CN101951654B

CN101951654B - 一种面向多水下机器人通信的节能路由方法

Info

Publication number: CN101951654B
Application number: CN2010102478927A
Authority: CN
Inventors: 刘佰龙; 张汝波; 徐东; 张子迎; 刘冠群; 林俊宇
Original assignee: Harbin Engineering University
Current assignee: Harbin Engineering University
Priority date: 2010-08-09
Filing date: 2010-08-09
Publication date: 2013-03-20
Anticipated expiration: 2030-08-09
Also published as: CN101951654A

Abstract

本发明提供的是一种面向多水下机器人通信的节能路由方法。首先判断两个机器人节点之间是否存在路由，如果存在则判断该路由中是否存在断链的情况，否则采用基于链路生存时间有限的路由查找算法来选择并查找这两个机器人之间的路由；其次，当网络中存在断链时，采用节能路由修复算法修复路由，否则检查是否存在更优的路由；如果存在更优的路由则采用节能路由维护算法更新当前路由，否则判断任务是否结束，如果结束则算法结束。本发明的方法在路由查找、路由修复和路由维护上对通信的能量进行了直接考虑，大大节省了水下机器人通信的能量和响应时间，保障水下机器人任务的顺利进行。

Description

一种面向多水下机器人通信的节能路由方法

技术领域

本发明涉及的是一种水下通信方法，具体地说是一种面向多水下机器人通信的节能路由方法。

背景技术

水声通信网络的研究始于20世纪90年代，最初主要用于军事上。最近二十年，水声通信技术已经取得了巨大的进步，其应用领域也逐渐扩展到了商业领域。

90年代初，美国的自组织采样网(AOSNs)率先提出“水声网”概念，并利用海网Seaweb计划进行实践、验证，很快证实了利用声学进行水下组网的可行性，并衍生出一系列水声网计划和应用。如FRONT沿海大陆架监测计划、分布式DADS沿海军事反战计划等，充分展现了水声网络应用的广阔前景。科学技术的发展提高了水声通信的比特率与可靠性，从而实现了点对点实时通信，然而水声通信网络远远比单纯的点对点通信更有用，也更复杂。因此，美国、加拿大和欧共体等发达国家和地区投入了大量的人力、物力来研究和开发水声通信网络。

多水下机器人(AUVs)组成的水声网络是一种水声自主网，目前研究得最多的自主网是Ad Hoc网。Ad Hoc网是没有有线基础设施支持的移动网络，网络中的节点均由移动主机构成。由于所有节点可以随机地、自由地移动，其网络拓扑结构是动态变化的。在Ad Hoc网络中，主机的通信范围有限，当两个移动主机在彼此的通信覆盖范围内时，它们可以直接通信，否则必须通过中继节点进行数据转发，因此在Ad Hoc网中，主机同是还是路由器，担负着寻找路由与转发数据的功能。由于在Ad Hoc网中，数据一般都要通过多个主机转发才能到达目的节点，故Ad Hoc网也称为多跳无线网络，也就是由一组带有无线收发装置的移动终端组成的一个多跳临时性自治系统。Ad Hoc网络在军事、紧急救助和探险等领域具有非常重要的应用前景。

路由技术的研究是Ad Hoc网研究的核心内容之一，优良的路由方法能够降低路由的响应时间，减少网络运行过程中能量的消耗，这对水声自主网这种具有高延迟、能量受限的网络来讲格外重要。从路由的逻辑视图的角度进行划分，Ad Hoc网路由技术可以分为平面结构和分级结构路由。目前，Ad Hoc网研究最多的还是平面路由。对Ad Hoc路由协议技术最普遍的分类是将其划分为两类：先验式(proactive)和反应式(reactive)，也称为表驱动(table-driven)和按需要(on-demand)驱动。表驱动路由有：DBF(DistributedBellman-Ford)，DSDV(Destination-sequenced Distance-vector Routing)，WRP(WirelessRouting Protocol)等。按需要路由主要有：DSR(Dynamic Source Routing)，AODV(Ad HocOn-Demand Distance Vector Routing)，TORA(Temporally-Ordered Routing Algorithm)等。

AODV路由协议技术是Ad Hoc网中研究得比较多的一种按需路由协议。它具有计算量小、存储资源消耗小、对网络带宽占用小、当网络拓扑结构发生变化时能快速收敛的特点。不过它仍有一些值得改进的地方，尤其是要将它用于水下机器人通信网络这种对能耗要求较高的网络，应该使其尽可能地减少能量的损耗。

