空洞感知的水下傳感器網絡路由方法技術

本發明專利技術提供的是一種空洞感知的水下傳感器網絡路由方法。匯聚節點在下浮過程中到達設定位置時，廣播分層建立包執行分層建立任務，到最深深度時，等待一段時間后廣播數據收集包執行數據收集任務，數據收集完畢后開始上浮，到達設定位置時廣播數據收集包執行數據收集任務，到水面時將收集的數據發送給浮標節點；傳感器節點周期性地檢測感興趣的數據；傳感器節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，傳感器節點若收到數據收集信號，則進入數據收集階段，各傳感器節點建立到匯聚節點的路徑并發送數據。本發明專利技術考慮了同層傳輸及節點的剩余能量，避免了同層循環傳輸、熱區、空洞的發生，提高了數據包送達率，延長了網絡壽命。

【技術實現步驟摘要】
空洞感知的水下傳感器網絡路由方法
本專利技術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。
技術介紹
海底觀測系統是人類探索海洋，開發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、監控人類活動對海洋帶來的影響。水下傳感器網絡(UnderwaterSensorNetworks,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。針對水下傳感器網絡能量利用率低、網絡拓撲動態變化等問題，GopiS等人提出了與路徑無關的能量最優化分層路由協議(EnergyOptimizedPathUnawareLayeredRoutingProtocol，E-PULRP)，該協議中傳感器節點必須均勻分布，適用于以單個固定匯聚節點為中心的網絡環境，實現了能量優化、動態路由選擇，但它不適用于多個匯聚節點和移動匯聚節點的網絡環境。針對稀疏或密集水下網絡環境，ManalAl-Bzoor等人提出了功率自調節路由協議(AdaptivePowerControlledRoutingProtocol，APCRP)。該協議要求水面浮標節點的最大功率必須覆蓋整個網路，否則會降低網絡性能；在節點廣播探測包尋找中繼節點的過程中，網絡延遲、碰撞等因素導致其規定時間內未收到中繼節點的確認包，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”問題，MahinSajid等人提出了移動匯聚節點的協作(SinkMobilitywithIncrementalCooperative，SMIC)路由協議，該協議感知節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。
技術實現思路
本專利技術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”問題的空洞感知的水下傳感器網絡路由方法。本專利技術的目的是這樣實現的：水下傳感器網絡由一個浮標節點、至少1個匯聚節點、N個懸浮于水中隨機分布的普通傳感器節點組成，浮標節點位于水面，匯聚節點從海面到海底或從海底到海面垂直移動，每個傳感器節點都具有相同的功率、處理及發送數據的能力；匯聚節點在下浮過程中到達設定位置時，廣播分層建立包執行分層建立任務，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行數據收集任務，上浮到水面時將收集的數據發送給浮標節點；傳感器節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，傳感器節點若收到數據收集信號，則進入數據收集階段，各傳感器節點建立到匯聚節點的路徑并發送數據。數據采集階段：傳感器節點周期性地監測其感興趣的數據，并將監測數據存入其緩沖區或替換其緩沖區中的最久記錄。所述廣播分層建立包執行分層建立任務中具體包括：匯聚節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點根據分層建立包的層級更新路由表信息，形成以匯聚節點為中心的同心球殼分層結構，各傳感器節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點根據路由表信息選擇下一跳節點；傳感器節點若尋找到下一跳節點，則將其監測數據以數據包的形式直接發送給下一跳節點，重復上述過程，直到將數據發送給匯聚節點。本專利技術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”問題。包括數據采集、分層建立和數據收集三個階段。本專利技術的有益效果是：本專利技術考慮了同層傳輸及節點的剩余能量，同時避免了同層循環傳輸、熱區、空洞等情況的發生，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是本專利技術的路由方法的流程框圖。圖2是本專利技術的網絡模型結構示意圖。圖3是本專利技術的分層建立階段流程圖。圖4是本專利技術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專利技術作更詳細的描述。結合圖1，本專利技術的路由方法如下：匯聚節點在下浮過程中到達特定位置時廣播分層建立包執行分層建立任務；下浮到最深深度時廣播分層建立包執行分層建立任務，等待一段時間后廣播數據收集包執行數據收集任務，數據收集完畢后開始上浮；在上浮過程中到達特定位置時廣播數據收集包執行數據收集任務；上浮到水面時將收集的數據發送給浮標節點。節點周期性地檢測感興趣的數據，完成數據采集任務；節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；節點若收到數據收集信號，則進入數據收集階段，各節點建立到匯聚節點的路徑并發送數據。(1)數據采集階段：傳感器節點周期性地監測其感興趣的數據，并將監測數據存入其緩沖區或替換其緩沖區中的最久記錄。(2)分層建立階段：匯聚節點下浮一段距離后到達特定位置時廣播分層建立包，該包包括該節點所處分層結構中的層級、剩余能量、標記節點類型的標志位和包的類型；收到分層建立包類型的節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點為中心的同心球殼分層結構，各節點處于不同的同心球殼中。(3)數據收集階段：匯聚節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點根據其路由表信息選擇下一跳節點；傳感器節點若尋找到下一跳節點，則將其監測數據以數據包的形式直接發送給下一跳節點。重復上述過程，直到將數據發送給匯聚節點。本專利技術將孤立節點、能量已耗盡的節點、父節點與兄弟節點都為空洞節點的節點定義為空洞節點，將父節點不為空洞節點且有足夠能量進行數據傳輸的節點定義為高級節點，將父節點為空洞節點且兄弟節點不為空洞節點且有足夠能量進行數據傳輸的節點定義為低級節點。結合圖2，本專利技術的具體網絡模型如下：整個網絡環境由水面的一個浮標節點、至少1個匯聚節點、N個懸浮于水中隨機分布的普通傳感器節點組成；每個傳感器節點都具有相同的功率、處理及發送數據的能力。(1)匯聚節點的移動模型匯聚節點從海面到海底或從海底到海面垂直移動。匯聚節點移動模型形式化如下：sxl＝sx0(1)szl＝sz0+k*h0,k∈{0,1,2,...,n|n＜＝[(Ddepth-sz0)/h0]}(2)sxh＝sx0+w0(3)szh＝sz0+([(Ddepth-sz0)/h0]-k)*h0,k∈{0,1,2,...,n|n＜＝[(Ddepth-sz0)/h0]}(4)其中，k為整數；w0代表相鄰匯聚節點之間的水平間隔；(sxl，0，szl)代表匯聚節點從水面到水底垂直移動的坐標；(sxh，0，szh)代表匯聚節點從水底到水面垂直移動的坐標；(sx0，0，sz0)代表匯聚節點的初始坐標；h0代表匯聚節點每次移動的深度差的絕對值；Ddepth代表仿真環境的最大深度；[EXP]表示小于或等于EXP的最大整數。(2)能量消耗模型水下環境噪音模型N(f)的表達式如下：N(f)＝Nt(f)本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種空洞感知的水下傳感器網絡路由方法，水下傳感器網絡由一個浮標節點、至少1個匯聚節點、N個懸浮于水中隨機分布的普通傳感器節點組成，浮標節點位于水面，匯聚節點從海面到海底或從海底到海面垂直移動，每個傳感器節點都具有相同的功率、處理及發送數據的能力；其特征是：匯聚節點在下浮過程中到達設定位置時，廣播分層建立包執行分層建立任務，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行數據收集任務，上浮到水面時將收集的數據發送給浮標節點；傳感器節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，傳感器節點若收到數據收集信號，則進入數據收集階段，各傳感器節點建立到匯聚節點的路徑并發送數據。

