【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于水下物联网中定向邻居发现领域，尤其涉及一种水下物联网中基于多令牌的定向邻居发现方法。
技术介绍
1、水下物联网中的水下传感器节点在初始部署阶段，通过邻居发现获取邻居关系，用于构建网络拓扑。但是，水下动态环境让静止的水下传感器节点具备了一定的移动性，导致初始化阶段构建的邻居关系不准确或失效，需要重新进行邻居发现维护和更新邻居关系。如果继续使用初始部署阶段的邻居发现方法更新邻居关系，会导致邻居发现时间过长，水下传感器节点能量消耗过大的问题。因此，针对水下传感器节点在洋流、海洋生物等动态因素影响下的邻居关系变化问题，需要一种适合水下动态环境的定向邻居发现方法。
技术实现思路
1、为了解决水下动态环境中邻居关系变化的问题，本专利技术提供了一种水下物联网中基于多令牌的定向邻居发现方法，该方法采用卡尔曼滤波方法对节点自身速度进行预测，并根据预测的自身速度估计邻居节点的速度和位置，进而重置扫描波束，避免扫描不存在邻居节点的波束，减少邻居发现的时间，对于扫描波束重置后的异构性，采用多令牌机制来控制邻居发现的过程。
2、为了实现上述专利技术目的，达到上述技术效果，本专利技术通过以下技术方案实现：
3、s1.构建水下物联网的网络模型，所述水下物联网包括若干水下传感器节点、水面汇聚节点、水面基站，所述水下传感器节点被随机部署在监测水域，从周围环境内收集感知到的数据，并通过多跳传输将收集到的数据传输到水面汇聚节点和水面基站，水下传感器节点受洋流、鱼群等动态因素影响，具
4、s2.预测节点自身速度，根据网络初始化获得的节点地理位置信息和邻居信息，使用卡尔曼滤波方法预测节点自身速度；
5、s3.估计邻居节点速度和位置，根据所预测的节点自身速度估计邻居节点下一阶段的速度和位置；
6、s4.重置扫描波束，根据所估计的邻居节点下一阶段的位置重置扫描波束，筛选出有可能发现邻居节点的波束方向，排除无法发现邻居的波束方向；
7、s5.利用多令牌机制进行邻居发现，持有令牌的节点为主动节点，未持有令牌的节点为被动节点，主动节点才能主动发起邻居发现，完成自身邻居发现后采用深度优先搜索方法传递令牌，直到所有节点都持有过令牌。
8、优选地，所述s1中的水下传感器节点采用正十二面体模型构建波束模型，每个水下传感器节点配备基于多收发器的无线光通信模块来实现无线光通信，且不同波束方向都有各自唯一的编号，水下环境是一个三维空间，三维节点的波束方向需要能够覆盖整个三维空间，从而实现水下传感器节点的定向收发；每个水下传感器节点均配备有压力传感器，用于获取深度信息，每个所述水下传感器节点具有单波束，每个波束具有唯一的编号，且采用半双工工作模式，即水下传感器节点在同一时刻只能激活一个波束，并只能处于发送模式、接收模式或者休眠模式。
9、优选地，所述步骤s2中预测节点自身速度具体为：根据网络初始化获得的节点地理位置信息和邻居信息，使用卡尔曼滤波方法预测节点自身速度；假设每个水下传感器节点都记录了自身速度观测值和位置坐标，这些数据以采样点的形式进行存储，每次采样完成后，水下传感器节点只存储当前采样点信息，丢弃旧采样点的信息；利用卡尔曼滤波方法的数学模型建立水下传感器节点速度的状态空间模型，该模型包括状态方程和观测方程，状态方程描述了系统状态随时间的演变，而观测方程则描述了如何从状态变量生成观测数据，状态空间模型如下：
10、
11、其中，v(t)为t时刻的状态向量；a为状态转移矩阵，将t-1时刻状态转化为t时刻状态；q为过程噪声的协方差矩阵；z(t)为t时刻的观测向量，h为转换矩阵，将状态转换为输出；r测量噪声的协方差矩阵。通过将水下传感器节点速度的状态方程和观测方程整合到卡尔曼滤波的递推公式中，可以推导出水下传感器节点速度的最优化估计值。
12、优选地，所述步骤s3中估计邻居节点速度和位置具体为：根据所预测的节点自身速度估计邻居节点下一阶段的速度和位置；对于深度为zi的节点i，根据自身预测速度则可以估计其深度为zj的邻居节点j的速度为：
13、
14、水下传感器节点i利用上述公式估计自身邻居表的所有邻居节点速度uzj，然后利用邻居节点的位置坐标和预测速度估计邻居节点下一周期的位置，采用周期性位置计算算法，得到邻居节点的预测位置为：
15、
16、其中，position(x,y,z)为邻居表内邻居节点的位置坐标；position'(x,y,z)为邻居节点下一周期的预测位置；t为一个邻居发现周期；表示邻居节点的估计速度。
