專利名稱：一種基于差分的水下傳感器網(wǎng)絡適應路由的方法
技術領域：
本發(fā)明總體上涉及網(wǎng)絡通信技術領域，更具體地涉及一種水下傳感器網(wǎng)絡的路由方法。
背景技術：
無線傳感器網(wǎng)絡將客觀世界的物理信息同傳輸網(wǎng)絡連接在一起，擴展了人們的信息獲取和管控能力，將傳感器網(wǎng)絡應用到水環(huán)境中的水下傳感網(wǎng)絡(UWSN UnderwaterWireless Sensor Networks)成為信息科學的重要研究領域。由于水的吸收作用，電磁波在水中的傳輸距離較短。遵循IEEE 802. llb/g或 IEEE802. 15. 4協(xié)議的節(jié)點發(fā)送的電磁波在水下的傳輸距離只有50_100cm。因此，水下網(wǎng)絡節(jié)點采用聲波通信。與陸地WSN相比，采用水聲通信的UWSN網(wǎng)絡面臨以下挑戰(zhàn)
傳播時延長聲波在水中的傳播速度是1500m/s，比無線電波在地面的傳播速度低5個量級，傳統(tǒng)無線網(wǎng)絡多址接入技術不適用UWSN水聲信道。信道錯誤率(error rate)高聲波在水下傳輸由于受到路徑損耗、噪聲干擾、多普勒擴散等因素的影響，信號出錯率高。根據(jù)傳輸范圍和調制方法的不同，水聲通信的誤碼率在10_7-10_3之間，并隨傳輸范圍的增大而增大。帶寬有限水聲信道的帶寬因受信號吸收影響極其有限，且依賴于聲波頻率和傳輸距離。大部分聲音系統(tǒng)的工作頻率在30kHz以下，IEEE 802. 11的帶寬可達幾十兆，而工作于幾千米的水聲信道帶寬大約是幾十kbps。能量有限由于傳輸距離遠、信號的發(fā)送與接收需要額外的處理以補償信道衰落，水聲通信比陸地無線電波通信能耗高；而水下節(jié)點采用干電池供電，不能利用太陽能充電。有限的能量與較大的能耗給UWSN的通信協(xié)議設計帶來較大的挑戰(zhàn)。網(wǎng)絡連通性差水下傳感器節(jié)點處于較為惡劣的江河、湖泊、海洋等環(huán)境，長期的浸泡、腐蝕使得節(jié)點故障率較高；其次，陸地傳感器網(wǎng)絡節(jié)點一般都是靜止的，而水下傳感器網(wǎng)絡的節(jié)點可能會隨著水流和其它水下活動而改變位置；相對于價格低廉的陸地節(jié)點，水下節(jié)點聲學通信模塊復雜、惡劣的水下環(huán)境需要增強的硬件保護裝置，因此水下傳感器節(jié)點價格昂貴。與陸地WSN、MANET等網(wǎng)絡相比，UWSN具有長時延、高錯誤率、低帶寬、能量有限、網(wǎng)絡拓撲動態(tài)多變，這給UWSN網(wǎng)絡的通信協(xié)議設計帶來很大的挑戰(zhàn)。UWSN亟需適應動態(tài)網(wǎng)絡拓撲、節(jié)能且能耗在節(jié)點間分布均衡的路由協(xié)議。目前傳感器網(wǎng)絡路由協(xié)議大致分為2類查詢路由和地理路由。查詢路由中，匯聚節(jié)點發(fā)送興趣消息指出查詢?nèi)蝿?。興趣消息在整個網(wǎng)絡中泛洪，以此逐跳建立從數(shù)據(jù)源到匯聚節(jié)點的反向路徑。查詢路由導致大量的通信開銷、低能效和長延時。地理路由基于節(jié)點的位置或深度信息轉發(fā)數(shù)據(jù)包?；谑噶康穆酚赊D發(fā)協(xié)議(VBF)定義了一個從源節(jié)點到匯聚節(jié)點的路由管道，分組在該管道范圍內(nèi)泛洪。VBF為每個分組計算緩存時間來抑制過多的冗余轉發(fā)，在一定程度上提高了能效?；谏疃鹊穆酚蒁BR也通過將數(shù)據(jù)包抑制一段時間來避免許多的冗余轉發(fā)。然而，由于采用緩存、廣播轉發(fā)，VBF與DBR都會帶來較高的沖突、能耗和較長的延遲。此外，無論是VBF或DBR都采用貪心算法，容易導致本來連通的節(jié)點滄為孤立、失去路由。以上的水下通信協(xié)議不能夠很好的解決節(jié)點的能量受限的問題，造成網(wǎng)絡的壽命非常的短，同時也不能夠很好的解決數(shù)據(jù)的碰撞和較長的端到端的延遲問題。由于在水下傳感網(wǎng)絡中節(jié)點會隨著水的流動而移動，造成網(wǎng)絡的拓撲結構動態(tài)的變化，以上的通信協(xié)議也無法很好的解決這個問題。

