一种水下传感器网络节能高效路由方法技术

本发明专利技术提供了一种能量平衡且高效的路由方法，该方法采用了功率控制机制以降低能耗，方法包含路由建立和数据传输两个阶段。在路由建立阶段，由汇聚节点以最大发送功率广播信标包建立初始路径，接收节点根据信标信息更新路由表，并转发信标包。在数据转发阶段，本发明专利技术提出了一种新的转发因子，综合考虑能量效率和能量平衡，选择出能量效率高且能量相对充足的节点作为最优下一跳，从而延长网络生命周期。此外，本发明专利技术还提出了一种数据保护与网络重建机制，以应对节点移动带来的网络拓扑变化和数据转发失败等问题。与其他典型路由方法相比，本发明专利技术在降低网络能耗，延长网络生命周期方面表现出优越的性能。现出优越的性能。现出优越的性能。

【技术实现步骤摘要】
一种水下传感器网络节能高效路由方法


[0001]本专利技术涉及传感器网络
，具体为一种水下传感器网络节能高效路由方法。

技术介绍

[0002]水下无线传感器网络路由是实现水下应用的关键，通过水下无线传感器网络路由可以实现水下节点间信息与数据的传递。然而，水下无线传感器网络与应用于陆地上的无线传感器网络存在着很大的区别，水下无线传感器网络路由需要面临着更多的挑战。一方面，水下网络对节点间能耗均衡的要求更高,因为水下节点不能进行自我能量补充，自身存储的能量是有限的。如果某个节点被过度使用，那么它会因提前耗尽能量而失去作用。这些节点的过早消亡可能会使网络分裂，影响网络的正常工作。因此，设计路由时要尽量保证所有节点的能量能够同步的下降。另一方面，水下网络结构具有一定的动态性，由于水流的影响，节点会在一定范围内进行移动，导致网络的结构动态变化。这就要求设计的路由能够适应网络的拓扑变化。上述这些特性对路由提出了更高的要求，需要针对这些特性设计更适合水下网络的路由方法。

