第40卷第9期2019年9月Vol.40<9Sep;。
】#哈尔滨工程大学学报Journal of Harbin Engineering University定向传输水声通信网络邻节点发现机制杨健敏%'2'3,乔钢2,刘凇佐2,尹艳玲4(1.中山大学海洋工程与技术学院，广东广州518000；2.哈尔滨工程大学水声工程学院,黑龙江哈尔滨150001；3.南方海洋科学与工程广东省实验室(珠海)，广东珠海519000；4.东北农业大学电气与信息学院,黑龙江哈尔滨150001)摘要:针对水声通信网络拓扑不稳定的问题，本文对其邻节点发现机制进行了研究。
邻节点发现机制将网络新增节点的邻节点分为全向传输范围内邻节点与定向传输范围内邻节点2类，全向传输范围内邻节点按照邻节点发现机制选取部分节点作为邻节点代表，选出的邻节点代表根据自身情况向新增节点发送邻节点信息完成邻节点发现过程。
本文通过理论计算与仿真分析验证所提邻节点发现机制性能，所得理论结果与仿真结果一致，仿真结果还表明所提邻节点发现机制中参与邻节点发现过程的节点数小于全向传输范围内节点数。
关键词：水声通信网络；邻节点发现；定向传输；邻节点代表；信息冗余；全向传输；网络拓扑；传输范围DOI：10.11990/jheu.201803070网络出版地址：htt p:///kcms/detail/23.1390;.20190816.1005.002.html中图分类号:TP393文献标志码:A文章编号：1006-7043(2019)09-1549-06Neighbor discovery mechanism for directional transmissionunderwater acoustic communication networksYANG Jianmin1，2,QIAO Gang1，2,LIU Songzuo1，2,YIN Yanling3(1.School of Marine Engineering and Technology,Sun Yat-sen University,Guangzhou518000,China； 2.Col/ge of Underwater Acous/a Engineering,Harbin Engineering University,Harbin150001,China；3.Marine Science and Engineering Guangdong Laboratory(Zhuhai),Zhuhai519000,China；4.Colleee of Electrical and Information Engineering,Northeast Agricultural University,Harbin 150001，China)Abstract:Consideeng the unstable topology of directional undewvatcs communication network/,thit papei studies iit neighbor discovei mechanism.In this mechanism,the node has two types of data transmission methods:directional and omnidirectional.The neighbor discavew mechanism divides the neighbor nodes of the newly added nodes inty two cateeo-W cs:the neighbor nodes i the omnidirectional transmission range and the neighbor nodes i the directional transmission range.The neighbor nodes in yie omnidirectional transmivion range select some nodes as yie neighbor nodes according W the neighbor node discovea mechanism.The selected neighbor node representative then sends the neighbor node infownas tion to the naWy added node according to its own situation to complete the neighbor node discovea process.In this pa-pea,the peWbwnanco of the proposed neighboring nodes is yerifOd by theoreticat calculation and simulation analysis.The theoreticat results are in good agreement with the simulation results.The