在目前国内外的路由技术中，多数涉及两点之间的通信技术。而面向多节点通信网络也主要针对静态节点的无线传感器网络，很少同时考虑水声特性、能量和节点的移动性等特征。本发明所设计的水下机器人路由方法，不同于上述路由技术。重点考虑了水声通信的特性，本质上是以节能为主要需求的路由技术，能够适合多水下机器人协作任务的需求，具有如下特征：首先，网络创建的初始需要进行路由查找，目的是找到一条稳定可靠的路由。在该阶段，引入矢量限制转发法则和链路生存时间优先选择机制，减少路由查找涉及的节点数量，增加存活率高的链路选择，从而降低了查找过程中消耗的系统能量。其次，当路由节点出现故障或出现断链时，需要进行路由修复，保障信息的可靠传递。在该阶段，将“慢启动”的思想引入到逐跳回退的路由修复算法中，以平衡能耗与响应时间。与AODV的自动修复相比，在大多数情况下，尤其是当网络较大时，它能更节省能量，修复时间也更短。最后，如果出现修复的链路不是最优情况，则需要进行路由维护。在该阶段，向HELLO消息中加入其所维护的路由标识和跳数，当节点收到其邻居节点发送的HELLO后，可得知其离目的节点的距离，使得路由的维护具有动态性和适应性，保障了最优链路的产生，节省了水下机器人通信的时间和能量。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能大大节省水下机器人通信的能量和响应时间，保障水下机器人任务的顺利进行的面向多水下机器人通信的节能路由方法。

本发明的目的是这样实现的：

包括路由查找、路由修复和路由维护三个环节；首先判断两个机器人节点之间是否存在路由，如果存在则判断该路由中是否存在断链的情况，否则采用基于链路生存时间有限的路由查找算法来选择并查找这两个机器人之间的路由；其次，当网络中存在断链时，采用节能路由修复算法修复路由，否则检查是否存在更优的路由；如果存在更优的路由则采用节能路由维护算法更新当前路由，否则判断任务是否结束，如果结束则算法结束。

本发明还可以包括这样一些特征：

1、所述基于链路生存时间有限的路由查找算法分为两个过程，分别是路由请求和路由应答消息的处理；

①路由请求消息RREQ的处理

首先，当相互通信的机器人之间没有路由时，发送端的机器人则发出路由请求消息RREQ，接收端的机器人收到RREQ时，则判断是否在上一节点转发的范围内；该过程采用矢量限制转发法则实现：

先确定机器人的移动方向和通信目标之间的关系，即定义矢量计算法则；

在二维直角坐标系中，矢量

用它在坐标系中的两个投影分量A_x和A_y来表示：

\overset{&RightArrow;}{A} = A_{x} \overset{&RightArrow;}{i} + A_{y} \overset{&RightArrow;}{j}

其中的

为单位矢量，分别指向两个坐标轴的正向，A_x、A_y则对应机器人节点的坐标，将传感器节点的位置关系转换为矢量来进行计算；

矢量的标积也称为矢量的点乘，定义为：

\overset{&RightArrow;}{A} \cdot \overset{&RightArrow;}{B} = AB \cos α

\cos α = \frac{| \overset{&RightArrow;}{A} \cdot \overset{&RightArrow;}{B} |}{| \overset{&RightArrow;}{A} | | \overset{&RightArrow;}{B} |} = \frac{(A_{x} \cdot B_{x} + A_{y} {\cdot B}_{y})}{\sqrt{A_{x}^{2} + A_{y}^{2}} \cdot \sqrt{B_{x}^{2} + B_{y}^{2}}}

点乘实质是一个矢量与另一矢量在其方向上投影大小的乘积，用于判定两条直线之间的夹角，便于选择约束条件下的路由节点；

点A到点B的距离为：

d = \sqrt{{(A_{x} - B_{x})}^{2} + {(A_{y} - B_{y})}^{2}}

该定义计算两节点之间的距离，从而估计出通信时延，保证选择较优路由；

确定矢量计算法则后，采用矢量转发法则判断节点是否上一个节点：将位置信息加入到请求报文中，在位置信息已知的前提下，设置一夹角α，使通信两个节点连线与夹角α所确定的区域中的节点才进行数据转发，根据矢量计算法则，计算限制转发节点方向2α的角度内的节点进行转发，该角度之外的节点不予转发；

