一种利用调和势场的水声传感网络路由算法及系统技术方案

本发明专利技术涉及一种水声传感网络路由算法及系统，所述水声传感网络路由算法包括：步骤S1，获得网络拓扑结构；步骤S2，电势分配；以及步骤S3，构建路由；本发明专利技术的水声传感网络路由算法克服了局部最小点导致寻找路由失败的技术问题，尤其适合在海洋环境中的水声传感器网络中确定其路由。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及海洋声通信领域，具体涉及一种利用调和势场的水声传感网络路由算法。
技术介绍
无线传感网络的路由算法大致可以分为三类，一是基于状态信息表的主动路由算法：主动路由算法需要通过周期性的洪发来维护状态信息表的可靠性，往往会造成巨大的网络开销和能量消耗。二是基于需求的被动路由算法：被动路由算法虽然减少了网络的开销，但由于水声信道长传播时延的特性，链路状态信息的实时性难以得到保证，因此也影响了路由信息的可靠性。三是基于地理位置信息的路由算法：它不依赖于洪发，也不依赖于长时间的链路状态的信息查询，而仅依赖于网络的地理位置信息。当前水声传感网络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声网络路由算法在选择中继节点时基本上仍采用贪婪前项搜索策略，这样节点可能会将数据传送到这样一个邻节点，它是比其所有邻节点更接近但却无法直接达到网关节点的节点(也称为局部最小点)，从而导致寻找路由失败。要解决这一问题，节点往往需要周期性地进行路由维护，从而影响了路由效率。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种水声传感网络路由算法及系统，以克服局部最小点导致寻找路由失败的技术问题。为了解决上述技术问题，本专利技术提供了一种水声传感网络路由算法，包括：步骤S1，获得网络拓扑结构；步骤S2，电势分配；以及步骤S3，构建路由。进一步，所述步骤S1中获得网络拓扑结构的方法包括：针对水声传感网络的三维空间特性，将水声传感网络中信息传播的三维空间分解成大小相同的小立方体区域，即构建水下三维网格。进一步，所述步骤S2中电势分配的方法包括：根据势场理论，对发送节点、局部最小点，以及网关节点进行电势的初始化分配；即对局部最小点和发送节点配以正电势，而网关节点配以负电势。进一步，步骤S3中构建路由的方法包括：在水下三维网格中，根据电势线的方向从高指向低，以构建一条从发送节点到网关节点的路由。进一步，构建一条从发送节点到网关节点的路由，即根据水下三维网格限定所述路由，其方法包括：若所述路由的连续曲线经过的水下三维网格有传感器节点存在，则该传感器节点被选为所述路由的中继节点；若所在的水下三维网格有多个传感器节点，则最接近该曲线的传感器节点被选为所述路由的中继节点；以及若发送节点、中继节点、网关节点不能形成一条完整的从发送节点到网关节点的路由，则调整局部最小点的势，再运用选定的中继节点，直到发送节点、中继节点、网关节点能形成一条完整的从发送节点到网关节点的路由为止。进一步，传感器节点均配置有水压测量仪，以使各传感器节点均知晓自己是否属于局部最小点；若是则自动设为高电势，以得到一条从发送节点到网关节点，且适于避开局部最小点的路由。又一方面，本专利技术还提供了一种水声传感网络路由系统，包括：发送节点，网关节点；其中所述发送节点与网关节点之间适于建立水声传感网络路由。本专利技术的有益效果是，本专利技术的水声传感网络路由算法及系统克服了局部最小点导致寻找路由失败的技术问题，尤其适合在海洋环境中的水声传感器网络中确定其路由。附图说明下面结合附图和实施例对本专利技术进一步说明。图1是本专利技术的水声传感网络路由算法流程图；图2是电势和梯度场的变化示意图；图3是二维平面区域由调和势场生成的路由示意图。具体实施方式现在结合附图对本专利技术作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本专利技术的基本结构，因此其仅显示与本专利技术有关的构成。实施例1本实施过程采用势场理论，即调和势场的方式获得水下无线传感网络的路由；其中调和势场是一种基于调和函数的方法，通过调和函数和边界条件，其克服三维空间路径规划中的极小点问题，而无需不断地进行路径维护。根据势场理论，调和函数是满足下面拉普拉斯方程的解：其中φ是一个标量，代表电势值，xi是第i维笛卡尔坐标，而n是空间的维数。通过求解上述的拉普拉斯方程，得到的是一个连续的势函数φ，代表一条路径或路由。