基于剩余能量和地理位置的路径选择方法技术

本发明专利技术涉及一种基于剩余能量和地理位置的路径选择方法，包括下列步骤：当节点收到数据包时，计算节点位置信息有关参数；判断是否在半径为W的转发管道内；当节点在转发管道内的情况下，对节点剩余能量是否大于初始能量的的X％进行判断，计算转发因子；对等待时间进行初步估算；使用指数平滑法对下一跳转发节点的选择进行预测；对经预测后得到的等待时间T’

Path selection method based on residual energy and geographical location

【技术实现步骤摘要】
基于剩余能量和地理位置的路径选择方法
本专利技术涉及有关水声传感器网络高能效路由的
，具体是在基于矢量转发的路由协议(VBF)基础上，创新的增加对节点能量信息的判断以及预判方法，此种新的路径选择方法可有效减少网络能耗、均衡网络能量、延长网络寿命。
技术介绍
近年来，随陆地资源逐渐稀缺，及世界各国对海洋领域的开发和海洋军事工程迅速发展，水下无线传感器网络(UnderwaterSensorNetworks,UWSNs)的研究与应用受到了极大关注。但由于水下环境恶劣，制约水下传感器网络的首要问题是节能，本专利技术针对水下网络路由设计中的节能问题进行改进。相较于陆地上的传统无线网络，在水下环境中，传感器节点能量有限；水声信道环境复杂多变，传输信号随距离的增加衰减严重，不适合长距离通信。这些特点极大的增加了研究的难度。水下节点无法利用太阳能，而是采用干电池供电。节点长期处于复杂的海洋环境中且在无人看管的情况下工作，这就使得充电和更换电池的难度很大，能量严重受限，一旦节点能量耗尽就会失去作用，造成路由空洞等问题。另一方面，与传统的调制解调器相比，水声调制解调器的能耗更大。有限的能量与较大的能耗给UWSN通信协议的设计带来了极大挑战。如何降低节点能量消耗、提高能量效率从而延长整个网络的生命周期是UWSN研究面临的首要问题。高能效路由机制的研究是解决上述问题的关键。通常传统只考虑地理位置信息的路径选择方法，采用多条路径参与转发的方式，虽然确保了可靠性，但极大增加了网络能耗。且只考虑了节点的位置，会使有相同位置优势的节点都可以参与转发，从而出现碰撞问题，导致数据包丢失和损坏，增加丢包率和能量的浪费。此外，只选择在位置上具有优势的节点参与路由，会使位置较好的节点持续工作，能量快速耗尽。最佳位置周围的节点也会因只考虑地理位置而先被选择，先于其他节点死亡，在此区域形成路由空洞，导致网络瘫痪。但是，事实上仍有大量地理位置较为合理的节点没有机会参与转发，无端浪费了这些节点的能量，导致网络的能量利用不均衡，使网络的生存时间大打折扣。因此在考虑路节点位置信息的同时，提出综合考虑节点剩余能量信息，设计出可有效减少网络能耗的路由协议，对延长水声传感器网络生存周期具有重要意义。随后，为了更加合理利用转发节点所含有效信息，采用指数平滑法(ExponentialSmoothing)对节点等待转发时间进行预测。指数平滑法是生产预测中常用的一种方法，该方法的提出依据于时间序列的态势具有稳定性或规则性，所以时间序列可被合理地顺势推延，而为最近的过去态势，在某种程度上会持续的影响未来。对水下无线传感器网络的节点而言，因其节点的计算能力有限，采取一次指数平滑预测的方法即可。
技术实现思路
针对上述问题，本专利技术的目的是提供一种在基于矢量转发的路由协议(VBF)基础上，增加对节点能量信息的判断以及预判方法，此种新的路径选择方法可实现减少节点能耗、均衡网络能量、延长网络生存周期。为实现上述目的，本专利技术采取以下技术方案：一种基于剩余能量和地理位置的路径选择方法，基于矢量转发的路由算法VBF实现，由源节点到目的节点间的矢量，建立一条虚拟的通道，定义为转发管道，以此用来控制参加数据包传输的节点的数目，让数据包沿着这条虚拟的通道进行转发，包括下列步骤：1)当节点收到数据包时，计算节点位置信息有关参数：前一跳节点与当前节点间的距离d和到达角AoA；2)判断是否在半径为W的转发管道内，若在转发管道内，计算下一跳节点与路由矢量的距离p和下一跳节点与路由矢量的夹角；若不在该转发管道内，则丢弃该数据包，结束转发；3)当节点在转发管道内的情况下，对节点剩余能量是否大于初始能量的的X％进行判断，若节点剩余能量大于初始能量的X％时，由用公式1计算转发因子α；若节点剩余能量小于等于初始能量的X％时，由公式2计算转发因子α；4)计算得转发因子α值后，由公式3先对等待时间进行初步估算，记为Tadaptation；其中W为转发管道的半径；R为节点信号传播距离，即转发半径；d为前一跳节点与当前节点间的距离；P为下一跳节点与路由矢量的距离；θ为下一跳节点与路由矢量的夹角；residualenergy为节点当前剩余能量；initialenergy为节点初始能量；X％＝residualenergy/initialenergy，即节点剩余能量比率；a为能量系数，b为位置系数，a+b＝1；N为能量级数，M为位置级数；Tdelay为两点间传播延时；v0为水下信号的传播速度；5)为更加合理的利用节点等待时间的长短进行路径选择，使用指数平滑法对下一跳转发节点的选择进行预测，根据估算得到的等待时间Tadaptation，由公式4对Tadaptation进行预测，预测结果用等待时间T’adaptation表示：Tt+1＝λyt+λ(1-λ)yt-1+λ(1-λ)2yt-2+...+λ(1-λ)t-1y1+(1-λ)tT1(公式4)其中，T为等待时间预测值，y为实际值，t表示不同时期；具体为t表示本期，(t+1)表示预测期，(t-1)表示上一期；λ代表平滑常数，其取值范围为[0，1]，λ越接近于1，远期值对本期预测值的影响力下降越迅速；λ越接近于0，远期值对本期预测值影响程度下降越缓慢；6)对经预测后得到的等待时间T’adaptation取最小值Min为最佳下一跳节点，记为T”adaptation，等待转发；7)在等待过程中，若未收到相同的数据包，则以转发半径R完成此次数据包转发；若等待时收到了相同的数据包，则重新计算转发因子，记为α1,α2,…,αn，其中n总个数,对于预定义正常数αc，若min(α1,α2,…,αn)＜(αc/2n)成立，则以转发半径R完成此次数据包转发；若不小于此门限值，则丢弃数据包，结束此次数据转发。本专利技术由于采取以上技术方案，其具有以下优点：(1)本创新路径选择方法将能量信息与地理位置信息结合，有效的降低了节点能耗、均衡网络能量、延长网络生存周期。(2)对等待时间进行指数平滑预测，更加合理的利用节点等待时间的长短进行路径选择。附图说明图1REGP-A路径选择方法流程图。具体实施方式下面结合附图说明对基于剩余能量和地理位置(REGP-A)的路径选择方法的实施过程进行详细的描述。本专利技术是在基于矢量转发的路由算法(VBF)基础上提出的，VBF(Vector-BasedForwardingProtocol)算法是一种典型的基于地理位置的UWSNs路由算法。由源节点到目的节点间的矢量，建立一条虚拟的通道，定义为转发管道，以此用来控制参加数据包传输的节点的数目，让数据包沿着这条虚拟的管道进行转发。由源节点到目的节点形成的该矢量，确定建立一条虚拟的通道，是圆柱形，设半径大小W，并通过夹角的cos值来确定数据包传递的方向。节点只要收到包，它就会第一时间算出自己与要进行转发的节点间的d值以及角度AOA。且节本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于剩余能量和地理位置的路径选择方法，基于矢量转发的路由算法VBF实现，由源节点到目的节点间的矢量，建立一条虚拟的通道，定义为转发管道，以此用来控制参加数据包传输的节点的数目，让数据包沿着这条虚拟的通道进行转发。包括下列步骤：/n1)当节点收到数据包时，计算节点位置信息有关参数：前一跳节点与当前节点间的距离d和到达角AoA；/n2)判断是否在半径为W的转发管道内，若在转发管道内，计算下一跳节点与路由矢量的距离p和下一跳节点与路由矢量的夹角；若不在该转发管道内，则丢弃该数据包，结束转发；/n3)当节点在转发管道内的情况下，对节点剩余能量是否大于初始能量的X％进行判断，若节点剩余能量大于初始能量的X％时，由用公式1计算转发因子α；若节点剩余能量小于等于初始能量的X％时，由公式2计算转发因子α；/n

