本發(fā)明涉及一種水下傳感器網絡路由方法，具體說是一種空洞感知的水下傳感器網絡路由方法。

背景技術：

海底觀測系統(tǒng)是人類探索海洋，開發(fā)和利用海底資源的重要前提之一，主要任務是探測未知世界、尋找海底資源、監(jiān)控人類活動對海洋帶來的影響。水下傳感器網絡(Underwater Sensor Networks,UWSNs)具有能耗大、高延遲、低帶寬等特點，UWSNs研究的難點是路由選擇，路由選擇在功耗、拓撲結構、可擴展性、尋址技術、魯棒性等方面面臨巨大的挑戰(zhàn)。

針對水下傳感器網絡能量利用率低、網絡拓撲動態(tài)變化等問題，Gopi S等人提出了與路徑無關的能量最優(yōu)化分層路由協議(Energy Optimized Path Unaware Layered Routing Protocol，E-PULRP)，該協議中傳感器節(jié)點必須均勻分布，適用于以單個固定匯聚節(jié)點為中心的網絡環(huán)境，實現了能量優(yōu)化、動態(tài)路由選擇，但它不適用于多個匯聚節(jié)點和移動匯聚節(jié)點的網絡環(huán)境。

針對稀疏或密集水下網絡環(huán)境，Manal Al-Bzoor等人提出了功率自調節(jié)路由協議(Adaptive Power Controlled Routing Protocol，APCRP)。該協議要求水面浮標節(jié)點的最大功率必須覆蓋整個網路，否則會降低網絡性能；在節(jié)點廣播探測包尋找中繼節(jié)點的過程中，網絡延遲、碰撞等因素導致其規(guī)定時間內未收到中繼節(jié)點的確認包，造成能量消耗過多、全網能量分布不均衡。

針對水下傳感器網絡路由協議存在的“熱區(qū)”問題，Mahin Sajid等人提出了移動匯聚節(jié)點的協作(Sink Mobility with Incremental Cooperative，SMIC)路由協議，該協議感知節(jié)點的深度閾值和剩余能量，通過控制重傳包和鏈路質量高效地利用水下有限資源，提高了吞吐量和數據包送達率，但增大了數據傳輸時延。

技術實現要素：

本發(fā)明的目的在于提供能在確保能量均衡分布、避免空洞的同時解決水下路由協議存在的“熱區(qū)”問題的空洞感知的水下傳感器網絡路由方法。

本發(fā)明的目的是這樣實現的：

水下傳感器網絡由一個浮標節(jié)點、至少1個匯聚節(jié)點、N個懸浮于水中隨機分布的普通傳感器節(jié)點組成，浮標節(jié)點位于水面，匯聚節(jié)點從海面到海底或從海底到海面垂直移動，每個傳感器節(jié)點都具有相同的功率、處理及發(fā)送數據的能力；匯聚節(jié)點在下浮過程中到達設定位置時，廣播分層建立包執(zhí)行分層建立任務，下浮到最深深度時，等待一段時間后廣播數據收集包執(zhí)行數據收集任務，數據收集完畢后開始上浮，在上浮過程中到達設定位置時廣播數據收集包執(zhí)行數據收集任務，上浮到水面時將收集的數據發(fā)送給浮標節(jié)點；傳感器節(jié)點周期性地檢測感興趣的數據，完成數據采集任務；傳感器節(jié)點若收到分層建立信號，則進入分層建立階段并建立同心球殼分層結構，傳感器節(jié)點若收到數據收集信號，則進入數據收集階段，各傳感器節(jié)點建立到匯聚節(jié)點的路徑并發(fā)送數據。

數據采集階段：傳感器節(jié)點周期性地監(jiān)測其感興趣的數據，并將監(jiān)測數據存入其緩沖區(qū)或替換其緩沖區(qū)中的最久記錄。

所述廣播分層建立包執(zhí)行分層建立任務中具體包括：匯聚節(jié)點下浮一段距離后到達設定位置時廣播分層建立包，該分層建立包包括所處分層結構中的層級、剩余能量、標記節(jié)點類型的標志位和包的類型；收到分層建立包類型的傳感器節(jié)點根據分層建立包的層級更新路由表信息，形成以匯聚節(jié)點為中心的同心球殼分層結構，各傳感器節(jié)點處于不同的同心球殼中。

數據收集階段具體包括：收到數據收集信號或數據包的傳感器節(jié)點根據路由表信息選擇下一跳節(jié)點；傳感器節(jié)點若尋找到下一跳節(jié)點，則將其監(jiān)測數據以數據包的形式直接發(fā)送給下一跳節(jié)點，重復上述過程，直到將數據發(fā)送給匯聚節(jié)點。

