本發(fā)明涉及水下傳感器網(wǎng)絡(luò)中路由協(xié)議設(shè)計(jì)方法。

背景技術(shù)：

近年來，水下聲學(xué)傳感器網(wǎng)絡(luò)(underwateracousticsensornetworks,uasns)在商業(yè)勘探、水生生物研究、海洋設(shè)數(shù)據(jù)收集等方面得到廣泛應(yīng)用。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在陸地上已經(jīng)得到長足發(fā)展，然而，由于海洋環(huán)境獨(dú)有的特性，使得陸地?zé)o線傳感器網(wǎng)絡(luò)的通信技術(shù)難以應(yīng)用到uasns。例如：陸地上是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)使用無線電通信，傳播速度高達(dá)3×10⁸m/s。但由于海水中存在豐富的電解質(zhì)，電磁波難以在水中有效傳播。截止目前，唯一有效的傳輸媒介是聲波，傳播速度遠(yuǎn)小于電磁波，所以，水聲通信具有長時延的特點(diǎn)。另外，水下聲學(xué)傳感器使用電池供電，且需要部署于幾十米甚至幾百米深的海水中，這極大地增加了為傳感器更換電池的難度。一旦傳感器節(jié)點(diǎn)電池能量耗盡，該節(jié)點(diǎn)將失去通信能力，影響網(wǎng)絡(luò)通信質(zhì)量。

首先，本發(fā)明將網(wǎng)絡(luò)生存周期定義為網(wǎng)絡(luò)開始工作到第一個節(jié)點(diǎn)能量耗盡的時長。通常，uasns在路徑規(guī)劃中會選擇延時最短的路徑作為最優(yōu)路徑。由于大部分?jǐn)?shù)據(jù)包都延最優(yōu)路徑傳播，該路徑上的節(jié)點(diǎn)能耗將高于非最優(yōu)路徑上的節(jié)點(diǎn)，造成最優(yōu)路徑上的節(jié)點(diǎn)過早死亡，降低了網(wǎng)絡(luò)生存周期。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對上述問題，本發(fā)明提出一種能耗均衡的路由建立方法。當(dāng)最優(yōu)路徑上的某節(jié)點(diǎn)剩余能量較低時，通過選擇延時較長，但節(jié)點(diǎn)能量更多的次優(yōu)路徑均衡能耗，避免節(jié)點(diǎn)過早死亡，從而延長網(wǎng)絡(luò)生存周期。本發(fā)明提出一種能耗均衡的水聲網(wǎng)絡(luò)路由建立方法，節(jié)點(diǎn)由水面到水下采用分層部署，水下的源節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生數(shù)據(jù)包并向水面的sink節(jié)點(diǎn)發(fā)送。主要步驟如下：

一種能耗均衡的水聲網(wǎng)絡(luò)路由建立方法，每個節(jié)點(diǎn)都配備壓力傳感器，可以獲取自身深度信息，為節(jié)點(diǎn)的通信定義當(dāng)前回報(bào)函數(shù)和未來回報(bào)函數(shù)，在回報(bào)函數(shù)中同時考慮端到端延時和節(jié)點(diǎn)剩余能量，再將兩種回報(bào)函數(shù)組成動作效用函數(shù)，通過求解最大效用值來確定下一跳節(jié)點(diǎn)，通信過程分為前向傳輸階段和回傳階段，前向傳輸階段用于源節(jié)點(diǎn)向sink節(jié)點(diǎn)發(fā)送通信請求并收集兩間其他節(jié)點(diǎn)的信息，sink節(jié)點(diǎn)利用該信息進(jìn)行路徑規(guī)劃，再將規(guī)劃的路徑和通信請求確認(rèn)通過回傳階段發(fā)送到源節(jié)點(diǎn),隨后開始數(shù)據(jù)包傳輸，具體包括下列步驟：

