CN114584503A - 面向信息融合处理的水声网络自主分簇方法 - Google Patents

面向信息融合处理的水声网络自主分簇方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及水声网络传输领域，具体涉及一种面向信息融合处理的水声网络自主分簇方法，具体通过监测到目标信息的网络节点进行簇头竞争，簇头竞争成功后，将其邻居节点作为簇成员节点，自主分簇组网，形成探测簇；簇头节点发送探测信息询问帧向簇成员节点索取目标状态信息；簇成员节点回复探测信息应答帧；簇头节点提取并保存应答帧中的探测信息，完成汇聚探测信息工作；为了跟踪不断移动的目标，设置簇头更新，新形成的簇头节点将其邻居节点作为新的簇成员节点，形成新的探测簇开始新的探测信息汇聚过程，直至目标消失。本发明可实现水声网络根据目标特征自主分簇，减少簇头竞争过程中的控制开销，缩短簇建立时间，提高信息传输效率。

Description

面向信息融合处理的水声网络自主分簇方法
技术领域
本发明涉及水声网络传输技术领域，具体涉及一种面向信息融合处理的水声网络自主分簇方法。
背景技术
近年来，随着海洋技术的深入发展，对海洋信息的获取需求越来越大，但以往的海洋信息探测手段主要依靠单一的水声传感器节点，只能实现单点探测。单点设备不仅信息获取量较少，且受节点自身噪声的影响难以得到准确、可靠的信息，特别是对于海洋动态目标信息的获取，单节点只能在动态目标经过自身时收集目标信息，不能持续探测目标信息。
发展多传感器信息融合技术，是有效提升区域内信息获取量和准确性的有效途径之一。该技术的实施基础是在区域内网络化布放的多节点，构建水声网络。当动态目标出现在水声网络内，该技术充分利用网络内多节点与目标近距离接触、多节点信息融合的优势，实现对海洋信息的全时空观测，可解决单节点集中式信息获取存在的问题。
将多节点信息汇聚到中心处理节点，是进行多传感器信息融合处理的基础。但由于水声信道的特殊性，水声网络内各节点信号的发射需要网络协议控制，如果不合理的控制各节点信号的发射，会造成多个信号间的冲突，进而降低网络的整体性能。然而如何将网络内多节点监测到的目标信息高效汇聚到中心节点，进行多节点信息融合，一直是限制水声多传感网络信息融合技术发展的难题。
基于此，本发明针对在海洋多传感器网络信息融合处理需求下，如何在水声网络内高效传输信息的问题，提出了一种面向信息融合处理的水声网络自主分簇方法。
本案由此产生。
发明内容
为了解决现有技术中存在的上述缺陷，本发明提供了一种面向信息融合处理的水声网络自主分簇方法,可实现水声网络根据目标特征自主分簇，减少簇头竞争过程中的控制开销，缩短簇建立时间，提高信息传输效率。
为了实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：
(1)在工作区域内按照一定拓扑结构，布放多个网络节点，组成水声网络；
进一步地，水声网络采用包含多个潜标的潜标组和包含多个浮标的浮标组，其中潜标作为网络节点监测目标，所述浮标作为浮标节点用于监测网络状态。
(2)动态目标出现在水声网络内，监测到目标信息的网络节点，广播簇头竞争帧，参与簇头竞争过程；
进一步地，簇头竞争帧包含目标信噪比信息；
进一步地，簇头竞争过程算法如下：
网络内各节点接收其它节点的簇头竞争帧，对比自身与其它节点的目标信号信噪比(未监测到目标信息的节点，对应的目标信噪比为无穷小)，如果发现存在信噪比高于自身的节点时，自动放弃成为簇头；如果在发射簇头竞争帧之后的一定时间内，未收到信噪比高于自身的簇头竞争帧，则自身成功竞争成为簇头。
(3)簇头竞争成功后，获取自身的邻居节点列表，将邻居节点作为簇成员节点，自主分簇组网，形成探测簇。
进一步地，邻居节点列表内保存与当前节点一跳可通信的节点编号信息，其信息维护过程通过可监测到的网络信号更新，具体过程为当前节点监测并提取网络内传输信号的源地址作为邻居节点，将源地址编号更新到邻居节点列表；
(4)在每个探测信息汇聚周期起始，簇头节点发送探测信息询问帧，向簇成员节点索取目标状态信息；
