一种适用于水声局域网的多跳接入方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于水下声信道传感器网络技术领域，具体涉及一种适用于水声局域网的 多跳接入方法。
【背景技术】
[0002] 随着水下声通信技术的发展，水下声信道传感器网络引起了学术界及产业界的高 度重视。水下声信道传感器网络是一种利用声波来传输数据的通信网络，它能够被广泛地 应用于海洋环境监测、海洋科学数据采集、灾难早期预警及军事等领域。近年来，在陆地无 线通信领域，以WiFi网络为代表的无线局域网取得了巨大的成功。WiFi网络通过为用户 提供方便快捷的无线接入服务而极大地提高了互联网的用户接入量。同样，在水下建立类 似于WiFi网络的水声局域网能够有效地扩大水声网络的覆盖范围。此外，由于局域网能够 灵活部署，这种组网模式非常适用于水下网络的构建。因此，水声局域网具有巨大的应用前 景。而由于水下节点往往稀疏地分布在水下三维空间里，水声局域网通常需要采用多跳的 方式进行组网。
[0003] 在构建水声局域网时，需要解决的一个关键问题是待接入的新节点如何通过多跳 方式接入到网络中。当新节点能够通过多条中继路径接入网络时，该如何选择一条最佳的 中继路径？对于这些问题，目前尚无可行的解决方案。
【发明内容】
[0004] 为了解决上述的技术问题，本发明提供了一种适用于水声局域网的多跳接入方 法，其目的在于，实现水下节点通过多跳方式接入水声局域网中。
[0005] 本发明所采用的技术方案是：一种适用于水声局域网的多跳接入方法，其特征在 于：包括网络发现阶段、中继路径确定阶段和关联阶段三个步骤；
[0006] 所述的网络发现阶段，包括以下子步骤：
[0007] 步骤I. 1 :待接入节点首先广播一个网络探询请求包来查找可供接入的网络；
[0008] 步骤1. 2 : -旦有已接入网络的节点接收到该网络探询请求包，则该节点回复一 个网络探询响应包给待接入的节点；
[0009] 步骤1. 3 :当待接入节点收到网络探询响应包，说明附近存在可供接入的网络，此 时，待接入节点等待接收已接入节点发来的关联允许包；
[0010] 所述的中继路径确定阶段，由于可能存在不止一个已接入网络的节点收到待接入 节点发来的网络探询请求包，即可能存在多条可选的中继路径。在中继路径确定阶段，需要 为待接入节点确定出一条最佳的中继路径。由于水下节点通常采用电池供电，因此节能是 水下网络需要重点关注的问题。另外，水下多跳中继转发的模式往往导致节点具有不同的 负载量，因此它们的能量消耗不均衡。为了延长网络的寿命及提高网络的能量效率，本发明 提出一种基于路径寿命（LT)及路径能量效率（EE)的中继路径选择方法来进行中继路径确 定，具体实现包括以下子步骤：
[0011] 步骤2.I:当存在不止一条中继路径可供选择时，将往每条路径发送一个路径探 询包，该包能够收集各条路径的寿命及跳数信息；
[0012] 步骤2. 2 :当AP节点接收到所有的路径探询包后，就能够获得所有路径的路径寿 命（LT)及跳数彳目息；
[0013] 步骤2. 3 :AP节点将两两比较这些路径的路径寿命（LT)及跳数，当两个路径的路 径寿命（LT)相差大于20%时，AP节点将选择路径寿命（LT)长的路径作为中继路径，否则， AP将选择跳数小的路径作为中继路径；
[0014] 步骤2.4 :当AP确定好中继路径后，将给中继路径上的中继节点发送一个中继路 径确认包；
[0015] 步骤2. 5 :中继节点接收到中继路径确认包后将给待接入节点发送一个关联允许 包；
[0016] 其中，一条路径的路径寿命（LT)定义为当待接入节点接入到该路径后，该路径能 够生存的时间；对于一条N跳路径Phi=(VN,…，V1,AP)，其中节点Vi表示第i跳节点，AP 为该网络的接入点，其路径寿命为：
[0017] LTi=MinUtJiG(I, -,N)} (1);
[0018] 其中Iti为节点V^勺寿命；
[0019] 假设节点Vi的剩余能量为Ei，待接入节点接入之前Vi的负载量为S,bit/s，在待 接入节点接入之前\的中继负载量为Ribit/s;其中每个已接入网络的节点通过统计单位 时间内发送的比特量来获得Si的值，统计单位时间内接收到的中继数据量来得到Ri的值； 假设节点发送单位比特数据所消耗的能量为es，接收单位比特数据所消耗的能量为^，则 待接入节点接入该N跳路径之后，该路径能够生存的时间为：
【主权项】
1. 一种适用于水声局域网的多跳接入方法，其特征在于：包括网络发现阶段、中继路 径确定阶段和关联阶段三个步骤； 所述的网络发现阶段，包括以下子步骤： 步骤1. 1 :待接入节点首先广播一个网络探询请求包来查找可供接入的网络； 步骤1. 2 : -旦有已接入网络的节点接收到该网络探询请求包，则该节点回复一个网 络探询响应包给待接入的节点； 步骤1. 3 :当待接入节点收到网络探询响应包，说明附近存在可供接入的网络，此时， 待接入节点等待接收已接入节点发来的关联允许包； 所述的中继路径确定阶段，采用基于路径寿命（LT)及路径能量效率（EE)的中继路径 选择方法来进行中继路径确定，具体实现包括以下子步骤： 步骤2. 1 :当存在不止一条中继路径可供选择时，将往每条路径发送一个路径探询包， 该包能够收集各条路径的寿命及跳数信息； 步骤2. 