基于动态网络空洞规避的水下传感器网络路由协议制造技术

一种基于动态网络空洞规避的水下传感器网络路由协议，包括：对水下每个节点的移动模式进行建模，使节点能够在一个球面上有规律地移动；由上到下建立节点之间的虚拟路由路径，所述的路径绕过网络空洞区域；通过已建立的虚拟路由路径转发数据包；根据节点的移动导致的拓扑变化动态地进行路径重建。本发明专利技术的基于动态网络空洞规避的水下传感器网络路由协议，能够实现更高的网络覆盖度，更高的数据包投递率，更短的传输时延和更低的能量消耗。它能够高效地处理网络空洞问题，体现了健壮性。

Routing protocol of underwater sensor network based on dynamic network void avoidance

An underwater sensor network routing protocol based on dynamic network void avoidance includes: modeling the movement mode of each node in the underwater, making the node move regularly on a sphere; establishing a virtual routing path between nodes from top to bottom, the path bypasses the network void area; forwarding packets through the established virtual routing path; and The topological changes caused by the movement of points are dynamically reconstructed. The underwater sensor network routing protocol based on dynamic network hole avoidance can achieve higher network coverage, higher packet delivery rate, shorter transmission delay and lower energy consumption. It can effectively deal with the problem of network hole, which shows the robustness.

