专利名称：一种水声传感器网络系统及其拓扑初始化方法
技术领域：
本发明涉及传感器网络技术领域，具体地说，本发明涉及一种水声传感器网络系统及其拓扑初始化方法。
背景技术：
传统陆地用无线传感器网络是由部署在检测区域内大量廉价微型传感器节点组成，通过无线通信方式形成的具有一定拓扑结构的自组织系统，它具有自组织性、动态性、 以数据为中心、与应用密切相关等特点。无线传感器网络中的节点可以采用各种类型的传感器(如声、光、电、热传感器等)，就接入媒体而言，传统陆地用无线传感器网络大都以大气为接入媒体，并且普遍采用电磁波作为传输数据的载体。就拓扑结构而言，目前无线传感器网络主要有星型网络、点对点网络、自组织网络与分簇网络。上述现有的各种拓扑结构的都难以适应水下应用环境。其原因如下1、水声传感器网络节点造价较高，每个节点都要负责尽可能大的检测面积，因此大多采取稀疏布放方式。在稀疏布放方式中，水声传感器网络中每个节点只能与少数的相邻节点通信。而现有技术中的星型网络、点对点网络、自组织网络等拓扑结构都要求网络中任意两个节点均可进行通信，因此它们均不满足稀疏布放方式的要求。2、由于采取稀疏布放方式，水声传感器网络中的各节点数据之间的相关性很小， 几乎没有冗余数据，因此需要保证每个节点都有可靠的数据上传链路。现有的分簇网络中， 一定范围内的节点会自发地选举产生一个簇头节点，并由簇头负责本簇的对外通信。然而， 当采用稀疏布放方式时，不能保证每个所选举出的簇头节点都有可靠的数据上传链路，因此分簇网络也不满足稀疏布放方式的要求。3、在陆地无线传感器网络中，信号在空气中以光速传播，收发时延很小，一般可以忽略。而在水下则只能利用声信号进行信息的传输，其网络节点间传输时延较大，因此难以实现精确的定时与全网时间同步。4、在水下声传感器网络中，由于自然环境因素，传感器节点的位置会受到较大的扰动，因此难以形成稳定的规则网络形状(如正方形、三角形网络等)，这就对水下传感器网络对自组织能力提出了更高的要求。综上所述，目前的无线传感器网络无法适用于水下应用环境，当前迫切需要一种能够适用于水下应用环境的传感器网络系统。
发明内容
本发明的目的是提供一种适于水下应用环境的水声传感器网络系统及其拓扑初始化方法。为实现上述发明目的，本发明提供了一种水声传感器网络系统，包括汇聚节点和传感器节点，其中，汇聚节点为第0层节点，与汇聚节点的距离在水声通信极限距离(即有效通信范围)以内的传感器节点为第1层节点；对于每个第i层节点，除去上层节点和同层节点外，与该第i层节点的距离在水声通信极限距离以内的传感器节点为第i+Ι层节点，其中i = 1，2，3......，即i为正整数，第i层节点是第i+Ι层节点的上层节点；所述传感器节点用于向上层节点上传本节点所采集的数据，以及向上层节点转发该节点所接收到的由下层节点上传的数据，以及向下层发送或转发控制信息；所述汇聚节点用于接收各传感器节点逐层上传的数据，并向下层节点发送控制信肩、O其中，所述水声传感器网络系统所使用的频带包括第一、第二、第三数据信息频带；若某个节点层次为N，满足N mod 3 = 0，则该节点为1类节点(mod为取余数运算)，满足N mod 3 = 1，则该节点为2类节点，满足N mod3 = 2则该节点为3类节点，1类节点与2 类节点、2类节点与3类节点、3类节点与1类节点之间的通信分别采用第一、第二、第三数据信息频带。其中，所述水声传感器网络系统所使用的频带还包括控制信息窄带，各节点之间的控制信息(在某些情况下)可以使用控制信息窄带进行传输。