当接收端通过矢量限制转发法则判断节点不在上一节点转发范围时，则放弃该RREQ，否则判断该信息是否已经处理过，若已经处理过该消息，说明为重发消息，则接收端继续判断是否更优路由，更优路由是通过链路生存时间来判断的，即链路生存时间优先选择机制，将当前节点的坐标、运动方向以及速度信息加入到路由应答消息RREP中，当其邻居节点收到此消息后，再根据自身的坐标、运动方向及速度估算出两节点的有效通信时间即链路生存时间，每条链路中一定存在着两相邻节点，它们之间的有效通信时延最短，这将是此条链路的通信瓶颈，将当前链路中的瓶颈值记录到RREP消息中，当节点收到RREP消息后，首先计算出它与下一跳的有效通信时间，然后与此值进行比较，如果更小，则修改瓶颈值为当前节点的有效通信时间，否则保持不变，当源节点收到多个RREP响应时，选择瓶颈值最大的链路作为通信链路；

接收端发现RREQ消息没有被处理过或者有更优的路由存在，则需要判断该接收节点不是目的节点，如果不是，查询路由表中的目的节点是否为当前所需目的节点，当该节点是目的节点或者路由表中存在目的节点，则接收端对该RREQ消息进行相应，转入下一个RREP发送和处理阶段，否则转发该RREQ消息，直到该信息传递到目的节点或路由中包含目的节点的节点；

②路由应答消息RREP的发送和处理

接收到RREP消息的节点判断该消息是否处理过，如果处理过则采用链路生存选择机制判断是否存在更优路由，若存在更优路由，则判断该节点是否路由查找的源节点，否则丢弃该RREP消息，当收到RREP的节点是源节点，则结束路由查找过程，否则继续转发，直到发现源节点。

2、所述节能路由修复算法为：

①链路发生故障时，进行传统的局部路由修复，若修复成功转到⑤，否则转入②；

②以“慢启动”的方式交由上游节点进行路由修复，“慢启动”是当新建连接时，窗口大小设置为1个报文段大小，发送端开始按照拥塞窗口大小发送数据，每当有一个报文段被确认，发送端窗口增大一倍，在交由上游处理的过程中，第一次交由其上一个节点来进行路由修复，修复失败后，再交上当前节点的前两个节点进行修复，下一次四个，以此类推，直到到达源节点，在路由请求消息RREQ添加有TTL项，以此来限定RREQ消息被转发的次数，称之为局部路由修复，设置该TTL值后，需要发送到上游节点，每转发一次，TTL值则增加一倍，当节点接收到TTL值后，发现到达该值预先定义的阈值时，转到④，否则转到③；

③判断当前节点是否源节点，如果是则转到④，否则转发该RREQ消息；

④执行路由修复，按照路由查找过程重新建立该节点到目的节点的路由，若修复成功，转到⑤，否则转到③；

⑤结束。

3、所述节能路由维护算法为：

①当采用链路生存时间判断修复后的路由不是最优路由时，首先判断维护节点是否在当前路由上的节点即活动链路上的节点，如果不是转到②，否则在HELLO消息中加入其所维护的路由标识和跳数，当节点收到其邻居节点发送的HELLO后，得知其离目的节点的距离，对于维护了HELLO消息中携带的目的节点的路由的节点，将它到目的节点的跳数与HELLO消息中携带的跳数进行比较，判断当前路由是否是更佳的路由，如果该跳数小于HELLO消息携带的跳数，则认为是更佳的路由，如果是更佳的路由则修改收到HELLO消息的时间，否则修改路由表项，让其下一跳指向更佳的路由链路；

②当节点收到来自邻居节点的HELLO消息后，如果路由表项中没有到HELLO消息所携带的目的节点的路由则添加相应路由表项，否则将它所维护的路由表项中的跳计数与HELLO消息中的跳计数进行比较，有三种情况：如果大两跳及其以上，说明它维护的到目的节点的路由是非最优路由，此时修改路由表，将它的下一跳指向发送此HELLO消息的节点；如果大一跳、小一跳或者相等，说明是正常的邻居节点发送的HELLO消息，直接丢弃；如果小两跳以上，说明发送此HELLO消息的节点所维护的路由不是最优路由，应该使其修改路由表，将下一跳指向自己。

上述过程反复执行，直到网络中没有更优路由时算法结束。

为了克服现有AODV路由技术中面向水下机器人网络中的不足，本发明提出了一种节能路由技术，并将其应用到多水下机器人系统中。该方法在路由查找、路由修复和路由维护上对通信的能量进行了直接考虑，大大节省了水下机器人通信的能量和响应时间，保障水下机器人任务的顺利进行。本发明的优点主要体现在：

(1)通过矢量限制计算，减少了转发的节点数，以此来达到节省能量的目的。从链路存活率方面对传统的AODV路由方法进行了修改，通过提高链路存活率的方式来节省能量的消耗。

