CN110234144A - 接入方法、移动装置、水下传感网络系统 - Google Patents

接入方法、移动装置、水下传感网络系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种接入方法、移动装置、水下传感网络系统。一种接入方法，用于移动节点接入水下传感网络，所述水下传感网络包括多个固定节点，所述多个固定节点中的一个固定节点为用于与控制中心进行通信的中心节点，所述接入方法包括：所述移动节点以广播方式向所述多个固定节点发送请求定位包的发送步骤；所述移动节点根据从接收到所述请求定位包的固定节点回复的确认包，选择最近的固定节点作为中继节点的选择步骤；以及所述移动节点通过在所述选择步骤中选择的中继节点向所述中心节点发送用于报告自身状态信息的数据包的通信步骤。

Description

接入方法、移动装置、水下传感网络系统
技术领域
本发明涉及水下通信相关技术领域，具体涉及用于移动节点接入水下传感网络的接入方法、移动装置、水下传感网络系统。
背景技术
水下传感网络(Under-Water Acoustic Sensor Networks,UW-ASNs)就是在一定面积的水下区域部署各种传感器采集、获取信息，并通过节点间的相互通信和组网实现信息间的相互传输，最终通过主节点以无线电或有线的方式将覆盖区域内所获取的信息传到岸上提供给观察者的水下通信网络。UW-ASNs在海底探测、海洋环境监测、地震海啸预报、水下目标跟踪与定位等领域都发挥着极为重要的作用，具有非常高的研究价值。目前国外已经研发出水下自治采样网络(Autonomous Oceanographic Sampling Network，AOSN)、美国海网(Seaweb)、可部署自治分布式系统(Deployable Autonomous Distributed System，DADS)等网络系统，并逐渐投入应用；国内近些年对这方面也非常重视，研究力度正在逐步加大。
水下传感网络与陆地无线通信网具有很多相似之处，但由于水声信道具有低带宽、传播延迟大、多径效应、多普勒效应、高噪声背景等特性，导致水声通信存在误码率高、时空不确定性及载波侦听不准确等问题，陆地无线通信中许多现有的成熟的性能良好的协议都无法直接应用在水下传感网络中。在各层协议设计中，MAC层作为最接近物理层的子层，负责分配有限的水声信道资源，控制各个节点接入共享信道，对网络通信的有效性和可靠性起着关键作用。
目前已有的MAC协议分为基于竞争和基于分配两类。基于竞争是指节点按需竞争获取信道的使用权，当节点有发送数据需求时，就以竞争方式接入信道，检测到冲突则进行退避；基于分配是指采用某种算法事先给节点分配信道，常用的有时分多址、频分多址、码分多址。两者各有优缺，基于竞争的MAC协议可扩展性强，能够灵活应对节点的接入和退出，但在网络负载大时容易发生冲突，造成网络吞吐率降低、能量消耗甚至传输失败等问题；基于分配的MAC协议不需要额外控制开销，各个节点公平共享信道，能够有效避免碰撞等问题，但存在信道利用率低，无法灵活应对节点的移动、接入和退出，分配算法在水下难以实现等问题。如何根据特定应用场景和需求，设计合适的MAC协议，实现快速高效稳定接入，是水下传感网络设计的重点和难点。
发明内容
近年来随着自主式水下航行器(Autonomous Underwater Vehicle，AUV)越来越多地被用于海洋科学、水下环境监测和水下资源开发等方面，AUV作为移动节点接入水下传感网络的应用场景得到很大的关注。在进行移动节点接入协议设计时，基于分配的信道获取方式无法灵活应对移动节点的移动、入网和退网，公平分配原则也无法保证移动节点优先级。基于竞争的信道获取方式能够满足上述需求，但应用时必须考虑多址冲突的检测与避免、节点接入的速度和效率以及移动节点与原网络的兼容性。
