求，非目的节点收到请求后更新ID列表并转发路由请求，目的节点收到路由请求后，依据ID列表返回路由应答，确定最佳通信路线和备用路线；步骤3：源节点通过发送和接收验证帧，测试并估计当前频段和信道通信质量；步骤4：根据步骤3计算得到的通信质量结果，选择通信制式。通过基于最短距离的按需路由协议，在网络节点需要传输数据时确定通信路径，通过发送和接收验证帧的时间和误码率判断每个频段的通信质量，并选择通信制式，保证节点间能够进行稳定可靠的数据传输。

Description

一种海上多移动异构平台短距离组网方法

技术领域

本发明涉及短距离移动自组网技术领域，具体涉及一种海上多移动异构平台短距离组网方法。

背景技术

随着陆地资源日益消耗，人们将目光转向广阔的海洋，全世界各国纷纷将海洋资源开发摆在能源开发的首位。同时，随着核能开发与利用事业的稳步发展，我国在核能技术领域飞速发展，已进入核能开发与应用快速发展的关键期。在海洋资源及沿海核能开发应用过程中，一旦发生污染物的泄漏，将给海洋环境造成巨大的影响。因此，面向开阔海域污染物监测问题，构建基于多移动异构平台的协同监测网络，可以实现污染物的大范围长期监测。

利用多移动平台实现污染物协同监测的过程中，需要各平台间能够建立稳定可靠的通信，同时还要将监测数据传回控制中心。移动平台运动速度快，且受海浪影响摇摆幅度过大，网络结构易变，可能会出现平台失连、通信中断或因通信质量差而停止通信的情况，为了保证各平台之间通信畅通，必须在各移动平台间采用无线自组网技术，建立无线通信网络，保持平台和平台间的通信联系。由于受到遮挡、海杂波和雨衰等因素的影响，传统的单一制式自组织网路仍然会出现通信失效的情况，不能达到多移动平台组网与可靠通信的要求。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：针对上述存在的问题，提供了一种海上多移动异构平台短距离组网方法。

本发明采用的技术方案如下：

一种海上多移动异构平台短距离组网方法，具体包括以下步骤：

步骤1：建立节点拓扑网络，具体包括：组网节点广播身份标识发起组网请求，网络协调器为每个网络节点选定一个ID，同时为网络节点分配身份识别规则，每个网络节点广播自己的存在，其他节点进行确认后将其信息加入网络信息表，网络初始化完成。所述网络节点为海上移动异构平台，部分平台在海面上工作可进行长时间的即时通信，而部分在水下工作，只有在需要数据传输时才浮出水面，参与网络的构建并进行数据传输，通信完成后退出网络并潜入水下。

有新的网络节点需要加入网络时，新的网络节点向网络广播自己的存在，已有的网络节点通过ID识别确认这个新节点，并重新配置和调整网络来容纳这个新的节点；

步骤2：源节点发起路由请求，并创建一个路由节点ID列表，源节点的ID位于列表首位，非目的节点收到请求后依次将自己的ID添加到ID列表中，并转发路由请求，目的节点收到路由请求后，依据ID列表原路径返回路由应答，确定最佳通信路线和备用路线；

步骤3：源节点通过步骤2确定的最佳通信路线向目的节点发送验证帧，测试并计算当前频段和信道通信质量；

步骤4：根据步骤3计算得到的通信质量结果，选择通信制式。

进一步地，所述网络信息表存储了各网络节点的基本信息，包括网络节点ID、节点位置及节点状态；ID是网络节点的唯一标识符，网络节点间通过ID进行身份识别。

进一步地，在步骤1中，网络节点的移动、加入、退出及故障引起网络拓扑结构变化时，每个网络节点动态更新网络信息进行网络同步；网络拓扑结构在簇状树形网络、星型网络和网状网络形式间切换。

进一步地，所述步骤2具体包括：当一源节点要与某个目的节点进行通信并且尚未得到前往目的节点的有效路径时，源节点向它的邻居节点广播一个路由请求，当邻居节点收到路由请求后，首先判断自己是否属于目的节点，如果是目的节点则根据ID列表原路径返回路由请求应答；如果不是目的节点且非终端节点，则将自己的ID插入ID列表，并继续向邻居节点广播，直到发现目的节点并返回路由应答。

进一步地，当网络节点收到的路由请求的ID列表中出现回路时，不再对该路由请求进行广播；当路由请求到达非目的的终端节点，该终端节点停止广播路由请求；路由请求最先到达目的节点的路径为最佳通信路线，当目的节点第二次收到同一源节点的路由请求后，返回该路径给源节点作为备用路线，之后收到的路由请求不再应答。

