CN104507135B - 一种多移动汇聚节点的水下传感器网络路由方法 - Google Patents

一种多移动汇聚节点的水下传感器网络路由方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种多移动汇聚节点的水下传感器网络路由方法。包括分层阶段和传输阶段，分层阶段，每个汇聚节点形成以其为中心的分层结构，传输阶段，源节点根据汇聚节点s的n层分层结构进行数据传输到达目标汇聚节点。源节点通过两个策略将数据发送到下一跳转发节点中，下一跳转发节点采用同样的方式进行数据传输，直到数据包成功发送到汇聚节点。本发明中目标汇聚节点选择策略可以有效减少数据包成功送达路径长度，从而减少能量消耗。转发节点选择策略优化了传输路径，从而提高了数据包送达率。

Description

一种多移动汇聚节点的水下传感器网络路由方法
技术领域
本发明属于水下无线传感器网络的路由方法，尤其涉及适用于具有多移动汇聚节点网络的，一种多移动汇聚节点的水下传感器网络路由方法。
背景技术
水下传感器网络能够为促进海洋环境管理、资源保护、灾害监测、海洋工程、海上生产作业等活动提供更好的技术设备和信息平台。因此水下传感器网络得到了世界各国政府部门、工业界、学术界和科研机构的极大关注。美国海军研究局和空海战系统中心主持的海网Seaweb研究项目早在1998年就开始了实际的水下组网实验。近几年，有更多的大学和研究结构活跃在该研究领域。同陆上传感器网络一样，路由方法是水下传感器网络的重要研究内容之一，其目的是在水下数据源节点和汇聚节点间建立一条数据传输路径。目前陆上传感器网络的路由方法已经得到了很大的发展。但是，由于水下的通信环境具有信道带宽低、数据传输率低、高衰减、高延迟、高误码率、能量消耗大及拓扑结构动态变化等特点，与陆地环境存在很大的区别，大部分陆上无线传感器网络路由方法不适合水下无线传感器网络。因此，针对水下传感器网络设计高效的路由方法对于推动水下传感器网络的发展具有重大意义。
针对水下无线传感器网络可靠性差、能量利用率低等特点，很多研究者在水下无线传感器网络路由方法方面已取得一定的成果。U.Lee等人提出了水下分散路由方法(Under Water Diffusion，UWD)，其采用非主动路由信息交换方式在一定程度上提高网络的可靠性，但导致网络PDR降低。Sarath Gopi等人提出了适用于节点密集水下网络路径感知分层路由方法(Path Unaware Layered Routing Protocol，PULRP)，虽然采用了分层结构的PULRP比UWD具有更高的PDR，然而PULRP没有考虑能量优化的问题，其节点的传输范围需要被优化才能避免节点能量的耗尽。因此Sarath Gopi等研究者提出了利用能量优化分层以及限制传输距离来减少能量消耗的能量优化非感知分层路由方法(Energy optimizedPath Unaware Layered Routing Protocol，E-PULRP)。但E-PULRP方法适用于以单个固定汇聚节点为中心的网络环境，无法适用于多个移动汇聚节点的网络结构，具有局限性。
海洋立体网络监测结构中大多采用水下机器人、水下滑翔机、水下普通节点以及水面基站等多种设备配合协调运作。异构的水下设备网络中，多个普通节点和多个移动节点通信可看作多源节点和多汇聚节点进行数据传输的通信情景。因此，多移动汇聚节点水下网络的路由方法设计着重考虑节点能量消耗、数据交付率、汇聚节点的多样性和移动性等问题。本发明提出的多移动汇聚节点的水下路由方法将以水下多个普通节点传输数据到多个移动的汇聚节点的网络模型作为背景，通过网络分层和数据传输两个阶段来保证源节点寻求一条更高效的到达目标节点的传输路径。
发明内容
本发明的目的是提供一种数据传输率高、能量消耗少的，多移动汇聚节点的水下传感器网络路由方法。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种多移动汇聚节点的水下传感器网络路由方法，步骤以下步骤：