针对上述问题，本发明的目的在于提供一种用于移动节点接入水下传感网络的接入方法、移动装置、水下传感网络系统，能够快速、高效地接入水下传感网络。
为了达到上述目的，本发明所涉及的接入方法，用于移动节点接入水下传感网络，所述水下传感网络包括多个固定节点，所述多个固定节点中的一个固定节点为用于与控制中心进行通信的中心节点，
所述接入方法包括：
所述移动节点以广播方式向所述多个固定节点发送请求定位包的发送步骤；
所述移动节点根据从接收到所述请求定位包的固定节点回复的确认包，选择最近的固定节点作为中继节点的选择步骤；以及
所述移动节点通过在所述选择步骤中选择的中继节点向所述中心节点发送用于报告自身状态信息的数据包的通信步骤。
本发明所涉及的移动装置，用于接入到水下传感网络，所述水下传感网络包括多个固定节点，所述多个固定节点中的一个固定节点为用于与控制中心进行通信的中心节点，
所述移动装置包括：
发送单元，以广播方式向所述多个固定节点发送请求定位包；
选择单元，根据从接收到所述请求定位包的固定节点返回的确认包，选择最近的固定节点作为中继节点；以及
通信单元，通过所述选择单元选择的中继节点向所述中心节点发送用于报告自身状态信息的数据包。
本发明所涉及的水下传感网络系统，包括多个固定节点，所述多个固定节点中的一个固定节点为用于与控制中心进行通信的中心节点，
所述多个固定节点中的各个固定节点包括：
接收单元，接收来自移动节点的请求定位包；
回复单元，延迟预先设定的延迟时间，向所述移动节点回复确认包；
中继单元，接收来自所述移动节点的数据包，向所述中心节点中继所述数据包；
所述中心节点包括：
接收单元，接收来自移动节点的请求定位包；
回复单元，延迟预先设定的延迟时间，向所述移动节点回复确认包；
通信单元，将从所述中继单元或者所述移动节点接收到的数据包发送给所述控制中心，
其中，以各个固定节点回复的确认包不碰撞的方式预先设定所述延迟时间。
本发明提供的水下传感网络接入方法，采用竞争接入机制，使移动节点具有最高优先级，主动发现网络，并选择距离最近的固定节点作为中继转发数据包，最终实现移动节点与整个网络的多跳通信。本发明提供的接入方法，核心思想是将距离最近的固定节点作为中继节点，该中继节点为移动节点转发数据包，使新移动节点能够以多跳方式接入水下传感网络，实现数据传输。整个接入过程只需要移动节点广播请求定位包、固定节点回复确认包、移动节点汇报状态和位置信息三次通信，控制信令开销低，接入时间短，因此移动节点能够快速、高效地接入到水下传感网络。中继节点转发方式能够很好地适应移动节点位置的变化，固定节点部分始终采用原有路由表，使得移动节点能够迅速加入水下传感网络，具有极强的兼容性和灵活性。除此之外，本发明还有效解决了节点间的多址冲突问题，保证移动节点接入和通信的可靠性，能够很好满足实际应用需求。
附图说明
图1是移动节点接入水下传感网络的示意图。
图2为示出第一实施方式的移动节点接入水下传感网络的接入方法的流程图。
图3为示出第二实施方式的移动节点接入水下传感网络的接入方法的流程图。
图4是水下传感网络连接示意图。
图5是水下传感网络连接示意图。
图6是示出第五实施方式的移动节点的结构图。
图7是示出第六实施方式的固定节点的结构图。
图8是示出第六实施方式的中心节点的结构图。
具体实施方式
为更清楚明白地说明本发明的目的、技术方案和优点，下面给出具体实施例对本发明作进一步详细说明。
本发明主要面向移动节点接入水下传感网络，图1为示意图。水下传感网络包括多个固定的传感器节点(以下称为固定节点)。在图1中，示出编号为0-6号的固定节点。在所述水下传感网络中，按照已有的物理层、MAC层和路由层算法与协议，实现各个固定节点间的相互通信。在图1中，假设4号固定节点为中心节点，中心节点是用于与陆地或母船上的控制中心进行通信的节点，中心节点收集整个水下传感网络的信息并以无线或有线方式传输到控制中心，并将回传的控制信息下发至整个水下传感网络。在图1中，五星代表要接入的移动节点，作为一个例子，所述移动节点为AUV。当移动节点运动到不同位置时，与水下传感网络的连接情况也会发生改变。在本发明中提供一种用于移动节点接入水下传感网络的接入方法，以该移动节点能够灵活、快速、高效地接入到水下传感网络。