进一步地，步骤3具体包括：源节点通过步骤2确定的最佳通信路径向目的节点发送验证帧，同时启动定时器，目的节点接收到验证帧后，将验证数据帧的完整性按约定的格式返回源节点，源节点接收到返回数据后确定通信误码率并关闭定时器，记录定时时间为t；设定超时时间为T；通信质量评价函数定义如下：

ω₁和ω₂分别为传输时间和误码率对频段通信质量的影响权重，η为误码率；

ω₁、ω₂∈[0，1]，ω₁+ω₂＝1，f(t，η)∈[0，1]，f(t，η)的值越大通信质量越好。

进一步地，若源节点在设定的超时时间内T内没有收到返回数据，则结束等待状态，此时t＝T,η＝1。

进一步地，依据f(t,η)的值将频段通信质量划分为四个等级：

θ₁、θ₂为常数，根据网络对通信质量和数据传输频次的要求进行取值。

进一步地，所述步骤4具体包括：对步骤2确定的最优路径，选择一个通信频段，如果其通信质量为优，选择该频段进行数据发送和接收；若通信质量为良，将该通信频段作为备用通信频段，当有两个备用频段时，利用这两个频段进行同步数据发送；若通信质量为差或中断时，对下一频段重复步骤3、步骤4的过程，直至数据发送或检测完所有频段，若所有频段都不满足通信要求，则使用备用路径或重复步骤2重新选择路径。

进一步地，通过步骤2确定的通信路径和步骤4选择的通信制式，开始进行数据发送和接收；在通信节点进行通信时，如果最优路径和备用路径均不能正常通信，则源节点重新进行路由请求。

与现有技术相比，采用上述技术方案的有益效果为：

(1)通过基于最短距离的按需路由协议，在平台节点需要传输数据时确定通信路径，节点不需要运行复杂的路由算法且发现的路径为最短距离路径，通信结束后路由自动失效，节点不需要对其进行维护，节省网络节点能量，发现的最短路径也能提高通信速度。

(2)网络中每个节点均能进行多制式通信，在需要进行数据传输时，通过发送和接收验证帧的时间和误码率判断每个频段通信质量，并根据该通信质量选择通信制式，保证节点间能够进行稳定可靠的数据传输。

附图说明

图1是本发明海上多移动异构平台短距离组网方法流程示意图；

图2是本发明实施例网络拓扑结构转换图；

图3是本发明实施例网络节点数据多跳传输示意图；

图4是本发明实施例通信路径确定算法流程图；

图5是本发明实施例通信制式选择方案流程图。

具体实施方式

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

本说明书中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

下面结合附图对本发明做进一步描述。

一种海上多移动异构平台短距离组网方法，如图1具体包括以下步骤：

步骤1：建立节点拓扑网络具体包括：组网节点广播身份标识发起组网请求，网络协调器为每个网络节点选定一个ID，同时为网络节点分配身份识别规则，每个网络节点广播自己的存在，其他节点进行确认后将其信息加入网络信息表，网络初始化完成。所述网络节点为海上移动异构平台，部分平台在海面上工作可进行长时间的即时通信，而部分在水下工作，只有在需要数据传输时才浮出水面，参与网络的构建并进行数据传输，通信完成后退出网络并潜入水下。

有新的网络节点需要加入网络时，新的网络节点向网络广播自己的存在，已有的网络节点通过ID识别确认这个新节点，并重新配置和调整网络来容纳这个新的节点；

步骤2：源节点发起路由请求，并创建一个路由节点ID列表，源节点的ID位于列表首位，非目的节点收到请求后依次将自己的ID添加到ID列表中，并转发路由请求，目的节点收到路由请求后，依据ID列表原路径返回路由应答，确定最佳通信路线和备用路线；

步骤3：源节点通过步骤2确定的最佳通信路线向目的节点发送验证帧，测试并计算当前频段和信道通信质量；

步骤4：根据步骤3计算得到的通信质量结果，选择通信制式。

在一个优选实施例中，所述步骤1具体包括：

所述网络信息表存储了各网络节点的基本信息，包括网络节点ID、节点位置及节点状态；ID是网络节点的唯一标识符，网络节点间通过ID进行身份识别。

在一个优选实施例中，网络节点的移动、加入、退出及故障引起网络拓扑结构变化时，每个网络节点将动态更新网络信息进行网络同步；因此，任何一个节点的退出或故障都不会影响网络正常运行。网络拓扑结构在簇状树形网络、星型网络和网状网络形式间切换。

在一个优选实施例中，由于监测平台的频繁移动和海洋复杂环境的影响，如图2所示，系统网络拓扑结构可能在簇状树形网络、星型网络、网状网络等不同网络形式间切换。

在一个优选实施例中，对于每一种网络结构，网络中均只有一个协调器，可能有多个路由器，它们地位平等，可与其通信范围内的任意节点直接进行通信，网络内任意两个加点间都可以相互访问。