如图1所示，本实施例所提供的水声传感网络路由算法的具体实施步骤包括：步骤S1，获得网络拓扑结构；步骤S2，电势分配；以及步骤S3，构建路由。其中，由于水声传感网络中传感器节点都是离散分布的，要通过势函数构造路径，则必须现对信息传播的空间进行离散化处理，因此，所述步骤S1中获得网络拓扑结构的方法包括：针对水声传感网络的三维空间特性，将水声传感网络中信息传播的三维空间分解成大小相同的小立方体区域，即构建水下三维网格。所述步骤S2中电势分配的方法包括：根据势场理论，对发送节点、局部最小点，以及网关节点(如海面浮标)进行电势的初始化分配；即对局部最小点和发送节点配以正电势，而网关节点配以负电势。其中，当局部最小点赋予正电势(或高电势)后，由于发送节点同样也配以正电势(或高电势)，因此，从发送节点出发的电势流必然避开同样配以正电势的局部最小点，产生的路径就克服了局部最小点的问题。图2示出了电势和梯度场的变化示意图。图中横坐标和纵坐标均表示距离，正号+表示以零为中心的正向距离，而负号－表示以零为中心的负向距离；其中箭头方向表示电势从高到低的走向，电势线弯曲程度表示梯度的变化快慢。具体的，步骤S3中构建路由的方法包括：在水下三维网格中，根据电势线的方向从高指向低，以构建一条从发送节点到网关节点的路由。具体的，势场理论中的拉普拉斯方程，其中的势函数φ是该方程的解，代表一条沿梯度下降的最大方向的空间曲线，即从发送节点代表的源到浮标(或网关节点)代表的汇。在本实施例的水声传感器网络中，节点是离散的，由势函数生成的路径不一定正好有相应的传感器节点落在该路径上并正好构成一条从发送节点到浮标(或网关节点，也称为网关节点)的路由。为此需要对空间区域离散化，使得由势函数生成的路径周围正好有传感器节点，并能构成一条从发送节点到浮标(或网关节点)的路由。假如不能满足上述要求，那么需要采用启发式的方法，逐步提高局部最小点的电势，直到由势函数生成的路径正好有相应的传感器节点落在该路径附近并正好构成一条从发送节点到浮标(或网关节点)的路由为止。作为构建一条从发送节点到网关节点的路由的一种优选的实施方式，即根据水下三维网格限定所述路由，其方法包括：若所述路由的连续曲线经过的水下三维网格有传感器节点存在，则该传感器节点被选为所述路由的中继节点；若所在的水下三维网格有多个传感器节点，则最接近该曲线的传感器节点被选为所述路由的中继节点；若发送节点、中继节点、网关节点不能形成一条完整的从发送节点到网关节点的路由，则调整局部最小点的势，再运用选定的中继节点，直到发送节点、中继节点、网关节点能形成一条完整的从发送节点到网关节点的路由为止。在实际实用中，先假定在网络初始化阶段已知网络的拓扑结构，并已知晓哪些节点属于局部最小点。在静态情形下，对这些局部最小点配以高电势，同样发送节点配以高电势，而浮标(或海面网关节点)配以低电势，根据拉普拉斯方程，势函数是沿电势梯度下降最大的方向，因此从发送节点到浮标(或海面网关节点)生成的路径能够成功避开局部最小点。而在动态情形下，由于网络的拓扑结构会随着洋流的作用(或传感器节点本身的运动)而发生改变，假定节点配有水压测量仪，则各传感器节点均知晓自己是否属于局部最小点，若是则自动设为高电势，同样也可得到一条从发送节点到浮标(或海面网关节点、网关节点)并能够成功避本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种水声传感网络路由算法，其特征在于，包括：步骤S1，获得网络拓扑结构；步骤S2，电势分配；以及步骤S3，构建路由。

【技术特征摘要】
1.一种水声传感网络路由算法，其特征在于，包括：步骤S1，获得网络拓扑结构；步骤S2，电势分配；以及步骤S3，构建路由。2.根据权利要求1所述的水声传感网络路由算法，其特征在于，所述步骤S1中获得网络拓扑结构的方法包括：针对水声传感网络的三维空间特性，将水声传感网络中信息传播的三维空间分解成大小相同的小立方体区域，即构建水下三维网格。3.根据权利要求2所述的水声传感网络路由算法，其特征在于，所述步骤S2中电势分配的方法包括：根据势场理论，对发送节点、局部最小点，以及网关节点进行电势的初始化分配；即对局部最小点和发送节点配以正电势，而网关节点配以负电势。4.根据权利要求3所述的水声传感网络路由算法，其特征在于，步骤S3中构建路由的方法包括：在水下三维网格中，根据电势线的方向从高指向低，以构建一条从发送节点到网关节点的路由。5.根据权利要求4所述的水声传感网络路由算法，其特征在于，构建一条从...

【专利技术属性】
技术研发人员：高明生，王硕，
申请(专利权)人：河海大学常州校区，
类型：发明
国别省市：江苏;32