进一步地，探测信息询问帧包括需应答目标信息的簇成员节点编号、簇成员节点的应答时隙信息、簇头节点监测到的目标信噪比；
(5)簇成员节点收到探测信息询问帧后，在指定时隙，回复探测信息应答帧；
进一步地，探测信息应答帧包含目标特征信息、目标信噪比等探测信息；
(6)簇头节点收到探测信息应答帧后，提取并保存应答帧中的目标特征信息；
(7)簇头节点等待探测信息应答帧超时后，将目标特征信息打包，通过动态源路由协议，由水声链路将打包信息发送给浮标；浮标再将信息通过无线电发送给岸船监控中心，进行进一步的融合处理；
进一步地，动态源路由协议的具体实施过程为，簇头节点检测自身路由表中是否存在通往浮标节点的路由，如果存在，则直接将探测信息发送给浮标节点；如果不存在，则簇头节点向浮标组发射路由请求命令并接收其路由应答命令，建立通往浮标组的路由，之后根据新建路由，将探测信息发送给浮标节点。
进一步地，发往浮标组的路由请求命令是指，该路由请求命令的目的节点为任意浮标节点，不限定具体浮标节点编号，任意浮标节点收到该请求命令后，都回复路由应答指令，簇头节点挑选一条最短且最快能到达浮标节点的路径，作为探测信息上传的路径。
(8)网络更新簇头节点，新形成的簇头节点将邻居节点作为簇成员节点，更新探测簇，开始新的探测信息汇聚过程，直至目标消失。
进一步地，簇头更新过程算法如下：
簇头更新过程具体过程为在每个探测信息汇聚周期，簇头节点接收探测信息应答帧超时后，将自身监测的目标信噪比和收到簇成员节点的信噪比排序，信噪比最大的节点为下一个簇头，继续跟踪目标。
簇头转让过程为，如果下一个簇头不是当前簇头节点，则当前簇头节点向下一个簇头连续发送簇头转让帧三次，且自身放弃成为簇头，簇头转让帧的目的节点成为新的簇头，连续发送三次是提高簇头转让帧的接收成功率；如果下一个簇头仍是当前簇头节点，则无需进行簇头转让过程。
进一步地，簇头转让帧包含下一个簇头节点的节点编号信息。
进一步地，目标消失是指在单次探测信息汇聚周期内，上传探测信息的节点数量等于0。
本发明的效益主要体现在：
(1)本发明提供一种面向信息融合处理的水声网络自主分簇方法，可实现水声网络根据目标特征自主分簇，减少簇头竞争过程中的控制开销，缩短簇建立时间，提高信息传输效率。
(2)本发明提出一种被动邻居节点列表获取方法，节点不发射任何询问或请求信号，仅通过监听网络内传输的通信信号，通过提取通信信号的源地址来更新邻居节点列表，该过程可减少控制开销提高，提高信道利用率。
(3)本发明提出一种簇头自主转让方法，簇头节点通过汇聚到的目标特征信息，分析簇头节点是否需要转让，实现簇头节点随着探测过程动态变化，并在转让过程中连续3次发射簇头转让帧，提高转让过程成功率。
(4)本发明设计了多种控制帧结构，合理安排簇成员节点的发射延时和簇头节点的接收时隙次序，可保证簇头节点无碰撞地接收探测数据，提高传输效率。
附图说明
图1为本实施例面向信息融合处理的水声网络自主分簇方法工作流程；
图2为本实施例各种控制帧结构示意图；
图3为本实施例分布式网络布放示意图；
图4为本实施例网络节点竞争簇头示意图；
图5为本实施例簇头节点索取探测信息示意图；
图6为本实施例簇头更新过程示意图；
图7为本实施例簇头转让过程示意图；
图8为本实施例簇头节点自主转让过程示意图。
具体实施方式
为了使本发明的技术手段及其所能达到的技术效果，能够更清楚更完善的披露，兹提供了以下实施例，并结合附图作如下详细说明：
如图1所示，图1为本实施例面向信息融合处理的水声网络自主分簇方法工作流程，具体步骤如下：
(1)在工作区域内布放多个网络节点(节点1、节点2……、节点N)，组成水声网络；
(2)动态目标出现在水声网络内，监测到目标信息的网络节点广播簇头竞争帧，参与簇头竞争过程；
(3)某个网络节点(如节点1)簇头竞争成功后，将其邻居节点作为簇成员节点，自主分簇组网，形成探测簇；
(4)在每个探测信息汇聚周期起始，簇头节点发送探测信息询问帧，向簇成员节点索取目标状态信息；
(5)簇成员节点收到探测信息询问帧后，在指定时隙，回复探测信息应答帧；