海上多移动异构平台将实现一个较大范围的海域覆盖，由于每个移动平台硬件条件及发射功率限制，每个平台节点间不能完全直接建立通信，需要通过中间节点进行转发，实现数据多跳传输。如图3所示，网络中移动节点C不在节点A的通信覆盖范围内(用圆环a表示)，同时节点A也不在节点C的覆盖范围内。如果节点A和C之间需要进行通信，就需要通过节点B为它们转发，因为节点B在节点A和C的覆盖范围内。

节点间的通信范围有限，在向较远距离节点通信时，需要消耗较大的能量才能将信号发送到目的节点。常规固定网络和有线网络使用的路由协议在运行很难达到收敛状态，且运行复杂的路由算法将消耗系统较大的能量。高速运动的移动平台节点不会很多，但对节点之间通信的速率有较高的要求，因此采用基于最短距离的按需路由协议来选择通信路径。

在一个优选实施例中，如图4所示，所述步骤2具体包括：采用基于最短距离的按需路由协议来选择通信路径；当一源节点要与某个目的节点进行通信并且尚未得到前往目的节点的有效路径时，源节点向它的邻居节点广播一个路由请求，当邻居节点收到路由请求后，首先判断自己是否属于目的节点，如果是目的节点则根据ID列表原路径返回路由请求应答；如果不是目的节点且非终端节点，则将自己的ID插入ID列表，并继续向邻居节点广播，直到发现目的节点并返回路由应答。

在路由请求与应答过程中，当网络节点收到的路由请求的ID列表中出现回路时(即网络节点收到的ID列表里出现自己的ID)，不再对该路由请求进行广播；当路由请求到达非目的的终端节点，该终端节点停止广播路由请求。

在一个优选实施例中，路由请求最先到达目的节点的路径为最短路径，为减少因为各节点间频繁转发路由请求或应答而消耗的网络能量，当目的节点第二次收到同一源节点的路由请求后，返回该路径给源节点作为备用路径，之后收到的路由请求不再应答。

在一个优选实施例中，如果最短路径和备用路径均不能正常通信，则重新进行路由请求。

海上特殊环境和移动自组网结构的易变特性，预先确定的传输路径随时可能发生变化，或者因各种原因出现路径被中断、频段拥挤和信道阻塞等，导致信息不能进行及时传送。每一网络节点均可以利用多种频段及信道进行通信，对每一频段的通信质量进行验证，具体方法如下：

在一个优选实施例中，通过发送和接收验证帧，测试并估计当前频段和信道通信质量。所述步骤3具体包括：网络节点通过多种频段及信道进行通信，对每一频段的通信质量进行验证；源节点通过步骤2确定的路径向目的节点发送验证帧，同时启动定时器，目的节点接收到验证帧后，返回提前设定的验证符号，根据实际需要设定，例如验证数据帧完整则返回0X00，不完整返回0X11等，源节点接收到返回数据后关闭定时器，记录定时时间为t；设定超时时间为T；通信质量评价函数定义如下：

ω₁和ω₂分别为传输时间和误码率对频段通信质量的影响权重，η为误码率；

ω₁、ω₂∈[0，1]，ω₁+ω₂＝1，f(t，η)∈[0，1]，f(t，η)的值越大通信质量越好。

在一个优选实施例中，若源节点在设定的超时时间内T内没有收到返回数据，则结束等待状态，此时t＝T，η＝1。

在一个优选实施例中，依据f(t，η)的值将频段通信质量划分为四个等级：

θ₁、θ₂为常数，根据网络对通信质量和数据传输频次的要求进行取值。

在一个优选实施例中，所述步骤4具体包括：根据步骤3计算所得的各频段及信道通信质量结果，选择合适的通信制式，确保通信稳定可靠。如图5所示，对步骤2确定的最优路径，选择一个通信频段，如果其通信质量为优，则可以利用该频段直接进行数据发送和接收；若通信质量为良，将该通信频段作为备用通信频段，当有两个备用频段时，利用这两个频段进行同步数据发送；若通信质量为差或中断时，对下一频段重复步骤3、步骤4的过程，直至数据发送或检测完所有频段，若所有频段都不满足通信要求，则使用备用路径或重复步骤2重新选择路径。

在一个优选实施例中，步骤2确定的通信路径和步骤4选择的通信制式，开始进行数据发送和接收；在通信节点进行通信时，如果最优路径和备用路径均不能正常通信，则源节点重新进行路由请求。

本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。如果本领域技术人员，在不脱离本发明的精神所做的非实质性改变或改进，都应该属于本发明权利要求保护的范围。

Claims (10)

