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水下传感器网络中基于距离的能量均衡动态地理路由方法技术

技术编号:20165177 阅读:26 留言:0更新日期:2019-01-19 00:18
一种水下传感器网络中基于距离的能量均衡动态地理路由方法,包括:邻居节点表的建立与维护;根据邻居节点表选择转发数据包的邻居节点构成数据包转发区域;计算转发因子;根据转发因子设置相邻传感器节点等待转发数据包的时间。本发明专利技术通过节点的坐标位置信息进行路由选择,有效地弥补了拓扑信息路由方法的一些缺陷;动态的调整转发区域的大小,减少过多的冗余节点发送数据,使得路由协议能够做到动态自适应性。当节点的剩余能量越大,越容易转发数据,反之亦然。最终,能够达到能量均衡的目的。

【技术实现步骤摘要】
水下传感器网络中基于距离的能量均衡动态地理路由方法
本专利技术涉及一种水下无线传感器网络路由方法。特别是涉及一种水下传感器网络中基于距离的能量均衡动态地理路由方法。
技术介绍
水下无线传感器网络是由一系列具有声学通信能力和计算能力的传感器节点构成的水下检测网络系统,在海洋资源勘测,水污染检测、海洋地震监控、战术监视等领域都有着广泛的应用前景。路由问题是水下传感器网络中的关键问题之一。因为无线电波在水下会被严重吸收,损耗严重,光波又会有严重的散射,都不符合水下网络的通信要求。水下环境中节点通信能耗大、能量补给及节点更换困难,且水下传感器网络的拓扑控制与优化问题也远比地面传感器网络复杂。所以在水下传感器网络中,信息通常通过声学通信的方式进行传播。由于声音在水下的传播速度只有1.5×103m/s(远远低于无线电波在空气中的传播速度(3×108m/s)),所以水声信道具有高延迟和高误码率的特点。在无线传感器网络路由协议方面,现有的陆上无线传感器网络(WSNs,wirelesssensornetworks)路由协议虽然已经有很多种,但却无法直接应用到水下传感器网络中。针对水下传感器网络的相关特性,学者们提出了大量的适合水下网络的路由协议。通过实验分析发现地理路由协议更加适合水声传感器网络的环境和特性,所以地理路由协议逐渐成为水声传感器网络路由协议方向的研究热点,常见的包括GPSR、VBF、FBR、DFR协议等。由于水下网络的节点不断移动,拓扑结构也不断变化,而传统的水声网络的地理路由协议设置都只是针对特殊单一的网络环境。例如,在VBF(vector-basedforwardingroutingprotocol)路由协议中存在管道半径问题,如果半径设置过小就可能造成管道内没有可用的转发节点,即造成空洞问题,如果管道半径设置过大就会造成有过多的节点在管道内部,产生过多的冗余转发,导致能量消耗过多,无法很好的适应动态变化的网络环境。在虚拟管道路由协议(VBF,vector-basedforwardingroutingprotocol)中,以源节点和目的节点的连线为轴,预先设定一个半径R,建立一个虚拟的圆柱形管道,所有的数据包都沿着管道内部传输,即只有管道内的节点才会转发数据包。管道半径对路由效率影响较大,但是管道半径R却不容易确定。R过大将导致过多的节点参与转发数据,造成能耗过大,R过小可能会导致管道内没有可以转发的节点,形成空洞,数据无法正常转发。特别是在节点密度分布不均衡时,无法找到合适的管道半径提高路由效率。而后又对VBF的空洞问题进行了改进,提出了HHVBF(hop-by-hopvector-basedforwardingroutingprotocol)路由协议。在聚束路由协议(FBR,FocusedBeamRoutingProtocol)中以源节点和目标节点的连线为轴,以预先设定的锥角θ定义一个虚拟圆锥体,如果节点位于圆锥体内部则转发数据包,否则丢弃数据包。与VBF协议类似,只有圆锥体内的节点参与转发数据包,可以有效的降低能耗。但是由于网络节点密度分布不均衡,锥角θ的值很难控制以满足较好的效率。在定向洪泛路由协议(DFR,AnEfficientDirectionalFlooding-BasedRoutingProtocol)中,通过基本角BASE_ANGLE限制广播的方向和区域,减少广播的消耗。只有转发节点F与源节点S和目的节点D之间的夹角比BASE_ANGLE大的节点才会转发数据包,在逐跳过程中根据链路质量动态调整BASE_ANGLE,当链路质量较差时,BASE_ANGLE较小,将会有更多的节点参与转发,能够有效应对网络拓扑的动态变化。水下传感器网络的特点是传感器节点的位置动态变化,进而导致整个网络的拓扑结构持续变化。由于节点存在移动性,决定了节点在整个网络的分布不均匀,有的地方节点稠密,有的地方节点稀疏,甚至存在空洞区域。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是,提供一种水下传感器网络中基于距离的能量均衡动态地理路由方法。本专利技术所采用的技术方案是:一种水下传感器网络中基于距离的能量均衡动态地理路由方法,包括如下步骤:1)邻居节点表的建立与维护;2)根据邻居节点表选择转发数据包的邻居节点构成数据包转发区域;3)计算转发因子;4)根据转发因子设置相邻传感器节点等待转发数据包的时间。步骤1)中所述的邻居节点表的建立,是水下传感器网络中的每个传感器节点分别广播数据包,每个传感器节点在首次接收到相邻传感器节点广播的数据包时,记录每个数据包所对应的相邻传感器节点的标识和位置信息,形成一个邻居节点表。步骤1)中所述的维护是当传感器节点再接收到一个相邻传感器节点发送过来的数据包时,如果该传感器节点已经在所述的邻居节点表中,则在邻居节点表中更新该传感器节点的位置信息,否则将该传感器节点作为一个新的相邻节点将该传感器节点的标识和位置信息加入到邻居节点表中,在更新邻居表过程中,移除一些在设定的时间没有更新的节点。步骤2)中所述数据包转发区域的确定是:当一个传感器节点i准备发送数据包时,会遍历邻居节点表,并根据如下公式计算出每个相邻传感器节点的距离差值Δd(i,j),Δd(i,j)=d(i,destinaton)-d(j,destination)(1)式中,d(i,destination)表示当前传感器节点i到目标节点的距离;d(j,destination)表示与当前传感器节点相邻的传感器节点j到目标节点的距离;当前传感器节点根据距离差值对相邻传感器节点进行降序排序,使前N个相邻传感器节点所在的区域构成转发区域,当相邻传感器节点数目不足N个时,所有距离较该传感器节点更接近目标节点的相邻传感器节点都在数据包转发区域内;N的计算方式为:式中Vsensor为传感器节点传输范围的体积,Vxyz为水下传感器网络的体积,N0为水下传感器网络中传感器节点的数量。步骤3)包括:当传感器节点j收到来自传感器节点i的数据包时,传感器节点j首先判断自己是否处在数据包转发区域中,若在则开始计算自己的转发因子α,若不在,则直接丢弃数据包。根据如下公式计算转发因子α:其中Enow为传感器节点当前的剩余能量,Einit为传感器节点的初始能量,R为传感器节点传输范围,d为传感器节点到上一跳传感器节点的距离,θ为上一跳传感器节点到当前传感器节点的向量(SF)与上一跳传感器节点到目标节点的向量(SD)之间的夹角。步骤4)包括:为了避免有过多的传感器节点转发相同的数据包,当一个传感器节点j接收到一个数据包后,该传感器节点计算转发因子α,然后根据如下公式计算出等待时间T,在等待时间T完结后才会转发该数据包,其中,式中α为传感器节点的转发因子,R为传感器节点的传输范围,d为传感器节点到上一跳传感器节点的距离,v为声波在水下的传播速度;如果在等待时间T内收到相同的数据包,将根据发送该数据包的传感器节点的位置信息重新计算等待时间T',如果等待时间T'大于预先设定的阈值Tmax,则直接丢弃该数据包,否则重新执行新的等待时间T'。本专利技术的水下传感器网络中基于距离的能量均衡动态地理路由方法,具有如下特点:1、基于距离转发划分转发区域:此路由协议作为一种地理路由协议,通过本文档来自技高网
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【技术保护点】
1.一种水下传感器网络中基于距离的能量均衡动态地理路由方法,其特征在于,包括如下步骤:1)邻居节点表的建立与维护;2)根据邻居节点表选择转发数据包的邻居节点构成数据包转发区域;3)计算转发因子;4)根据转发因子设置相邻传感器节点等待转发数据包的时间