第一实施方式
图2为示出第一实施方式的移动节点接入水下传感网络的接入方法的流程图。
在发送步骤201中，移动节点以广播方式向水下传感网络中的所有固定节点发送请求定位包。
通过上述发送步骤201实现网络发现。具体而言，移动节点以广播方式向所有固定节点发送请求定位包，进行固定节点的发现。
为了灵活应对移动节点运动的影响，优选为每隔固定时间反复进行上述发送步骤201。
在选择步骤202中，移动节点根据从接收到所述请求定位包的固定节点回复的确认包，选择最近的固定节点作为中继节点。
在通信步骤203中，移动节点通过所选择的中继节点向中心节点发送用于报告自身状态信息的数据包。具体而言，移动节点向所选择的中继节点发送数据包，中继节点按照原有的路由表将该数据包中继给中心节点。在所述数据包中包括自身位置信息和中继节点的选择信息。
通过第一实施方式，整个接入过程只需要移动节点广播发送请求定位包、固定节点回复确认包、移动节点汇报状态和位置信息三次通信，控制信令开销低，接入时间短，因此移动节点能够快速、高效地接入到水下传感网络。
第二实施方式
图3为示出第二实施方式的移动节点接入水下传感网络的接入方法的流程图。
在步骤301中，移动节点以广播方式向N个固定节点发送请求定位包。其中N为水下传感网络中包括的固定节点的数量，N为大于等于1的自然数。
在步骤302中，移动节点等待时间Tw。
其中，所述等待时间Tw可以被预先设定为能够接收来自所有固定节点的确认包所需的时间。在此，可以根据固定节点与移动节点的路径时延和各个固定节点回复确认包的时延来预先设定所述等待时间Tw。
在步骤303中，移动节点判断是否接收到确认包，若判断为未接收到任何确认包(步骤303中“否”)，则进入到步骤304，若判断为接收到确认包(步骤303中“是”)，则进入到步骤305。
设移动节点收到确认包的数目为NACK，受到移动节点距离和信道状况的影响，一般情况下移动节点只能与相邻的几个固定节点进行通信，部分固定节点对移动节点而言处于隐藏状态，即0≤NACK≤N。若NACK为零，即移动节点在等待时间Tw内并未接收到任何确认包(步骤303中为“否”)，则认为广播的请求定位包与其他消息发生碰撞导致传输失败，在步骤304中随机时延，然后返回到步骤301，重新发送定位请求包。
在步骤305中，移动节点根据从接收到所述请求定位包的固定节点回复的确认包，选择最近的固定节点作为中继节点。
具体而言，所述移动节点可以根据从发送所述请求定位包至接收到各个所述固定节点回复的确认包所需的时间，计算所述移动节点与各个所述固定节点的路径时延，选择所述路径时延最小的固定节点作为中继节点。
通过由此选择出的中继节点的转发功能实现与整个水下传感网络间的通信。
以图1所示场景为例进行说明，图4为本实施方式中的水下传感网络连接示意图。在本实施方式中，假定移动节点只能与水下传感网络中的相邻的0、1、3号固定节点进行通信，2、4、5、6号固定节点为网络发现过程中的隐藏的节点。也就是说，假设移动节点只接收到0、1、3号固定节点回复的确认包。移动节点从0、1、3号固定节点中选择离自身距离最近的固定节点作为中继节点。在本实施方式中，假设最小，即0号固定节点离移动节点的距离最近，因此移动节点将0号固定节点选择为中继节点。
随着移动节点的位置变化，移动节点与各个固定节点间的通信情况不断改变，中继节点也需要不断调整，因此，在本实施方式中，每隔固定时间，移动节点都重新进行中继节点的选择。具体而言，在本实施方式中，在步骤303中判断为接收到确认包之后，进入步骤306，在步骤306中延迟预先设定的固定时间之后，返回到步骤301。