(2)给出具有可扩展性的本地修复，将“慢启动”的思想引入到逐跳回退的路由修复算法中以解决交由上游节点进行修复所引起的高延时问题以及解决节点重复修复问题。

(3)通过修改了HELLO消息，使之除了通常的探测断链的功能外，还可以动态优化因断链、移动等造成的非最优路由，达到节省能量的目的。

附图说明

图1是本发明方法步骤的流程图；

图2是路由查找中RREQ消息的处理流程图；

图3是路由查找中RREP消息的处理流程图；

图4是限制转发示意图；

图5是路由查找过程示例；

图6是本发明路由修复方法流程图；

图7是本发明路由维护方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：

为验证算法有效性，将路由方法应用到多水下机器人编队任务中，机器人在300m×100m环境下以线型队形编队，每行3个机器人。在机器人移动的过程中，通过设置不同情况下的节点或链路故障，观察整个过程中涉及的信息传递、节点能耗和总体能量消耗。

(1)基于矢量限制转发法则和链路生存时间优先的路由选择

节能路由技术的RREQ消息中携带上一跳节点的地址。当节点收到一个RREQ消息时，它首先判断当前节点是否在上一跳的转发范围之内，如果在则进行处理，否则丢弃。对于需要处理的RREQ消息，节点首先判断是否已经处理，如果没有则进行无条件处理，否则需要按最佳路由评价标准来判断接收到的RREQ消息所携带的路由是否为更佳路由。如果是更佳路由，则修改路由表，并转发这些消息，否则丢弃。对于RREP消息，如果是源节点，则查找结束，否则按建立的反向路由进行转发。路由查找过程RREQ和RREP消息的处理流程如图2与图3所示。

①对矢量限制转发过程，针对如图4所示的5个节点。节点S向节点D发送消息，如果限制转发的节点，使与直线SD夹角小于|α|的节点才转发消息，那么图中只有节点B与节点C会进行数据转发。从图1中可以看到，假设节点A也进行数据转发，只有节点S与节点B在节点A的通信范围之内。而由于节点S是源节点，节点B已经处理过此消息，那么节点A转发的消息将被节点S与节点B直接丢弃，也就是说节点A没有必要进行转发。

一旦确定了α的值，就可以利用矢量计算法则来判断当前节点是否应该转发数据。由于余弦在第一、四象限内递减，角度越大，其值越小。给定一个α值，也就确定了其余弦值，再根据余弦公式计算出余弦值，进行比较即可决定是否转发。

②对链路生存时间限制，以图5情况为例。假设节点F现在正向节点D方向移动，当节点F收到目的节点D发来的RREP消息时，会计算出一个有效通信时间(20秒)。此时它将向E发送一个RREP消息，此RREP消息中携带了当前链路的一个生存瓶颈值。节点E收到RREP消息后，会估算出它与下一个节点的有效通信时间。由于节点F是远离它，所以链路之间会更早的断链(10秒)。此后节点E修改RREP中的瓶颈值(10秒)，并继续发送。由于节点S与节点E相对固定，其有效时间为无穷大，所以源节点S首先会建立一条路由S→E→F→D(其有效生存时间为10秒)。

对第二条链路，S→C→G→D，它们都是相对固定的，所以此链路的有效生存时间为无穷大。当源节点S收到来自节点C的RREP消息时，它会将此RREP消息中的有效生存时间与已经建立的路由的有效生存时间进行比较，发现此RREP所指向的路由的生存时间更长，从而将路由选择修改为S→C→G→D，以达到提高链路存活率的目的。

(2)基于“慢启动”的路由修复算法

在发生断链时，首先进行局部路由修复。它会发送一个TTL为2的RREQ消息，在两跳范围内进行路由修复。如果修复成功则修复过程结束，否则它会往其上游节点发送RERR消息，让其上游节点进行路由修复。RERR消息可以采用逐跳往上的传递方式，即其上游的每个节点都会尝试进行路由修复，不过在目的节点失效等路由无法修复的情况下，会有很大的延迟。引入TCP/TP协议中的“慢启动”思想，节点在修复失败后，会向上游节点发送一个跳数限制为当前TTL值2倍大小的RERR消息，也就是上游节点中离当前节点跳数为2*TTL的节点才会重新发起路由修复。如果还不能修复，再往上游节点转发，以此类推，直到到达目的节点。其修复过程的流程图如图6所示。