simulation results alss show that the number of nodes paticipating i the neighbor discovery peocess is less than the omnidmectionat transmission sange.The number of nodes.The maig Onding of this paper have an impoWant referenco value and guidanco function to undewvates acoustic communication networks.Keywords:undewvates acoustic communication networks；neighbor discoyay；directional transmission；representative nodes；infownation adundancy；omni-direction!transmission；network Wpology；transmission rang近年来,随着陆上资源开采几近枯竭，对海洋的开发利用越来越受关注。
作为水下最有效的通信方收稿日期：2018-03-20.网络出版日期：2019-08-16.基金项目：国家自然科学基金项目(61431004,61601136,61601137, 11774074).作者简介:杨健敏，男，博士；乔钢，男，教授,博士生导师；刘淞佐，男，副教授，博士生导师.通信作者：刘淞佐，E-mail:liusongzuo@. cn.式,学者对水声通信技术开展了广泛且深入的研究[1-6]&随着对海洋开发探索逐渐深入,点对点水声通信无法满足一些水下应用场景，需要水下各单位组网通信。
水声通信网络中，邻节点发现机制扮演着非常重要的角色'7-9],该机制性能优劣会极大影响网络整体工作效率。
目前，水声通信网络邻节点发现机制相关研究非常少,但陆上无线网络关于邻节点发现的研究已经相对丰富且成熟'10_16]&-1550-哈尔滨工程大学学报第40卷水声通信网络与陆上无线网络相比存在着很大差异，陆上无线网络邻节点发现机制并不能在直接移植到水声通信网络。
同时，由于水声通信网络工作环境复杂多变,相关的研究工作应充分考虑拓扑不稳定的情况。
现有的水声通信相关研究中，节点大都采用全向模式传输数据,限制了网络覆盖范围,增加了能量浪费,通信隐蔽性差,网络工作效率低,无法满足现代水声通信的要求。
定向传输可以增加网络覆盖范围，增加空间复用，增强通信隐蔽性，提高网络工作效率。
传统的全向传输水声通信网络中采用的是全向换能器。
全向换能器在传输数据时各个方向增益相同，严重了限制网络覆盖范围，浪费了网络能源,还会对邻节点造成不必要的干扰。
与全向换能器相比，定向传输中采用的定向换能器由多个不同方向的波束组成，通过不同波束传输增益的叠加实现信号的定向发送与接收,具有增加网络覆盖范围，提高空间复用，隐蔽通信等优点'17_20（&根据指向性形成方式,水声定向换能器可以分为基于声障板的水声定向换能器、复合激励型水声定向换能器、阵列水声定向换能器和多模态叠加水声定向换能器。
相较于前3种水声定向换能器，多模态叠加水声定向换能器指向性高、体积小、无旁瓣、能量转换率高，适用于水声通信网络。
本文提出一种应用于拓扑不稳定的定向传输水声通信网络邻节点发现机制，该机制中节点以全向及定向两种模式传输数据，选举出邻节点的一部分作为邻节点代表,以一定的规则向目标节点发送邻节点信息。
1邻节点发现机制所提邻节点发现机制中采用的是多模态叠加水声定向换能器，其模型如图1所示。
换能器由1个等大的波束组成，这些波束共同覆盖整个全向区域且互不相交，沿顺时针，从3点钟方向开始将波束从1到1&邻节点发现机制中，只考虑主瓣增益，旁瓣增益忽略不计。
该定向换能器有全向与定向2种工作模式，定向传输范围远大于全向传输范围'21"24（&为了方便分析，本文假设换能器定向传输范围是全向传输范围的2倍，令定向换能器全向传输半径为6,则定向传输半径为26&本文以图2为例说明全向传输范围内的邻节点与定向传输范围内的邻节点。
'为水声通信网络中节点,其全向传输范围内的邻节点指的是在节点'全向传输半径6范围内的邻节点，其集合用/mo表示;定向传输范围内的邻节点指的是在节点'定向传输半径26范围内的邻节点，其集合用/表示&在节点'定向传输范围内,但不在其全向传输范围内的邻节点的集合/md为：/$/m-/mo(1)I厂、M-lz\■.V I全向模式•••[V覆盖范围•/_「、、L_—>//M图1定向换能器模型定向模式/\；\发坍波乗；/卜、；\/I、、丿3、~込当网络中有新节点加入时，邻节点发现过程开始。
新增节点邻节点发现工作流程如图3所示。
假设此时网络中存在的节点已经完成自身邻节点发现过程，网络中存在的节点均已获得自身定向传输范围内所有邻节点的相关信息。
新增节点，加入网络后首先以全向模式广播自身信息,信息中包括节点ID与节点位置。
当全向传输范围内邻节点集合/+（中的节点收到来自节点，广播信息后,根据接收到的信息更新自身的邻节点列表。