CN111093242A - 无线紫外光组网按需距离矢量路由方法 - Google Patents

无线紫外光组网按需距离矢量路由方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种无线紫外光组网按需距离矢量路由方法，通过建立移动条件下多条通信链路，在每个节点的路由列表里添加距离、角度、传输速率、权重信息，然后，根据权重最大原则，即选择节点列表中权重值最大时路径为最优路径。本发明一种无线紫外光组网按需距离矢量路由方法，在降低链路建立难度的同时还提高了链路建立的可靠性，由此提升了网络性能，并且可根据任务需求实时调整通信链路。

Description

无线紫外光组网按需距离矢量路由方法
技术领域
本发明属于通信技术领域，具体涉一种无线紫外光组网按需距离矢量路由方法。
背景技术
无线紫外光具有抗干扰性强、保密性高、可非直视通信、全天候工作等优势，规避了其他自由空间光通信需要对准的劣势。利用无线紫外光组网进行通信，可扩展通信范围，在军事领域以及复杂环境中前景良好。然而在复杂环境下进行军事作战时，需要根据任务要求选择直视与非直视通信方式，因此，传统固定场景下的路由方法将不再适用。节点的移动性会导致节点位置发生变化，会引起网络拓扑发生改变，路径可靠性降低，发生断裂的可能性增高，从而使得路由方法的性能变差，因此研究移动场景下的无线紫外光自组网路由方法很有必要。
路由方法作为自组织网络的重要研究内容，目前被提出来的路由方法主要分为两类：单路径路由方法和多路径路由方法。单路径路由方法是源节点与目的节点之间只存在一条可靠传输链路，当节点发生移动时，链路会因路径拥堵，或节点能量不足而产生断裂，进而不能继续进行数据传输，此时需要源节点重新启动路由去寻找一条新路径，会造成网络开销大，传输效率低，时延长等缺点。多路径路由方法是源节点与目的节点在信息传输的过程中有多路径，虽然考虑了负载均衡的问题，可以提高信息传输效率，但传统的多路径路由方法在移动场景下并不能兼顾直视与非直视通信，本发明对传统多径路由方法进行了改进，在移动场景下可根据任务需求实时调整信息传输路径，提升网络性能。
发明内容
本发明的目的是提供一种无线紫外光组网按需距离矢量路由方法，实现主从节点收发半双工UVLOS通信和主从节点收发半双工UVNLOS通信以实现最优路径的选择。
本发明的技术方案是：一种无线紫外光组网按需距离矢量路由方法，包括如下步骤：
步骤1：对主节点和从节点进行捕获、对准、跟踪；
步骤2：测量主节点和从节点间的通信距离、获取收发装置的方位角信息，用以确定主节点间的相对位置；
步骤3：建立移动条件下多条通信链路，在每个节点的路由列表里添加距离、角度、传输速率、权重信息；
步骤4：根据权重最大原则，即选择节点列表中权重值最大时路径为最优路径。
本发明的特点在于：
步骤1的具体过程如下：
步骤1.1：捕获
主节点和从节点处在任意初始位置，两者的初始相位差在0°-360°之间随机分布，主节点和从节点从任意相对位置与初始相位差的条件下实现对接，从节点接收到主节点发送的实时相角与方位信息，完成捕获过程；
步骤1.2：对准
完成捕获后，从节点对接收的实时转速、相位进行判断，调整从节点转速，使从节点的转速与主节点一致，达到两者直视通信的目的；
步骤1.3：跟踪
跟踪则是在主节点与从节点实现捕获和对准两个过程后，让收发装置保持在良好的动态对准状态，即保持在持续稳定的通信速率状态下即可。
步骤2的具体过程如下：
步骤2.1：求解主节点和从节点间的距离
根据朗伯W函数可以得到通信距离公式为：
Figure BDA0002333906000000031
d表示主从节点间的通信距离，Pt为紫外光的发射功率，Ar为紫外光接收装置的接收孔径面积，ke为大气消光系数，Pr为紫外光的接收功率；