發(fā)明內(nèi)容
有鑒于此，本發(fā)明提供一種基于差分的水下傳感器網(wǎng)絡適應路由方法。該方法引入節(jié)點級別這一概念，并通過傳感器網(wǎng)絡固有的定位過程使每節(jié)點獲取各自的級別信息和兩跳以內(nèi)的鄰居節(jié)點信息，其中包括節(jié)點ID、級別、位置、剩余能量和生存時間等，并保存在鄰居信息表中，作為路由決策參數(shù)。當收到分組時，節(jié)點根據(jù)分組首部的流向、目的地址字 段，確定對于下行(廣播或目的節(jié)點位置未知的單播)控制分組，基于級差的定向泛洪機制執(zhí)行路由；對于上行數(shù)據(jù)分組，采用基于級差、節(jié)點密度和剩余能量的適應路由；對于已知目的節(jié)點位置信息的下行單播控制分組，采用基于級別與距離的差分地理路由。本發(fā)明的路由方法適用于水下復雜動態(tài)的網(wǎng)絡環(huán)境，基于級差的定向泛洪和最佳下一跳的單節(jié)點轉發(fā)大大提高了 UWSN通信能效，通過均衡節(jié)點能耗延長了整個網(wǎng)絡的生命期，非時間抑制的即時轉發(fā)縮短了端到端的延遲。為了達到上述目的，本發(fā)明提供了一種基于差分的水下傳感器網(wǎng)絡適應路由方法，其特征在于包括下列幾個組成部分
(I)節(jié)點級別定義=UWSN網(wǎng)絡與傳統(tǒng)計算機網(wǎng)絡通信有較大區(qū)別，SINK節(jié)點是UWSN的樞紐，又是連接到其它網(wǎng)絡(Internet)的網(wǎng)關。UWSN通信以SINK節(jié)點為中心其中的控制分組源自SINK節(jié)點，流向傳感器節(jié)點，稱為下行流量；數(shù)據(jù)分組來自傳感器節(jié)點，以SINK節(jié)點為目的，稱為上行流量。因此，那些SINK附近的傳感器節(jié)點除了執(zhí)行自身的感知任務，產(chǎn)生并發(fā)送數(shù)據(jù)外，還要為其它分組擔任中繼任務，負責中繼其它節(jié)點的上行數(shù)據(jù)或下行控制分組，構成了 UWSN網(wǎng)絡的重要支撐。節(jié)點越靠近SINK點，擔任的中繼通信量越大，對網(wǎng)絡的支撐作用越大。為了表示節(jié)點對網(wǎng)絡的重要程度，本申請對節(jié)點進行分級級別越小，越靠近SINK樞紐，節(jié)點在網(wǎng)絡中地位越高。其中，SINK節(jié)點級別用O表示，則其一跳鄰居級別為1，2跳鄰居級別為2，以此類推。(2)節(jié)點級別信息的獲取與更新過程
UWSN是以數(shù)據(jù)為中心的網(wǎng)絡，而沒有位置信息的感知數(shù)據(jù)失去其原有的意義。因此，節(jié)點定位是UWSN的首要過程，這一過程通常由SINK節(jié)點發(fā)起。UWSN網(wǎng)絡中，信標節(jié)點(SINK節(jié)點)定期廣播位置信息，其中包含SINK節(jié)點的自身位置和一些其它附帶的諸如剩余能量、鄰居節(jié)點等信息。在定位控制分組頭部包含級別字段，用來填充發(fā)送節(jié)點的級別，該字段由SINK節(jié)點初始化為0，并隨著該分組沿下行方向的定向泛洪逐跳增一，因此，該字段表示分組的上一跳節(jié)點級別。當?shù)谝淮问盏蕉ㄎ环纸M時，傳感器節(jié)點提取頭部字段中的級別信息，
記為Lwe，并將其加一作為自己的級別，記為,并提取分組中節(jié)點ID、位置、剩余能量、鄰
居信息等，插入到鄰居信息表，最后更新該分組原有的節(jié)點ID、級別、及其它相應字段為本節(jié)點相應信息后進行轉發(fā)，則網(wǎng)絡達到收斂后，每個節(jié)點都將得到自己的級別信息。
當傳感器節(jié)點的級別4,尚未過期時收到一個定位分組時，它將對分組中的級別字段同自身的級別進行比較。如果分組中的級別L辦較小，節(jié)點將更新自己的級別
