一种高能效声电协同传输网络路由系统及方法技术方案

本发明专利技术属于水声传感器网络和无线传感器网络领域，涉及一种高能效声电协同传输网络路由系统，包括：浮标节点和水下节点，依据所起作用，分为：发送源节点、中继节点和目的节点，具体地：发送源节点，用于在未检测到到达目的节点的路由信息时，泛洪式向周围节点广播路由请求RREQ报文；中继节点，用于接收并转发路由请求，判断本节点是否适合传输路由请求；若是，则根据中继节点类型，选择不同的路由转发机制；目的节点，用于接收路由报文或者数据，根据最优通信路径返回路由应答RREP报文至发送源节点。本发明专利技术通过水面浮标节点无线链路的协作，分担水声链路路由信令开销，提高了网络整体的带宽利用率。本发明专利技术还公开一种高能效声电协同传输网络路由方法。

A high energy efficiency simultaneous interpreting and transmission network routing system and method

【技术实现步骤摘要】
一种高能效声电协同传输网络路由系统及方法
本专利技术涉及水声传感器网络、无线传感器网络领域，尤其涉及一种高能效声电协同传输网络路由系统及方法。
技术介绍
海洋工程已经成为当今科学技术研究的一大热点，水声通信是在开发海洋资源和发展海洋军事中的关键技术之一。水下声学传感器网络在商业勘探、水生生物研究、海洋数据收集等方面得到广泛应用，随着无线组网技术等的发展，水声传感器网络逐渐成为水声通信的支撑技术。近些年，研究人员在水声信道、水声调制解调器、MAC、路由等诸多方面对水声传感器网络展开了研究，取得不小的进展。海洋信息一般通过部署在水下的传感器收集，再回传到陆地监控中心或海面作业平台。海洋信息传输需要通过水和空气两种介质，由水下节点(包括水下传感器节点、水下巡航等、水面中继节点(包括船只和浮标、空中节点(包括卫星和无人机等组成一个海洋信息传输网络。水下传感器先将获取的传感数据传送到水面节点，再通过水面节点传送到陆地监控中心或海面作业平台。水下的节点之间可以采用海底光缆、线缆、光波、电磁波或声波的方式通信；水面上的节点之间一般采用无线电磁波通信。声电协同传输网络是一个由水声链路和无线电链路混合组成的异构网络，可以实现海洋信息的跨域传输。当前的研究一般将无线电网络和水声网络分成两部分独立展开。然而，这两个网络共同传输相同的海洋信息。特别的是，部署在水下的水声链路和水面的无线电链路质量差别较大。水下的通信环境非常严苛，水声信道是一种双选择性衰落信道，具有时变、空变、频变的特点，存在严重的多径效应和多普勒效应。与无线电链路相比，水声链路的可用带宽极低、丢失分组率高、传输时延长。特别的是水下节点一般采用电池供电，电池的更换非常困难。
技术实现思路
针对现有技术的不足，本专利技术提供一种高能效声电协同传输网络路由系统，可以有效提高声电协同传输网络的数据传输性能。本专利技术还提供一种高能效声电协同传输网络路由方法。本专利技术采用如下技术方案实现：一种高能效声电协同传输网络路由系统，包括：浮标节点和水下节点，在水面上部署多个浮标节点，水下部署多个水下节点；浮标节点具备水声和无线电接口，水下节点只具备水声接口，水下节点之间主要采用声波的方式通信，水面上的浮标节点之间的通信采用无线电磁波通信，水面和水下的信息交换依赖于浮标节点和水下节点的水声接口；浮标节点和水下节点依据所起作用，分为：发送源节点、中继节点和目的节点，其中：中继节点包括：中继浮标节点和中继水下节点，具体地：发送源节点，用于在未检测到到达目的节点的路由信息时，泛洪式向周围节点广播路由请求RREQ报文；中继节点，用于接收并转发路由请求，根据该节点的剩余电量和节点队列缓存长度判断本节点是否适合传输路由请求；若适合，则根据中继节点的类型，选择不同的路由转发机制；如果是中继浮标节点，则执行优先无线电转发机制；如果是中继水下节点，则执行中继水下节点路由机制；目的节点，用于接收路由报文或者数据，对于不同到达路径的路由请求，以时延代价最小来选择最优通信路径，再根据最优通信路径返回路由应答RREP报文至发送源节点。优选地，优先无线电转发机制包括：中继浮标节点参与路由寻路转发时，接收到路由请求RREQ报文后，优先采用浮标节点无线电接口广播转发路由寻路包，此时，中继浮标节点进入等待阶段，当中继浮标节点等待时间超过最大路由搜索时间时，如果没有收到目的节点回传的路由应答RREP报文，则判断通过无线电链路协作找不到目的节点的有效通信路径；当无线电链路找不到目的节点的有效通信路径时，中继浮标节点选择水声接口重新广播转发相同的路由请求RREQ报文，再一次进入等待阶段，如果当中继浮标节点等待时间再次超过最大路由搜索时间时，还没有收到目的节点回传的路由应答RREP报文，则判断该中继浮标节点不是有效节点，丢弃路由报文。