步骤2.2：获取主从节点间的相位信息
假设主从节点已经实现了捕获、对准和跟踪，从节点在主节点的发光装置与正北方向成θ1角度时接收到最强光信号，主节点的发光装置与正北方向的夹角为θ2，可以通过指北模块获得，精度可以达到1°。
步骤3建立移动条件下多条通信链路为：
建立A-C-F、A-D-F、A-B-E-F的三条紫外光动态直视通信链路和A-B-C-F的一条紫外光动态非直视通信链路，A、B、C、D、E、F为通信节点，A、B、C、D、E、F之间均为通信连接。
A为发射装置，F为接收装置，其余B、C、D、E为接收装置或者发射装置。
本发明的有益效果是：
该方法将无线紫外光与自组织网络相结合，在紫外光发射装置与接收装置上配备方向指北模块，可以提供节点收发装置与正北方向的夹角，并且实时节点间距离可通过接收节点接收到的信号功率返演，然后每个节点存储相邻可通信节点的实时相位信息、实时节点间距离等用于计算节点间相对位置关系的信息。并将传输速率、权重等信息也添加在路由列表中，当节点移动时，会建立多条通信链路，可根据路由列表中的信息判断某一条通信链路建立的可靠性的高低，由此可根据任务需求实时选择最佳路径，进而提高网络整体性能。
具体具有如下效果：
(1)本发明提出的适用于移动场景下无线紫外光按需距离矢量路由方法，既保留了多条路径可以有效减小时延和丢包的优势，还可以在移动场景下根据任务要求选择最佳路径，实现较好质量通信。
(2)可以实现直视通信与非直视通信兼顾的传输方式，扩展了通信的传输范围，增加链路建立的可靠性。并且此方法实现过程简单，提升了网络性能。
附图说明
图1是本发明无线紫外光自组网通信链路图；
图2是收发一体的紫外光移动自组网通信节点装置；
图3是无线紫外光直视通信和非直视通信示意图；
图4是主从节点收发装置捕获前位置关系图；
图5是主从节点收发装置对准时位置关系图；
图6是传统按需多径距离矢量路由方法的实现过程图；
图7是移动条件下单条通信链路建立过程图。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施方式对本发明作进一步说明。
本发明一种无线紫外光组网按需距离矢量路由方法，包括如下步骤：
步骤1：主从节点的捕获、对准、跟踪；
步骤1.1：捕获
主节点和从节点处在任意初始位置，两者的初始相位差在0°-360°之间随机分布，主节点和从节点从任意相对位置与初始相位差的条件下实现对接，从节点接收到主节点发送的实时相角与方位信息，完成捕获过程；
步骤1.2：对准
完成捕获后，从节点对接收的实时转速、相位进行判断，调整从节点转速，使从节点的转速与主节点一致，达到两者直视通信的目的；
步骤1.3：跟踪
跟踪则是在主节点与从节点实现捕获和对准两个过程后，让收发装置保持在良好的动态对准状态，即保持在持续稳定的通信速率状态下即可。
步骤2：测量主从节点间的通信距离、以及收发装置的方位角，确定主节点间的相对位置。
步骤2的具体过程如下：
步骤2.1：求解主节点和从节点间的距离
根据朗伯W函数可以得到通信距离公式为：
Figure BDA0002333906000000061
d表示主从节点间的通信距离，Pt为紫外光的发射功率，Ar为紫外光接收装置的接收孔径面积，ke为大气消光系数，Pr为紫外光的接收功率；
步骤2.2：获取主从节点间的相位信息
假设主从节点已经实现了捕获、对准和跟踪，从节点在主节点的发光装置与正北方向成θ1角度时接收到最强光信号，主节点的发光装置与正北方向的夹角为θ2，可以通过指北模块获得，精度可以达到1°。
步骤3：在每个节点的路由列表里添加距离、角度、传输速率、权重等信息；建立移动条件下多条通信链路为：
建立A-C-F、A-D-F、A-B-E-F的三条紫外光动态直视通信链路和A-B-C-F的一条紫外光动态非直视通信链路，A、B、C、D、E、F为通信节点，A、B、C、D、E、F之间均为通信连接，具体的，A为发射装置，F为接收装置，其余B、C、D、E为接收装置或者发射装置。