【技术特征摘要】
1.一种基于剩余能量和地理位置的路径选择方法，基于矢量转发的路由算法VBF实现，由源节点到目的节点间的矢量，建立一条虚拟的通道，定义为转发管道，以此用来控制参加数据包传输的节点的数目，让数据包沿着这条虚拟的通道进行转发。包括下列步骤：
1)当节点收到数据包时，计算节点位置信息有关参数：前一跳节点与当前节点间的距离d和到达角AoA；
2)判断是否在半径为W的转发管道内，若在转发管道内，计算下一跳节点与路由矢量的距离p和下一跳节点与路由矢量的夹角；若不在该转发管道内，则丢弃该数据包，结束转发；
3)当节点在转发管道内的情况下，对节点剩余能量是否大于初始能量的X％进行判断，若节点剩余能量大于初始能量的X％时，由用公式1计算转发因子α；若节点剩余能量小于等于初始能量的X％时，由公式2计算转发因子α；






4)计算得转发因子α值后，由公式3先对等待时间进行初步估算，记为Tadaptation；



其中W为转发管道的半径；R为节点信号传播距离，即转发半径；d为前一跳节点与当前节点间的距离；P为下一跳节点与路由矢量的距离；θ为下一跳节点与路由矢量的夹角；residualenergy为节点当前剩余能量；initialenergy为节点初始能量；X％＝residualenergy/initialenergy，即节点剩余能量比率；a为能量系数，...

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