基于短生命周期的区域性水下通信网的组网方法
【专利摘要】本发明涉及一种基于短生命周期的区域性水下通信网的组网方法，包括：将各个节点的初始状态设置为“未分配状态”；选择一个节点，广播“簇头广播报文”，设置超时时间，将自身状态设置为“正在申请成为簇头”；其它节点在接收到“簇头广播报文”后，回复“加入簇请求报文”，将源地址所代表的节点设为自己的簇头节点，将自身状态修改为“簇成员”；广播“簇头广播报文”的节点在超时前收到“加入簇请求报文”，取消定时器，把“加入簇请求报文”中的源地址所代表的节点设为簇成员，把自身状态设为“簇头”，否则，将自身状态设为“未分配状态”，等待下一轮的广播“簇头广播报文”，或接收其他节点所发送的“簇头广播报文”。
【专利说明】基于短生命周期的区域性水下通信网的组网方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及水声网络领域，具体地说，本发明涉及一种基于短生命周期的区域性 水下通信网的组网方法。
【背景技术】
[0002] 海洋占据了地球表面70%以上面积，平均深度达4km，蕴藏着丰富的油气、动力矿 产等资源。同时，海洋是全球运输的主要通道，是全球环境的调节器，也是多种自然灾害的 发源地和发生地。因此，海洋是维持人类社会可持续发展的重要战略空间，对人类的发展和 社会进步起到重要作用。各海洋国家都相继投入了大量的财力开展对海洋的观测和开发， 以期在海洋资源控制中占领主动地位。
[0003] 相比较于空气中无线通信环境，水声信道是一个时变的时延和多普勒双扩散 信道，信道条件非常恶劣。水中的声速一般在1500m/s左右，与无线电波的传播速度 3. OX 108m/s相比差了 5个数量级。此外，声速还受温度、盐度和压力等多方面因素的影响， 并且与载体的运动速度、水面的起伏速度等可比拟，因此多途效应、多普勒频移和信道的时 变性更加明显且复杂。水声通信的恶劣环境和节点功能的限制影响到水声网络协议的设 计，并且需要根据不同的应用场景开发更加优化的网络协议。
[0004] 网络按照是否预先知道路由信息可以分为固定网络和自组织网络两种。
[0005] 在固定网络中，节点位置固定，且一般在布放的时候就进行了严格的测量，所有的 路由信息在组网之前就已经植入节点。固定的路由在无线领域经常用在中心控制式的网络 中，所有节点都可以与网关直接通信。在水声领域，固定式的路由也有较为广泛的应用，尤 其是与TDMA、CDM等多址技术的结合使用，使得网络性能有较大的提升。但固定路由也存 在一些问题，如扩展性差、节点不易替换等，不能适用于所有场景。
[0006] 在自组织网络中，自组织的路由协议按照路由建立的时间又可以分为前摄式和反 馈式两种。前摄式路由中，路由建立过程发生在网络的初始化过程中。网络一旦布放就马 上开始建立可能需要的所有路由，而不论该路由信息在后面是否会真正被用到。路由信息 会周期地进行重建，同样不关心重建的路由信息是否会被用到。该类协议以DSDV为代表。 反馈式路由下，只有当节点需要发送数据包给某节点时才会建立到该节点的路由，数据包 随后进行发送。路由维护时会定期清除长期不用的路由。该类协议以AODV为代表。
[0007] 基于地理位置信息的路由根据网络中节点的位置来决定路由的选取，减少了路由 建立过程中数据包广播的范围。不仅减少能量的浪费，还降低了包冲突的概率，减小了通信 时延。基于地理位置信息的路由以VBF为代表。
[0008] 用于短生命周期的区域性水下通信的水声网络一般具有以下特点：网络规模较 小，节点在布放后位置较为固定，声速变化以及节点的漂移不会对拓扑结构造成较大的改 变，但由于布放精度不容易保证，布放初期无法得知网络实际的拓扑连接情况。基于水声网 络的上述特点，水声网络需要采用自组织的路由协议。同时，由于水声网络的拓扑结构相对 固定，网络的工作时间较短(一般一次工作过程维持8分钟左右)，暂不需要定期清除旧的路 由，也不需要定期更新路由。
[0009] 现有技术中的AODV协议的路由建立延迟较高，这在传播延迟很高的水声网络中 会进一步加大，无法满足快速组网的要求。而VBF协议要求节点可以测量信号发送方的角 度，这在水声通信中并非总能得到满足，因此也无法用于水声网络的组建。由于水声网络中 各个节点的路由不需要定期更新，因此DSDV协议也并不适用。
【发明内容】
[0010] 本发明的目的在于克服现有技术中的水下通信网的组网方法无法满足快速组网 要求的缺陷，从而提供一种快速组网方法。
[0011] 为了实现上述目的，本发明提供了一种基于短生命周期的区域性水下通信网的组 网方法，包括：