步骤4：根据权重最大原则，选择最优路径。
步骤4的具体过程为：表1节点A路由信息表
Figure BDA0002333906000000062
表2节点B路由信息表
Figure BDA0002333906000000071
表3节点C路由信息表
Figure BDA0002333906000000072
表4节点D路由信息表
Figure BDA0002333906000000073
表5节点E路由信息表
Figure BDA0002333906000000074
表6节点F路由信息表
Figure BDA0002333906000000081
如表1节点A路由信息表，假设A与B、C、D建立直视通信时的传输速率均为10Kbit/s，则将相应的权重分别记为10，因此可以得出三条链路通信质量一样，选择哪一条都可以达到高质量通信。
表2为节点B路由信息表，假设B与A、E、C在捕获、对准、跟踪的过程中建立直视通信时的传输速率分别为10Kbit/s、10Kbit/s、2Kbit/s,则将相应的权重分别记为10、10、2,则选择B-A与B-E链路可达到较好通信，但当B与A与E之间链路发生中断时，可以选择权重为2的B-C链路，该链路为非直视通信。
表3为节点C路由信息表，假设C与F、A、B在捕获、对准、跟踪的过程中建立直视通信时的传输速率分别为10Kbit/s、10Kbit/s、2Kbit/s,则将相应的权重分别记为10、10、2,则选择C-F与C-A链路可达到较好通信，但当C与A与F之间链路发生中断时，可以选择权重为2的C-B链路，该链路为非直视通信。
表4为节点D路由信息表，假设D与F、A在捕获、对准、跟踪的过程中建立直视通信时的传输速率分别为10Kbit/s、10Kbit/s,则将相应的权重分别记为10、10,则选择C-F与C-A链路可达到较好通信，该链路为直视通信。
表5为节点E路由信息表，假设E与F、B在捕获、对准、跟踪的过程中建立直视通信时的传输速率分别为10Kbit/s、10Kbit/s,则将相应的权重分别记为10、10,则选择E-F与E-B链路可达到较好通信，该链路为直视通信。
表6为节点F路由信息表，假设F与D、C、E在捕获、对准、跟踪的过程中建立直视通信时的传输速率分别为10Kbit/s、10Kbit/s、10Kbit/s,则将相应的权重分别记为10、10、10,则选择F-D、F-C、F-E链路均可达到较好通信，该链路为直视通信。
根据6个表中的链路信息，则可以得出当直视链路未发生断裂时，选择三条直视链路时，通信质量最好，当直视链路发生断裂时当直视链路未发生断裂时，可以选择非直视链路A-B-C-F进行通信。
本发明基于如下原理：
无线紫外光通信利用大气分子以及气溶胶微粒的散射特性实现信息传输，可分为直视通信与非直视通信两种方式。直视通信是非直视通信的一种特殊方式。图3简单示意了直视通信(LOS)方式与非直视通信(NLOS)方式。其中TX表示的是发射端，RX表示的是接收端。(a)是紫外光直视通信方式示意图，(b)是紫外光非直视通信方式示意图。
利用空分复用理念，设计的紫外光移动自组网收发信装置如图2所示，包括主节点和从节点，主节点和从节点分别与伺服电机电路连接，主从节点的相邻面分别装配紫外光发射装置与紫外光接收装置，为了规避自身发射光源对检测装置产生的干扰，发射装置与接收装置呈90°正交布局，主节点和从节点顶部均设置有方向指北模块，主节点和从节点内部还设置有紫外光检测装置，紫外光检测装置与紫外光接收装置、紫外光发射装置相邻设置。其中“×”代表紫外光发射装置，例如紫外光LED(LightEmittingDiode,LED)，“○”代表紫外光的检测装置，例如光电倍增管。