本發(fā)明涉及海洋聲通信領(lǐng)域，具體涉及一種利用調(diào)和勢場的水聲傳感網(wǎng)絡(luò)路由算法。

背景技術(shù)：

無線傳感網(wǎng)絡(luò)的路由算法大致可以分為三類，一是基于狀態(tài)信息表的主動(dòng)路由算法：主動(dòng)路由算法需要通過周期性的洪發(fā)來維護(hù)狀態(tài)信息表的可靠性，往往會(huì)造成巨大的網(wǎng)絡(luò)開銷和能量消耗。二是基于需求的被動(dòng)路由算法：被動(dòng)路由算法雖然減少了網(wǎng)絡(luò)的開銷，但由于水聲信道長傳播時(shí)延的特性，鏈路狀態(tài)信息的實(shí)時(shí)性難以得到保證，因此也影響了路由信息的可靠性。三是基于地理位置信息的路由算法：它不依賴于洪發(fā)，也不依賴于長時(shí)間的鏈路狀態(tài)的信息查詢，而僅依賴于網(wǎng)絡(luò)的地理位置信息。當(dāng)前水聲傳感網(wǎng)絡(luò)的路由算法基本都是基于地理位置信息。

基于地理位置信息的水聲網(wǎng)絡(luò)路由算法在選擇中繼節(jié)點(diǎn)時(shí)基本上仍采用貪婪前項(xiàng)搜索策略，這樣節(jié)點(diǎn)可能會(huì)將數(shù)據(jù)傳送到這樣一個(gè)鄰節(jié)點(diǎn)，它是比其所有鄰節(jié)點(diǎn)更接近但卻無法直接達(dá)到網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)(也稱為局部最小點(diǎn))，從而導(dǎo)致尋找路由失敗。要解決這一問題，節(jié)點(diǎn)往往需要周期性地進(jìn)行路由維護(hù)，從而影響了路由效率。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種水聲傳感網(wǎng)絡(luò)路由算法及系統(tǒng)，以克服局部最小點(diǎn)導(dǎo)致尋找路由失敗的技術(shù)問題。

為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種水聲傳感網(wǎng)絡(luò)路由算法，包括：

步驟S1，獲得網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；

步驟S2，電勢分配；以及

步驟S3，構(gòu)建路由。

進(jìn)一步，所述步驟S1中獲得網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的方法包括：

針對水聲傳感網(wǎng)絡(luò)的三維空間特性，將水聲傳感網(wǎng)絡(luò)中信息傳播的三維空間分解成大小相同的小立方體區(qū)域，即構(gòu)建水下三維網(wǎng)格。

進(jìn)一步，所述步驟S2中電勢分配的方法包括：

根據(jù)勢場理論，對發(fā)送節(jié)點(diǎn)、局部最小點(diǎn)，以及網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行電勢的初始化分配；即

對局部最小點(diǎn)和發(fā)送節(jié)點(diǎn)配以正電勢，而網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)配以負(fù)電勢。

進(jìn)一步，步驟S3中構(gòu)建路由的方法包括：

在水下三維網(wǎng)格中，根據(jù)電勢線的方向從高指向低，以構(gòu)建一條從發(fā)送節(jié)點(diǎn)到網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的路由。

進(jìn)一步，構(gòu)建一條從發(fā)送節(jié)點(diǎn)到網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的路由，即根據(jù)水下三維網(wǎng)格限定所述路由，其方法包括：若所述路由的連續(xù)曲線經(jīng)過的水下三維網(wǎng)格有傳感器節(jié)點(diǎn)存在，則該傳感器節(jié)點(diǎn)被選為所述路由的中繼節(jié)點(diǎn)；若所在的水下三維網(wǎng)格有多個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)，則最接近該曲線的傳感器節(jié)點(diǎn)被選為所述路由的中繼節(jié)點(diǎn)；以及若發(fā)送節(jié)點(diǎn)、中繼節(jié)點(diǎn)、網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)不能形成一條完整的從發(fā)送節(jié)點(diǎn)到網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的路由，則調(diào)整局部最小點(diǎn)的勢，再運(yùn)用選定的中繼節(jié)點(diǎn)，直到發(fā)送節(jié)點(diǎn)、中繼節(jié)點(diǎn)、網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)能形成一條完整的從發(fā)送節(jié)點(diǎn)到網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的路由為止。

進(jìn)一步，傳感器節(jié)點(diǎn)均配置有水壓測量儀，以使各傳感器節(jié)點(diǎn)均知曉自己是否屬于局部最小點(diǎn)；若是則自動(dòng)設(shè)為高電勢，以得到一條從發(fā)送節(jié)點(diǎn)到網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，且適于避開局部最小點(diǎn)的路由。