步骤一：分层阶段，每个汇聚节点形成以其为中心的分层结构，包括以下几个步骤：
步骤1.1：汇聚节点s在当前t时刻将其自身定义为0层，广播发送带有能量E0的探测包P0；步骤1.2：每一个普通节点收到带有能量Ek-1的探测包Pk-1后，k≥1，判断探测包Pk-1剩余能量是否大于阈值ED，如果大于阈值ED，则当前普通节点成为汇聚节点s的第k层节点，否则只更新路由表中相应的节点数据信息；
步骤1.3：每个汇聚节点s的第k层节点，等待时间T后广播发送带有能量Ek的探测包Pk；
步骤1.4：重复步骤1.2～步骤1.3，得到汇聚节点s的n层分层结构，进入传输阶段；
步骤1.5：在t'时刻计算汇聚节点s的第1层节点丢失比ε：
其中，Nt为汇聚节点s在t时刻的第1层节点集合，Nt'为汇聚节点s在时刻t'的第1层节点集合，当丢失比ε大于临界值ξ时，汇聚节点发送分层信号重新建立分层结构重复步骤1.1～步骤1.4，否则不操作；
步骤二：传输阶段，源节点根据汇聚节点s的n层分层结构进行数据传输到达目标汇聚节点，包括以下几个步骤：
步骤2.1：建立源节点A的哈希对应关系RA(Ln,Sn)，Sn是节点A所在分层结构的汇聚节点s1,s2…sn的集合，Ln是源节点A在不同汇聚节点分层结构中的层级l1,l2…ln的集合，集合Sn与集合Ln为一一对应关系，根据哈希对应关系选择源节点A所在层级最小的汇聚节点作为目标汇聚节点sdes，
如果存在两个以上具有最小层数的汇聚节点则随机选择一个作为目标汇聚节点；
步骤2.2：源节点A查看自身路由表，选择到达目标汇聚节点sdes且其分层数为ldes-1层的节点作为转发节点集合NA；
步骤2.3：源节点A广播发送数据包，数据包中包含转发节点集合NA；
步骤2.4：收到数据包的节点B，判断自身是否属于转发节点集合NA，如果是，当前节点B为转发节点，否则，将收到的数据包丢弃；
步骤2.5：将转发节点B作为源节点A，重复步骤2.1～步骤2.5，直到数据传输到汇聚节点。
本发明一种多移动汇聚节点的水下传感器网络路由方法还可以下包括：
临界值ξ的取值为0.5。
有益效果
本发明将分层策略使用到水下路由策略中，并采用路径损失模型进行分层判断，可以有效减少能量的消耗，避免由于传输距离过长而过高的消耗能量；分层结构可以有效的使数据向汇聚节点有向传输。分层结构的周期性刷新可以保证网络结构不会因为节点的移动变化导致数据传输率的降低。通信时我们选择所在层数较低的汇聚节点作为目标节点，这样不但可以降低的数据传输时产生的能量消耗，同时也减少了传输延迟，提高了数据传输效率。
本发明适用于在水下环境中，多个水下探测仪器(如水下机器人、水下滑翔机)移动过程中数据收集时采用的路由策略。对大范围海域的探查，环境的考察和研究均具有积极地意义。
附图说明
图1是本发明的路由方法的单一汇聚节点分层结构形成的示意图。
图2是本发明的路由方法在传输阶段中进行目标汇聚节点的示意图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明做进一步详细说明。
本发明的水下路由方法从三个方面进行详细描述：能量损失模型、分层阶段和传输阶段。
能量损失模型给出了数据传输所产生的能量消耗，通过对能量的控制来优化分层结构，避免节点能量的耗尽；分层阶段中，多个汇聚节点分别形成以其自身为中心的分层结构，普通节点处于多个不同的汇聚节点分层结构中；传输阶段中，源节点通过一定策略选择转发节点将数据发送到目标汇聚节点。
能量损失模型：水下环境的通信严重受到水温、化学成分以及水深等因素的影响。通过对两个相邻节点的通信路径的研究，能量损失模型被形式化定义为：
其中ET是传输信号能量，ER是接收时剩余能量，传输距离为R。B可以取值10、15和20，分别代表不同的路径形式，α和β均为调节参数，研究者们对现有的信道模型进行了总结，对于节点分布密集的网络模型可以将其传输看作是直线传输，而非直线传输时，发射信号产生的弧度与接收时的弧度是相同的，即可认为传输期间的信道变化不大。因此统一使用上述公式作为两节点传输的能量损失模型。