【技術特征摘要】
1.一種空洞感知的水下傳感器網絡路由方法，水下傳感器網絡由一個浮標節點、至少1個匯聚節點、N個懸浮于水中隨機分布的普通傳感器節點組成，浮標節點位于水面，匯聚節點從海面到海底或從海底到海面垂直移動，每個傳感器節點都具有相同的功率、處理及發送數據的能力；其特征是：匯聚節點在下浮過程中到達設定位置時，廣播分層建立包執行分層建立任務，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行數據收集任務，上浮到水面時將收集的數據發送給浮標節點；傳感器節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，傳感器節點若收到數據收集信號，則進入數據收集階段，各傳感器節點建立到匯聚節點的路徑并發送數據。2.根據權利要求1所述的空洞感知的水下傳感器網絡路由方法，其特征是：數據采集階段傳感器節點周期性地監測其感興趣的數據，并將監測數據存入其緩沖區或替換其緩沖區中的最久記錄。3.根據權利要求2所述的空洞感知的水下傳感器網絡路由方法，其特征是所述廣播分層建立包執行分層建立任務中具體包括：匯聚節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、標記節點類型的標志位和包的類型；收到...

【專利技術屬性】
技術研發人員：馮曉寧，王卓，張素蘋，曲文杰，曲立平，蔡紹濱，
申請(專利權)人：哈爾濱工程大學，
類型：發明
國別省市：黑龍江,23