17、优选地，所述步骤s4中重置扫描波束具体为：根据所估计的邻居节点下一阶段的位置重置扫描波束，筛选出有可能发现邻居节点的波束方向，排除无法发现邻居的波束方向，水下传感器节点利用邻居节点的估计位置判断在下一次邻居发现时，哪些波束方向不会存在邻居节点，进而排除掉这些冗余波束，只需要考虑可能存在邻居节点的波束方向，并对筛选后的波束进行重新编号。
18、优选地，所述步骤s5中利用多令牌机制进行邻居发现具体为：持有令牌的节点为主动节点，未持有令牌的节点为被动节点，主动节点才能主动发起邻居发现，完成自身邻居发现后采用深度优先搜索方法传递令牌，直到所有节点都持有过令牌；在邻居发现中引入令牌机制后，只有持有令牌的节点才能主动发起邻居发现，持有令牌的节点称为主动节点，其余节点称为被动节点，主动节点处于发送模式，被动节点处于接收模式。邻居发现的过程分为三个阶段：扫描探测阶段和握手阶段、令牌传递阶段；三个阶段具体为：
19、s5-1：在扫描探测阶段，被动节点始终处于接收模式，并从自身编号为1的波束开始按编号顺序依次扫描所有波束，等待接收主动节点发来的探测数据包，每个波束停留的时间为tr，tr的大小需要保证能够接收一个完整的探测数据包，相对应的，主动节点在扫描探测节点始终处于发送模式，并从自身编号为1的波束开始按编号顺序依次扫描所有波束，主动节点在每个波束方向发送探测数据包，探测数据包中的信息包含主动节点在握手阶段扫描当前波束的时间，以便主动节点和被动节点在握手阶段进行波束对准，主动节点在每个波束停留的时间为：
20、ts＝tr*k(4)；
21、其中k为节点的波束数量。
22、s5-2：节点完成扫描探测阶段后进入握手阶段，在握手阶段，需要进行两次握手，主动节点处于接收模式，并从自身编号为1的波束开始按编号顺序依次扫描所有波束，等待被动节点发送请求数据包。每个波束停留时间为tshake，tshake的大小需要保证节点能够完成两次握手：
23、tshake＝2*tslot(5)；
24、其中，tslot表示一个时隙，时隙大小是完成一次数据包传递所需要的时间；被动节点处于发送模式，并按照扫描探测阶段约定好的时间去扫描自身收到探测数据包的波束，每个波束停留的时间也为tshake在tsh本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种水下物联网中基于多令牌的定向邻居发现方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的水下物联网中基于多令牌的定向邻居发现方法，其特征在于，所述步骤S1中的水下传感器节点采用正十二面体模型构建波束模型，每个水下传感器节点配备基于多收发器的无线光通信模块来实现无线光通信，且不同波束都有各自唯一的编号，水下环境是一个三维空间，三维节点的波束方向需要能够覆盖整个三维空间，从而实现水下传感器节点的定向收发。
3.根据权利要求2所述的水下物联网中基于多令牌的定向邻居发现方法，其特征在于，每个所述水下传感器节点均配备有压力传感器，用于获取深度信息，每个所述水下传感器节点具有单波束，每个波束具有唯一的编号，且采用半双工工作模式，即水下传感器节点在同一时刻只能激活一个波束，并只能处于发送模式、接收模式或者休眠模式。
4.根据权利要求1所述的水下物联网中基于多令牌的定向邻居发现方法，其特征在于，所述步骤S2中水下传感器节点预测节点自身速度的具体方法如下：
5.根据权利要求1所述的水下物联网中基于多令牌的定向邻居发现方法，其特征在于，所
6.根据权利要求1所述的水下物联网中基于多令牌的定向邻居发现方法，其特征在于，所述步骤S4中水下传感器节点重置扫描波束的具体方法如下：
7.根据权利要求1所述的水下物联网中基于多令牌的定向邻居发现方法，其特征在于，所述步骤S5中水下传感器节点利用多令牌机制进行邻居发现的具体方法如下：
...【技术特征摘要】
1.一种水下物联网中基于多令牌的定向邻居发现方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的水下物联网中基于多令牌的定向邻居发现方法，其特征在于，所述步骤s1中的水下传感器节点采用正十二面体模型构建波束模型，每个水下传感器节点配备基于多收发器的无线光通信模块来实现无线光通信，且不同波束都有各自唯一的编号，水下环境是一个三维空间，三维节点的波束方向需要能够覆盖整个三维空间，从而实现水下传感器节点的定向收发。
3.根据权利要求2所述的水下物联网中基于多令牌的定向邻居发现方法，其特征在于，每个所述水下传感器节点均配备有压力传感器，用于获取深度信息，每个所述水下传感器节点具有单波束，每个波束具有唯一的编号，且采用半双工工作模式，即水下传感器节点...
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