分层结构可以保证数据包向汇聚节点传输，在此阶段中，每个汇聚节点形成以汇聚节点为中心的分层结构。具体过程从如下：
步骤1.1汇聚节点s将其自身定义为0层，并广播发送带有能量E0的探测包P0；
步骤1.2对于每一个未被汇聚节点s分层的普通节点(该节点可能已在其他汇聚节点的分层中)，收到带有能量Ek-1(k≥1)的探测包Pk-1后，判断探测包剩余能量是否大于阈值ED，满足条件则定义自身为汇聚节点s的k层节点，否则只更新路由表中相应的节点数据信息后丢弃此数据包。通过这样的方式，形成了汇聚节点s的第k层。每个k层节点等待一段时间后广播发送带有能量Ek的探测包Pk来建立汇聚节点s的k+1层，k+1层节点由收到Pk时能量大于ED的节点组成；
步骤1.3通过这种策略，逐步形成此汇聚节点s的n层分层结构。
汇聚节点s的分层结构形成后，其结构中同层次的所有节点可以通过相同的路径长度到达汇聚节点s。图1为单一汇聚节点s形成的分层结构示意图。而网络中存在多个汇聚节点收集数据，则每个普通节点可能会处于不同汇聚节点结构中，如图2所示为节点A存在于不同汇聚节点的分层结构中。在此从公示(1)可知，阈值ED、l层宽度wl、发送探测包带有的能量En之间的关系为：
由于汇聚节点以一定速度不断移动，网络拓扑结构不断变化会导致数据到达汇聚节点的成功率降低，因此需要周期性的刷新分层结构来保证其可靠性。然而，重新建立分层在时间、能量上均需要较大代价，因此MMS水下路由方法采用以下策略进行分层重建：汇聚节点s可以在数据交换的过程中得到当前邻居列表，即其第1层的节点信息，设汇聚节点s初始建立分层时刻t，则该汇聚节点s在时刻t'时可以计算当前的初始1层节点丢失比ε：
其中Nt为s在t时刻的第1层节点集合，Nt'为s在时刻t'汇聚节点的第1层节点集合。当ε大于临界值ξ时，汇聚节点发送分层信号重新建立分层结构。ξ的取值与汇聚节点的偏离距离、节点传输范围、网络节点分布相关，为了保证网络具有的较好PDR，MMS水下路由方法对ξ的取值进行估计。临界值ξ的取值在实验中做出了评估，我们取0.5作为其估计值，当ξ超过0.5时，网络的PDR会迅速下降，使得网络可靠性降低，而ξ的取值超过0.5时，网络性能良好，稳定性较高。
传输阶段包括目标汇聚节点的选择和转发节点的选择两部分。分层建立后，每个源节点都可能处在由不同的汇聚节点形成不同层次中。因此，源节点需要确定将数据发送给哪个汇聚节点，然后选择到达此汇聚节点的下一跳节点。对于每一个节点(包括源节点和转发节点)，传输阶段包含两个步骤：
目标汇聚节点选择：设节点A记录了汇聚节点Sn和它在汇聚节点的层数Ln的哈希对应关系RA(Ln,Sn)。Sn是节点A所在分层结构的汇聚节点s1,s2…sn的集合，Ln是其在不同汇聚节点分层结构中的层级l1,l2…ln的集合，它们存在一一对应的关系。为了减少数据传输到目标节点的代价，节点A选择所在其层级最小的汇聚节点作为数据发送的目标汇聚节点。目标汇聚节点的选择公式如下：
s＝GetSink(l)为从对应关系RA(Ln,Sn)中根据层数来查找对应的汇聚节点的方法。选择最小层数对应的汇聚节点为数据传输的目标节点sdes。
min(l1l2…ln)可求出分层最小值ldes，s＝GetSink(ldes)是从节点A的RA(Ln,Sn)中根据分层得到对应汇聚节点的方法，从而得出目标汇聚节点sdes。若存在两个或两个以上的最小层数的汇聚节点，则随机选取其一作为目标汇聚节点。目标汇聚节点选择如图2所示。
目标汇聚节点确定后，节点需选择到达该汇聚节点的下一跳节点，将数据转发出去。
转发节点选择：节点A(位于ldes层)选择下一跳节点的过程如下：
步骤2.1节点A收到节点B的数据包(带有可转发节点集合信息NB)，从NB信息中查看自身是否为转发节点，若不是转发节点或收到过此数据包则将此包丢弃，若为转发节点则执行下面过程；
步骤2.2节点A通过目标汇聚节点选择过程选择出目标汇聚节点sdes；
步骤2.3节点A查看自身路由表，选择到达sdes且其分层数为ldes-1层的节点，将满足条件的节点形成转发节点集合NA；
