一种基于分层的能量均衡水声网络路由协议方法技术

技术编号:26179233 阅读:27 留言:0更新日期:2020-10-31 14:33
本发明专利技术涉及一种基于分层的能量均衡水声网络路由协议方法,所述方法包括数据转发步骤;所述数据转发步骤包括以下内容:S11、当接收节点不是sink节点时,判断自身层级L_Rec与发送节点层级L_Snd的大小关系,如果L_Rec<L_Snd,则执行步骤S12;S12、接收节点根据一跳延迟和剩余能量计算自身的转发概率进而设置定时器的超时值,当所述定时器到期时,接收节点变为发送节点转发数据报文;S13、重复步骤S11和S12,直到所述接收节点为sink节点时为止。本发明专利技术的优点在于:接收节点根据层级、剩余能量和一跳延迟三个因素来判断自己是否进行数据转发。通过将剩余能量高和一跳延迟小的节点作为进行数据转发的节点,有效地实现了能量均衡,延迟了网络寿命,降低了网络中端到端的延迟。

【技术实现步骤摘要】
一种基于分层的能量均衡水声网络路由协议方法
本专利技术涉及水声传感器网络
,尤其涉及一种基于分层的能量均衡水声网络路由协议方法。
技术介绍
随着各国对海洋保护、海洋资源开发及建立海洋强国越来越重视,水声网络得到研究人员的极大关注。水声网络的研究可以帮助人们对海洋进行监测,从而起到保护海洋,有着战略性的意义。除了海洋环境监测之外,水声网络还有其他的应用前景,包括海洋数据采集、海洋资源勘测、海洋军事监控、辅助导航、灾难预防等。水声网络的广泛应用前景,引得各国政府和很多研究人员的极大关注。水声网络的发展不仅在军事方面影响各国的海洋战争策略,逐渐在民用领域(海洋环境保护、海洋资源开发等)起到重要作用。在水声网络中,无线电信号在水中传播时衰减很大,仅在超低频(30-300HZ)下才能进行长距离传播,但是这需要大的电线和高发射功率;而光信号在水中有较大的散射。所以在水声网络中采用声信号进行通信。然而,与采用无线电信号的陆地无线传感器网络相比,使用水声信道的水声网络具有高延迟、高误码率(10-3-10-7)、低带宽、多径效应以及高度动态变化的网络拓扑等特点。此外,水下传感器节点还存在着移动性、定位困难和更换电池困难的问题。路由协议直接影响着网络的通信性能,是所有通信网络中非常需要研究的一个领域。随着网络通信技术的快速发展,研究人员针对陆地无线传感器网络提出了很多路由协议。水声网络其实是传统的无线传感器网络的一种扩展应用。但是,由于复杂的水下环境、水声网络和水声信道的特性,使得针对传统的陆地无线传感器网络设计的相关路由协议不能够直接应用于水声网络中。目前许多国内外学者已经提出了很多适用于水声网络的路由协议。随着水声网络相关技术的发展,许多国内外学者已经提出了很多适用于水声网络的路由协议。但是,已有的水声网络路由协议或多或少地具有一些缺点和一定的局限性。基于地理位置信息的路由协议中,假设的是已知网络中的节点的地理位置信息已知,但是对于水下节点而言,获取自身地理位置信息本身也是一大难题。使用基于贪婪水下路由协议进行数据转发时,很有可能出现路由空洞问题。Carlson等人于2006年提出了位置感知源路由LASR(Location-AwareSourceRouting)协议。LASR协议的缺点:随着源节点和目标节点之间跳数的增加,包头也继续增加。包头的增加导致了在窄带声的水声网络开销过大。YanH等人于2008年提出了基于深度的路由DBR(DepthBasedRouting)协议。DBR的缺点:在密集网络中,使用DBR协议将会产生过多冗余转发,进而造成额外的能量消耗和冗余包冲突。此外,在稀疏网络中使用DBR协议进行路由时,容易出现路由空洞问题。WahidA等人于2014年提出了无定位多层路由协议MRP(Multi-layeredRoutingProtocol)。MRP协议的缺点:网络拓扑结构中节点部署为二维结构,而大多数水声网络应用场景为三维拓扑结构,其拓扑结构限制了该路由协议的应用。此外,在MRP中保持时间的计算公式未正确定义。X.Du等人于2014年提出了基于分层的自适应地理路由LB-AGR(Level-BasedAdaptiveGeo-Routing)协议。LB-AGR路由协议属于基于地理位置信息的路由协议,进行路由时须知晓每个传感器节点的地理位置信息。张嘉男等人于2018年提出了基于矢量与能量的水声网络路由VER(VectorandEnergybasedRouting)协议。VER协议的缺点:在节点部署于复杂水下环境的水声网络中,VER协议仅依靠一条路径进行路由,容错性较差。因此,如何设计出适用于水声网络的路由协议以克服上述缺陷是现阶段需要考虑的。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术的缺点,提供了一种基于分层的能量均衡水声网络路由协议方法,解决了目前水声网络路由协议存在的不足。本专利技术的目的通过以下技术方案来实现:一种基于分层的能量均衡水声网络路由协议方法,所述方法包括数据转发步骤;所述数据转发步骤包括以下内容:S11、当接收节点不是sink节点时,判断自身层级L_Rec与发送节点层级L_Snd的大小关系,如果L_Rec<L_Snd,则执行步骤S12;S12、接收节点根据一跳延迟和剩余能量计算自身的转发概率进而设置定时器的超时值,当所述定时器到期时,接收节点变为发送节点转发数据报文;S13、重复步骤S11和S12,直到所述接收节点为sink节点时为止。进一步地,所述步骤S12中当所述定时器到期时,其他保持有数据报文的转发节点听到已经有节点转发了数据报文时,则关闭自身的定时器且丢弃该数据报文。进一步地,所述数据转发步骤还包括:当有多个接收节点转发数据报文时,如果多个接收节点在相互传输范围内,则关闭所述转发概率低的接收节点的定时器且丢弃数据报文;如果存在有不在相互传输范围内的接收节点,则该接收节点也进行数据报文的转发,实现多径路的数据传输。进一步地,所述一跳延迟表示上一跳发送节点发送数据报文后到本跳接收节点收到该数据报文的延迟;所述转发概率Pk的计算公式为:其中,权重系数α和β的取值范围均为[0,1]且α+β=1,Delk是发送节点到接收节点k的一跳延迟,Delmax是网络中预先定义的最大延迟时间,Ek是接收节点k的当前剩余能量,Eini是节点的初始能量。进一步地,所有接收节点在接收到数据报文后都会设置基于转发概率的定时器超时值,转发概率越高,节点的定时器到期越早;所述接收节点k定时器的超时值Tout计算公式为:其中,Rand()是随机函数,取值范围为[0,1]。进一步地,当存在两个以上接收节点有相同的一跳延迟和剩余能量时,即可能定时器同时到期时,则从两个以上接收节点随机选择一个优先进行数据报文转发,减少冗余包的产生。进一步地,所述方法还包括网络初始化步骤,所述网络初始化步骤执行于所述数据转发步骤之前。进一步地,所述网络初始化步骤包括以下内容:S01、sink节点想网络中广播Hello报文,并且将sink节点的层级固定配置为0;S02、当接收节点第一次接收到Hello报文时,从自己所接收的Hello报文中读取上一跳发送节点的层级L_Snd,设置自己的层级L_Rec=L_Snd+1,并开启层级老化时间定时器;S03、接收节点更新Hello报文中的层级和发送节点ID字段信息为自身层级L_Rec和自身节点ID,并且继续广播新的Hello报文;S04、重复步骤S02和S03,直到所有节点完成自身层级的设置为止。进一步地,所述网络初始化步骤中,如果sink节点在特定时间间隔之后再次广播Hello报文,则接收节点需要判断自身是否需要更新层级。进一步地,所述更新层级的规则包括:当一个已经获取自身层级且该层级信息老化时间未到期的接收节点接收到一个Hello报文时,比较自身层级L_Rec和报文中层级L_Snd本文档来自技高网
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【技术保护点】
1.一种基于分层的能量均衡水声网络路由协议方法,其特征在于:所述方法包括数据转发步骤;所述数据转发步骤包括以下内容:/nS11、当接收节点不是sink节点时,判断自身层级L_Rec与发送节点层级L_Snd的大小关系,如果L_Rec<L_Snd,则执行步骤S12;/nS12、接收节点根据一跳延迟和剩余能量计算自身的转发概率进而设置定时器的超时值,当所述定时器到期时,接收节点变为发送节点转发数据报文;/nS13、重复步骤S11和S12,直到所述接收节点为sink节点时为止。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于分层的能量均衡水声网络路由协议方法,其特征在于:所述方法包括数据转发步骤;所述数据转发步骤包括以下内容:
S11、当接收节点不是sink节点时,判断自身层级L_Rec与发送节点层级L_Snd的大小关系,如果L_Rec<L_Snd,则执行步骤S12;
S12、接收节点根据一跳延迟和剩余能量计算自身的转发概率进而设置定时器的超时值,当所述定时器到期时,接收节点变为发送节点转发数据报文;
S13、重复步骤S11和S12,直到所述接收节点为sink节点时为止。