[0012] 步骤1)、将待组网的各个节点的初始状态均设置为"未分配状态";从所述待组网 的各个节点中选择一个节点，由该节点开始广播"簇头广播报文"，为该节点上的"等待加入 簇请求报文定时器"设置超时时间，然后将自身状态设置为"正在申请成为簇头"；
[0013] 步骤2)、待组网中除广播"簇头广播报文"的节点外的其它节点在接收到"簇头广 播报文"后，用ALOHA方式分别向发送"簇头广播报文"的节点回复"加入簇请求报文"，并将 所接收的"簇头广播报文"中的源地址所代表的节点设为自己的簇头节点，将节点的自身状 态修改为"簇成员"；
[0014] 步骤3)、判断广播"簇头广播报文"的节点在"等待加入簇请求报文定时器"超时 前是否收到任意一个"加入簇请求报文"，若收到，执行下一步，否则，执行步骤5);
[0015] 步骤4)、广播"簇头广播报文"的节点在第一次收到任意一个"加入簇请求报文" 时，取消定时器，把所接收到的"加入簇请求报文"中的源地址所代表的节点设为自己的簇 成员，并把节点自身的状态设为"簇头"；该节点之后再收到"加入簇请求报文"时，把所述 "加入簇请求报文"中的源地址设为自己的簇成员，直至不再收到"加入簇请求报文"后结束 组网操作；
[0016] 步骤5)、广播"簇头广播报文"的节点将自身状态设为"未分配状态"，然后等待下 一轮的广播"簇头广播报文"，或接收其他节点所发送的"簇头广播报文"。
[0017] 上述技术方案中，在所述的步骤2)中之后还包括：
[0018] 步骤a)、待组网中除广播"簇头广播报文"的节点外的其它节点未接收到"簇头广 播报文"，由该节点广播"簇头广播报文"，为该节点上的"等待加入簇请求报文定时器"设置 超时时间，然后将自身状态设置为"正在申请成为簇头"；
[0019] 步骤b)、待待组网中的其他节点接收到"簇头广播报文"后，若该节点的自身状态 已经为"簇成员"，则无需响应新接收到的"簇头广播报文"，若该节点的自身状态为"簇头"， 用ALOHA方式给广播"簇头广播报文"的源节点回复"强令加入该簇报文"，并将该节点添加 到自己的簇成员表中；
[0020] 步骤C)、当步骤a)中广播"簇头广播报文"的节点收到"强令加入该簇报文"后， 取消定时器，把"强令加入该簇报文"的源地址设为自己的簇头节点，并把状态设置为"簇成 员"。
[0021] 上述技术方案中，在所述的步骤1)中，从所述待组网的各个节点中选择一个节点 采用随机选择的方式。
[0022] 上述技术方案中，所述"簇头广播报文"包括两个字段，其中的chb_type字段包括 4个比特，用于表示报文类型；chb_ src字段包括4个比特，用于表示簇头源地址；
[0023] 所述"加入簇请求报文"包括三个字段，其中的jcr_type字段包括4个比特，用于 表示报文类型；jcr_src字段包括4个比特,用于表示所要加入簇的节点的源地址；jcr_dst 字段包括4个比特，用于表示所要加入簇的节点的目的地址。
[0024] 上述技术方案中，所述"强令加入该簇报文"包括三个字段，其中的fjr_type包括 4个比特，用于表示报文类型，fjr_ SrC包括4个比特，用于表示强令加入簇的节点的源地 址，fjr_dst包括4个比特，用于表示强令加入簇的节点的目的地址。
[0025] 本发明的优点在于：
[0026] 本发明能够实现水下通信网的快速组网，有利于提高水下通信的效率。
【专利附图】
【附图说明】
[0027] 图1是本发明的组网方法的流程图；
[0028] 图2是在一个实施例中所组水下通信网络的示意图。
【具体实施方式】
[0029] 现结合附图对本发明作进一步的描述。
[0030] 本发明的组网方法主要针对网络规模小，拓扑结构相对固定，工作时间短，需要同 步和定位的使用环境。
[0031] 网络拓扑结构是影响网络性能的一个重要因素。水声网络的基本拓扑结构有主从 式和对等式两种。在主从式网络中，所有的网络节点通过一个中心节点进行通信。在对等 式网络中，每一个节点都可以直接或通过中继节点与其他任何一个节点进行通信。当网络 中节点个数较少时，主从式网络具有路由建立时间较短的优点，且通过一个中心节点与其 他节点通信能满足要求，本发明的组网方法采用主从式拓扑结构来创建水声网络。
[0032] 在对本发明的组网方法做详细说明之前，首先对本发明中所采用的数据结构加以 介绍。
[0033] 水声网络中的节点存在四种可能的状态：UNSSIGNED、CLUSTER_HEAD、CLUSTER_ MEMBER以及T0_BE_HEAD ;分别表示未分配状态、簇头、簇成员、正在申请成为簇头。