θ1表示主节点的偏轴角(主节点旋转的角度，即节点发射装置与正北方向的夹角)，θ2表示从节点的偏轴角(从节点旋转的角度，即节点收端装置与正北方向的夹角)，可通过装置顶端的指北装置实时反映。Φ1表示主节点的紫外光源的发散角，Φ2表示从节点的紫外光源接收装置的视场角，V1表示主节点的转速，V2表示从节点旋转的线速度，主从节点分别以相同的速率顺时针和逆时针旋转，当从节点的光电倍增管的视场角在主节点的LED发散角范围内时，可以实现主从节点发收的半双工紫外光(Ultraviolet,UV)直视(LineofSight,LOS)通信，如图2中实线阴影部分。图2中虚线阴影部分表示主从节点发收的半双工UVNLOS(Non-Line-of-Sight，NLOS)通信。当主从节点所旋转的角度θ1和θ2均为90°时，实现主从节点收发半双工UVLOS通信，此时从节点为发射装置。当主从节点所旋转的角度θ1和θ2大于90°时，实现主从节点收发半双工UVNLOS通信。综上分析可得，收发一体的UV移动自组网节点装置可以实现主从节点LOS通信和NLOS通信的任意切换和双向半双工通信，由于主从节点的收发装置一致，因此主从节点可以互换。
紫外光移动自组网通信链路建立的前提是要实现单条链路节点间的捕获、对准与跟踪。收发装置完成捕获前位置关系如图4所示。图中CT是发射装置形成的发射光锥(发散角较小)，CR是接收装置形成的视场光锥(视场角较大)。主从节点装置处在任意初始位置，两者的初始相位差在0°-360°之间随机分布。主从节点从任意相对位置与初始相位差的条件下实现对接，从节点接收到主节点发送的实时相角与方位等信息，完成捕获过程。对准指的是完成捕获后，从节点对接收的信息进行处理，调整自身旋转速度，并且在主节点旋转几个周期以后，从节点与主节点能够实现相同的相角，达到两者直视通信的目的。主从节点收发装置实现对准时候的位置关系如图5所示。跟踪则是在主节点与从节点实现捕获和对准两个过程后，让收发装置保持在良好的动态对准状态。
图6是传统按需多径距离矢量路由方法的实现过程。在图中，源节点用S表示，目的节点用D表示，网络中的中间节点用A、B、E、F、G、H、I表示，实线表示的是正向建立的传输路径，虚线表示的是反向建立的传输路径。假设源节点S需要传输数据包给目的节点D，那么就需要在源节点S和目的节点D之间建立信息传输的路径。第一步，源节点S将路由请求消息广播给邻居节点A和B，A、B查看自己的路由列表中不存在到达D的传输路径，将消息保留下来，然后继续转发至下一个邻居节点，下一节点继续按照前面的方法完成传输任务，在转发过程中按照先到优先的原则保留消息，其余丢弃掉，直到找到了S到达D的信息传输路径，正向路径建立完成。将路由请求消息反向回复给源节点A，反向路径也就建立完成了。
移动条件下单条通信链路建立过程如图7所示。当A要建立到D的链路时，会向周围节点发布广播消息，B节点收到消息后调整转速，与A建立动态直视通信，同时B向周围节点发送要与D建立连接的广播消息，C收到消息与B建立动态直视通信，依次类推直到A与D建立多级动态直视通信的可靠链路。如果移动中C节点的动态直视通信链路断裂，B节点立刻开始广播要与D节点建立联系的消息，此时如果D节点在有效通信距离内，则收到广播消息的D节点调整转速与B节点建立动态链接的直视通信，实现移动中的A节点到D节点的直视链路的保持。所有节点在广播需要建立链路消息的同时，广播自己节点的相位，以及实时节点间距离信息。相位信息可通过装置顶端的指北装置实时反映，实时节点间距离可通过接收节点接收到的信号功率返演，然后每个节点存储相邻可通信节点的实时相位信息、实时节点间距离等用于计算节点间相对位置关系的信息。