步骤2.4节点A广播发送数据包，并将NA的信息加入到此数据包信息中。
传输阶段中，源节点通过上述两个策略将数据发送到下一跳转发节点中，下一跳转发节点采用同样的方式进行数据传输，直到数据包成功发送到汇聚节点。目标汇聚节点选择策略可以有效减少数据包成功送达路径长度，从而减少能量消耗。转发节点选择策略优化了传输路径，从而提高了数据包送达率。
目标汇聚节点选择是从多个汇聚节点中选择一个作为目标发送数据，由于水下存在多个汇聚节点，普通节点存在于多个汇聚节点的分层结构中，在路由时需要进行筛选来选择路径最短、能耗较少的高效路径。转发节点选择是在目标汇聚节点确定的基础上选择可以到达此目标汇聚节点的下一跳节点。由于水声信道具有散射、多普勒效应、可靠性差等特点，为了保证数据传输的可靠性，转发节点的多重性可以帮助提高数据传输率，从而增加网络稳定性和安全性。在转发数据的过程中，尽管在最初的源节点在发送数据时就已经确定好目标汇聚节点，但所有的转发节点都需要执行目标汇聚节点的选择和转发节点选择两个步骤才能确定下一跳数据传输的对象。这是因为网络的不断变化给网络带来很多不确定性，因此每个节点在确定将数据转发给谁的之前需要重新确定一下目标汇聚节点。从而将数据动态的路由发送的指定的汇聚节点完成数据收集工作。
本发明提出的多移动汇聚节点的水下传感器网络路由方法采用分层结构和逐级传送数据的方式寻求到达汇聚节点的路径。其中，分层结构的使用可以优化节点传输的能量消耗，同时使得数据包被逐级转发到达汇聚节点，保证数据包送达率的同时提高了网络得靠性。

Claims (2)

1.一种多移动汇聚节点的水下传感器网络路由方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：分层阶段，每个汇聚节点形成以其为中心的分层结构，包括以下几个步骤：
步骤1.1：汇聚节点s在当前t时刻将其自身定义为0层，广播发送带有能量E0的探测包P0；
步骤1.2：每一个普通节点收到带有能量Ek-1的探测包Pk-1后，k≥1，判断探测包Pk-1剩余能量是否大于阈值ED，如果大于阈值ED，则当前普通节点成为汇聚节点s的第k层节点，否则只更新路由表中相应的节点数据信息；
步骤1.3：每个汇聚节点s的第k层节点，等待时间T后广播发送带有能量Ek的探测包Pk；
步骤1.4：重复步骤1.2～步骤1.3，得到汇聚节点s的n层分层结构，进入传输阶段；
步骤1.5：在t'时刻计算汇聚节点s的第1层节点丢失比ε：
其中，Nt为汇聚节点s在t时刻的第1层节点集合，Nt'为汇聚节点s在时刻t'的第1层节点集合，当丢失比ε大于临界值ξ时，汇聚节点发送分层信号重新建立分层结构，重复步骤1.1～步骤1.4，否则不操作；
步骤二：传输阶段，源节点根据汇聚节点s的n层分层结构进行数据传输到达目标汇聚节点，包括以下几个步骤：
步骤2.1：建立源节点A的哈希对应关系RA(Ln,Sn)，Sn是节点A所在分层结构的汇聚节点s1,s2...sn的集合，Ln是源节点A在不同汇聚节点分层结构中的层级l1,l2...ln的集合，集合Sn与集合Ln为一一对应关系，根据哈希对应关系选择源节点A所在层级最小的汇聚节点作为目标汇聚节点sdes，
如果存在两个以上具有最小层数的汇聚节点则随机选择一个作为目标汇聚节点；
步骤2.2：源节点A查看自身路由表，选择到达目标汇聚节点sdes且其分层数为ldes-1层的节点作为转发节点集合NA；ldes为分层最小值；
步骤2.3：源节点A广播发送数据包，数据包中包含转发节点集合NA；
步骤2.4：收到数据包的节点B，判断自身是否属于转发节点集合NA，如果是，当前节点B为转发节点，否则，将收到的数据包丢弃；
步骤2.5：将转发节点B作为源节点A，重复步骤2.1～步骤2.5，直到数据传输到目标汇聚节点。
2.根据权利要求1所述的一种多移动汇聚节点的水下传感器网络路由方法，其特征在于：所述的临界值ξ的取值为0.5。
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