[0034] 水声网络中的节点在组网过程中涉及三种命令报文：簇头广播报文(后文中简称 CHB)、加入簇请求报文(后文中简称JCR)、强令加入该簇报文(后文中简称FJR)。其中，CHB 的数据结构如表1所示，该报文包括两个字段，其中的chb_type字段包括4个比特，用于表 示报文类型；chb_src字段包括4个比特，用于表示簇头源地址。JCR的数据结构如表2所 示，该报文包括三个字段，其中的jcr_type字段包括4个比特，用于表示报文类型；jcr_ src 字段包括4个比特，用于表示所要加入簇的节点的源地址；jCr_dst字段包括4个比特，用 于表示所要加入簇的节点的目的地址。FJR的数据结构如表3所示，该报文包括三个字段， 其中的f jr_type包括4个比特,用于表示报文类型,f jr_src包括4个比特,用于表示强令 加入簇的节点的源地址，fjr_dst包括4个比特，用于表示强令加入簇的节点的目的地址。
【权利要求】
1. 一种基于短生命周期的区域性水下通信网的组网方法，包括： 步骤1)、将待组网的各个节点的初始状态均设置为"未分配状态";从所述待组网的各 个节点中选择一个节点，由该节点开始广播"簇头广播报文"，为该节点上的"等待加入簇请 求报文定时器"设置超时时间，然后将自身状态设置为"正在申请成为簇头"； 步骤2)、待组网中除广播"簇头广播报文"的节点外的其它节点在接收到"簇头广播报 文"后，用ALOHA方式分别向发送"簇头广播报文"的节点回复"加入簇请求报文"，并将所接 收的"簇头广播报文"中的源地址所代表的节点设为自己的簇头节点，将节点的自身状态修 改为"簇成员"； 步骤3)、判断广播"簇头广播报文"的节点在"等待加入簇请求报文定时器"超时前是 否收到任意一个"加入簇请求报文"，若收到，执行下一步，否则，执行步骤5); 步骤4)、广播"簇头广播报文"的节点在第一次收到任意一个"加入簇请求报文"时，取 消定时器，把所接收到的"加入簇请求报文"中的源地址所代表的节点设为自己的簇成员， 并把节点自身的状态设为"簇头";该节点之后再收到"加入簇请求报文"时，把所述"加入 簇请求报文"中的源地址设为自己的簇成员，直至不再收到"加入簇请求报文"后结束组网 操作； 步骤5)、广播"簇头广播报文"的节点将自身状态设为"未分配状态"，然后等待下一轮 的广播"簇头广播报文"，或接收其他节点所发送的"簇头广播报文"。
2. 根据权利要求1所述的基于短生命周期的区域性水下通信网的组网方法，其特征在 于，在所述的步骤2)中之后还包括： 步骤a)、待组网中除广播"簇头广播报文"的节点外的其它节点未接收到"簇头广播报 文"，由该节点广播"簇头广播报文"，为该节点上的"等待加入簇请求报文定时器"设置超时 时间，然后将自身状态设置为"正在申请成为簇头"； 步骤b)、待待组网中的其他节点接收到"簇头广播报文"后，若该节点的自身状态已经 为"簇成员"，则无需响应新接收到的"簇头广播报文"，若该节点的自身状态为"簇头"，用 ALOHA方式给广播"簇头广播报文"的源节点回复"强令加入该簇报文"，并将该节点添加到 自己的簇成员表中； 步骤c)、当步骤a)中广播"簇头广播报文"的节点收到"强令加入该簇报文"后，取消 定时器，把"强令加入该簇报文"的源地址设为自己的簇头节点，并把状态设置为"簇成员"。
3. 根据权利要求1或2所述的基于短生命周期的区域性水下通信网的组网方法，其特 征在于，在所述的步骤1)中，从所述待组网的各个节点中选择一个节点采用随机选择的方 式。
4. 根据权利要求1或2所述的基于短生命周期的区域性水下通信网的组网方法，其特 征在于，所述"簇头广播报文"包括两个字段，其中的chb_type字段包括4个比特，用于表 示报文类型；chb_SrC字段包括4个比特，用于表示簇头源地址； 所述"加入簇请求报文"包括三个字段，其中的jcr_type字段包括4个比特，用于表示 报文类型；jcr_src字段包括4个比特，用于表示所要加入簇的节点的源地址；jcr_dst字 段包括4个比特，用于表示所要加入簇的节点的目的地址。
5. 根据权利要求2所述的基于短生命周期的区域性水下通信网的组网方法，其特征在 于，所述"强令加入该簇报文"包括三个字段，其中的fjr_type包括4个比特，用于表示报 文类型，f jr_src包括4个比特，用于表示强令加入簇的节点的源地址，f jr_dst包括4个比 特，用于表示强令加入簇的节点的目的地址。
【文档编号】H04W84/18GK104349417SQ201310340520
【公开日】2015年2月11日 申请日期:2013年8月7日 优先权日:2013年8月7日
【发明者】刘磊, 李宇, 张扬帆, 张春华, 黄海宁 申请人:中国科学院声学研究所