【技术特征摘要】
1.一种水下传感器网络中基于距离的能量均衡动态地理路由方法,其特征在于,包括如下步骤:1)邻居节点表的建立与维护;2)根据邻居节点表选择转发数据包的邻居节点构成数据包转发区域;3)计算转发因子;4)根据转发因子设置相邻传感器节点等待转发数据包的时间2.根据权利要求1所述的水下传感器网络中基于距离的能量均衡动态地理路由方法,其特征在于,步骤1)中所述的邻居节点表的建立,是水下传感器网络中的每个传感器节点分别广播数据包,每个传感器节点在首次接收到相邻传感器节点广播的数据包时,记录每个数据包所对应的相邻传感器节点的标识和位置信息,形成一个邻居节点表。3.根据权利要求1所述的水下传感器网络中基于距离的能量均衡动态地理路由方法,其特征在于,步骤1)中所述的维护是当传感器节点再接收到一个相邻传感器节点发送过来的数据包时,如果该传感器节点已经在所述的邻居节点表中,则在邻居节点表中更新该传感器节点的位置信息,否则将该传感器节点作为一个新的相邻节点将该传感器节点的标识和位置信息加入到邻居节点表中,在更新邻居表过程中,移除一些在设定的时间没有更新的节点。4.根据权利要求1所述的水下传感器网络中基于距离的能量均衡动态地理路由方法,其特征在于,步骤2)中所述数据包转发区域的确定是:当一个传感器节点i准备发送数据包时,会遍历邻居节点表,并根据如下公式计算出每个相邻传感器节点的距离差值Δd(i,j),Δd(i,j)=d(i,destinaton)-d(j,destination)(1)式中,d(i,destination)表示当前传感器节点i到目标节点的距离;d(j,destination)表示与当前传感器节点相邻的传感器节点j到目标节点的距离;当前传感器节点...

【专利技术属性】
技术研发人员:王博张钢
申请(专利权)人:天津大学
类型:发明
国别省市:天津,12

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