2.根据权利要求1所述的一种基于分层的能量均衡水声网络路由协议方法,其特征在于:所述步骤S12中当所述定时器到期时,其他保持有数据报文的转发节点听到已经有节点转发了数据报文时,则关闭自身的定时器且丢弃该数据报文。


3.根据权利要求1所述的一种基于分层的能量均衡水声网络路由协议方法,其特征在于:所述数据转发步骤还包括:当有多个接收节点转发数据报文时,如果多个接收节点在相互传输范围内,则关闭所述转发概率低的接收节点的定时器且丢弃数据报文;如果存在有不在相互传输范围内的接收节点,则该接收节点也进行数据报文的转发,实现多径路的数据传输。


4.根据权利要求1所述的一种基于分层的能量均衡水声网络路由协议方法,其特征在于:所述一跳延迟表示上一跳发送节点发送数据报文后到本跳接收节点收到该数据报文的延迟;所述转发概率Pk的计算公式为:



其中,权重系数α和β的取值范围均为[0,1]且α+β=1,Delk是发送节点到接收节点k的一跳延迟,Delmax是网络中预先定义的最大延迟时间,Ek是接收节点k的当前剩余能量,Eini是节点的初始能量。


5.根据权利要求1所述的一种基于分层的能量均衡水声网络路由协议方法,其特征在于:所有接收节点在接收到数据报文后都会设置基于转发概率的定时器超时值,转发概率越高,节点的定时器到期越早;所述接收节点k定时器的超时值Tout计算公式为:



其中,Rand()是随机函数,取值范围为[0,1]。


6.根据权利要求5所述的一种基于分层的能量...

【专利技术属性】
技术研发人员:杜秀娟朱建连韩多亮
申请(专利权)人:青海师范大学
类型:发明
国别省市:青海;63

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