基于集中式拓扑结构的水下通信网的周期性快速定位方法技术

本发明专利技术涉及基于集中式拓扑结构的水下通信网的周期性快速定位方法，包括：设置统一的定位标准间隔时间；在某一间隔时间起始点，普通节点发送定位信号；中心节点接收到定位信号后，记录接收到的时间，根据该时间与最近的间隔时间起始点计算中心节点与各个普通节点之间的距离；某一普通节点接收到其他普通节点的定位信号后，记录接收定位信号的时间，根据该时间与最近的间隔时间起始点计算普通节点之间的延时和距离：某一普通节点向中心节点发送携带有该普通节点与其他普通节点之间距离信息的报文；中心节点接收到报文，提取出各个普通节点之间的距离信息；根据中心节点与普通节点之间的距离以及普通节点之间的距离，计算各个节点之间的角度。

【技术实现步骤摘要】
基于集中式拓扑结构的水下通信网的周期性快速定位方法
本专利技术涉及水声网络领域，具体地说，本专利技术涉及一种基于集中式拓扑结构的水下通信网的周期性快速定位方法。
技术介绍
随着现代信息技术的迅猛发展，覆盖了地面、空中、太空、水面的立体信息网已经形成了一个巨大的通信网络，把各国的政治、经济、文化和军事有机地联系在一起，给全球经济的交流与发展、资源的开发和利用、军事侦察与防御等带来了巨大的效益。随着世界各国海洋的不断开发和研究，水声通信网已经成为当前的一个研究热点。由于研究和开发海洋资源的需要，现代通信系统和网络已经从陆地和空中延伸到了海洋。水声通信网是近年来发展迅速、研究相当活跃的通信
之一，是当代海洋研究、海洋资源勘探和开发，海洋数据采集、海洋环境立体监测、地震海啸监测和分布式战术监视等系统中的重要技术组成部分，它的研究为解决水下信息的可靠传输提供了重要的技术保障。水声通信网的基本拓扑结构有集中式、分布式。集中式属于主从式结构，分布式属于对等式结构。如图1所示，在集中式网络中，所有的网络节点通过一个中心节点进行通信，这一中心节点被称为主节点，有时也被称为网络的集线器，网络中的其余节点则被称为从节点。这种拓扑结构适合于深海水声网络。在采用集中式拓扑结构的深海水声网络中，将带有水声通信机和射频通信机的水面浮标作为中心节点，由该节点与其他水下节点进行通信。此类拓扑结构的主要优点是：结构简单，便于维护，易于优化；主要缺点是：对中心节点依赖性过大，如果中心节点出现故障，整个网络将陷入瘫痪。此外，由于单个通信机的传输距离有限，网络不能大面积覆盖。分布式拓扑结构，又成为全连接对等拓扑，是指网络中的每一个节点都可以直接与其他任何一个节点进行通信，如图2所示。这种拓扑结构的优点是采用分散控制，局部故障不会影响整个网络的运行，具有很高的可靠性；节点间两两可通，不需要路由选择，网络延迟也较小。缺点在于，与远距离节点进行通信时需要很大的功率；此外，近距离处的相邻节点将对正在与远距离节点通信的节点造成“远近效应”问题。和集中式拓扑一样，这种网络也会受到单个通信机传输距离限制，不能大面积覆盖。鉴于集中式拓扑结构的特点，本申请中所涉及的水下通信网络采用集中式拓扑结构。在水声通信网络中，节点之间的定位是网络通信过程中最为常见的功能之一。现有技术中的节点定位方法通过节点之间信息交互的时间差以及声速来对两个节点进行测距，从而实现节点定位。如图3所示，节点A在ts时刻，发送路由广播分组给节点B；节点B接收到路由广播分组后经过一段处理时间t0后，向节点A发送路由回复分组，路由回复分组中记录了节点B的处理时间t0，即应答延时；节点A在时刻tr收到路由回复分组。假设路由广播分组、路由回复分组在水中的传播时间相等，可以计算出节点A、B之间的距离为：dAB＝c*(tr-ts-t0)/2其中，c为声速，一般取1500m/s。现有技术中的上述定位方法在集中式水下通信网中的中心节点发送路由广播分组后，多个普通节点可能同时回复路由回复分组，路由回复分组在中心节点处容易发生碰撞，从而导致中心节点与发生碰撞的普通节点不能定位。并且，上述定位方法采用节点广播分组实现，分组在物理层以数据的形式发送接收，需要调制和解调，消耗节点的能量较多，同时不易准确地估计接收节点B的处理时间t0，导致定位的误差较大。另外，水声的传播延时较大，上述定位方法需要两倍的传播延时和节点的处理时间，较难满足快速定位的要求。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术中的水下通信网的定位方法需要较高的传播延时和节点处理时间，难以满足快速定位要求的缺陷，从而提供一种周期性快速定位方法。为了实现上述目的，本专利技术提供了一种基于集中式拓扑结构的水下通信网的周期性快速定位方法，所述集中式拓扑结构的水下通信网包括中心节点以及通过所述中心节点通信的普通节点，该方法包括：步骤1)、对水下通信网中的各个节点设置统一的定位标准间隔时间；步骤2)、根据步骤1)所设定的定位标准间隔时间，在某一间隔时间起始点，所述普通节点分别发送定位信号；步骤3)、所述中心节点接收到所述普通节点所发送的定位信号后，记录接收到定位信号的时间，然后根据接收到定位信号的时间与最近的间隔时间起始点计算所述中心节点与各个普通节点之间的距离；步骤4)、某一普通节点接收到所述水下通信网中其他普通节点的定位信号后，记录接收定位信号的时间，然后根据接收定位信号的时间与最近的间隔时间起始点计算该普通节点与另一普通节点之间的延时和距离：步骤5)、某一普通节点用ALOHA方式向中心节点发送携带有该普通节点与其他普通节点之间距离信息的报文；步骤6)、若中心节点接收到步骤5)中所发送的报文，从该报文中提取出各个普通节点之间的距离信息；若普通节点接收到步骤5)中所发送的报文，该普通节点取消自身待发送的相应报文；步骤7)、根据步骤3)得到的中心节点与普通节点之间的距离以及步骤6)得到的普通节点之间的距离，计算水下通信网中各个节点之间的角度。上述技术方案中，所述中心节点和普通节点发送的定位信号之间互不干扰。上述技术方案中，所述定位信号采用相互正交的信号实现，或采用不同频带内的线性调频信号实现。上述技术方案中，所述携带有该普通节点与其他普通节点之间距离信息的报文为DISTANCE报文，该报文包括三种类型的字段：type字段、src字段、节点号与节点间距离字段；其中，type字段包括4个比特，用于表示报文的类型；src字段包括4个比特，用于表示本节点的地址；节点号与节点间距离字段用于表示普通节点之间的距离，它包括两部分，第一部分有4个比特，用于表示水下通信网络中与本节点不同的另一普通节点的地址，第二部分有12个比特，用于表示src字段中的地址所表示的本节点到第一部分中地址所代表的普通节点的距离。本专利技术的优点在于：1、在本专利技术的节点定位方法中，各节点分配一个互不干扰的正交信号，这样避免了多个节点的定位应答信号在中心节点处发生碰撞，使集中式通信网中的每个节点发出的定位信号中心节点均能收到，并且这些定位信号不用调制解调，节点对定位信号的处理时间接近于零，这样即节约了节点的能量又减小了节点间延时的计算误差，使定位更准确。2、本专利技术的节点定位方法只需要一倍的传播延时，与现有网络定位方法需要两倍的传播延时和节点的处理时间相比，本专利技术的节点定位方法能够满足周期性快速定位的要求。附图说明图1是集中式拓扑结构的示意图；图2是分布式拓扑结构的示意图；图3是现有技术中的节点定位方法的流程图；图4是本专利技术的基于集中式拓扑结构的水下通信网的周期性快速定位方法的流程图；图5是在同一二维平面内的水下节点的示意图。具体实施方式本专利技术的定位方法应用于基于集中式拓扑结构的水下通信网，为了便于理解，在对本专利技术的定位方法做详细说明前，首先对所述的基于集中式拓扑结构的水下通信网加以说明。所述的基于集中式拓扑结构的水下通信网具有以下特点：网络规模小，节点具有移动性，即网络中各个节点的相对位置在不断的发生变化；具有集中式拓扑结构，网络中的普通节点均与中心节点进行通信。下面结合附图和具体实施例对本专利技术的定位方法进行说明。在一个实施例中，所述基于集中式拓扑结构的水下通信网有三个节点，分别表示为节点0、节点1与节本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于集中式拓扑结构的水下通信网的周期性快速定位方法，所述集中式拓扑结构的水下通信网包括中心节点以及通过所述中心节点通信的普通节点，该方法包括：步骤1）、对水下通信网中的各个节点设置统一的定位标准间隔时间；步骤2）、根据步骤1）所设定的定位标准间隔时间，在某一间隔时间起始点，所述普通节点分别发送定位信号；步骤3）、所述中心节点接收到所述普通节点所发送的定位信号后，记录接收到定位信号的时间，然后根据接收到定位信号的时间与最近的间隔时间起始点计算所述中心节点与各个普通节点之间的距离；步骤4）、某一普通节点接收到所述水下通信网中其他普通节点的定位信号后，记录接收定位信号的时间，然后根据接收定位信号的时间与最近的间隔时间起始点计算该普通节点与另一普通节点之间的延时和距离：步骤5）、某一普通节点用ALOHA方式向中心节点发送携带有该普通节点与其他普通节点之间距离信息的报文；步骤6）、若中心节点接收到步骤5）中所发送的报文，从该报文中提取出各个普通节点之间的距离信息；若普通节点接收到步骤5）中所发送的报文，该普通节点取消自身待发送的相应报文；步骤7）、根据步骤3）得到的中心节点与普通节点之间的距离以及步骤6）得到的普通节点之间的距离，计算水下通信网中各个节点之间的角度。...