(1)當(dāng)位于水下的源節(jié)點(diǎn)有數(shù)據(jù)包需要發(fā)送時，通過廣播數(shù)據(jù)包發(fā)送請求并進(jìn)行信息收集,此節(jié)點(diǎn)向其鄰居節(jié)點(diǎn)廣播前向數(shù)據(jù)包fp，其中包括數(shù)據(jù)包類型和id、源節(jié)點(diǎn)地址sna、時間戳ts、兩個數(shù)組c和res，res中存放各轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)的剩余能量，c中存放轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)按式、計(jì)算的能耗相關(guān)代價和延時相關(guān)代價ct(tij)：

其中為節(jié)點(diǎn)的初始能量，為剩余能量，tij為數(shù)據(jù)包從節(jié)點(diǎn)i到達(dá)節(jié)點(diǎn)j需要的時長，收到fp的節(jié)點(diǎn)深度如果小于上一跳，則從數(shù)據(jù)包中提取數(shù)據(jù)，根據(jù)數(shù)據(jù)包接收時間和時間戳得到時延，再計(jì)算兩種代價函數(shù)，在將計(jì)算結(jié)果和剩余能量信息添加到數(shù)據(jù)包后繼續(xù)廣播；

(2)節(jié)點(diǎn)i與節(jié)點(diǎn)j通信成功的概率和相應(yīng)回報(bào)函數(shù)定義如下：

通信失敗的概率和相應(yīng)回報(bào)函數(shù)為：

其中mt和mt分別代表截止時刻t，節(jié)點(diǎn)i和節(jié)點(diǎn)j所發(fā)起的通信總次數(shù)和通信成功的次數(shù)，β0為節(jié)點(diǎn)發(fā)起通信的固有代價，主要由對其他節(jié)點(diǎn)的干擾和信道占用引起；β1、β2為兩種代價總和所占的權(quán)重，β1、β2值越大，能耗相關(guān)代價和延時相關(guān)代價ct(tij)對路由建立的影響越顯著；代表時延敏感程度：越小，路徑規(guī)劃中對時延的考慮越少；兩節(jié)點(diǎn)通信的當(dāng)前回報(bào)函數(shù)定義為：

(3)定義節(jié)點(diǎn)i向節(jié)點(diǎn)j發(fā)送數(shù)據(jù)包的效用函數(shù)q：

其中，r為當(dāng)前代價，q*(xj)和q*(xi)分別為節(jié)點(diǎn)i與節(jié)點(diǎn)j通信成功和失敗后的最大效用值；等式右端第二項(xiàng)為此次通信的未來回報(bào)函數(shù)值，γ為折扣因子，0＜γ＜1，γ越大表明未來回報(bào)函數(shù)值越重要，一般情況下，γ取[0.5,0.99]之間的任意值；

fp到達(dá)水面的sink節(jié)點(diǎn)后，如果sink節(jié)點(diǎn)同意該請求，則從數(shù)據(jù)包中獲取各轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)的剩余能量和代價，如果節(jié)點(diǎn)的剩余能量充足，sink節(jié)點(diǎn)從源節(jié)點(diǎn)開始，按照式計(jì)算每個鄰居節(jié)點(diǎn)的效用值，選擇具有最大效用值的鄰居節(jié)點(diǎn)作為該節(jié)點(diǎn)的下一跳，直到下一跳為sink節(jié)點(diǎn)，由此得到的路徑即為最優(yōu)路徑；如果某一節(jié)點(diǎn)，設(shè)為i，剩余能量低于某一閾值，sink節(jié)點(diǎn)將參數(shù)調(diào)整為其中n為節(jié)點(diǎn)i所有鄰居節(jié)點(diǎn)組成的集合，再按照式進(jìn)行路徑規(guī)劃，此時將得到延時較長，但剩余能量較多的次優(yōu)路徑；