(6)簇头节点收到探测信息应答帧后，提取并保存应答帧中的探测信息，完成汇聚探测信息工作；
(7)簇头节点将汇聚得到的探测信息打包由DSR协议上传发送探测信息；
(8)网络开始簇头更新过程，新形成的簇头节点将其邻居节点作为新的簇成员节点，形成新的探测簇，重复步骤(4)至(7)开始新的探测信息汇聚过程，直至目标消失。
本实施例结合在东极岛附近海域的海试试验和结果对本发明进行进一步详细说明：
如图2所示，图2为本实施例设计的多种控制帧结构，主要包括簇头竞争帧，探测信息询问帧，探测信息应答帧，簇头转让帧。帧长为14个字节，前三个字节固定为帧类型、发送节点号(源地址)和接收节点号(目的地址)，剩余字节包含信息不同，为每种帧结构特有，具体内容如图1所示，本次试验中探测信息指目标特征信息，可以为目标方位、多普勒等。
如图3所示，图3为本实施例分布式网络布放示意图，在东极岛附近海域布设21节点分布式网络，其中潜标17个(#46、#50、#41、#39、#49、#35、#48、#44、#43、#32、#51、#42、#53、#57、#54、#47、#37)，浮标4个(#2、#3、#4、#5)，其中主要由潜标自主组成分布式网络，对水下目标进行信息获取，浮标主要用于监测网络状态，并上传簇头节点的探测信息。图2中实线对应目标运动轨迹。
如图4所示，图4为本实施例网络节点竞争簇头示意图，当目标进入网络后，#46节点发现目标，首先广播簇头竞争帧。实验过程中，只有#46节点发射了簇头竞争帧，所以在3min内，没有其他节点广播簇头竞争帧，#46节点竞争成为簇头，#并获取自身的邻居节点列表(#41,#49,#35,#50,#39)，将邻居节点作为簇成员节点，形成探测簇。
如图5所示，图5为试验系统的岸基显控软件显示的网络状态信息，该信息由浮标节点监测并上传得到。在单个探测信息汇聚周期的起始阶段，由#46簇头节点发射探测信息询问帧(图5中09:58:35对应的命令)，索取簇成员节点的探测信息。簇成员节点收到该命令后，按照指定时隙，依次回应探测信息应答帧(图5中09:58:41～09:59:22间的命令，簇成员节点#41,#49,#35和#50应答了探测信息应答帧)，将信息汇聚到#46簇头节点，簇头节点通过动态源路由协议，将信息发送的岸船监控中心(图5中09:58:37～09:59:56间的命令)，簇头节点中有通往#2浮标的路由，所以直接将打包信息通过该路由发送。岸船监控中心对上传的信息进行融合处理。
#46簇头节点开始簇头更新过程，本次探测信息汇聚周期中#46簇头节点收到4个簇成员节点(#41,#49,#35,#50)的探测信息，将这5个节点的信噪比排序后，发现#46簇头节点接收到的目标信噪比最大，所以下一个探测信息汇聚周期，簇头节点仍为#46节点。之后随着目标运动，一直由#46节点作为簇头，汇聚并上传探测信息。
当目标远离#46节点，靠近#49节点时，如图6所示，根据本发明提出的簇头更新方法，将簇头从#46节点转让给#49节点。#46簇头节点在簇头更新过程中，发现#49节点的目标信噪比最高，所以#46节点发送簇头转让帧(对应图6中标注CLUSTER_HEARD_TRANS的箭头)，放弃成为簇头，#49节点接收簇头转让帧，成为新的簇头，完成簇头更新过程。之后#49节点作为簇头，其邻居节点(#35,46#,39#,43#)作为簇成员节点，开始新的探测信息汇聚过程。
如图7所示，#2和#3浮标同时监测到，#46节点连续三次向#49发送簇头转让帧，用于提高簇头转让帧的接收成功率。
如图8所示，在对运动目标的监测过程中，根据目标信状态特征，按照本发明所提方法，自主形成簇，并自主将簇头从46#节点依次转让给49#节点、32#节点、51#节点、53#节点、51#节点和32#节点(对应图8中实线)，依次形成新的探测簇，以实现对目标的随动跟踪监视。
以上内容是结合本发明的优选实施方式对所提供技术方案所作的进一步详细说明，不能认定本发明具体实施只局限于上述这些说明，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种面向信息融合处理的水声网络自主分簇方法，其特征在于，包括如下：