在步骤305中选定中继节点后，在步骤307中，移动节点向在步骤305中选定的中继节点发送用于报告自身状态信息的数据包，以向中心节点汇报自身状态信息，在所述数据包中包括自身位置信息和中继节点的选择信息。
中继节点接收到来自移动节点的数据包后，按照水下传感网络的原有的路由表将该数据包转发给中心节点。中心节点接收到该数据包后，能够得到移动节点的位置信息和中继节点的选择情况，建立与移动节点间的双向通信。假定在步骤305中选择0号固定节点为中继节点，则网络连接示意图变为图5。
若在步骤305中选定的中继节点为中心节点，则在步骤307中，移动节点向该中心节点发送用于报告自身状态信息的数据包，在所述数据包中包括自身位置信息与中继节点的选择信息。即，在该情况下，由于移动节点所选择的中继节点为中心节点，因此不需要中继节点到中心节点的中继过程。
通过如上方式移动节点接入到水下传感网络之后，移动节点会不断通过中心节点向陆地或母船上的控制中心汇报状态和位置信息，维持与水下传感网络之间的连接。若陆地或母船上的控制中心在一定时间内未收到移动节点上报信息，则默认移动节点已远离水下传感网络布设区域或主动退网。
在第二实施方式中，移动节点每隔固定时间都会重复进行网络发现、中继节点选择、数据传输的操作。因此，在移动节点移动时能够根据当前的情况选择合适的中继节点来进行接入。
实际应用时，其余固定节点不需要主动向移动节点传送数据信息，为了提高效率、节省时间，移动节点入网后并不会通知中心节点以外的其余固定节点。移动节点与其余固定节点的通信只能由移动节点先行发起，将数据发送给中继节点并由中继节点转发，其余固定节点接收到数据后若需要回复，则按原路径返回。
第三实施方式
在水下传感网络中，为了避免各个固定节点回复的确认包发生碰撞，各个固定节点在接收到请求定位包之后延迟一定时间进行回复。在第三实施方式中，为了避免确认包发生碰撞，设为各个固定节点在接收到请求定位包后延迟nTΔτ进行回复，其中n(0≤n≤N-1)为固定节点的编号。例如，0、1、2、3、4、n…号固定节点延迟时间分别为0、TΔτ、2TΔτ、3TΔτ、4TΔτ、nTΔτ…，其中TΔτ为固定节点依次回复确认包的固定时延。为了保证不碰撞，优选地将TΔτ预先设为大于移动节点到任意两个固定节点间的传输时间差。
在第三实施方式中，移动节点要接收所有固定节点回复的确认包，图3中的步骤302中的等待时间Tw需要满足如下关系：
Tw＞(N-1)TΔτ+2Tpmax
其中，Tpmax为固定节点与移动节点的最大路径时延，Tpmax能够根据移动节点能够与固定节点通信的最远距离来预先设置。
另外，在第三实施方式中，设为移动节点与n号固定节点的实际的路径时延，则满足这样的关系。其中，为移动节点从发送请求定位包至接收到n号固定节点回复确认包所需的时间，TΔτ如上所述预先被设为大于所述移动节点到任意两个所述固定节点间的传输时间差，nTΔτ表示编号为n的固定节点回复确认包的延迟时间。
因此在第三实施方式中，在图3的步骤305中，移动节点可以根据计算出将最小的固定节点选择为中继节点。
在第三实施方式中，由于各个固定节点在接收到请求定位包之后延迟不同时间进行回复，以避免确认包发生碰撞，因此，根据第三实施方式能够有效解决了固定节点间的多址冲突问题，保证移动节点接入和通信的可靠性，能够很好满足实际应用需求。
第四实施方式
每个固定节点回复确认包时所延迟的延迟时间并不限于上述第三实施方式那样的延迟nTΔτ的设定方式，在第四实施方式中，针对每个固定节点以能够保证各个固定节点回复的确认包不发生碰撞的方式设定不同的延迟时间。例如，针对0、1、2、3、n…N-1号固定节点设定的回复确认包的延迟时间分别为
在该情况下，图3的步骤302中的等待时间Tw可以满足如下关系：