(4)sink節(jié)點(diǎn)生成回傳數(shù)據(jù)包bp，包含數(shù)據(jù)包類型和id、目的節(jié)點(diǎn)地址dna和規(guī)劃出的路徑信息；其中dna即為fp中的源節(jié)點(diǎn)地址sna，路徑信息以fp中的時間戳和兩個數(shù)組攜帶的信息為基礎(chǔ)，bp沿sink節(jié)點(diǎn)所選擇的路徑向源節(jié)點(diǎn)傳輸，其他參與廣播fp但位于所選路徑之外的節(jié)點(diǎn)可以進(jìn)入休眠狀態(tài)以節(jié)約能耗；

(5)bp到達(dá)源節(jié)點(diǎn)后，源節(jié)點(diǎn)將請求發(fā)送給sink節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)包沿bp的發(fā)送路徑向sink節(jié)點(diǎn)發(fā)送；

(6)sink節(jié)點(diǎn)在成功接收數(shù)據(jù)包后，向源節(jié)點(diǎn)發(fā)送確認(rèn)數(shù)據(jù)包ack，源節(jié)點(diǎn)收到ack后，通信結(jié)束。

本發(fā)明設(shè)計(jì)了前向傳輸階段和回傳階段，前向傳輸階段用于源節(jié)點(diǎn)向sink節(jié)點(diǎn)發(fā)送通信請求并收集兩間其他節(jié)點(diǎn)的信息。sink節(jié)點(diǎn)利用該信息進(jìn)行路徑規(guī)劃，再將規(guī)劃的路徑和通信請求確認(rèn)通過回傳階段發(fā)送到源節(jié)點(diǎn),隨后開始數(shù)據(jù)包傳輸。本發(fā)明適用于長延時、節(jié)點(diǎn)能量有限且網(wǎng)絡(luò)負(fù)載較大的uasns，可以在控制端到端延時的前提下，延長網(wǎng)絡(luò)生存周期。

附圖說明

圖1是數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu)示意圖

圖2是本發(fā)明流程圖

具體實(shí)施方式

本發(fā)明提出一種能耗均衡的水聲網(wǎng)絡(luò)路由建立方法，節(jié)點(diǎn)由水面到水下采用分層部署，水下的源節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生數(shù)據(jù)包并向水面的sink節(jié)點(diǎn)發(fā)送。傳感器節(jié)點(diǎn)通過配備壓力傳感器，可以獲知自身所處的深度信息。源節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生數(shù)據(jù)包后首先以廣播的方式向sink節(jié)點(diǎn)發(fā)送請求，同時收集節(jié)點(diǎn)狀態(tài)信息。該過程中，為控制洪泛區(qū)域，只有深度小于上一跳的節(jié)點(diǎn)參與廣播。sink節(jié)點(diǎn)收到請求后，若同意建立通信，則從數(shù)據(jù)包中提取節(jié)點(diǎn)信息進(jìn)行路徑規(guī)劃，并沿規(guī)劃的路徑向源節(jié)點(diǎn)回傳請求確認(rèn)。收到請求確認(rèn)后，源節(jié)點(diǎn)開始發(fā)送數(shù)據(jù)包。接收到sink節(jié)點(diǎn)的ack后，通信結(jié)束。

主要步驟如下：

1.當(dāng)位于水下的源節(jié)點(diǎn)有數(shù)據(jù)包需要發(fā)送時，通過廣播數(shù)據(jù)包發(fā)送請求并進(jìn)行信息收集。該節(jié)點(diǎn)向其鄰居節(jié)點(diǎn)廣播前向數(shù)據(jù)包(fp)，其中包括數(shù)據(jù)包類型和id，源節(jié)點(diǎn)地址(sna)，時間戳(ts)、兩個數(shù)組c和res。res中存放各轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)的剩余能量。c中存放轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)按式、計(jì)算的代價函數(shù)值。