以及鄰居表信息，并替換分組頭部中的節(jié)點ID、級別和其它相應字段，并轉發(fā)分組。否則，節(jié)點只更新鄰居信息表而不轉發(fā)分組。(3)鄰居節(jié)點信息記錄鄰居表中記錄的鄰居節(jié)點信息主要來自于下行的控制分組。在SINK節(jié)點定期廣播的定位分組中，其頭部字段包括分組流向、SINK節(jié)點ID、轉發(fā)節(jié)點ID、轉發(fā)節(jié)點級別等信息，其內(nèi)容字段包括轉發(fā)節(jié)點位置、剩余能量及其一跳鄰居信息等，另外還可捎帶其它控制信息等。因此，每一個接收節(jié)點除了能夠通過某種算法計算得到自己的位置、級別信息外，還能獲取兩跳以內(nèi)的鄰居信息，包括節(jié)點ID、級別、位置、剩余能量、父節(jié)點及老化時間等。(4)基于級差的定向泛洪機制當節(jié)點首次收到下行的控制分組時，它將分組頭部 的級別字段的值(表示為加一后作為自己的級別(表示為4·)，并將分組中相應字段的信息進行替換后轉發(fā)。當已獲取級別信息且該信息尚未過期的節(jié)點收到下行的廣播分組或目的節(jié)點位置未知的單播分組時，節(jié)點提取分組首部級別字段的值U,并與自己的級別4,進行比較，若‘ < ，節(jié)點將更新鄰居表中自己的級別、老化時間以及鄰居信息等，并將分組中相應字段的信息進行替換后轉發(fā)，否則不做任何處理。(5)基于級差、節(jié)點密度和剩余能量的適應路由步驟
51)當收到一個上行分組時，預期的接收節(jié)點將搜索自己的鄰居表，查找有資格轉發(fā)該分組的候選節(jié)點，即那些級別字段為的鄰居節(jié)點。52)在復雜動態(tài)的UWSN環(huán)境，可能存在多個鄰居節(jié)點都有資格轉發(fā)該分組，即存在多個候選的下一跳節(jié)點，如果這些候選節(jié)點都轉發(fā)該分組，將會造成大量的沖突從而導致無謂的重傳，增加了延時和能耗，這給采用大延時、高能耗水聲通信的UWSN帶來很高的代價。為了解決傳統(tǒng)UWSN的廣播轉發(fā)帶來的高沖突、高能耗弊端，適應路由將從候選節(jié)點
中計算最佳的下一跳節(jié)點^“。53)為了在整個網(wǎng)絡中均衡節(jié)點的能量消耗，最大限度的提高UWSN網(wǎng)絡壽命，適應路由在節(jié)點密度和剩余能量之間進行權衡，為每一個候選的節(jié)點計算一個期望的
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因子P 太口;].....^...... (3! 這里為候選節(jié)點的期望因子，
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,為節(jié)點密度，即候選的下一跳節(jié)點數(shù)量，APi為節(jié)點j
的剩余能量，APssijt為節(jié)點的初始能量。54)期望因子最大的候選節(jié)點J'當選為最佳下一跳節(jié)點冊M ,
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P Ittax} O(6)基于級別與距離的差分地理路由步驟
61)當收到目的節(jié)點位置已知的下行分組時，接收節(jié)點將分組首部級別字段值_ _自身的級別進行比較。若則節(jié)點丟棄分組不做任何處理。62)若J ^ I興，接收節(jié)點提取分組中目標節(jié)點的位置信息，記為P ,并查找鄰
居表。若在鄰居表中找到比上一跳節(jié)點更接近目的節(jié)點的兩跳的鄰居節(jié)點j。節(jié)點j'到目的節(jié)點的距離記為,則6 Diswea節(jié)點j為當前節(jié)點到節(jié)點J'的下一跳節(jié)
點，定義節(jié)點i的期望因子為C^esirt。這里as β34 9 I3 a3J a4 X [0,U , if為水下聲波的
傳輸范圍。
權利要求