【技术实现步骤摘要】
基于动态网络空洞规避的水下传感器网络路由协议
本专利技术涉及一种路由协议。特别是涉及一种基于动态网络空洞规避的水下传感器网络路由协议。
技术介绍
水下传感器网络包含大量布置在特定水下环境中的传感器节点。这些节点通过绳索被锚定在水底，使得节点可以随着洋流在一定范围内浮动。这些传感器节点可以监测、采集其所覆盖区域周围的各种环境参数。并且能够通过压力传感器来得到其所在位置的深度。所有的传感器节点自组织成一个网络，并通过该网络将所监测到的数据传送到位于水面的基站。如今，水下传感器网络作为一种强大的技术正在海洋的监测，测量，监控和控制上发挥着重要作用。该技术被广泛应用于测绘，环境保护，甚至军事领域，正受到研究者们越来越多的青睐。水下传感器网络起源于陆地传感器网络，但是拥有自己的特点：1)三维的拓扑环境，而陆地传感器网络是二维的。2)有限的能量储备，而陆地传感器节点由于在地面之上，便于进行补充能量。3)拓扑的动态变化，而陆地传感器网络中节点的位置相对固定。4)更严苛的传输环境。由于电磁波无法再水下进行传播，只能用声波来进行代替。声音在水下的传播速度只有1500m/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。经研究表明，机会路由协议能够很好的适用于水下传感器网络。在这种基于贪心策略的协议中，一个节点如果没有合适的候选邻居节点集，则就处于路由空洞中。有的路由协议完全没有去考虑这个问题，有的是让节点在三维方向的移动，有的是让节点仅仅在竖直方向的移动。但是让节点进行主动地进行地理位置上的移动，仍然消耗了额外的能量。并且可能由于节点的移动，出现了新的网络空洞，这就会导致该节点频繁地进行主动移动。有些协议，如DBR(Depth-BasedRoutingProtocol)协议和VBF(Vector-BasedForwardingProtocol)完全没有考虑路由空洞问题。为了处理路由空洞问题，研究人员和学者已经提出了多种算法。人工鱼群算法(Artificialfishswarmalgorithm)是让节点在三维方向上自由移动来提升网络覆盖率。算法将节点比作人工鱼，有觅食，追尾和群聚三种行为。然而在水中自由移动的节点价格昂贵，大规模部署并不切合实际。基于移动辅助的拓扑控制方法(MovementAssisted-TopologyControl)尝试让孤立节点仅仅在竖直方向上移动来进行拓扑修复。一共有两种拓扑控制的方法。具体的，集中式的拓扑控制算法依靠AUV节点的辅助来获取传感器节点的坐标，由监控中心集中控制孤立节点的移动。分布式的拓扑控制方法需要传感器节点使用BEACON分组来判定自己是否为孤立节点，并分布式地决定自己是否需要进行竖直方向上的移动来修复网络。但是这种方法仍然需要利用气泵来实现节点的升降，这会消耗额外的能量，并且可能由于节点的移动而产生新的网络空洞。进而导致节点频繁的进行移动。VBVA(Vector-BasedVoidAvoidance)协议是在VBF协议的基础上进行改进的。如果转发节点没有位于空洞区域中，VBVA的转发策略与VBF相同。当路由向量进入内凹的空洞区域中会采取back-pressure机制来寻找下一跳节点，然后通过vector-shift来转移向量以将数据包绕过空洞区域到达汇聚节点。该方法没有进行传感器节点地理位置的调整。VAPR(Void-AwarePressureRouting)协议同样是基于空洞规避的策略。在整个路由过程中，汇聚节点和传感器节点时刻在广播自己的状态，来建立虚拟路径。这些虚拟路径绕过了空洞区域。VAPR协议的缺点是在整个运行过程中，节点间都在通过广播BEACON来进行路由重建，并没有考虑到节点的能量因素。这会导致冗余的路径重建和能量开销，甚至网络风暴的产生。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。由于节点随洋流发生移动，可能会导致网络中出现空洞区域。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是，提供一种能够实现更高的网络覆盖度，更高的数据包投递率，更短的传输时延和更低的能量消耗的基于动态网络空洞规避的水下传感器网络路由协议。本专利技术所采用的技术方案是：一种基于动态网络空洞规避的水下传感器网络路由协议，包括如下步骤：1)对水下每个节点的移动模式进行建模，使节点能够在一个球面上有规律地移动；2)由上到下建立节点之间的虚拟路由路径，所述的路径绕过网络空洞区域；3)通过已建立的虚拟路由路径转发数据包；4)根据节点的移动导致的拓扑变化动态地进行路径重建。步骤1)所述的建模包括：设水下节点N的初始位置坐标为(x0,y0,z0)，绳索的长度为r，锚定点N0的坐标为(x0,y0,0)，在球坐标系中节点的移动模型为：其中r＝z0，θ＝θ(t)，λ＝λ(t)，t表示模型的运行时间，θ0表示节点能够摆动的最大角度，θ表示节点的摆动角度，λ表示节点的移动方向。在节点移动过程中，当节点到达目标位置后，相对静止设定时间，然后再开始进行下一次移动。步骤2)所述的节点之间的虚拟路由路径，是在整个网络工作过程中，每个汇聚节点周期性地发送控制数据包，广播自己的转发方向、已经建立的虚拟路径跳数和最近一次收到的控制数据包的序列号，每个水下节点在收到控制数据包后，如果所述的水下节点最近一次收到的控制数据包的序列号小于当前收到的控制数据包的序列号，或者最近一次收到的控制数据包的序列号与当前收到的控制数据包的序列号相同，但当前收到的控制数据包所记录的已经建立的虚拟路径跳数小于所述节点所记录的已经建立的虚拟路径跳数，则将所述的水下节点所希望下一跳节点的转发方向设置为控制数据包中所记录的的节点的转发方向，将所述的水下节点的转发方向设置为控制数据包传来的方向，并将自己记录的已经建立的虚拟路径跳数加一，然后所述的水下节点也将自己的状态封装进新的控制数据包，再进行广播。步骤3)包括：设节点S是当前的转发节点，n1和n2是两个候选节点，假设节点S的优先级函数的第一项是关于深度差d的一个线性函数，表示为：f(d)＝α·d+β式中，α和β表示求解的参数，假设候选节点n1去转发，而候选节点n2不去转发，则候选节点n1的延迟时间要比候选节点n2短，所以有：f(d1)<f(d2)式中，d1表示候选节点n1的深度，d2表示候选节点n2的深度；候选节点n2不仅要收到节点S传来的数据包，还要收到候选节点n1的数据包来抑制自己的转发，设从节点S到候选节点n1的传输时延为t1，从节点S到候选节点n2的传输时延为t2，从候选节点n1到候选节点n2的传输时延为t12，于是有：t1+f(d1)+t12≤t2+f(d2)将f(d)＝α·d+β代入式中的f(d1)和f(d2)得因为深度差越大，节点间的传输延迟越小，所以α为负值，则：考虑到候选节点n1和n2的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于动态网络空洞规避的水下传感器网络路由协议，其特征在于，包括如下步骤：/n1)对水下每个节点的移动模式进行建模，使节点能够在一个球面上有规律地移动；/n2)由上到下建立节点之间的虚拟路由路径，所述的路径绕过网络空洞区域；/n3)通过已建立的虚拟路由路径转发数据包；/n4)根据节点的移动导致的拓扑变化动态地进行路径重建。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于动态网络空洞规避的水下传感器网络路由协议，其特征在于，包括如下步骤：
1)对水下每个节点的移动模式进行建模，使节点能够在一个球面上有规律地移动；
2)由上到下建立节点之间的虚拟路由路径，所述的路径绕过网络空洞区域；
3)通过已建立的虚拟路由路径转发数据包；
4)根据节点的移动导致的拓扑变化动态地进行路径重建。