其中為節(jié)點(diǎn)的初始能量，為剩余能量，tij為數(shù)據(jù)包從節(jié)點(diǎn)i到達(dá)節(jié)點(diǎn)j需要的時長。收到fp的節(jié)點(diǎn)深度如果小于上一跳，則從數(shù)據(jù)包中提取數(shù)據(jù)，根據(jù)數(shù)據(jù)包接收時間和時間戳得到時延，再計(jì)算兩種代價函數(shù)，在將計(jì)算結(jié)果和剩余能量信息添加到數(shù)據(jù)包后繼續(xù)廣播。

2.節(jié)點(diǎn)i與節(jié)點(diǎn)j通信成功的概率和相應(yīng)回報(bào)定義如下：

通信失敗的概率和相應(yīng)回報(bào)函數(shù)為：

其中mt和mt分別代表截止時刻t，節(jié)點(diǎn)i和節(jié)點(diǎn)j所發(fā)起的通信總次數(shù)和通信成功的次數(shù)。β0為節(jié)點(diǎn)發(fā)起通信的固有代價，主要由對其他節(jié)點(diǎn)的干擾和信道占用引起。β1為兩種代價總和所占的權(quán)重。代表時延敏感程度：越小，路徑規(guī)劃中對時延的考慮越少。所以，兩節(jié)點(diǎn)通信的當(dāng)前回報(bào)定義為：

3.本發(fā)明如下定義節(jié)點(diǎn)i向節(jié)點(diǎn)j發(fā)送數(shù)據(jù)包的效用函數(shù)q：

其中，r為當(dāng)前代價，q*(xj)和q*(xi)分別為節(jié)點(diǎn)i與節(jié)點(diǎn)j通信成功和失敗后的最大效用值。顯然，等式右端第二項(xiàng)為此次通信的未來回報(bào)值，γ為折扣因子，0＜γ＜1。γ越大表明未來回報(bào)值越重要，一般情況下，γ取[0.5,0.99]之間的任意值。

fp到達(dá)水面的sink節(jié)點(diǎn)后，如果sink節(jié)點(diǎn)同意該請求，則從數(shù)據(jù)包中獲取各轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)的剩余能量和代價。如果節(jié)點(diǎn)的剩余能量充足，sink節(jié)點(diǎn)從源節(jié)點(diǎn)開始，按照式計(jì)算每個鄰居節(jié)點(diǎn)的效用值，選擇具有最大效用值的鄰居節(jié)點(diǎn)作為該節(jié)點(diǎn)的下一跳，直到下一跳為sink節(jié)點(diǎn)。由此得到的路徑即為最優(yōu)路徑；如果某一節(jié)點(diǎn)剩余能量低于某一閾值，如節(jié)點(diǎn)i，sink節(jié)點(diǎn)將參數(shù)調(diào)整為其中n為節(jié)點(diǎn)i所有鄰居節(jié)點(diǎn)組成的集合，再按照式進(jìn)行路徑規(guī)劃，此時將得到延時較長，但剩余能量較多的次優(yōu)路徑。

4.sink節(jié)點(diǎn)生成回傳數(shù)據(jù)包(bp)，包含數(shù)據(jù)包類型和id，目的節(jié)點(diǎn)地址(dna)和規(guī)劃出的路徑信息。其中dna即為fp中的sna，路徑信息以fp中的時間戳和兩個數(shù)組攜帶的信息為基礎(chǔ)，fp和bp的數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu)如圖1。bp沿sink節(jié)點(diǎn)所選擇的路徑向源節(jié)點(diǎn)傳輸。其他參與廣播fp但位于所選路徑之外的節(jié)點(diǎn)可以進(jìn)入休眠狀態(tài)以節(jié)約能耗。

5.bp到達(dá)源節(jié)點(diǎn)后，源節(jié)點(diǎn)將請求發(fā)送給sink節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)包沿bp的發(fā)送路徑向sink節(jié)點(diǎn)發(fā)送。

最后，sink節(jié)點(diǎn)在成功接收數(shù)據(jù)包后，向源節(jié)點(diǎn)發(fā)送確認(rèn)數(shù)據(jù)包(ack)。源節(jié)點(diǎn)收到ack后，通信結(jié)束。