1.一種基于差分的水下傳感器網(wǎng)絡適應路由方法，其特征在于，所述的路由包括以下幾個部分 1)為節(jié)點定義級別，代表節(jié)點的重要程度；節(jié)點級別的獲取與更新借助下行控制分組的定向泛洪過程完成； 2)每個節(jié)點保存一個鄰居表，記錄兩跳以內(nèi)的鄰居節(jié)點的信息，包括節(jié)點ID、級別、位置、剩余能量、父節(jié)點及老化時間等信息；中間節(jié)點基于數(shù)據(jù)包流向、目的位置和鄰居表信息執(zhí)行路由決策； 3)對于下行廣播和目的節(jié)點位置未知的單播控制分組，基于級差的定向泛洪機制執(zhí)行路由； 4)對于上行數(shù)據(jù)分組，采用基于級差、節(jié)點密度和剩余能量的適應路由； 5)對于已知目的節(jié)點位置信息的下行單播控制分組，采用基于級別與距離的差分地理路由； 所述的節(jié)點級別定義=UWSN通信以SINK節(jié)點為中心，數(shù)據(jù)分組或來自傳感器節(jié)點，或目的為SINK節(jié)點；其附近的傳感器節(jié)點負責為SINK節(jié)點的通信執(zhí)行中繼，構成UWSN網(wǎng)絡的重要支撐；節(jié)點級別表示節(jié)點對網(wǎng)絡的重要程度； 所述的節(jié)點級別信息的獲取與更新過程為 1)節(jié)點定位是UWSN的必不可缺的過程，節(jié)點級別信息的獲取與更新借助這一過程完成；在信標節(jié)點定期廣播的位置信息分組的首部字段中包含級別字段，表示上一跳節(jié)點的級別，接收節(jié)點可根據(jù)該字段值經(jīng)過計算后得到自身的級別，當定位過程完成，網(wǎng)絡達到收斂后，每個節(jié)點都將得到自己的級別信息； 2)當傳感器節(jié)點的級別4,尚未過期時，節(jié)點每收到一個下行分組定位或其它控制信息，都會對分組中的級別字段同自身的級別Jiir進行比較；如果分組中的級別 較小，節(jié)點將經(jīng)過計算更新自己的包括老化時間在內(nèi)級別信息； 所述的鄰居表中記錄的鄰居節(jié)點信息來自于下行分組；在SINK節(jié)點發(fā)送的控制分組或定期廣播的定位分組中，首部字段包括SINK節(jié)點ID、轉發(fā)節(jié)點ID、轉發(fā)節(jié)點級別等信息，其數(shù)據(jù)字段包括或捎帶包括轉發(fā)節(jié)點及其一跳鄰居節(jié)點的位置、剩余能量等信息，接收節(jié)點以此獲取兩跳以內(nèi)的鄰居信息，包括節(jié)點ID、級別、位置、剩余能量、父節(jié)點及老化時間等; 所述的基于級差的定向泛洪機制當節(jié)點收到下行的控制分組時，提取分組首部級別字段的值并與自己的級別進行比較,若‘ < Lim,將分組中相應字段的信息進行替換后轉發(fā)，否則不做任何處理； 所述的基于級差、節(jié)點密度和剩余能量的適應路由當收到上行分組時，基于鄰居節(jié)點級別確定候選節(jié)點，并基于節(jié)點密度和剩余能量為每個候選節(jié)點計算期望因
全文摘要
本發(fā)明總體上涉及網(wǎng)絡通信技術領域，更具體地涉及一種水下傳感器網(wǎng)絡的路由方法。本發(fā)明路由方法包括下列幾個組成部分(1)節(jié)點級別定義；(2)節(jié)點級別信息的獲取與更新過程；(3)鄰居節(jié)點信息記錄；(4)基于級差的定向泛洪機制；(5)基于級差、節(jié)點密度和剩余能量的適應路由步驟；(6)基于級別與距離的差分地理路由步驟。本發(fā)明具有下列優(yōu)點基于鄰居表信息確定最佳下一跳的適應路由減少了冗余路徑，在很大程度上提高了能量效率；適應路由采用立即路由，避免了傳統(tǒng)水下UWSN路由對接收包的抑制時間，減少了端到端的延時。大量的仿真實驗證明，基于差分的水下傳感器網(wǎng)絡適應路由協(xié)議能夠在很大程度上降低能耗、減小端到端的時延，提高節(jié)點利用的公平性，延長整個網(wǎng)絡生存期。
文檔編號H04W40/20GK102868974SQ20121034068
公開日2013年1月9日 申請日期2012年9月15日 優(yōu)先權日2012年9月15日
發(fā)明者杜秀娟, 馮振興, 蘭勝林, 柳凡 申請人:青海師范大學