又一方面，本發(fā)明還提供了一種水聲傳感網(wǎng)絡(luò)路由系統(tǒng)，包括：

發(fā)送節(jié)點(diǎn)，網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)；其中所述發(fā)送節(jié)點(diǎn)與網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)之間適于建立水聲傳感網(wǎng)絡(luò)路由。

本發(fā)明的有益效果是，本發(fā)明的水聲傳感網(wǎng)絡(luò)路由算法及系統(tǒng)克服了局部最小點(diǎn)導(dǎo)致尋找路由失敗的技術(shù)問題，尤其適合在海洋環(huán)境中的水聲傳感器網(wǎng)絡(luò)中確定其路由。

附圖說明

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)一步說明。

圖1是本發(fā)明的水聲傳感網(wǎng)絡(luò)路由算法流程圖；

圖2是電勢和梯度場的變化示意圖；

圖3是二維平面區(qū)域由調(diào)和勢場生成的路由示意圖。

具體實(shí)施方式

現(xiàn)在結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說明。這些附圖均為簡化的示意圖，僅以示意方式說明本發(fā)明的基本結(jié)構(gòu)，因此其僅顯示與本發(fā)明有關(guān)的構(gòu)成。

實(shí)施例1

本實(shí)施過程采用勢場理論，即調(diào)和勢場的方式獲得水下無線傳感網(wǎng)絡(luò)的路由；其中調(diào)和勢場是一種基于調(diào)和函數(shù)的方法，通過調(diào)和函數(shù)和邊界條件，其克服三維空間路徑規(guī)劃中的極小點(diǎn)問題，而無需不斷地進(jìn)行路徑維護(hù)。

根據(jù)勢場理論，調(diào)和函數(shù)是滿足下面拉普拉斯方程的解：

其中φ是一個(gè)標(biāo)量，代表電勢值，x_i是第i維笛卡爾坐標(biāo)，而n是空間的維數(shù)。通過求解上述的拉普拉斯方程，得到的是一個(gè)連續(xù)的勢函數(shù)φ，代表一條路徑或路由。

如圖1所示，本實(shí)施例所提供的水聲傳感網(wǎng)絡(luò)路由算法的具體實(shí)施步驟包括：

步驟S1，獲得網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；

步驟S2，電勢分配；以及

步驟S3，構(gòu)建路由。

其中，由于水聲傳感網(wǎng)絡(luò)中傳感器節(jié)點(diǎn)都是離散分布的，要通過勢函數(shù)構(gòu)造路徑，則必須現(xiàn)對信息傳播的空間進(jìn)行離散化處理，因此，所述步驟S1中獲得網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的方法包括：針對水聲傳感網(wǎng)絡(luò)的三維空間特性，將水聲傳感網(wǎng)絡(luò)中信息傳播的三維空間分解成大小相同的小立方體區(qū)域，即構(gòu)建水下三維網(wǎng)格。

所述步驟S2中電勢分配的方法包括：根據(jù)勢場理論，對發(fā)送節(jié)點(diǎn)、局部最小點(diǎn)，以及網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)(如海面浮標(biāo))進(jìn)行電勢的初始化分配；即對局部最小點(diǎn)和發(fā)送節(jié)點(diǎn)配以正電勢，而網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)配以負(fù)電勢。

其中，當(dāng)局部最小點(diǎn)賦予正電勢(或高電勢)后，由于發(fā)送節(jié)點(diǎn)同樣也配以正電勢(或高電勢)，因此，從發(fā)送節(jié)點(diǎn)出發(fā)的電勢流必然避開同樣配以正電勢的局部最小點(diǎn)，產(chǎn)生的路徑就克服了局部最小點(diǎn)的問題。

圖2示出了電勢和梯度場的變化示意圖。圖中橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)均表示距離，正號(hào)+表示以零為中心的正向距離，而負(fù)號(hào)－表示以零為中心的負(fù)向距離；其中箭頭方向表示電勢從高到低的走向，電勢線彎曲程度表示梯度的變化快慢。

具體的，步驟S3中構(gòu)建路由的方法包括：

在水下三維網(wǎng)格中，根據(jù)電勢線的方向從高指向低，以構(gòu)建一條從發(fā)送節(jié)點(diǎn)到網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的路由。

具體的，勢場理論中的拉普拉斯方程，其中的勢函數(shù)φ是該方程的解，代表一條沿梯度下降的最大方向的空間曲線，即從發(fā)送節(jié)點(diǎn)代表的源到浮標(biāo)(或網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn))代表的匯。在本實(shí)施例的水聲傳感器網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點(diǎn)是離散的，由勢函數(shù)生成的路徑不一定正好有相應(yīng)的傳感器節(jié)點(diǎn)落在該路徑上并正好構(gòu)成一條從發(fā)送節(jié)點(diǎn)到浮標(biāo)(或網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，也稱為網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn))的路由。