其中，当一个节点同时可以与多个上层节点通信时，将其中一个上层节点确定为父节点，并确定另外的上层节点为伪父节点，该节点优先通过其父节点上传数据。其中，当一个节点同时可以与多个下层节点进行通信时，判断各下层节点的父节点的优先级，当自己的优先级比所述下层节点的父节点高，且该下层节点的父节点为同层节点时，确定该下层节点为自己的子节点；当自己的优先级比所述下层节点的父节点低，且该下层节点的父节点为同层节点时，确定该下层节点是自己的伪子节点。其中，每个传感器节点均在本地保存该传感器节点的局部拓扑信息，所述局部拓扑信息包括父节点编号，伪父节点编号及数量，子节点编号及数量，伪子节点编号及数量， 以及通信范围内的同层节点编号及数量。其中，所述汇聚节点数目大于1，每个汇聚节点控制的传感器网络系统的一个区域；所述传感器节点在本地保存的局部拓扑信息包括区域内伪父节点编号，区域内伪子节点编号，区域间伪父节点编号，以及区域间伪子节点编号及数量。本发明还提供了一种水声传感器网络系统的拓扑初始化方法，包括下列步骤1)汇聚节点发出拓扑生成帧，所述拓扑生成帧携带本地的局部拓扑信息；2)传感器节点接收到所述汇聚节点发出的拓扑生成帧后，更新本地的局部拓扑信息，并发送新的拓扑生成帧，该拓扑生成帧携带本地的局部拓扑信息；3)传感器节点接收到其它传感器节点发出的拓扑生成帧后，更新本地的局部拓扑信息，并发送新的拓扑生成帧，该拓扑生成帧携带本地的局部拓扑信息；4)步骤幻不断重复直至所有传感器节点的局部拓扑信息更新完毕；所述局部拓扑信息包括父节点编号，伪父节点编号及数量，子节点编号及数量，伪子节点编号及数量， 以及通信范围内的同层节点编号及数量。其中，所述步骤幻中，在更新本地的局部拓扑信息后发送拓扑生成回复包，拓扑生成回复包携带父节点编号，子节点编号以及子节点层数信息，上层节点根据拓扑生成回复包更新其局部拓扑信息中的子节点与伪子节点信息。其中，所述步骤幻中，传感器发送新的拓扑生成帧前需等待一定时间，以使所有可通信上层节点的拓扑生成帧均接收完毕。
与现有技术相比，本发明具有下列技术效果1、本发明中每个节点只需要与少量的相邻节点通信，满足稀疏布放方式的要求；2、本发明中每个节点都有可靠的数据上传链路；3、本发明不需要进行精确的定时与全网时间同步；4、本发明对网络形状没有特殊要求，可适用于各种不规则的网络形状。
图1为本发明一个实施例中的层次型拓扑传感器网络示意图；图2为本发明一个实施例中的多路径转发示意图；图3为本发明一个实施例中优先级规则示意图；图4为本发明一个实施例中TOPO INIT帧结构示意图；图5为本发明一个实施例中TOPO ACK帧结构示意图；图6为本发明一个实施例中节点发送数据的状态转移示意图；图7为本发明一个实施例中READY帧结构示意图；图8为本发明一个实施例中COMPETE帧结构示意图；图9为本发明一个实施例中CTS帧结构示意图；图10为本发明一个实施例中STOP帧结构示意图；图11为本发明一个实施例中ACK帧结构示意图；图12为本发明一个实施例中RTS帧结构示意图；图13为本发明一个实施例中DATA帧结构示意图；图14为本发明一个实施例中FINISH帧结构示意图；图15为本发明一个实施例中节点接收数据的状态转移示意图；图16为本发明一个实施例中的传感器网络的工作周期示意图；图17为本发明一个实施例中数据传递方向示意图；图18为本发明一个实施例中数据传输阶段子节点向父节点发送数据的流程图 (采用接收端控制碰撞模式)；图19为本发明一个实施例中数据传输阶段子节点向父节点发送数据的流程图 (采用发送端控制碰撞模式)；图20为本发明一个实施例中数据传输阶段父节点接收子节点数据的流程图(采用接收端控制碰撞模式)；图21为本发明一个实施例中数据传输阶段父节点接收子节点数据的流程图(采用发送端控制碰撞模式)；图22为本发明一个实施例中一种信息帧频带划分方案示意图；该方案中将整个频带分为数据信息频带和控制信息窄带；图23为本发明一个实施例中含有多个汇聚节点网络的示意图；图M为本发明一个实施例中另一种信息帧频带划分方案示意图；该方案中不含专门的控制信息窄带；图25为本发明一个实施例中拓扑初始化阶段节点的处理流程示意图；图沈为本发明一个实施例中的信息帧频带分配方案示意图27为本发明一个实施例中接收端控制碰撞模式与发送端控制碰撞模式的性能对比示意图；图观为本发明一个实施例中各信息帧的重要程度和重传次数的示意图；图四为本发明一个实施例中区域内层次问题的第一种情况，同层次节点间拓扑初始化信息的处理方式的示意图；图30为本发明一个实施例中区域内层次问题的第二种情况，在某些节点损坏情况下造成的初始化问题处理方式的示意图；图31为本发明一个实施例中区域内层次问题的第三种情况，一种特殊条件下造成的初始化问题的处理方式的示意图；图32为本发明一个实施例中区域间边缘节点的示意图；图33为本发明一个实施例中两区域节点对边缘节点进行拓扑初始化的示意图；图34为本发明一个实施例中当传输过程中产生干扰情况时的处理方式示意图。
具体实施例方式下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步地描述。根据本发明的一个实施例，提供了一种水声传感器网络系统，该水声传感器网络系统是节点层次型布放的水下数据采集网络，它包括汇聚节点和普通传感器节点(下文中简称传感器节点)。其中，汇聚节点是具有较强处理能力，能够将普通的传感器节点发过来的数据进行融合并以一定方式(如有线、射频等)传送给上级接收单位(如水面船只等)的节点，一般由有线或无线发射模块、水下声通信模块、信息处理与存储模块、能量供应模块等组成。传感器节点是可以将待探测的水下信息(如温度、盐度深度等)转换为数字信号并由水下声信道传递给上层节点或汇聚节点的节点，传感器节点可以由传感器模块、处理器模块、水下声通信模块和能量供应模块组成。如图1所示，本实施例的水声传感器网络系统以汇聚节点为中心部署各传感器节点形成层层包围型网络。为使图面清楚，图1中仅简单地用同心圆来表示层次关系，实际上，各节点的层次按下列方法判定汇聚节点为第0层节点，与汇聚节点的距离在水声通信极限距离以内的传感器节点为第1层节点；对于每个第i层节点，除去上层节点和同层节点外，与该第i层节点的距离在水声通信极限距离以内的传感器节点为第i+ι层节点，其中i
为正整数，即i = 1,2,3......，上层节点是层号较小的节点。应当理解，在节点布放位置较
为准确时，上述判定规则形成的层次关系与图1所示的同心圆型层次关系是相同的。由于水下声网络的节点成本很高，所以只能稀疏布放，以求有最大的覆盖面积。因此，本实施例层与层之间的划分准则为相邻层次可以直接通信，且非相邻层次(不包括同层)无法直接通信。可以通过控制节点之间距离以及节点功率实现上述准则。比如，可以先设定每个节点的功率阈值，对于任一节点，在接收到水声信号后，如其功率低于所述功率阈值，则丢弃该水声信号。