图1为无线紫外光自组网通信链路，从A到F就形成了四条链路，其中紫外光动态直视通信链路3条：(1)A-C-F；(2)A-D-F；(3)A-B-E-F；紫外光动态非直视通信链路1条：A-B-C-F，从图6可以看出，A节点在有效通信距离内同时可以与B、C、D建立动态直视链路通信，此时A、B、C、D装置配置有方向指北模块，可以随时随地实时感应彼此的相对角度信息，分别记为θAB、θBA、θCA、θAC、θAD、θDA，节点间距离可通过公式(1)计算出，分别记为dAB、dAC、dAD，具体如表1所示。假设A与B、C、D建立直视通信时的传输速率均为10Kbit/s，则将相应的权重分别记为10，因此可以得出三条链路通信质量一样，选择哪一条都可以达到高质量通信。
本发明作为紫外光移动自组网路由的一个重要方法，既实现了紫外光直视通信与非直视通信兼顾的传输方式，又扩大了通信范围，并且方法实现过程简单，适用于保密通信系统。

Claims (5)

1.一种无线紫外光组网按需距离矢量路由方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：对主节点和从节点进行捕获、对准、跟踪；
步骤2：测量主节点和从节点间的通信距离、获取收发装置的方位角信息，用以确定主节点间的相对位置；
步骤3：建立移动条件下多条通信链路，在每个节点的路由列表里添加距离、角度、传输速率、权重信息；
步骤4：根据权重最大原则，即选择节点列表中权重值最大时路径为最优路径。
2.如权利要求1所述的一种移动场景下无线紫外光组网按需距离矢量路由方法，其特征在于，所述步骤1的具体过程如下：
步骤1.1：捕获
主节点和从节点处在任意初始位置，两者的初始相位差在0°-360°度之间随机分布，主节点和从节点从任意相对位置与初始相位差的条件下实现对接，从节点接收到主节点发送的实时相角与方位信息，完成捕获过程；
步骤1.2：对准
完成捕获后，从节点对接收的实时转速、相位进行判断，调整从节点转速，使从节点的转速与主节点一致，达到两者直视通信的目的；
步骤1.3：跟踪
跟踪则是在主节点与从节点实现捕获和对准两个过程后，让收发装置保持在良好的动态对准状态，即保持在持续稳定的通信速率状态下即可。
3.如权利要求1所述的一种移动场景下无线紫外光组网按需距离矢量路由方法，其特征在于，所述步骤2的具体过程如下：
步骤2.1：求解主节点和从节点间的距离
根据朗伯W函数可以得到通信距离公式为：
Figure FDA0002333905990000021
d表示主从节点间的通信距离，Pt为紫外光的发射功率，Ar为紫外光接收装置的接收孔径面积，ke为大气消光系数，Pr为紫外光的接收功率；
步骤2.2：获取主从节点间的相位信息
假设主从节点已经实现了捕获、对准和跟踪，从节点在主节点的发光装置与正北方向成θ1角度时接收到最强光信号，主节点的发光装置与正北方向的夹角为θ2，可以通过指北模块获得，精度可以达到1°。
4.如权利要求1所述的一种移动场景下无线紫外光组网按需距离矢量路由方法，其特征在于，所述步骤3建立移动条件下多条通信链路为：
建立A-C-F、A-D-F、A-B-E-F的三条紫外光动态直视通信链路和A-B-C-F的一条紫外光动态非直视通信链路，所述A、B、C、D、E、F为通信节点，所述A、B、C、D、E、F之间均为通信连接。
5.如权利要求4所述的一种移动场景下无线紫外光组网按需距离矢量路由方法，其特征在于，所述A为发射装置，F为接收装置，其余B、C、D、E为接收装置或者发射装置。
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CN111756440A (zh) * 2020-07-30 2020-10-09 江苏崛起通讯科技有限公司 无线紫外光非视距通信网络的连通方法

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