【技术特征摘要】
1.一种基于集中式拓扑结构的水下通信网的周期性快速定位方法，所述集中式拓扑结构的水下通信网包括中心节点以及通过所述中心节点通信的普通节点，该方法包括：步骤1)、对水下通信网中的各个节点设置统一的定位标准间隔时间；步骤2)、根据步骤1)所设定的定位标准间隔时间，在某一间隔时间起始点，所述普通节点分别发送定位信号；步骤3)、所述中心节点接收到所述普通节点所发送的定位信号后，记录接收到定位信号的时间，然后根据接收到定位信号的时间与最近的间隔时间起始点计算所述中心节点与各个普通节点之间的距离；步骤4)、某一普通节点接收到所述水下通信网中其他普通节点的定位信号后，记录接收定位信号的时间，然后根据接收定位信号的时间与最近的间隔时间起始点计算该普通节点与另一普通节点之间的延时和距离；步骤5)、某一普通节点用ALOHA方式向中心节点发送携带有该普通节点与其他普通节点之间距离信息的报文；步骤6)、若中心节点接收到步骤5)中所发送的报文，从该报文中提取出各个普通节点之间的距离信息；若普通节点接收到步骤5)中所发送的报文，该普通节点取消自身待发送的相应报文；步骤7)、根据步骤3)得到的...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘磊，李宇，张扬帆，张春华，黄海宁，
申请(专利权)人：中国科学院声学研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11