2 :当AP节点接收到所有的路径探询包后，就能够获得所有路径的路径寿命 (LT)及跳数信息； 步骤2. 3 :AP节点将两两比较这些路径的路径寿命（LT)及跳数，当两个路径的路径寿 命（LT)相差大于20%时，AP节点将选择路径寿命（LT)长的路径作为中继路径，否则，AP 将选择跳数小的路径作为中继路径； 步骤2. 4 :当AP确定好中继路径后，将给中继路径上的中继节点发送一个中继路径确 认包； 步骤2. 5 :中继节点接收到中继路径确认包后将给待接入节点发送一个关联允许包； 其中，一条路径的路径寿命（LT)定义为当待接入节点接入到该路径后，该路径能够生 存的时间；对于一条N跳路径Phi= (V N,…，V1, AP)，其中节点Vi表示第i跳节点，AP为该 网络的接入点，其路径寿命为： LTi=MinIltiIi e (1，...，N)}; 其中Iti为节点Vi的寿命； 假设节点Vi的剩余能量为E i，待接入节点接入之前Vi的负载量为S i bit/s，在待接入 节点接入之前\的中继负载量为Ri bit/s ;其中每个已接入网络的节点通过统计单位时间 内发送的比特量来获得Si的值，统计单位时间内接收到的中继数据量来得到R i的值；假设 节点发送单位比特数据所消耗的能量为es，接收单位比特数据所消耗的能量为则待接 入节点接入该N跳路径之后，该路径能够生存的时间为：
其中λ为待接入节点的平均负载量，单位bit/s; 其中，路径能量效率（EE)定义为该路径替待接入节点每传输一个数据包至AP节点所 需消耗的能量；若待接入节点接入至N跳路径Phi,其数据包需要经过Ν+1次的中继转发才 能到达AP节点；对一个Ibit长的包，其转发至AP节点所需消耗的能量为（es+e>l* (Ν+1)， 因此该条路径的能量效率为：
其中，es为节点发送单位比特数据所消耗的能量，^为节点接收单位比特数据所消耗 的能量； 所述的关联阶段，当待接入节点接收到关联允许包后，即可通过关联操作来完成与AP 的关联。
2. 根据权利要求1所述的适用于水声局域网的多跳接入方法，其特征在于：所述的关 联阶段中，通过让节点建立MAC地址转发表来进行MAC层路由，以实现多跳中继转发；其 中，所述的MAC地址转发表的每条记录为一个二元组[目的地址，下一跳地址]，所有需要 多跳传输的包的头部均需四个地址字段，即"Send address"、"Receive address"、"Source address"、"Destination address"，其中 "Send address" 为该包当前的转发节点地址， "Receive address"为下一跳接收节点的地址，"Source address"为产生该包的节点的地 址，"Destination address"为该包最终的目的节点的地址；通过每个节点地址转发表及包 头的四个地址字段，即可实现MAC层的多跳中继转发；由于需要维护所述的MAC地址转发 表，在待接入节点发出关联请求后，中继路径上的所有节点需要更新自己的MAC地址转发 表，当所有节点完成了 MAC地址转发表更新，则中继节点向待接入节点发送一个关联确认 包，待接入节点接收到关联确认包后，即成功接入到了网络中。
3. 根据权利要求2所述的适用于水声局域网的多跳接入方法，其特征在于：所述的多 跳中继转发，其具体实现包括以下子步骤： 步骤3. 1 :当节点接收到一个包，它首先判断该包头部的"Receive address"值是否为 本节点的MAC地址；若是，则继续下一步处理；否则，丢弃该包； 步骤3. 2 :判断该包头部的"Destination address"值是否等于本节点的MAC地址；若 是，则把该包交付给上层协议处理；否则，继续下一步处理； 步骤3. 3 :根据该包头部的"Destination address"值查询MAC地址转发表，获得下一 跳MAC地址； 步骤3. 4 :更新该包的包头，即把"Send address"值更新为本节点的MAC地址，把 "Receive address" 值更新为下一跳 MAC 地址，保留"Source address" 值与"Destination address"值不变； 步骤3. 5 :把该包转发给下一跳节点。
【专利摘要】本发明公开了一种适用于水声局域网的多跳接入方法，包括网络发现、中继路径确定、关联三个阶段。在网络发现阶段，需接入网络的待接入节点首先通过广播网络发现探询包来探测可供接入的网络。在中继路径确定阶段，本发明提出一种基于路径寿命及能量效率的中继路径选择方法，该方法将优先选择寿命更长的路径作为中继路径，当路径的寿命相差不大时，将选择能量效率高的路径作为中继路径。在关联阶段，新节点完成与接入点的关联协商。为了实现多跳中继转发功能，本发现通过建立MAC地址转发表并查询该表来进行MAC层路由。本发明能够实现水声局域网中节点通过多跳方式接入网络的功能，并能够有效地延长网络的寿命及提高网络的能量效率。
【IPC分类】H04B13-02, H04L12-28
【公开号】CN104852771
【申请号】CN201510195334
【发明人】李德识, 廖子龙, 陈健
【申请人】武汉大学
【公开日】2015年8月19日
【申请日】2015年4月22日