為此需要對空間區(qū)域離散化，使得由勢函數(shù)生成的路徑周圍正好有傳感器節(jié)點(diǎn)，并能構(gòu)成一條從發(fā)送節(jié)點(diǎn)到浮標(biāo)(或網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn))的路由。

假如不能滿足上述要求，那么需要采用啟發(fā)式的方法，逐步提高局部最小點(diǎn)的電勢，直到由勢函數(shù)生成的路徑正好有相應(yīng)的傳感器節(jié)點(diǎn)落在該路徑附近并正好構(gòu)成一條從發(fā)送節(jié)點(diǎn)到浮標(biāo)(或網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn))的路由為止。

作為構(gòu)建一條從發(fā)送節(jié)點(diǎn)到網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的路由的一種優(yōu)選的實(shí)施方式，即根據(jù)水下三維網(wǎng)格限定所述路由，其方法包括：

若所述路由的連續(xù)曲線經(jīng)過的水下三維網(wǎng)格有傳感器節(jié)點(diǎn)存在，則該傳感器節(jié)點(diǎn)被選為所述路由的中繼節(jié)點(diǎn)；

若所在的水下三維網(wǎng)格有多個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)，則最接近該曲線的傳感器節(jié)點(diǎn)被選為所述路由的中繼節(jié)點(diǎn)；

若發(fā)送節(jié)點(diǎn)、中繼節(jié)點(diǎn)、網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)不能形成一條完整的從發(fā)送節(jié)點(diǎn)到網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的路由，則調(diào)整局部最小點(diǎn)的勢，再運(yùn)用選定的中繼節(jié)點(diǎn)，直到發(fā)送節(jié)點(diǎn)、中繼節(jié)點(diǎn)、網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)能形成一條完整的從發(fā)送節(jié)點(diǎn)到網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的路由為止。

在實(shí)際實(shí)用中，先假定在網(wǎng)絡(luò)初始化階段已知網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并已知曉哪些節(jié)點(diǎn)屬于局部最小點(diǎn)。在靜態(tài)情形下，對這些局部最小點(diǎn)配以高電勢，同樣發(fā)送節(jié)點(diǎn)配以高電勢，而浮標(biāo)(或海面網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn))配以低電勢，根據(jù)拉普拉斯方程，勢函數(shù)是沿電勢梯度下降最大的方向，因此從發(fā)送節(jié)點(diǎn)到浮標(biāo)(或海面網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn))生成的路徑能夠成功避開局部最小點(diǎn)。而在動(dòng)態(tài)情形下，由于網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)會(huì)隨著洋流的作用(或傳感器節(jié)點(diǎn)本身的運(yùn)動(dòng))而發(fā)生改變，假定節(jié)點(diǎn)配有水壓測量儀，則各傳感器節(jié)點(diǎn)均知曉自己是否屬于局部最小點(diǎn)，若是則自動(dòng)設(shè)為高電勢，同樣也可得到一條從發(fā)送節(jié)點(diǎn)到浮標(biāo)(或海面網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)、網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn))并能夠成功避開局部最小點(diǎn)的路由。

本實(shí)施例中給傳感器節(jié)點(diǎn)賦予正電勢(或高電勢)，僅是算法意義上的，并非一種物理實(shí)現(xiàn)。

圖3示出了二維平面區(qū)域由調(diào)和勢場生成的路由示意圖。

在圖3中的Sending node表示發(fā)送節(jié)點(diǎn)，Local minimum表示局部最小點(diǎn)，Sink表示網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)(如海面浮標(biāo))，其他節(jié)點(diǎn)為普通傳感器節(jié)點(diǎn)。圖3中的虛線表示的是由調(diào)和勢場函數(shù)生成的從發(fā)送節(jié)點(diǎn)到網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的一條連續(xù)的路徑，而實(shí)線表示的是從發(fā)送節(jié)點(diǎn)到網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的路由。

實(shí)施例2

在實(shí)施例1基礎(chǔ)上，本實(shí)施例2還提供了一種水聲傳感網(wǎng)絡(luò)路由系統(tǒng)，包括：

發(fā)送節(jié)點(diǎn)，網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)；其中所述發(fā)送節(jié)點(diǎn)與網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)之間適于建立水聲傳感網(wǎng)絡(luò)路由。

其中本實(shí)施例2中構(gòu)建水聲傳感網(wǎng)絡(luò)路由如實(shí)施例1所述。

以上述依據(jù)本發(fā)明的理想實(shí)施例為啟示，通過上述的說明內(nèi)容，相關(guān)工作人員完全可以在不偏離本項(xiàng)發(fā)明技術(shù)思想的范圍內(nèi)，進(jìn)行多樣的變更以及修改。本項(xiàng)發(fā)明的技術(shù)性范圍并不局限于說明書上的內(nèi)容，必須要根據(jù)權(quán)利要求范圍來確定其技術(shù)性范圍。