由于水声信号随着距离的增加而衰减，因此传感器网络中的每两个节点之间都会自然形成水声通信极限距离，当两个节点间的距离小于等于水声通信极限距离时，这两个节点能够直接通信，二者为相邻节点，当两个节点间的距离大于水声通信极限距离时，这两个节点不能直接通信，二者为不相邻节点。本实施例中，节点之间距离较远(一般相距千米以上)，属于稀疏网络，不同节点所采集的数据相关性较小，数据没有冗余， 即每个节点都需要将数据传送给汇聚节点，并且每个节点需要传送的数据量较大。同时，传感器节点存在能量供应不足的问题，所以应尽量减少信号碰撞造成的通信中断，以节省能源。本实施例的水声传感器网络系统采用突发性连续工作方式。节点大多数时间处于休眠状态。当开始工作时，汇聚节点首先向全网发送指令，将所有节点唤醒，并启动传感器收集数据(如温度、盐度、深度等)。每个节点都要将该节点所收集的数据传递给汇聚节点。 当网络中所有节点的数据全部完成传输后，所有节点进入休眠状态。下面分7个部分详细介绍本实施例的水声传感器网络系统的各个方面。这6个部分分别是拓扑结构、媒体接入控制(MAC)方法、转发方式及转发优先级的确定方法、总体工作流程、拓扑初始化方法、数据传输方法以及关于特殊问题的讨论。一、拓扑结构本实施例采用了分层次拓扑结构。如图1所示，本实施例的层次型网络包含2种节点汇聚节点与普通的传感器节点。整个网络可以根据实际情况部署多个汇聚节点，每个汇聚节点固化各不相同的区域信息以便在拓扑生成时将每个传感器节点划归到正确的区域中。 本实施例还可以以各汇聚节点为中心，形成多个小规模层次型网络，如图23所示。边缘节点可根据本实施例中的子节点、父节点的优先级原则(这一部分将在下文中描述)归属到特定的网络范围之内。本实施例中，规定汇聚节点为第0层，与之相邻的下一层可通信节点为第1层，与第2层相邻的下一层可通信节点为第2层，依次类推。如图1所示，层与层之间分隔的标准如下利用通信的距离做为划分层次的标准，通信距离的度量就是接收机信号的强度。 假设各节点发射机的型号相同且能源供应充足，从而各节点发出的水声信号强度大体相同，设为A。在接收端，信号经过水声信道传输后会有所衰减，衰减的大小为距离的函数。在接收端的信号强度可以表示为Ar = AtXA1其中，I是接收节点收到的幅度，A是发射节点发出的信号幅度，A1代表传播过程中的幅度的减小系数，该系数是两节点间距离的函数。在拓扑形成过程中，当Ar的幅度小于某个预先设定的门限值时，接收节点将不对此信号做任何处理，这就保证了拓扑结构中相邻两层之间的节点通信都处于可以保证的可靠的范围之内。二、媒体接入控制(MAC)方法本实施例采用基于竞争的媒体接入方式，允许节点按需争用信道。争用信道的机制采用类似MACA的RTS、CTS握手方式，但根据水声信道的特点进行了相应改进。(1)本实施例中，层与层之间的通信采用分层频率分割机制。各层之间通信(主要是指数据上传)所使用的频带被划分为三段，分别为第一、第二、第三数据信息频带，具体规划如图26所示。其中1类节点的层次满足(设节点层次为N，mod为取余数运算)N mod 3 = 0 ；
2类节点的层次满足N mod 3 = 13类节点的层次满足
N mod 3 = 21类节点与2类节点、2类节点与3类节点、3类节点与1类节点之间的通信分别采