优选地，中继浮标节点执行优先无线电转发机制过程包含如下步骤：步骤X1：发送源节点S检查状态；步骤X2：发送源节点S的广播定时器超时，发送源节点S将自己的广播ID自加1，到目的节点的路由长度设置为0，产生一个路由请求RREQ报文广播出去；步骤X3：中继浮标节点X检查状态；步骤X4：中继浮标节点X接收到路由请求RREQ报文；步骤X5：中继浮标节点X检查是否第一次接收到该路由请求RREQ报文，如果是转到步骤X6；否则直接丢弃路由报文；步骤X6：中继浮标节点X检查是否RREQ的目的节点，如果是转到步骤X15；否则转到步骤X7；步骤X7：中继浮标节点X检查是否有到RREQ目的节点的有效路由，如果存在有效路由则转到步骤X15；否则转到步骤X8；步骤X8：中继浮标节点X根据本节点的剩余电量和队列缓存长度判断是否适合传输，如果是转到步骤X9；否则丢弃路由报文；步骤X9：把路由请求RREQ报文中转发跳数加1，到目的节点的路由长度加1，然后中继浮标节点X采用优先无线电转发机制，即无线接口广播新的路由报文；步骤X10：中继浮标节点X设置路由请求超时定时器；步骤X11：中继浮标节点X进入等待阶段，路由请求超时定时器发现搜索路由时间已超过规定的时间，则转到步骤X12；否则若收到目的节点传回来的路由应答RREP报文，转到步骤X15；步骤X12：无线链路路由搜寻失败，中继浮标节点X的水声接口重新广播相同的路由报文；步骤X13：中继浮标节点X设置路由请求超时定时器；步骤X14：中继浮标节点X进入等待阶段，路由请求超时定时器发现搜索路由时间已超过规定的时间，则丢弃报文；否则收到目的节点传回来的路由应答RREP报文，转到步骤X15；步骤X15：发送路由应答RREP报文到RREQ的源节点；转到步骤X16；步骤X16：中继浮标节点X检查RREP中的路由是否比自身路由表中的路由更新，如果RREP中的路由较新，转到步骤X17；否则转到步骤X18；步骤X17：中继浮标节点X更新到目的节点的本地路由表；步骤X18：转到步骤X3。优选地，中继水下节点路由转发机制过程包括：步骤Y1：发送源节点S检查状态；步骤Y2：发送源节点S的广播定时器超时，发送源节点S将自己的广播ID自加1，到目的节点的路由长度设置为0，产生一个路由请求RREQ报文广播出去；步骤Y3：中继水下节点Y检查状态；步骤Y4：中继水下节点Y接收到路由请求RREQ报文；步骤Y5：中继水下节点Y检查是否第一次接收到该路由请求RREQ报文，如果是转到步骤Y6；否则直接丢弃路由报文并休眠；步骤Y6：中继水下节点Y检查是否RREQ的目的节点，如果是转到步骤Y10；否则转到步骤Y7；步骤Y7：中继水下节点Y检查是否有到RREQ目的节点的有效路由，如果存在有效路由则转到步骤Y10；否则转到步骤Y8；步骤Y8：中继水下节点Y根据本节点的剩余电量和队列缓存长度判断是否适合传输，如果是转到步骤Y9；否则丢弃路由报文并休眠；步骤Y9：本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高能效声电协同传输网络路由系统，其特征在于，包括：浮标节点和水下节点，在水面上部署多个浮标节点，水下部署多个水下节点；浮标节点具备水声和无线电接口，水下节点只具备水声接口，水下节点之间主要采用声波的方式通信，水面上的浮标节点之间的通信采用无线电磁波通信，水面和水下的信息交换依赖于浮标节点和水下节点的水声接口；浮标节点和水下节点依据所起作用，分为：发送源节点、中继节点和目的节点，其中：中继节点包括：中继浮标节点和中继水下节点，具体地：/n发送源节点，用于在未检测到到达目的节点的路由信息时，泛洪式向周围节点广播路由请求RREQ报文；/n中继节点，用于接收并转发路由请求，根据该节点的剩余电量和节点队列缓存长度判断本节点是否适合传输路由请求；若适合，则根据中继节点的类型，选择不同的路由转发机制；如果是中继浮标节点，则执行优先无线电转发机制；如果是中继水下节点，则执行中继水下节点路由机制；/n目的节点，用于接收路由报文或者数据，对于不同到达路径的路由请求，以时延代价最小来选择最优通信路径，再根据最优通信路径返回路由应答RREP报文至发送源节点。/n

