本發(fā)明涉及水下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域，特別是涉及一種水下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)最短路徑路由算法。

背景技術(shù)：

水下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)廣泛的應(yīng)用于水下環(huán)境監(jiān)測、地震探測、資源發(fā)現(xiàn)等領(lǐng)域，無線電信號和光信號在水下傳輸中吸收嚴(yán)重，在水面上的接收傳感器節(jié)點裝有無線電調(diào)制器和水聲調(diào)制器，無線電調(diào)制器用來調(diào)制從接收傳感器節(jié)點到數(shù)據(jù)中心的通信，水聲調(diào)制器負(fù)責(zé)水下傳感器節(jié)點到接收傳感器節(jié)點的通信。由于水下傳感器節(jié)點和接收傳感器節(jié)點隨水流的移動而移動，使得水下傳感器節(jié)點和接收傳感器節(jié)點的位置不固定，會隨時變化，從而使水下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)形成了動態(tài)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

所以，陸地?zé)o線傳感器網(wǎng)絡(luò)中使用的路由算法無法直接在水下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中使用，在現(xiàn)有技術(shù)中，以獲取水下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的全局位置信息為前提，以節(jié)省能量的指標(biāo)得出水下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)最短路徑路由算法，但是由于水的流動，無法獲取水下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的全局位置信息，所以亟需一種在無法獲取水下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的全局位置信息的基礎(chǔ)上，適用于水下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)最短路徑路由算法。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種水下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)最短路徑路由算法。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了如下方案：

一種水下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)最短路徑路由計算方法，水下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)由K級節(jié)點的路由器連接形成，其中，所述計算方法包括：

根據(jù)第i級節(jié)點的深度值大于i+1級節(jié)點的深度值以及第i+1級節(jié)點的剩余能量值大于設(shè)定能量閾值，初次篩選出第i+1級節(jié)點集合；其中，i＝0,1,...,K-1；

計算所述第i級節(jié)點從發(fā)出對應(yīng)級別命令包到接收到所述第i+1級節(jié)點集合中各所述第i+1級節(jié)點反饋的對應(yīng)級別響應(yīng)命令包的往返時間；

根據(jù)所述第i級節(jié)點的深度值、初次篩選后的第i+1級節(jié)點集合中各所述第i+1級節(jié)點的深度值和對應(yīng)的所述往返時間計算所述第i級節(jié)點到多個所述第i+1級節(jié)點的方向與豎直方向的夾角的余弦值；

判斷所述余弦值是否相等，如果相等，繼續(xù)進(jìn)行；否則，選擇對應(yīng)余弦值最小的路徑；

判斷所述第i+1級節(jié)點的所述剩余能量值是否相等，如果是，繼續(xù)進(jìn)行；否則，選擇對應(yīng)所述剩余能量值最大的路徑；

篩選出大于所述鏈路質(zhì)量的質(zhì)量閾值的各所述路徑的鏈路質(zhì)量，并從中選擇對應(yīng)鏈路質(zhì)量最大值的路徑；

對所述K級節(jié)點按照上述步驟操作，獲得由K個節(jié)點連接構(gòu)成的所述水下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)最短路徑。

可選的，根據(jù)所述第i級節(jié)點的深度值、初次篩選后的第i+1級節(jié)點集合中各所述第i+1級節(jié)點的深度值和對應(yīng)的所述往返時間計算所述第i級節(jié)點到多個所述第i+1級節(jié)點的方向與豎直方向的夾角的余弦值的步驟具體包括：

根據(jù)公式(1)獲得所述第i級節(jié)點與所述第i+1級節(jié)點的深度差Δd，

其中，d₁表示所述第i級節(jié)點的深度值，d₂表示所述第i+1級節(jié)點的深度值，p₁表示所述第i級節(jié)點的壓力值，p₂表示所述第i+1級節(jié)點的壓力值，g表示重力加速度，ρ表示水的密度；

根據(jù)公式(2)獲得所述命令包傳播的距離s，

s＝Δtv₀ (2)；

其中，Δt表示所述往返時間，v₀表示所述命令包在水中的傳播速度；

根據(jù)公式(3)得出所述余弦值p_ri，

其中，Δd表示所述第i級節(jié)點與所述第i+1級節(jié)點深度差，s表示所述命令包傳播的距離。

可選的，每個所述節(jié)點都設(shè)置有計時器和壓力傳感器。

可選的，所述第i+1級節(jié)點還包括空白節(jié)點，所述計算方法還包括：

判斷所述第i+1級節(jié)點是否為空白節(jié)點，如果是，啟動恢復(fù)算法；否則繼續(xù)發(fā)送至下一級節(jié)點。

可選的，當(dāng)所述第i+1級節(jié)點為空白節(jié)點，將所述第i+1級節(jié)點反饋的對應(yīng)級別的第i+1級數(shù)據(jù)包的標(biāo)志位設(shè)置為“1”，所述恢復(fù)算法具體包括：