用第一、第二、第三数据信息频带。本实施例中，对于出现频率最高的3种帧RTS、CTS、ACK，可以按规则单独划分出窄带进行传输，该窄带称为控制信息窄带，其划分方式如图22所示。值得说明的是，本实施例中的控制信息窄带是可以取消的，此时RTS、CTS、ACK帧可直接使用相应的数据信息频带进行传输。不采用控制信息窄带传输的分层频率分割机制的频率分割法如图24所示，频带规划如图26所示。在频带资源不很紧张时，可以设置控制信息窄带，这样可以使同层节点在接收时互不干扰，在很多情况下同层节点可以同时工作。在频带资源紧张时，可以不设置控制信息窄带。此时，由于同层节点向下层发送的控制信息与下层节点发来的数据信息在同一频段，会发生干扰，所以同层的在相互通信范围内的节点无法同时工作。本实施例的媒体接入控制方案可以采用发送端控制碰撞方案，也可以采用接收端控制碰撞方案(具体内容将在下文中详细介绍，二者性能对比可参见图27)。当采用发送端控制碰撞时，必须设置控制信息窄带。(2)本实施例根据网络的特点采用选择重传ARQ(AutomaticR印eat-reQuest)机制，该机制中，数据发送方发送完数据后不会立刻将该数据销毁，而是存入一个缓存。当接收方收到的所有帧都正确时，判断接收成功，此时才将缓存清空；当接收端检测到某个帧出现错误或丢失了某些帧时，将错误帧或丢失帧的序号发送给数据发送方，发送方重发这些的数据帧。相应的，发送方在没有接到接收方的确认信息或确认信息序号跳跃的情况下，将重传这些没有被确认的信息帧。(3)本实施例还需要设置发送窗口。发送窗口就是发送端在没有得到接收端确认的情况下允许发送的数据信息帧个数。为充分利用信道，本协议采用下述公式计算发送端窗口的大小。
「 Ν 2 Wg其中Ntw，是发送窗口大小；Dest是发送节点与接收节点间的距离，可以通过接收信号的强度估算出来；vs是声音在网络所工作水声环境中的传播速度；Tg是为了避免由于估算不准确而引入的保护时间间隔，根据具体情况赋值；tp是发送一帧数据所用的时间；tg是发送两帧数据中间的间隔时间，根据具体情况赋值。(4)本实施例具有发送方超时重传机制。发送方在发送每一数据帧时都启动重传计时器进行倒计时。协议规定在下述两种条件任何一种满足时重传数据帧1、在没有接到某个序号(X)数据帧的ACK并且该帧的重传计时器值减为0 ；2、跳跃序号接到了其他帧的 ACK，并且ACK中携带了序号为X的帧的重传信息(ACK的帧结构见图11)。在优选实施例中超时重传的次数设定为5次。如果超过5次后还没接到回复ACK，就认为通信链路被切断，将错误记录并报告给上层控制程序。本实施例的重传计时器的初始值用如下公式计算
权利要求
1.一种水声传感器网络系统，包括汇聚节点和传感器节点，其中，汇聚节点为第0层节点，与汇聚节点之间的距离在有效通信范围以内的传感器节点为第1层节点；对于每个第 i层节点，除去上层节点和同层节点外，与该第i层节点的距离在有效通信范围以内的传感器节点为第i+ι层节点，其中i为正整数，第i层节点是第i+ι层节点的上层节点；所述传感器节点用于向上层节点上传本节点所采集的数据，以及向上层节点转发该节点所接收到的由下层节点上传的数据，以及向下层发送或转发控制信息；所述汇聚节点用于接收各传感器节点逐层上传的数据，并向下层节点发送控制信息。
2.根据权利要求1所述的水声传感器网络系统，其特征在于，所述水声传感器网络系统所使用的频带包括第一、第二、第三数据信息频带；若某个节点层次为N，满足N mod 3 = 0，则该节点为1类节点，满足N mod 3= 1，则该节点为2类节点，满足N mod 3 = 2则该节点为3类节点，1类节点与2类节点、2类节点与3类节点、3类节点与1类节点之间的通信频带分别采用第一、第二、第三数据信息频带。
3.根据权利要求2所述的水声传感器网络系统，其特征在于，所述水声传感器网络系统所使用的频带还包括控制信息窄带，各节点之间的控制信息使用控制信息窄带进行传输。