技术实现思路

[0003]专利技术目的：减少水下网络的能耗，延长网络生命周期，实现数据包在每一跳的高效转发。
[0004]技术方案：为了实现上述目的，本专利技术提供了一种基于深度的水下传感器网络节能高效路由方法，在本专利技术中，所有的数据包与控制包均包含发送节点的传输功率、剩余能量和深度等信息，在路由建立阶段，由汇聚节点以最大传输功率广播信标包，当中继节点收到上一跳节点发送的信标包以后，首先通过测量接收信号强度计算对该上一跳节点需要的功率等级，再根据包内信息和功率等级计算对该节点的转发因子，并存入路由表中，最后中继节点会更新信标包中的信息并以最大功率广播，为了避免节点重复发送信标包，每个节点在一段时间内只发送一次信标包；在数据发送阶段，节点将路由表中的转发因子最大的节点设置为最优下一跳节点，并向该节点转发数据。为了解决节点移动问题和频繁发送信标包带来的低信道利用率和高能耗问题，我们提出了隐式路由更新机制，即节点会监听其通信范围内所有的数据包与控制包，并根据信号强度与包内信息完成对路由的更新与维护。为了解决节点移动导致的数据转发失败和路由失效问题，我们提出了局部
‑
整体结合的一体化策略，该测量包含局部恢复和整体恢复两个并行机制，当数据包转发失败时，触发局部恢复机制，节点发送探测包重建路由表，然后根据路由表重发数据包。当汇聚节点检测到收包率低于阈值时，触发整体恢复机制，由汇聚节点发送信标包完成整个网络的路由重建。我们的方法具体步骤如下：
[0005]步骤1：首先，由水面汇聚节点以最大传输功率广播信标包，建立路由。以最大发送功率广播信标包建立初始路径，借助转发因子，数据在该路径传输是能量效率与能量平衡
的综合最优，接收节点根据深度信息判断发送信标的节点是否符合下一跳的条件，若不符合，则直接丢弃该包，否则，使用包中记录的发送功率和接收信号强度估算本节点到发送节点的最优发送功率，再结合本节点剩余能量信息计算转发因子并记入路由表，转发因子最大的邻居节点为最优下一跳，之后本节点产生一个信标包并广播，为了防止重复发送，一个节点在一段时间内只发送一次信标包。
[0006]步骤2：在完成路由建立以后，网络进入数据转发阶段，中继节点在收到数据包时，首先执行隐式路由更新机制，根据包内信息更新路由表，然后将数据包转发给转发因子最大的邻居节点。
[0007]步骤3：当汇聚节点收到数据包时，表明数据转发成功，汇聚节点过滤重复包并统计到包率，若到包率低于阈值，则触发整体恢复机制，由汇聚节点重建网络路由。
[0008]当数据包转发失败时，继续执行的步骤是：
[0009]步骤4：当节点转发数据后，在T时间内既没有监听到下一跳节点转发数据包，也没有收到下一跳节点回复的ACK包，则判定为转发失败，节点需要执行局部恢复机制。
[0010]步骤5：当局部恢复机制无法重建路由时，则判定本节点为空洞节点，节点广播空洞通知包通知上一跳节点将自己移除邻居表。
[0011]进一步地，所述步骤1中涉及到的转发因子，其计算步骤为：设本节点为A，邻居节点为B，则节点A与节点B之间的转发因子具体计算方式如下：
[0012]当节点A收到节点B发送到的包(如信标包)时，设该包的接收信号强度为Rss，则
[0013]Rss＝10logP0ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1.1)
[0014]其中，P0为节点A接收到的信号功率。设节点B发送信标包的功率为P
t
，则节点A与节点B之间的路径损耗L
AB
可表示为
[0015][0016]则A到B的最优发送功率P
optAB
为
[0017]P
optAB
＝L
AB
P
th
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1.3)
[0018]其中P
th
表示单位为瓦的信号接收门限，节点A与节点B之间通信的功率级P
ABL
由P
optAB
决定，即
[0019]P
ABL
←
P
optAB
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1.4)
[0020]由上式可得，当A向B发送数据包时，消耗的能量E
AB
为
[0021]E
AB
＝P
opt
t
send
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1.5)
[0022]其中t
send
表示发送时间，需要说明的是，节点B接收数据时也要消耗能量，但是由于节点接收功率远小于发送功率，因此我们在计算转发因子时忽略该能耗。
[0023]设节点A的归一化剩余能量和节点A到节点B之间的归一化能量效率为E
re
和E
ηAB
，则A到B的转发因子为
[0024]f
AB
＝p
B
(αE
ηAB
+βE
re
) E
re
,E
ηAB
∈(0,1]ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1.6)
[0025]其中，p
B
为节点B的数据包转发成功率，初值为1；α和β为系统参数，满足α+β＝1，在理论上，α越大，路由在节能方面效果越好；反之α越小，路由在能量均衡方面效果越好。能量效率E
ηAB
可由下式计算：
[0026][0027]其中Δd
AB
为节点A与节点B之间的深度差。
[0028]转发因子将用于选择中继节点，而中继节点的选择在提高节能数据传输方面起着重要作用。但如果源和中继之间的距离越远，传输能量消耗越多。另一方面，如果距离较小本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种水下传感器网络节能高效路由方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：由水面汇聚节点以最大传输功率广播信标包，建立路由；步骤2：在完成路由建立以后，网络进入数据转发阶段，中继节点在收到数据包时，首先执行隐式路由更新机制，根据包内信息更新路由表，然后将数据包转发给转发因子最大的邻居节点；步骤3：当汇聚节点收到数据包时，表明数据转发成功，汇聚节点过滤重复包并统计到包率，若到包率低于阈值，则触发整体恢复机制，由汇聚节点重建路由。2.根据权利要求1所述的一种水下传感器网络节能高效路由方法，其特征在于，当数据包转发失败时，继续执行的步骤是：步骤4：当节点转发数据后，在T时间内既没有监听到下一跳节点转发数据包，也没有收到下一跳节点回复的ACK包，则判定为转发失败，节点需要执行局部恢复机制；步骤5：当局部恢复机制无法重建路由时，则判定本节点为空洞节点，节点广播空洞通知包通知上一跳节点将自己移除邻居表。3.根据权利要求1所述的一种水下传感器网络节能高效路由方法，其特征在于，所述建立路由，由汇聚节点以最大传输功率广播信标包，当中继节点收到上一跳节点发送的信标包以后，首先通过测量接收信号强度计算对该上一跳节点需要的功率等级，再根据包内信息和功率等级计算对该上一跳节点的转发因子，并存入路由表中，最后中继节点会更新信标包中的信息并以最大功率广播。4.根据权利要求1所述的一种水下传感器网络节能高效路由方法，其特征在于，所述隐式路由更新机制为节点会监听其通信范围内所有的数据包与控制包，并根据信号强度与包内信息完成对路由的更新与维护。5.根据权利要求4所述的一种水下传感器网络节能高效路由方法，其特征在于，所述隐式路由更新机制具体为当监听到数据包或控制包时，节点首先测量包的信号强度并读取包内信息，然后遍历邻居列表，若发送包的节点在邻居节点中，则更新该节点信息，若不在邻居列表中，则根据深度信息判断该节点是否符合成为下一跳的条件，若符合，则将发送节点的信息加入邻居表，否则不更新路由表。6.根据权利要求1所述的一种水下传感器网络节能高效路由方法，其特征在于，所述转发因子具体为：假设节点A为数据转发节点，节点B为节点A的下一跳节点，则节点B相对于节点A的转发因子f
...

【专利技术属性】
技术研发人员：王彪，张皓波，朱雨男，解方彤，郭晓鹏，
申请(专利权)人：江苏科技大学，
类型：发明
国别省市：