一种AUV辅助的水声传感网动态分层路由方法技术

一种AUV辅助的水声传感网动态分层路由方法，涉及水下通信。将水声传感网路由自水面至水底分为顶层、中间层、底层，不同路由层中的传感器节点，根据信息重要程度、节点能量损耗情况、环境噪声特点、所属层级和节点深度信息设计不同的权重计算方式，形成节点转发函数F

【技术实现步骤摘要】
一种AUV辅助的水声传感网动态分层路由方法


[0001]本专利技术涉及水下通信，尤其是涉及一种AUV辅助的水声传感网动态分层路由方法。

技术介绍

[0002]随着对海洋领域探测与研究的不断深入，亟需发展水声传感网以解决水下勘探、军事监视、数据搜集和水下灾害预防等诸多领域的应用需求。如何针对低带宽、长时延、低能耗供应的水声传感网，提升其网络性能是目前的主要研究方向。设计高效、低功耗的水声传感网路由协议，提高水声节点间数据传输高效可靠性能，则是当前水声通信组网技术发展面临的技术难题。
[0003]装备水下传感器的自主水下航行器(AUV)具有强机动性的优点，已广泛应用于海洋资源勘探、海洋环境自适应采样等水下任务。
[0004]对水声传感网而言，由于GPS在水下无法正常使用，导致水声节点定位技术难度大，H.Yan等人提出利用节点深度信息进行路由选择的策略(Yan H.,et al.DBR:Depth
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Based Routing for Underwater Sensor Networks[C]//International Ifip
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tc6 Networking Conference on Ad hoc&Sensor Networks.Springer
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Verlag,2008.)，通过节点携带的压力传感器获取节点深度值，在数据转发时，只选择深度小于当前节点的目标节点转发，有效避免获取全局位置信息的需要。由于水声传感网所处的特殊网络环境，水下传感器节点负载程度不一，导致部分节点提前死亡形成网络能量空洞，信息传输的间歇性中断和额外延迟，进一步导致其周围节点的加速死亡，严重影响网络的总体寿命。为提供良好解决方案，使得网络整体的能量负载更具均衡性，研究人员针对密集型水声传感网提出分层路由算法。
[0005]在各类水声传感网分层路由算法中，Gopi等人(Gopi S,et al.E
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PULRP:Energy Optimized Path Unaware Layered Routing Protocol for Underwater Sensor Networks[J].IEEE Transactions on Wireless Communications,2010.)结合能量优化原则，提出一种分层结构，以围绕节点的同心壳形式在汇聚(Sink)节点周围分层，并给出水平分层半径的计算方式，其网络仿真结果显示该分层方法能够得到较好的数据包交付率。Jafri M R等人(Jafri M R,et al.iAMCTD:Improved Adaptive Mobility of Courier Nodes in Threshold
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Optimized DBR Protocol for Underwater Wireless Sensor Networks[J].International Journal of Distributed Sensor Networks,2014.)则在竖直方向进行简单分层后，结合按需原则设计不同层级的数据转发函数，考虑到了网络整体的负载均衡，兼顾网络吞吐量的同时减少网络能耗和传播损失。刘洋等人(刘洋，等.基于分层的河流水下传感器网络路由算法[J].计算机应用,2016)结合河流环境，对绳系节点进行力学分析，提出一种基于分层的路由策略，在网络冗余度和丢包率上都优于基于深度的路由算法，网络生存周期也明显提高。
[0006]综上所述，目前对水声传感网路由的分层问题研究，多以节点为中心，在其传播方向上进行分层，或在深度上进行简单固定分层，而未见从整体网络的全局部署角度出发，结
合网络节点平均剩余能量和网络密度等信息，借助AUV辅助手段对路由进行深度方向上动态分层的相关研究。