Tw＞Tτmax+2Tpmax
其中，Tτmax为针对各个固定节点设定的回复确认包的最长的延迟时间，即Tτmax为 中的最大的延迟时间。Tpmax为固定节点与移动节点的最大路径时延，Tpmax能够根据移动节点能够与固定节点通信的最远距离来预先设置。
在第四实施方式中，在图3的步骤305中，移动节点可以根据计算选择最小的固定节点作为所述中继节点，其中，为针对编号为n的固定节点设定的回复确认包的延迟时间。
第五实施方式
图6示出第五实施方式中的移动装置的结构图。如图6所示，移动装置600包括发送单元601、选择单元602、通信单元603。
发送单元601以广播方式向水下传感网络中的所有固定节点发送请求定位包；选择单元602根据从接收到所述请求定位包的固定节点回复的确认包，选择最近的固定节点作为中继节点；通信单元603通过所述选择单元602选择的中继节点向中心节点发送用于报告自身状态信息的数据包。
本实施方式中的移动装置600中的各个单元所进行的处理可应用上述第一～四实施方式中的接入方法，在此不进行详细描述。
第六实施方式
第六实施方式示出水下传感网络系统，该水下传感网络系统包括N(N为大于1的自然数)个固定节点，所述N个固定节点中的一个固定节点为用于与陆地或母船上的控制中心进行通信的中心节点。
图7示出第六实施方式中的N个固定节点中的编号为n(0≤n≤N-1)的固定节点的结构图。编号为n的固定节点700包括：接收单元701，接收来自移动节点的请求定位包；回复单元702，延迟预先设定的延迟时间，向所述移动节点回复确认包；中继单元703，接收来自所述移动节点的数据包，向中心节点中继所述数据包。作为优选的实施例，回复单元702在接收到来自移动节点的请求定位包之后，可以延迟预先设定的延迟时间，向所述移动节点回复确认包。编号为n的固定节点延迟回复的时间可以预先设定为nTΔτ，其中TΔτ预先被设为大于移动节点到任意两个固定节点间的传输时间差。延迟回复的时间的设定并不限于此，各个固定节点延迟回复的时间只要能够保证所回复的确认包不发生碰撞，则可以设定为任意时间。
图8示出第六实施方式中的N个固定节点中的中心节点的结构图。如图8所示，中心节点800包括：接收单元801，接收来自移动节点的请求定位包；回复单元802，延迟预先设定的时间，向所述移动节点返回确认包；通信单元803，根据从被设为中继节点的固定节点或者移动节点接收到的数据包，建立与移动节点的双向通信。作为优选的实施例，回复单元802可以延迟kTΔτ，向所述移动节点回复确认包，其中TΔτ预先被设为大于移动节点到任意两个固定节点间的传输时间差，k为中心节点的编号，0≤k≤N-1。或者，也可以以与其它固定节点回复的确认包不发生碰撞的方式设定中心节点回复确认包时所延迟的时间。
以上仅为发明的优选实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的思想原则内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (14)

1.一种接入方法，用于移动节点接入水下传感网络，所述水下传感网络包括多个固定节点，所述多个固定节点中的一个固定节点为用于与控制中心进行通信的中心节点，
其特征在于，所述接入方法包括：
所述移动节点以广播方式向所述多个固定节点发送请求定位包的发送步骤；
所述移动节点根据从接收到所述请求定位包的固定节点回复的确认包，选择最近的固定节点作为中继节点的选择步骤；以及
所述移动节点通过在所述选择步骤中选择的中继节点向所述中心节点发送用于报告自身状态信息的数据包的通信步骤。
2.根据权利要求1所述的接入方法，其特征在于，
所述移动节点每隔预先设定的固定时间进行所述发送步骤。
3.根据权利要求1所述的接入方法，其特征在于，
