一种生物友好的三维水下路由方法技术

本发明专利技术涉及一种生物友好的三维水下路由方法，步骤如下：当前转发节点F以泛洪的方式发送数据包；候选节点在转发数据包之前，首先探测其发射范围内是否存在海洋生物，如果不存在，直接广播数据包；如果探测到海洋生物，需等待时间tb，根据最大边界值确定此等待时间；候选节点计算转发优先级，在接收数据包后延迟一段时间再发送。本发明专利技术对于节点移动速度较慢的网络，具有能耗低、端到端延迟低、可有效规避海洋生物等优点，适合于节点移动速度较慢的网络。

A biologically friendly 3D underwater routing method

The invention relates to a three-dimensional water bio friendly routing method comprises the following steps: the forwarding node F to flooding mode to send data packets; candidate nodes before forwarding packets, first detect the presence of marine organisms within the scope of its launch, if it does not exist, direct broadcast packets; if the detected sea creatures need to wait for the time TB, the waiting time is determined according to the maximum boundary value; the candidate node forwarding priority calculation, receiving data in the packet delay for a period of time before sending. The invention has the advantages of low energy consumption, low end to end delay, and effective avoidance of marine organisms for a network with slower moving nodes, and is suitable for a network with slower node moving speed.

【技术实现步骤摘要】
一种生物友好的三维水下路由方法
本专利技术涉及水下认知声学通信中三维路由选择方法。
技术介绍
水声传感器网络，也称为水下无线传感器网络(UnderwaterWirelessSensorNetworks，UWSNs)由批量部署在水下的传感器组成，是以无线方式通信的网络。水下传感器网络是陆地传感器网络概念向水下应用的延伸，但与传统的陆地传感器网络相比，光在水中存在高衰减以及散射的问题，无线电波在水中的通信距离非常短，因此，目前研究的水下传感器网络主要利用声波实现通信和组网，而声音在水下传输时存在传播延迟大、传播损耗大、多途严重、多普勒频散严重等问题，这使得各国水下传感器网络的研究面临着严峻的挑战。作为水声网络的核心技术之一的水下三维路由机制是在二维平面的基础上对各个节点进行深度控制，使一定区域中的传感器节点分布在不同的海洋深度，以获取更多信息，构建立体的海洋网络结构。但目前其研究仍不完善，存在网络生存时间受节点能量限制、节点三维位置信息难以获得等亟待解决问题。海洋资源对人类的生存与发展有着重大意义和价值，在开发海洋资源的同时，建设和谐美好的海洋生态环境也是我们义不容辞的责任。而以水声通信为支撑的水下传感器网络势必影响海洋生物的生活，对海洋生物造成不必要的干扰，甚至破坏海洋生态系统的平衡，因此，在水下传感器中规避海洋生物，本专利技术以生物友好为前提的水下三维路由选择方法对保护海洋生态平衡，实现海洋生态、社会与经济的全面协调可持续发展有着十分重要的意义。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种生物友好的三维水下路由方法，技术方案如下：一种生物友好的三维水下路由方法，将以源节点S1到目的节点S0的向量为轴线的圆柱范围称为路由管道，路由管道内的节点参与数据转发，主要步骤如下：1)当前转发节点F以泛洪的方式发送数据包，邻居节点接收到数据包后，首先计算自身到路由矢量的距离，如果距离足够近，小于预设值，则拥有转发数据包的资格，成为候选节点，计算向量和之间的夹角θ；否则，直接丢弃该数据包。2)候选节点在转发数据包之前，首先探测其发射范围内是否存在海洋生物，如果不存在，直接广播数据包；如果探测到海洋生物，需等待时间tb，根据最大边界值确定此等待时间：其中，db为海洋生物到候选节点的距离，R是转发节点F的传播半径，vb为海洋生物的运动速度；3)在候选节点多于一个时，引入转发优先级的概念，每个候选节点自适应地衡量自身转发数据包的利益，对于当前转发节点F，其相邻候选节点的转发优先级计算公式：设候选节点为A，M表示记录的总感知次数，m是感知到范围内有海洋生物次数，p是候选节点到路由向量的垂直距离，d是A到转发节点F的距离，W是路由管道的半径，α越大，优先级越低。