當(dāng)所述第i級節(jié)點收到第i+1級響應(yīng)命令包時，所述第i級數(shù)據(jù)包的標(biāo)志位為“1”時，刪除對應(yīng)的所述第i級節(jié)點到所述空白節(jié)點的路徑；

當(dāng)所述第i+1級節(jié)點收到所述第i級節(jié)點發(fā)送的對應(yīng)級別的第i級數(shù)據(jù)包時，將所述第i+1級節(jié)點收到的對應(yīng)級別的第i級數(shù)據(jù)包的標(biāo)志位設(shè)置為“0”，繼續(xù)轉(zhuǎn)發(fā)對應(yīng)級別的數(shù)據(jù)包。

可選的，所述第i級節(jié)點根據(jù)所述命令包記錄所述第i+1級節(jié)點的ID值，所述深度值，所述剩余能量值，所述鏈路質(zhì)量，所述往返時間。

可選的，所述鏈路質(zhì)量的計算方法包括：

鏈路質(zhì)量C(s,f)＝Blog₂(1+SNR(s,f)) (4)；

其中，s表示所述命令包在水中傳播的距離，B表示傳輸帶寬，SNR表示信噪比，f表示通信頻率。

根據(jù)本發(fā)明提供的具體實施例，本發(fā)明公開了以下技術(shù)效果：根據(jù)第i級節(jié)點的深度值大于第i+1級節(jié)點的深度值以及第i+1級節(jié)點的剩余能量值大于設(shè)定能量閾值，依次比較深度值、剩余能量值、傳輸命令包的往返時間、鏈路質(zhì)量篩選出水下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由的最短路徑，實現(xiàn)了獨立節(jié)點地理位置信息和節(jié)點間的時間同步，減小了節(jié)點到節(jié)點的延時，提高了能量效率，延長了整個無線網(wǎng)絡(luò)的生命周期。

附圖說明

為了更清楚地說明本發(fā)明實施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對實施例中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實施例，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動性的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。

圖1為本發(fā)明一種水下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)最短路徑路由算法的流程圖；

圖2為本發(fā)明中恢復(fù)算法的流程圖；

圖3為本發(fā)明水下無線網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D；

具體實施方式

下面將結(jié)合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例?；诒景l(fā)明中的實施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。

本發(fā)明的目的是提供一種水下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)最短路徑路由算法。

為使本發(fā)明的上述目的、特征和優(yōu)點能夠更加明顯易懂，下面結(jié)合附圖和具體實施方式對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說明。

一種水下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)最短路徑路由計算方法，如圖3所示，水下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)由K級節(jié)點的路由器連接形成，其中，如圖1所示，所述計算方法包括：

步驟100：根據(jù)第i級節(jié)點的深度值大于第i+1級節(jié)點的深度值以及第i+1級節(jié)點的剩余能量值大于設(shè)定能量閾值，初次篩選出第i+1級節(jié)點集合；對于不符合篩選條件的第i+1級節(jié)點，刪除路由信息，所述不符合篩選條件的第i+1級節(jié)點丟棄所述命令包，其中，i＝0,1,...,K-1。

步驟200：所述第i+1級節(jié)點對第i級節(jié)點進(jìn)行響應(yīng)，反饋出響應(yīng)命令包，計算所述第i級節(jié)點從發(fā)出對應(yīng)級別命令包到接收到所述第i+1級節(jié)點集合中各所述第i+1級節(jié)點反饋的對應(yīng)級別響應(yīng)命令包的往返時間，所述往返時間越長，所述命令傳播的距離越長，能量損失越大。

步驟300：根據(jù)所述第i級節(jié)點的深度值、初次篩選后的第i+1級節(jié)點集合中各所述第i+1級節(jié)點的深度值和對應(yīng)的所述往返時間計算所述第i級節(jié)點到多個所述第i+1級節(jié)點的方向與豎直方向的夾角的余弦值。

步驟400：判斷所述余弦值是否相等，如果相等，執(zhí)行步驟500；否則，選擇對應(yīng)余弦值最小的路徑。

步驟500：判斷所述第i+1級節(jié)點的所述剩余能量值是否相等，如果是，執(zhí)行步驟600；否則，選擇對應(yīng)所述剩余能量值最大的路徑，通過引入剩余能量的比較，延長了整個網(wǎng)絡(luò)的壽命，即時轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包，使得無線網(wǎng)絡(luò)在節(jié)點間傳輸?shù)难訒r縮短。

步驟600：篩選出大于所述鏈路質(zhì)量的質(zhì)量閾值的各所述路徑的鏈路質(zhì)量，并從中選擇對應(yīng)鏈路質(zhì)量最大值的路徑，選擇所述鏈路質(zhì)量好的路由，優(yōu)化了系統(tǒng)性能，降低了傳輸誤碼率。