所述移动节点自发送所述请求定位包之后在预先设定的等待时间内未接收到任何确认包，则随机时延后重新进行所述发送步骤。
4.根据权利要求3所述的接入方法，其特征在于，
所述等待时间被设定为能够接收来自所述多个固定节点的所有固定节点的确认包所需的时间。
5.根据权利要求3或4所述的接入方法，其特征在于，
所述等待时间是根据所述固定节点与所述移动节点的路径时延和各个所述固定节点回复确认包的延迟时间来预先设定的。
6.根据权利要求5所述的接入方法，其特征在于，
设所述等待时间为Tw，则满足：
Tw＞(N-1)TΔτ+2Tpmax
其中，Tpmax为所述固定节点与所述移动节点的最大路径时延，TΔτ预先被设为大于所述移动节点到任意两个所述固定节点间的传输时间差，N为所述多个固定节点的数量。
7.根据权利要求5所述的接入方法，其特征在于，
设所述等待时间为Tw，则满足：
Tw＞Tτmax+2Tpmax
其中，Tpmax为所述固定节点与所述移动节点的最大路径时延，Tτmax为针对所述多个固定节点的各个固定节点设定的回复确认包的最长的延迟时间。
8.根据权利要求1所述的接入方法，其特征在于，
在所述选择步骤中，所述移动节点根据从发送所述请求定位包至接收到各个所述固定节点回复的确认包所需的时间，计算所述移动节点与各个所述固定节点的路径时延，选择所述路径时延最小的固定节点作为中继节点。
9.根据权利要求8所述的接入方法，其特征在于，
在所述选择步骤中，根据计算选择最小的固定节点作为所述中继节点，
其中，为所述移动节点从发送所述请求定位包至接收到编号为n的固定节点回复的确认包所需的时间，为所述移动节点与所述编号为n的固定节点的路径时延，TΔτ预先被设为大于所述移动节点到任意两个所述固定节点间的传输时间差，0≤n≤N-1，n为固定节点的编号，N为所述多个固定节点的数量。
10.根据权利要求8所述的接入方法，其特征在于，
在所述选择步骤中，根据计算选择最小的固定节点作为所述中继节点，
其中，为所述移动节点从发送所述请求定位包至接收到编号为n的固定节点回复的确认包所需的时间，为所述移动节点与所述编号为n的固定节点的路径时延，为针对编号为n的固定节点设定的回复确认包的延迟时间，0≤n≤N-1，n为固定节点的编号，N为所述多个固定节点的数量。
11.根据权利要求1所述的接入方法，其特征在于，
所述自身状态信息包括所述移动节点的位置信息和所述中继节点的选择信息。
12.根据权利要求1或11所述的接入方法，其特征在于，
所述移动节点周期性地进行所述通信步骤。
13.一种移动装置，用于接入到水下传感网络，所述水下传感网络包括多个固定节点，所述多个固定节点中的一个固定节点为用于与控制中心进行通信的中心节点，
其特征在于，所述移动装置包括：
发送单元，以广播方式向所述多个固定节点发送请求定位包；
选择单元，根据从接收到所述请求定位包的固定节点回复的确认包，选择最近的固定节点作为中继节点；以及
通信单元，通过所述选择单元选择的中继节点向所述中心节点发送用于报告自身状态信息的数据包。
14.一种水下传感网络系统，包括多个固定节点，所述多个固定节点中的一个固定节点为用于与控制中心进行通信的中心节点，
其特征在于，
所述多个固定节点中的各个固定节点包括：
接收单元，接收来自移动节点的请求定位包；
回复单元，延迟预先设定的延迟时间，向所述移动节点回复确认包；
中继单元，接收来自所述移动节点的数据包，向所述中心节点中继所述数据包；
所述中心节点包括：
接收单元，接收来自移动节点的请求定位包；
回复单元，延迟预先设定的延迟时间，向所述移动节点回复确认包；
通信单元，将从所述中继单元或者所述移动节点接收到的数据包发送给所述控制中心，
其中，以各个固定节点回复的确认包不碰撞的方式预先设定所述延迟时间。
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