(1)在工作区域内布放多个网络节点，组成水声网络；
(2)动态目标出现在水声网络内，监测到目标信息的网络节点广播簇头竞争帧，参与簇头竞争过程；
(3)某个网络节点簇头竞争成功后，将其邻居节点作为簇成员节点，自主分簇组网，形成探测簇；
(4)在每个探测信息汇聚周期起始，簇头节点发送探测信息询问帧，向簇成员节点索取目标状态信息；
(5)簇成员节点收到探测信息询问帧后，在指定时隙，回复探测信息应答帧；
(6)簇头节点收到探测信息应答帧后，提取并保存应答帧中的探测信息，完成汇聚探测信息工作；
(7)簇头节点将汇聚得到的探测信息打包发送；
(8)网络开始簇头更新过程，新形成的簇头节点将其邻居节点作为新的簇成员节点，形成新的探测簇，重复步骤(4)至(7)开始新的探测信息汇聚过程，直至目标消失。
2.如权利要求1所述的面向信息融合处理的水声网络自主分簇方法，其特征在于，所述步骤(1)中，水声网络采用包含多个潜标的潜标组和包含多个浮标的浮标组，其中潜标作为网络节点监测目标，所述浮标作为浮标节点用于监测网络状态。
3.如权利要求1所述的面向信息融合处理的水声网络自主分簇方法，其特征在于，所述步骤(2)中，簇头竞争帧包含目标信噪比信息，簇头竞争过程为，网络内各节点接收其它节点的簇头竞争帧，对比自身与其它节点的目标信号信噪比，如果发现存在信噪比高于自身的节点时，自动放弃成为簇头；如果在发射簇头竞争帧之后的一段时间内，未收到信噪比高于自身的簇头竞争帧，则自身成功竞争成为簇头。
4.如权利要求1所述的面向信息融合处理的水声网络自主分簇方法，其特征在于，所述步骤(3)中，通过获取簇头节点自身的邻居节点列表确定其邻居节点，邻居节点列表内保存与当前簇头节点一跳可通信的节点编号信息；邻居节点列表维护方法为，当前簇头节点监测并提取网络内传输信号的源地址作为邻居节点，将源地址编号更新到邻居节点列表。
5.如权利要求3所述的面向信息融合处理的水声网络自主分簇方法，其特征在于，所述步骤(4)和(5)中，探测信息询问帧包括需应答目标信息的簇成员节点编号、簇成员节点的应答时隙信息、簇头节点监测到的目标信噪比；探测信息应答帧包含目标特征信息和目标信噪比。
6.如权利要求2所述的面向信息融合处理的水声网络自主分簇方法，其特征在于，所述步骤(7)中，簇头节点将打包后的探测信息通过动态源路由协议发送给浮标；浮标再将信息通过无线电发送给岸船监控中心，进行进一步的融合处理。
7.如权利要求4所述的面向信息融合处理的水声网络自主分簇方法，其特征在于，动态源路由协议的具体实施过程为，簇头节点检测自身路由表中是否存在通往浮标节点的路由，如果存在，则直接将探测信息发送给浮标节点；如果不存在，则簇头节点向浮标组发射路由请求命令并接收其路由应答命令，建立通往浮标组的路由，之后根据新建路由，将探测信息发送给浮标节点。
8.如权利要求7所述的面向信息融合处理的水声网络自主分簇方法，其特征在于，所述路由请求命令是指，该路由请求命令的目的节点为任意浮标节点，不限定具体浮标节点编号，任意浮标节点收到该请求命令后，都回复路由应答指令，簇头节点挑选一条最短且最快能到达浮标节点的路径，作为探测信息上传的路径。
9.如权利要求1所述的面向信息融合处理的水声网络自主分簇方法，其特征在于，所述步骤(8)中，簇头更新过程具体为，在每个探测信息汇聚周期，簇头节点接收探测信息应答帧超时后，将自身监测的目标信噪比和收到簇成员节点的信噪比排序，信噪比最大的节点为下一个簇头，继续跟踪目标；如果下一个簇头不是当前簇头节点，则当前簇头节点向下一个簇头发送簇头转让帧，进行簇头转让，且自身放弃成为簇头；如果下一个簇头仍是当前簇头节点，则无需进行簇头转让。
10.如权利要求9所述的面向信息融合处理的水声网络自主分簇方法，其特征在于，簇头转让帧包含下一个簇头节点的节点编号信息；发射簇头转让帧的具体方法为，当前簇头节点向下一个簇头连续发送簇头转让帧三次。
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