技术实现思路

[0007]本专利技术的目的在于提供可使得网络负载能量均衡而网络总体寿命得到延长的一种AUV辅助的水声传感网动态分层路由方法，根据不同水深海洋环境下，水声通信质量和速率的不同需求，设计节点数据转发函数进行传输节点路径选择，完善动态分层路由机制，将其应用于解决密集型水声传感网易产生的能量空洞和“通信空区”问题，从而得到一个兼顾网络均衡负载、提高网络整体生存周期的动态分层路由方法。
[0008]本专利技术包括以下步骤：
[0009]1)设水声传感网的水声传感器节点随机分布，表示为节点1，节点2，节点3，
…
，将网络由水面至水底、由低层级至高层级依次分为顶层(L1)、中间层(L2)、底层(L3)三层结构：顶层(L1)与底层(L3)的节点初始分布密度和层厚均小于中间层(L2)；水面分布多个Sink节点，表示为sink1，sink2，sink3，
…
；Sink节点之间建立无线电通信链路，可将信息传输至岸基控制中心；每个Sink节点维护自身水域网络节点信息表，考虑到节点漂移性，其对应水域范围内子网络的节点个数不固定；每个Sink节点配备多个AUV轮流工作，表示为auv1，auv2，auv3，
…
；
[0010]其中，Sink节点运算能力强，负责处理其对应水域范围内所有节点转发的信息，通过太阳能供电，不考虑能耗问题；AUV机动性强，在网络内进行周期性游动，期间定时广播到达信号，考需虑其能耗问题；每个Sink节点配备多个AUV轮换，若当前auv1的剩余能量达到能量阈值后，不再接收新数据，到达水面后将数据传递至能量充足的auv2，由其接替工作，原auv1充电；
[0011]2)Hello数据包只包含分层边界信息，Sink节点周期性向水下广播Hello数据包对网络进行动态分层，假定Sink节点的广播范围可达整个网络的下边界，即网络中的每个节点都可接收到分层边界信息的更新；
[0012]3)水声节点接收到Hello数据包后，提取包中的分层边界信息进行自身层级判定，并记录自身层级，根据最新分层结果更新维护自身邻居节点信息表；数据包始终由高层级向低层级进行转发；
[0013]4)水声节点都可受到声源触发，触发后则成为源节点始发数据包。路由中包含数据包的非Sink节点为发送节点。设数据紧急程度的阈值，硬阈值用V
th
表示，软阈值用V
ts
表示，则发送节点的路由请求过程结合数据的紧急程度分为几种情况：若数据紧急程度大于硬阈值V
th
，则马上进行数据传输；若数据紧急程度小于软阈值V
ts
，则丢弃数据，不传输；若数据紧急程度处于V
th
与软阈值V
ts
之间，则进一步考虑发送节点的剩余能量。若发送节点的剩余能量大于剩余能量阈值R
t
，则进行传输；若小于R
t
，则等待下一轮转发时再考虑传输，该数据包紧急程度相应减小，重复当前步骤4)；
[0014]5)若步骤4)中发送节点确认有转发数据包需求，则发送节本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种AUV辅助的水声传感网动态分层路由方法，其特征在于包括以下步骤：1)设水声传感网中水声传感器节点随机分布，表示为节点1，节点2，节点3，
…
，将网络由水面至水底、由低层级至高层级，依次分为顶层、中间层和底层三层结构：顶层与底层的节点初始分布密度和层厚均小于中间层；水面分布多个Sink节点，表示为sink1，sink2，sink3，
…
；Sink节点通过无线电通信将信息传输至岸基控制中心；每个Sink节点维护自身水域网络节点的信息表，考虑到节点漂移性，其对应水域范围内子网络的节点个数不固定；每个Sink节点配备多个AUV轮流工作，表示为auv1，auv2，auv3，
…
；其中，Sink节点运算能力强，负责处理其对应水域范围内所有节点转发的信息，通过太阳能供电，不考虑能耗问题；AUV机动性强，在网络内进行周期性游动，期间定时广播到达信号，需考虑其能耗问题；每个Sink节点配备多个AUV进行轮换，若当前auv1的剩余能量达到能量阈值后，不再接收新数据，到达水面后将数据传递至能量充足的auv2，由其接替工作，原auv1进行充电；2)Hello数据包只包含分层边界信息，Sink节点周期性向水下广播Hello数据包对网络进行动态分层，假定Sink节点的广播范围可达整个网络的下边界，即网络中的每个节点都可接收到分层边界信息的更新；3)水声节点接收到Hello数据包后，提取包中的分层边界信息进行自身层级判定，并记录自身层级，根据最新分层结果更新维护自身邻居节点信息表；数据包始终由高层级向低层级进行转发；4)水声节点都受到声源触发，触发后则成为源节点始发数据包；路由中包含数据包的非Sink节点为发送节点；设数据紧急程度的阈值，硬阈值用V
th
表示，软阈值用V
ts
表示，则发送节点的路由请求过程结合数据的紧急程度分为三种情况：若数据紧急程度大于硬阈值V
th
，则马上进行数据传输；若数据紧急程度小于软阈值V
ts
，则丢弃数据，不传输；若数据紧急程度处于V
th
与软阈值V
ts
之间，则进一步考虑发送节点的剩余能量；若发送节点的剩余能量大于剩余能量阈值R
t
，则进行传输；若小于R
t
，则等待下一轮转发时再考虑传输，该数据包紧急程度相应减小，重复当前步骤4)；5)若步骤4)中发送节点确认有转发数据包需求，则发送节点将从邻居节点信息表中选取最佳的下一跳转发节点作为接收节点进行数据转发；当发送节点传输范围内有AUV经过，AUV收到发送节点广播信息，将充当中继节点，接收节点广播的数据包进行协作通信，转发至接收节点；在步骤5)中，AUV在运动时定时广播到达信号，节点接收到到达信号将返回自身序号、深度、剩余能量信息至AUV；若此时节点通信范围内并无可传输邻居节点，则将把AUV作为新增邻居节点，将其信息加入自身邻居节点信息表，通过AUV转发数据包至下一跳，以解决“通信空区”问题；若AUV离开时，节点并未收到AUV到达信号，则将AUV的信息从自身邻居节点信息表中删去；6)接收节点更新为新的发送节点；7)发送节点根据通信范围内是否包含Sink节点判断下一跳是否能够到达Sink节点，若未到达则重复步骤5)、步骤6)，直至成功传输至Sink节点；当AUV进行数据包转发时，其通信范围内包含Sink节点，则...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈友淦，朱秀玲，罗圆，杜坤芸，高榜君，吴剑明，许肖梅，
申请(专利权)人：厦门大学，
类型：发明
国别省市：