步驟700：對所述K級節(jié)點按照上述步驟操作，獲得由K個節(jié)點連接構(gòu)成的所述水下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)最短路徑。

每個所述節(jié)點都裝備有計時器和壓力傳感器，所述計時器用來確定所述第i級節(jié)點和第i+1級節(jié)點之間的距離，所述壓力傳感器用來測量節(jié)點深度值，根據(jù)所述第i級節(jié)點的深度值、初次篩選后的第i+1級節(jié)點集合中各所述第i+1級節(jié)點的深度值和對應(yīng)的所述往返時間計算所述第i級節(jié)點到多個所述第i+1級節(jié)點的方向與豎直方向的夾角的余弦值的步驟具體包括：

301：根據(jù)公式(1)獲得所述第i級節(jié)點與所述第i+1級節(jié)點的深度差Δd，

其中，d₁表示所述第i級節(jié)點的深度值，d₂表示所述第i+1級節(jié)點的深度值，p₁表示所述第i級節(jié)點的壓力值，p₂表示所述第i+1級節(jié)點的壓力值，g表示重力加速度，ρ表示水的密度；

302：根據(jù)公式(2)獲得所述命令包傳播的距離s，

s＝Δtv₀ (2)；

其中，Δt表示所述往返時間，v₀表示所述命令包在水中的傳播速度；

303：根據(jù)公式(3)得出所述余弦值p_ri，

其中，Δd表示所述第i級節(jié)點與所述第i+1級節(jié)點深度差，s表示所述命令包傳播的距離。

當(dāng)所述第i+1級節(jié)點不符合篩選條件時，所述第i+1級節(jié)點還包括空白節(jié)點。所述計算方法還包括：判斷所述第i+1級節(jié)點是否為空白節(jié)點，如果是，空白節(jié)點不能將所述對應(yīng)級別的命令包發(fā)送到對應(yīng)級別的節(jié)點，最終不能將所述對應(yīng)級別的數(shù)據(jù)包交付到水面上的傳感器節(jié)點，導(dǎo)致數(shù)據(jù)包交付率降低，所以，當(dāng)?shù)趇+1級節(jié)點為空白節(jié)點時，啟動恢復(fù)算法；否則繼續(xù)轉(zhuǎn)發(fā)至下一級節(jié)點。

如圖2所示，當(dāng)所述第i+1級節(jié)點為空白節(jié)點，將所述第i+1級節(jié)點反饋的對應(yīng)級別的第i+1級數(shù)據(jù)包的標(biāo)志位設(shè)置為“1”，所述標(biāo)志位為數(shù)據(jù)包的包頭中表示轉(zhuǎn)發(fā)次數(shù)的字段，標(biāo)志位設(shè)置為“1”表示對應(yīng)級別的數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)過，但是沒有成功轉(zhuǎn)發(fā)，所述恢復(fù)算法具體包括：

步驟101：當(dāng)所述第i級節(jié)點收到第i+1級響應(yīng)命令包時，所述第i級數(shù)據(jù)包的標(biāo)志位為“1”時，刪除對應(yīng)的所述第i級節(jié)點到所述空白節(jié)點的路徑。

步驟102：當(dāng)所述第i+1級節(jié)點收到所述第i級節(jié)點發(fā)送的對應(yīng)級別的第i級數(shù)據(jù)包時，將所述第i+1級節(jié)點收到的對應(yīng)級別的第i級數(shù)據(jù)包的標(biāo)志位設(shè)置為“0”。

步驟103：繼續(xù)轉(zhuǎn)發(fā)對應(yīng)級別的數(shù)據(jù)包，繼續(xù)按照最短路徑的原則進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包。

所述第i級節(jié)點根據(jù)所述命令包記錄所述第i+1級節(jié)點的ID值，所述深度值，所述剩余能量值，所述鏈路質(zhì)量，所述往返時間。

本說明書中各個實施例采用遞進(jìn)的方式描述，每個實施例重點說明的都是與其他實施例的不同之處，各個實施例之間相同相似部分互相參見即可。對于實施例公開的系統(tǒng)而言，由于其與實施例公開的方法相對應(yīng)，所以描述的比較簡單，相關(guān)之處參見方法部分說明即可。

本文中應(yīng)用了具體個例對本發(fā)明的原理及實施方式進(jìn)行了闡述，以上實施例的說明只是用于幫助理解本發(fā)明的方法及其核心思想；同時，對于本領(lǐng)域的一般技術(shù)人員，依據(jù)本發(fā)明的思想，在具體實施方式及應(yīng)用范圍上均會有改變之處。綜上所述，本說明書內(nèi)容不應(yīng)理解為對本發(fā)明的限制。