本發(fā)明提供了一種空洞感知的水下傳感器網絡路由方法，是一種針對三維水下環(huán)境的路由方法，在確保能量均衡分布、避免空洞的同時解決了水下路由協議存在的“熱區(qū)”問題。包括數據采集、分層建立和數據收集三個階段。

本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明考慮了同層傳輸及節(jié)點的剩余能量，同時避免了同層循環(huán)傳輸、熱區(qū)、空洞等情況的發(fā)生，提高了數據包送達率，延長了網絡壽命，并使全網能量均衡分布。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的路由方法的流程框圖。

圖2是本發(fā)明的網絡模型結構示意圖。

圖3是本發(fā)明的分層建立階段流程圖。

圖4是本發(fā)明的數據收集階段流程圖。

具體實施方式

下面結合附圖舉例對本發(fā)明作更詳細的描述。

結合圖1，本發(fā)明的路由方法如下：

匯聚節(jié)點在下浮過程中到達特定位置時廣播分層建立包執(zhí)行分層建立任務；下浮到最深深度時廣播分層建立包執(zhí)行分層建立任務，等待一段時間后廣播數據收集包執(zhí)行數據收集任務，數據收集完畢后開始上??；在上浮過程中到達特定位置時廣播數據收集包執(zhí)行數據收集任務；上浮到水面時將收集的數據發(fā)送給浮標節(jié)點。節(jié)點周期性地檢測感興趣的數據，完成數據采集任務；節(jié)點若收到分層建立信號，則進入分層建立階段并建立同心球殼分層結構；節(jié)點若收到數據收集信號，則進入數據收集階段，各節(jié)點建立到匯聚節(jié)點的路徑并發(fā)送數據。

(1)數據采集階段：傳感器節(jié)點周期性地監(jiān)測其感興趣的數據，并將監(jiān)測數據存入其緩沖區(qū)或替換其緩沖區(qū)中的最久記錄。

(2)分層建立階段：匯聚節(jié)點下浮一段距離后到達特定位置時廣播分層建立包，該包包括該節(jié)點所處分層結構中的層級、剩余能量、標記節(jié)點類型的標志位和包的類型；收到分層建立包類型的節(jié)點根據分層建立包的層級更新其路由表信息。該階段形成以匯聚節(jié)點為中心的同心球殼分層結構，各節(jié)點處于不同的同心球殼中。

(3)數據收集階段：匯聚節(jié)點上浮到特定位置時廣播數據收集信號收集數據。收到數據收集信號或數據包的傳感器節(jié)點根據其路由表信息選擇下一跳節(jié)點；傳感器節(jié)點若尋找到下一跳節(jié)點，則將其監(jiān)測數據以數據包的形式直接發(fā)送給下一跳節(jié)點。重復上述過程，直到將數據發(fā)送給匯聚節(jié)點。

本發(fā)明將孤立節(jié)點、能量已耗盡的節(jié)點、父節(jié)點與兄弟節(jié)點都為空洞節(jié)點的節(jié)點定義為空洞節(jié)點，將父節(jié)點不為空洞節(jié)點且有足夠能量進行數據傳輸的節(jié)點定義為高級節(jié)點，將父節(jié)點為空洞節(jié)點且兄弟節(jié)點不為空洞節(jié)點且有足夠能量進行數據傳輸的節(jié)點定義為低級節(jié)點。

結合圖2，本發(fā)明的具體網絡模型如下：

整個網絡環(huán)境由水面的一個浮標節(jié)點、至少1個匯聚節(jié)點、N個懸浮于水中隨機分布的普通傳感器節(jié)點組成；每個傳感器節(jié)點都具有相同的功率、處理及發(fā)送數據的能力。

(1)匯聚節(jié)點的移動模型

匯聚節(jié)點從海面到海底或從海底到海面垂直移動。匯聚節(jié)點移動模型形式化如下：

s_xl＝s_x0 (1)

s_zl＝s_z0+k*h₀,k∈{0,1,2,...,n|n＜＝[(D_depth-s_z0)/h₀]} (2)

s_xh＝s_x0+w₀ (3)

s_zh＝s_z0+([(D_depth-s_z0)/h₀]-k)*h₀,k∈{0,1,2,...,n|n＜＝[(D_depth-s_z0)/h₀]} (4)