(3)能量优先路由维护算法

①对于活动链路上的节点，它维护的到目的节点的跳数与其收到的HELLO消息中所携带的发送节点到目的节点的跳数相比，有三种情况：(a)如果大两跳及其以上，说明存在更优的路由，此时将下一跳设置为发送此HELLO消息的节点，并更改当前节点的跳计数；(b)如果大一跳，说明发送此HELLO消息的节点是其下一跳，此时修改它收到的来自邻居的HELLO消息的时间；(c)如果相等或者更大，且发送节点是其下一跳，说明下游节点发生了断链，并且修复成功，但是导致了链路的增加，此时它需要修改到目的节点的跳数。

②对于非活动链路上的节点，它可能没有到目的节点的路由，此时根据HELLO消息所携带的内容设置到目的节点的路由表项。如果它有到目的节点的路由，这又可以分三种情况来讨论：(a)如果它到目的节点的跳数比HELLO消息所携带的跳数大两跳及其以上，说明它所维护的路由不是最佳路由，此时将它的下一跳设置为发送此HELLO消息的节点，并更新其跳数；(b)如果其跳数的绝对值之差小于或者等于1，则什么也不做；(c)如果其跳数比HELLO消息中所携带的跳数小两跳以上，说明发送此HELLO消息的节点当前所采用的路由并不是最佳路由，它应该将其下一跳指向当前节点。此时它向其邻居节点发送一个HELLO消息，以动态更新由于路由修复或者节点移动等情况造成的非最佳路由。其HELLO消息处理的流程图如图7所示。

最后在不同节点数的多水下机器人网络中进行测试，通过给出多次试验中不同节点数量下本发明所提出的路由技术中路由查找、路由修复和路由维护下系统所消耗的平均能量，并给出优于其他方法的量化结果。

Claims

1.一种面向多水下机器人通信的节能路由方法，包括路由查找、路由修复和路由维护三个环节；其特征是：首先判断两个机器人节点之间是否存在路由，如果存在则判断该路由中是否存在断链的情况，否则采用基于链路生存时间有限的路由查找算法来选择并查找这两个机器人之间的路由；其次，当网络中存在断链时，采用节能路由修复算法修复路由，否则检查是否存在更优的路由；如果存在更优的路由则采用节能路由维护算法更新当前路由，否则判断任务是否结束，如果结束则算法结束；

所述基于链路生存时间有限的路由查找算法分为两个过程，分别是路由请求和路由应答消息的处理；

(1)路由请求消息RREQ的处理

在二维直角坐标系中，矢量

用它在坐标系中的两个投影分量A_x和A_y来表示：

其中的

矢量的标积也称为矢量的点乘，定义为：

点A到点B的距离为：

当接收端通过矢量限制转发法则判断节点不在上一节点转发范围时，则放弃该RREQ，否则判断该信息是否已经处理过，若已经处理过该消息，说明为重发消息，则接收端继续判断是否更优路由，更优路由是通过链路生存时间来判断的，即链路生存时间优先选择机制，将当前节点的坐标、运动方向以及速度信息加入到路由应答消息RPEP中，当其邻居节点收到此消息后，再根据自身的坐标、运动方向及速度估算出两节点的有效通信时间即链路生存时间，每条链路中一定存在着两相邻节点，它们之间的有效通信时延最短，这将是此条链路的通信瓶颈，将当前链路中的瓶颈值记录到RREP消息中，当节点收到RREP消息后，首先计算出它与下一跳的有效通信时间，然后与此值进行比较，如果更小，则修改瓶颈值为当前节点的有效通信时间，否则保持不变，当源节点收到多个RREP响应时，选择瓶颈值最大的链路作为通信链路；

(2)路由应答消息RREP的发送和处理

2.根据权利要求1所述的一种面向多水下机器人通信的节能路由方法，其特征是：所述节能路由修复算法为：

⑤结束。

3.根据权利要求2所述的一种面向多水下机器人通信的节能路由方法，其特征是：所述节能路由维护算法为：

②当节点收到来自邻居节点的HELLO消息后，如果路由表项中没有到HELLO消息所携带的目的节点的路由则添加相应路由表项，否则将它所维护的路由表项中的跳计数与HELLO消息中的跳计数进行比较，有三种情况：如果大两跳及其以上，说明它维护的到目的节点的路由是非最优路由，此时修改路由表，将它的下一跳指向发送此HELLO消息的节点；如果大一跳、小一跳或者相等，说明是正常的邻居节点发送的HELLO消息，直接丢弃；如果小两跳以上，说明发送此HELLO消息的节点所维护的路由不是最优路由，应该使其修改路由表，将下一跳指向自己；

上述过程反复执行，直到网络中没有更优路由时算法结束。