4.根据权利要求1所述的水声传感器网络系统，其特征在于，当一个节点同时可以与多个上层节点通信时，将其中一个上层节点确定为父节点，其它的可通信的上层节点为伪父节点，下层节点优先通过其父节点上传数据。
5.根据权利要求4所述的水声传感器网络系统，其特征在于，当一个节点同时可以与多个下层节点进行通信时，判断各下层节点的父节点的优先级，当自己的优先级比所述下层节点的父节点高，且该下层节点的父节点为同层节点时，确定该下层节点为自己的子节点；当自己的优先级比所述下层节点的父节点低，且该下层节点的父节点为同层节点时，确定该下层节点是自己的伪子节点。
6.根据权利要求5所述的水声传感器网络系统，其特征在于，每个传感器节点均在本地保存该传感器节点的局部拓扑信息，所述局部拓扑信息包括父节点编号，伪父节点编号及数量，子节点编号及数量，伪子节点编号及数量，以及通信范围内的同层节点编号及数量。
7.根据权利要求6所述的水声传感器网络系统，其特征在于，所述汇聚节点数目大于 1，每个汇聚节点控制的传感器网络系统的一个区域；所述传感器节点在本地保存的局部拓扑信息包括区域内伪父节点编号，区域内伪子节点编号，区域间伪父节点编号，以及区域间伪子节点编号及数量。
8.权利要求1所述的水声传感器网络系统的拓扑初始化方法，包括下列步骤1)汇聚节点发出拓扑生成帧，所述拓扑生成帧携带本地的局部拓扑信息；2)传感器节点接收到所述汇聚节点发出的拓扑生成帧后，更新本地的局部拓扑信息， 并发送新的拓扑生成帧，该拓扑生成帧携带本地的局部拓扑信息；3)传感器节点接收到其它传感器节点发出的拓扑生成帧后，更新本地的局部拓扑信息，并发送新的拓扑生成帧，该拓扑生成帧携带本地的局部拓扑信息；4)不断重复执行步骤幻直至所有传感器节点的局部拓扑信息更新完毕；所述局部拓扑信息包括父节点编号，伪父节点编号及数量，子节点编号及数量，伪子节点编号及数量，以及通信范围内的同层节点编号及数量。
9.根据权利要求8所述的拓扑初始化方法，其特征在于，所述步骤幻中，在更新本地的局部拓扑信息后发送拓扑生成回复包，拓扑生成回复包携带父节点编号，子节点编号以及子节点层数信息，上层节点根据拓扑生成回复包更新其局部拓扑信息中的子节点与伪子节点fn息。
10.根据权利要求8所述的拓扑初始化方法，其特征在于，所述步骤；3)中，传感器发送新的拓扑生成帧前需等待一定时间，以使所有可通信上层节点的拓扑生成帧均接收完毕。
全文摘要
本发明提供一种水声传感器网络系统，包括汇聚节点和传感器节点，汇聚节点为第0层节点，与汇聚节点的距离在水声通信极限距离以内的传感器节点为第1层节点；对于每个第i层节点，除去上层节点和同层节点外，与该第i层节点的距离在水声通信极限距离以内的传感器节点为第i+1层节点；传感器节点用于向上层节点上传本节点所采集的数据，以及向上层节点转发由下层节点上传的数据，以及向下层发送或转发控制信息；汇聚节点用于接收各传感器节点逐层上传的数据，并向下层节点发送控制信息。本发明还提供了相应的拓扑初始化方法。本发明满足稀疏布放方式的要求；每个节点都有可靠的数据上传链路；不需要进行精确的同步与定时；可适用于不规则的网络形状。
文档编号H04W84/18GK102264115SQ201010194729
公开日2011年11月30日 申请日期2010年5月28日 优先权日2010年5月28日
发明者张春华, 李宇, 隋天宇, 黄海宁 申请人:中国科学院声学研究所