其中，k為整數；w₀代表相鄰匯聚節(jié)點之間的水平間隔；(s_xl，0，s_zl)代表匯聚節(jié)點從水面到水底垂直移動的坐標；(s_xh，0，s_zh)代表匯聚節(jié)點從水底到水面垂直移動的坐標；(s_x0，0，s_z0)代表匯聚節(jié)點的初始坐標；h₀代表匯聚節(jié)點每次移動的深度差的絕對值；D_depth代表仿真環(huán)境的最大深度；[EXP]表示小于或等于EXP的最大整數。

(2)能量消耗模型

水下環(huán)境噪音模型N(f)的表達式如下：

N(f)＝N_t(f)+N_s(f)+N_w(f)+N_th(f) (5)

其中，N_t(f)為湍流噪聲，N_s(f)為船舶噪聲，N_w(f)為風噪聲，N_th(f)為熱噪聲。

水下聲音信號隨著距離變化的能量衰減模型的表達式如下：

其中，表示擴散損失，表示吸收損失，A₀為常數，k為擴散系數，表示能量傳播的幾何方式，f為聲音信號頻率，a(f)表示吸收系數，為水下傳播的距離。

接收端的信噪比的表達式如下：

其中，P(f)為信號在接收端的功率，DI表示方向指數，即接收端方向敏感性函數。

覆蓋范圍的聲功率的表達式如下：

其中，表示覆蓋半徑為的帶寬。

聲信號消耗功率的表達式如下：

其中，η為常數，DI為方向系數，接收端方向敏感性的函數。

每個包P傳輸距離時消耗的能量為表達式如下：

其中，L為包的長度，B為信道帶寬(傳輸率)，P_r為接受1bit信息消耗的功率。

網絡總能量消耗用E_total表示，表達式如下：

其中，h_i-h_i-1表示第i層與第i-1之間的距離，j代表發(fā)送的最后一個包，i表示包j所在層。

衡量全網中能量是否均衡分布，用a_n表示，表達式如下：

其中，n_nodes表示網絡中傳感器節(jié)點的總數，E_res(m_i)為傳感器節(jié)點m_i的剩余能量，n_j代表任意一個節(jié)點。

(3)數據采集階段

傳感器節(jié)點周期性地監(jiān)測其感興趣的數據，并將監(jiān)測數據存入其緩沖區(qū)或替換其緩沖區(qū)中的最久記錄。

(4)分層建立階段

結合圖3，本發(fā)明的分層建立階段具體過程如下：

匯聚節(jié)點在下浮過程中到達特定位置時廣播分層建立包，若收到分層建立包類型的節(jié)點所在層級等于該包層級且該包的剩余能量大于閾值，則更新其路由表，使路由表存放剩余能量最大的高級節(jié)點；若收到分層建立包類型的節(jié)點所在層級大于該包層級且該包的剩余能量大于閾值，則該節(jié)點層級為該包層級加1并更新其路由表，使路由表存放剩余能量最大的高級節(jié)點或低級節(jié)點，等待一段時間后，廣播分層建立包并重復此過程；否則丟棄該包。該階段形成以匯聚節(jié)點為中心的同心球殼分層結構，各節(jié)點處于不同的同心球殼中。

(5)數據收集階段

結合圖4，本發(fā)明的數據收集階段具體過程如下：

1)匯聚節(jié)點在上浮過程中到達特定位置時廣播數據收集包。

2)收到數據收集包或數據包的傳感器節(jié)點若其路由表為空，則將數據包存入其緩沖區(qū)或替換其緩沖區(qū)中的最久記錄；若其路由表中存在高級節(jié)點且高級節(jié)點所在層級小于路由表存儲的層級，則該高級節(jié)點作為下一跳節(jié)點，執(zhí)行3)；若其路由表中存在低級節(jié)點且低級節(jié)點所在層級小于路由表存儲的層級，則該低級節(jié)點作為下一跳節(jié)點，執(zhí)行3)；若其路由表中存在高級節(jié)點且高級節(jié)點所在層級等于路由表存儲的層級，則該高級節(jié)點作為下一跳節(jié)點。

3)傳感器節(jié)點若尋找到下一跳節(jié)點，則將其監(jiān)測數據以數據包的形式直接發(fā)送給下一跳節(jié)點，執(zhí)行2)，直到將數據包發(fā)送給匯聚節(jié)點。

本發(fā)明將傳統(tǒng)網絡模型中靠近水面的節(jié)點的網絡負載均衡到以匯聚節(jié)點的移動軌跡為中心線的對稱區(qū)域，解決了“熱區(qū)”問題；考慮了同層傳輸及節(jié)點的剩余能量，同時避免了同層循環(huán)傳輸、空洞等情況的發(fā)生，提高了數據包送達率，縮短了端到端時延，延長了網絡壽命，使全網能量均衡分布。