【技术特征摘要】
1.一种高能效声电协同传输网络路由系统，其特征在于，包括：浮标节点和水下节点，在水面上部署多个浮标节点，水下部署多个水下节点；浮标节点具备水声和无线电接口，水下节点只具备水声接口，水下节点之间主要采用声波的方式通信，水面上的浮标节点之间的通信采用无线电磁波通信，水面和水下的信息交换依赖于浮标节点和水下节点的水声接口；浮标节点和水下节点依据所起作用，分为：发送源节点、中继节点和目的节点，其中：中继节点包括：中继浮标节点和中继水下节点，具体地：
发送源节点，用于在未检测到到达目的节点的路由信息时，泛洪式向周围节点广播路由请求RREQ报文；
中继节点，用于接收并转发路由请求，根据该节点的剩余电量和节点队列缓存长度判断本节点是否适合传输路由请求；若适合，则根据中继节点的类型，选择不同的路由转发机制；如果是中继浮标节点，则执行优先无线电转发机制；如果是中继水下节点，则执行中继水下节点路由机制；
目的节点，用于接收路由报文或者数据，对于不同到达路径的路由请求，以时延代价最小来选择最优通信路径，再根据最优通信路径返回路由应答RREP报文至发送源节点。


2.根据权利要求1所述的高能效声电协同传输网络路由系统，其特征在于，优先无线电转发机制包括：中继浮标节点参与路由寻路转发时，接收到路由请求RREQ报文后，优先采用浮标节点无线电接口广播转发路由寻路包，此时，中继浮标节点进入等待阶段，当中继浮标节点等待时间超过最大路由搜索时间时，如果没有收到目的节点回传的路由应答RREP报文，则判断通过无线电链路协作找不到目的节点的有效通信路径；当无线电链路找不到目的节点的有效通信路径时，中继浮标节点选择水声接口重新广播转发相同的路由请求RREQ报文，再一次进入等待阶段，如果当中继浮标节点等待时间再次超过最大路由搜索时间时，还没有收到目的节点回传的路由应答RREP报文，则判断该中继浮标节点不是有效节点，丢弃路由报文。


3.根据权利要求2所述的高能效声电协同传输网络路由系统，其特征在于，中继浮标节点执行优先无线电转发机制过程包含如下步骤：
步骤X1：发送源节点S检查状态；
步骤X2：发送源节点S的广播定时器超时，发送源节点S将自己的广播ID自加1，到目的节点的路由长度设置为0，产生一个路由请求RREQ报文广播出去；
步骤X3：中继浮标节点X检查状态；
步骤X4：中继浮标节点X接收到路由请求RREQ报文；
步骤X5：中继浮标节点X检查是否第一次接收到该路由请求RREQ报文，如果是转到步骤X6；否则直接丢弃路由报文；
步骤X6：中继浮标节点X检查是否RREQ的目的节点，如果是转到步骤X15；否则转到步骤X7；
步骤X7：中继浮标节点X检查是否有到RREQ目的节点的有效路由，如果存在有效路由则转到步骤X15；否则转到步骤X8；
步骤X8：中继浮标节点X根据本节点的剩余电量和队列缓存长度判断是否适合传输，如果是转到步骤X9；否则丢弃路由报文；
步骤X9：把路由请求RREQ报文中转发跳数加1，到目的节点的路由长度加1，然后中继浮标节点X采用优先无线电转发机制，即无线接口广播新的路由报文；
步骤X10：中继浮标节点X设置路由请求超时定时器；
步骤X11：中继浮标节点X进入等待阶段，路由请求超时定时器发现搜索路由时间已超过规定的时间，则转到步骤X12；否则若收到目的节点传回来的路由应答RREP报文，转到步骤X15；
步骤X12：无线链路路由搜寻失败，中继浮标节点X的水声接口重新广播相同的路由报文；
步骤X13：中继浮标节点X设置路由请求超时定时器；
步骤X14：中继浮标节点X进入等待阶段，路由请求超时定时器发现搜索路由时间已超过规定的时间，则丢弃报文；否则收到目的节点传回来的路由应答RREP报文，转到步骤X15；
步骤X15：发送路由应答RREP报文到RREQ的源节点；转到步骤X16；
步骤X16：中继浮标节点X检查RREP中的路由是否比自身路由表中的路由更新，如果RREP中的路由较新，转到步骤X17；否则转到步骤X18；
步骤X17：中继浮标节点X更新到目的节点的本地路由表；
步骤X18：转到步骤X3。


4.根据权利要求1所述的高能效声电协同传输网络路由系统，其特征在于，中继水下节点路由转发机制过程包括：
步骤Y1：发送源节点S检查状态；
步骤Y2：发送源节点S的广播定时器超时，发送源节点S将自己的广播ID自加1，到目的节点的路由长度设置为0，产生一个路由请求RREQ报文广播出去；
步骤Y3：中继水下节点Y检查状态；
步骤Y4：中继水下节点Y接收到路由请求RREQ报文；
步骤Y5：中继水下节点Y检查是否第一次接收到该路由请求RREQ报文，如果是转到步骤Y6；否则直接丢弃路由报文并休眠；
...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈芳炯，谭艳杰，江子龙，余华，季飞，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：广东;44