2.根据权利要求1所述的基于动态网络空洞规避的水下传感器网络路由协议，其特征在于，步骤1)所述的建模包括：
设水下节点N的初始位置坐标为(x0,y0,z0)，绳索的长度为r，锚定点N0的坐标为(x0,y0,0)，在球坐标系中节点的移动模型为：



其中r＝z0，θ＝θ(t)，λ＝λ(t)，t表示模型的运行时间，θ0表示节点能够摆动的最大角度，θ表示节点的摆动角度，λ表示节点的移动方向。


3.根据权利要求1所述的基于动态网络空洞规避的水下传感器网络路由协议，其特征在于，在节点移动过程中，当节点到达目标位置后，相对静止设定时间，然后再开始进行下一次移动。


4.根据权利要求1所述的基于动态网络空洞规避的水下传感器网络路由协议，其特征在于，步骤2)所述的节点之间的虚拟路由路径，是在整个网络工作过程中，每个汇聚节点周期性地发送控制数据包，广播自己的转发方向、已经建立的虚拟路径跳数和最近一次收到的控制数据包的序列号，每个水下节点在收到控制数据包后，如果所述的水下节点最近一次收到的控制数据包的序列号小于当前收到的控制数据包的序列号，或者最近一次收到的控制数据包的序列号与当前收到的控制数据包的序列号相同，但当前收到的控制数据包所记录的已经建立的虚拟路径跳数小于所述节点所记录的已经建立的虚拟路径跳数，则将所述的水下节点所希望下一跳节点的转发方向设置为控制数据包中所记录的的节点的转发方向，将所述的水下节点的转发方向设置为控制数据包传来的方向，并将自己记录的已经建立的虚拟路径跳数加一，然后所述的水下节点也将自己的状态封装进新的控制数据包，再进行广播。


5.根据权利要求1所述的基于动态网络空洞规避的水下传感器网络路由协议，其特征在于，步骤3)包括：
设节点S是当前的转发节点，n1和n2是两个候选节点，假设节点S的优先级函数的第一项是关于深度差d的一个线性函数，表示为：
f(d)＝α·d+β
式中，α和β表示求解的参数，
假设候选节点n1去转发，而候选节点n2不去转发，则候选节点n1的延迟时间要比候选节点n2短，所以有：
f(d1)<f(d2)
式中，d1表示候选节点n1的深度，d2表示候选节点n2的深度；候选节点n2不仅要收到节点S传来的数据包，还要收到候选节点n1的数据包来抑制自己的转发，设从节点S到候选节点n1的传输时延为t1，从节点S到候选节点n2的传输时延为t2，从候选节点n1到候选节点n2的传输时延为t12，于是有：
t1+f(d1)+t12≤t2+f(d2)<...

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