4)候选节点A在接收数据包后延迟一段时间再发送，使最靠近路由向量的节点最先转发，这个延迟的时间间隔的计算与转发优先级α有关：在上式中，tdelay是预先定义的最大时延，v是声信号在水中的传播速度，候选节点A在等待时间tadaptation内，如果从N个其它节点收到重复的数据包，那么首先计算候选节点相对于这些节点的转发优先级α1，α2……αn以及相对于转发节点F的转发优先级α0，如果满足下式：其中αc是事先定义的初始值，0≤αc≤3，那么A转发这个数据包，否则，丢弃该包。式(2)中N为大于等于1的整数，N越大，生物友好程度越低，在预先设定的时间周期T内，节点共进行了M次环境感知，节点周围出现海洋生物的次数越多，该节点等待时间越长，转发数据包的可能性越小，达到了生物友好的目的。当信源节点采集到数据并生成数据包发送之后，所有的转发节点都遵循以上步骤来进行路由选择，直到目的节点成功接收到数据包。本专利技术通过自适应算法确定节点优先级，避免过多节点同时转发数据而造浪费和实现生物友好的通信。周围出现海洋生物的节点转发优先级被降低、转发等待时间被延长，且周围出现海洋生物概率越高的节点优先级越低，从而达到生物友好的目的，对于节点移动速度较慢的网络，具有能耗低、端到端延迟低的特点。附图说明图1是本专利技术数据包格式图2是本专利技术海洋生物运动示意图图3是本专利技术生物友好的水下三维路由方法示意图图4是本专利技术流程图具体实施方式本专利技术提出一种生物友好的三维水下路由方法，以源节点到目的节点的向量为轴线的圆柱范围称为路由管道，路由管道内的节点参与数据转发，通过自适应算法确定节点优先级，避免过多节点同时转发数据而造浪费和实现生物友好的通信。周围出现海洋生物的节点转发优先级被降低、转发等待时间被延长，且周围出现海洋生物概率越高的节点优先级越低，从而达到生物友好的目的，对于节点移动速度较慢的网络，具有能耗低、端到端延迟低的特点。主要步骤如下：1.路由管道内的节点均以泛洪的方式发送数据包，在它传播范围内的邻居节点都可以接受到该数据包。邻居节点接收到数据包后，首先计算自身到路由矢量的距离，如果距离足够近，那么这个节点拥有转发数据包的资格，成为候选节点，计算θ；否则，节点直接丢弃该数据包。2.每个数据包都携带简单的路由信息，如图1所示，数据包由六个字段组成，前五个字段组成数据包的包头，分别为：OP：信源节点坐标；TP：目的节点坐标；FP：转发节点坐标。这三个字段统称为位置字段。RANGE字段：为了每个数据包包含了一个RANGE字段。当节点在移动过程中到达了数据包中TP指定的区域时，节点就在包中RANGE字段控制的范围内广播该数据包。RADIUS字段：每个分组还具有一个RADIUS字段，它是传感器节点为了确定自身是否足够接近路由矢量并转发数据包而预先定义的阈值。DATA字段：数据包中携带的数据。3.节点在转发数据包之前，首先探测其发射范围内是否存在海洋生物。如果不存在，节点可以直接广播数据包；如果探测到海洋生物，那么考虑它的运动，当海洋生物处于候选节点的球形发射范围内时，可能沿着各个方向继续运动，因此它移动出该球形区域的时间t在某一个范围之内。当海洋生物沿着自身与候选节点A的连线运动时，将得到t的边界值。如图2所示，假设海洋生物到候选节点A的距离为db。当海洋生物沿着直线朝远离候选节点A的方向运动时，得到最小边界值tmin，当它沿着直线朝靠近候选节点A的方向运动时，将得到tmax。尽管海洋生物的定位以及测速，为了不引入更加复杂的算法判断海洋生物的时刻变化的运动方向，本专利技术采用最大边界值作为等待时间。由式(1)计算：4.当网络中节点密度比较大时，路由管道中候选节点的数量也随之增多。为了避免过多的合格节点转发同一数据包而造成不必要的能量消耗，引入转发优先级的概念，使节点自适应地衡量自身转发数据包的利益。如图3，对于当前转发节点，其相邻候选节点的转发优先级计算公式如下式：N为大于等于1的整数，N越大，生物友好程度越低。在预先设定的时间周期T内，节点共进行了M次环境感知，节点周围出现海洋生物的次数越多，该节点等待时间越长，转发数据包的可能性越小，达到了生物友好的目的。5.合格的候选节点在接收数据包后延迟一段时间再发送，使最靠近路由向量的节点最先转发。这个延迟的时间间隔的计算与转发优先级α有关，它的具体计算方法如下：候选节点在等待时间tadaptation内，如果从N个其它节点收到重复的数据包，那么首先计算候选节点相对于这些节点的α1，α本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种生物友好的三维水下路由方法，将以源节点S1到目的节点S0的向量

【技术特征摘要】
1.一种生物友好的三维水下路由方法，将以源节点S1到目的节点S0的向量为轴线的圆柱范围称为路由管道，路由管道内的节点参与数据转发，主要步骤如下：1)当前转发节点F以泛洪的方式发送数据包，邻居节点接收到数据包后，首先计算自身到路由矢量的距离，如果距离足够近，小于预设值，则拥有转发数据包的资格，成为候选节点，计算向量和之间的夹角θ；否则，直接丢弃该数据包。2)候选节点在转发数据包之前，首先探测其发射范围内是否存在海洋生物，如果不存在，直接广播数据包；如果探测到海洋生物，需等待时间tb，根据最大边界值确定此等待时间：其中，db为海洋生物到候选节点的距离，R是转发节点F的传播半径，vb为海洋生物的运动速度；3)在候选节点多于一个时，引入转发优先级的概念，每个候选节点自适应地衡量自身转发数据包的利益，对于当前转发节点F，其相邻候选节点的转发优先级计算公式：

【专利技术属性】
技术研发人员：金志刚，马莹莹，罗咏梅，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：天津,12