1.一种海上多移动异构平台短距离组网方法，其特征在于：具体包括以下步骤：

步骤1：建立节点拓扑网络，具体包括：组网节点广播身份标识发起组网请求，网络协调器为每个网络节点选定一个ID，同时为网络节点分配身份识别规则，每个网络节点广播自己的存在，其他节点进行确认后将其信息加入网络信息表，网络初始化完成，所述网络节点为海上移动异构平台；

有新的网络节点需要加入网络时，新的网络节点向网络广播自己的存在，已有的网络节点通过ID识别确认这个新节点，并重新配置和调整网络来容纳这个新的节点；

步骤2：源节点发起路由请求，并创建一个路由节点ID列表，源节点的ID位于列表首位，非目的节点收到请求后依次将自己的ID添加到ID列表中，并转发路由请求，目的节点收到路由请求后，依据ID列表原路径返回路由应答，确定最佳通信路线和备用路线；

步骤3：源节点通过步骤2确定的最佳通信路线向目的节点发送验证帧，测试并计算当前频段和信道通信质量；

步骤4：根据步骤3计算得到的通信质量结果，选择通信制式。

2.如权利要求1所述的一种海上多移动异构平台短距离组网方法，其特征在于：所述网络信息表存储了各网络节点的基本信息，包括网络节点ID、节点位置及节点状态；ID是网络节点的唯一标识符，网络节点间通过ID进行身份识别。

3.如权利要求1所述的一种海上多移动异构平台短距离组网方法，其特征在于：在步骤1中，网络节点的移动、加入、退出及故障引起网络拓扑结构变化时，每个网络节点动态更新网络信息进行网络同步；网络拓扑结构在簇状树形网络、星型网络和网状网络形式间切换。

4.如权利要求1所述的一种海上多移动异构平台短距离组网方法，其特征在于：所述步骤2具体包括：当一源节点要与某个目的节点进行通信并且尚未得到前往目的节点的有效路径时，源节点向它的邻居节点广播一个路由请求，当邻居节点收到路由请求后，首先判断自己是否属于目的节点，如果是目的节点则根据ID列表原路径返回路由请求应答；如果不是目的节点且非终端节点，则将自己的ID插入ID列表，并继续向邻居节点广播，直到发现目的节点并返回路由应答。

5.如权利要求4所述的一种海上多移动异构平台短距离组网方法，其特征在于：当网络节点收到的路由请求的ID列表中出现回路时，不再对该路由请求进行广播；当路由请求到达非目的的终端节点，该终端节点停止广播路由请求；路由请求最先到达目的节点的路径为最佳通信路线，当目的节点第二次收到同一源节点的路由请求后，返回该路径给源节点，作为备用路线，之后收到的路由请求不再应答。

6.如权利要求1所述的一种海上多移动异构平台短距离组网方法，其特征在于：步骤3具体包括：源节点通过步骤2确定的最佳通信路径向目的节点发送验证帧，同时启动定时器，目的节点接收到验证帧后，依据验证数据帧的完整性，返回提前设定的验证符号，源节点接收到返回数据后确定通信误码率并关闭定时器，记录定时时间为t；设定超时时间为T；通信质量评价函数定义如下：

ω₁和ω₂分别为传输时间和误码率对频段通信质量的影响权重,η为误码率；

ω₁、ω₂∈[0,1]，ω₁+ω₂＝1，f(t,η)∈[0,1]，f(t,η)的值越大通信质量越好。

7.如权利要求6所述的一种海上多移动异构平台短距离组网方法，其特征在于：若源节点在设定的超时时间内T内没有收到返回数据，则结束等待状态，此时t＝T,η＝1。

8.如权利要求7所述的一种海上多移动异构平台短距离组网方法，其特征在于：依据f(t,η)的值将频段通信质量划分为四个等级：

θ₁、θ₂为常数，根据网络对通信质量和数据传输频次的要求进行取值。

9.如权利要求8所述的一种海上多移动异构平台短距离组网方法，其特征在于：所述步骤4具体包括：对步骤2确定的最优路径，选择一个通信频段，如果其通信质量为优，选择该频段进行数据发送和接收；若通信质量为良，将该通信频段作为备用通信频段，当有两个备用频段时，利用这两个频段进行同步数据发送；若通信质量为差或中断时，对下一频段重复步骤3、步骤4的过程，直至数据发送或检测完所有频段，若所有频段都不满足通信要求，则使用备用路径或重复步骤2重新选择路径。

10.如权利要求1所述的一种海上多移动异构平台短距离组网方法，其特征在于：通过步骤2确定的通信路径和步骤4选择的通信制式，开始进行数据发送和接收；在通信节点进行通信时，如果最优路径和备用路径均不能正常通信，则源节点重新进行路由请求。