CN105228212B - 一种多移动汇聚节点定位辅助的水下传感器网络路由方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种适用于水下动态自组织网络的多移动汇聚节点定位辅助的水下传感器网络路由方法。本发明包括全局定位阶段、动态数据树形成阶段、发送预判阶段。本发明将改进的边界定位使用到水下路由策略中，并采用局部方位树模型进行路由结构划分，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；发送预判模型可以有效的使数据向目的节点有向传输，寻求一条树间节能路径。网络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，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。

Description

一种多移动汇聚节点定位辅助的水下传感器网络路由方法

技术领域

本发明涉及一种适用于水下动态自组织网络的多移动汇聚节点定位辅助的水下传感器网络路由方法。

背景技术

与传统无线网络不同，水下无线传感器网络的能量、内存及带宽等资源有限，且往往运行环境特殊，节点电量不被补充，因而尽可能的延长网络生命周期成为网络设计的核心要素。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汇聚节点通信可看作多源节点和多目的节点进行数据传输的通信情景。一些研究者针对水下无线传感器网络传输率低、延迟大、可靠性差、能量利用率低等特点，为水下无线传感器网络设计了一些路由方法。

近年来，随着节点定位技术的发展，基于地理位置的路由协议在减小网络能耗、提高路由查找效率等方面凸显优势，结合节点地理位置信息设计能量有效的无线传感器网络路由协议具有重要意义。陆上无线传感器定位路由策略GEAR、GEM等都具有局限性，不能直接应用于水下。目前国内外大多数的专利中，关于适用于水下环境中多个移动的汇聚节点收集数据的路由策略较少，仅有的少数基于定位的水下路由大都以精确的地理位置为已知条件，并没有完全将定位与网络的路由过程充分结合，也未考虑到实际水下无线传感器网络的特殊要求，缺少自组织性。像苑慧娴、刘广钟的水声传感器网络路由协议中，基于定位的水声传感器网络由于具备确认各传感器地理位置的优势，因此分簇过程，将各个传感器节点的地理位置发送给基站，基站将各个传感器节点按地理位置划分成不同的簇，再将分簇结果返回给传感器节点，但算法依赖于基站，并且在数据传输中并为充分利用位置信息，牺牲了网络传输效率，不利于水下自适应要求较高的网络环境。

本发明不依赖水上基站的辅助来定位和划分簇头，采用模糊定位来获得全局空间构型，并且传感器节点自定义树根节点，无需等待基站划分来提高网络的自组织性，定位信息不仅用在网络结构划分，而且用在数据树形成和数据传输过程。

发明内容

本发明的目的在于提供一种网络中节点个数控制在100个以内，在提高数据传输率的同时减少能量的消耗的适用于自组织的多移动汇聚节点定位辅助的水下传感器网络路由方法。

本发明的目的是这样实现的：

本发明包括全局定位阶段、动态数据树形成阶段、发送预判阶段：

(1)全局定位阶段：

1.1)由目的节点作为启动节点，目的节点在小范围内移动，发送多个定位启动信息，包含启动节点标识、位置信息、跳数值，每一个收到定位启动信息的传感器节点将自己跳数值加1后转发，同一个启动节点的信息只转发2次，从每个网络节点得到距该启动节点的最小距跳数，邻居节点交换到启动节点的跳数，如果一个节点在两跳邻居范围内跳数最大，则标定自己为边界节点；

1.2)每个边界节点广播一个共享信息，包括一个边界点间跳数值ζ₁和一个该边界节点到启动节点的跳数值ζ₂，边界点间跳数值ζ₁从0开始，信息每转发一次边界跳数值加1，边界节点到启动节点的跳数值ζ₂不变，使每个边界节点得到所有边界节点到启动节点的跳数和本身到其它边界节点的跳数，然后边界节点再把ζ₁广播给内部节点，每个传感器节点得到任意两边界节点间的跳数ζ₁、所有边界节点距启动节点的跳数ζ₂、本节点到启动节点的距离ζ₃、本节点到边界节点的跳数ζ₄；

1.3)节点根据每一跳的的距离估计Hopsize，计算出节点间的距离S＝Hopsize*ζ，ζ表示两个节点间的跳数，利用三角形定位算法，每个节点计算得到全局的空间构型和本身的空间坐标，定位进行一次，其中Hopsize为：

n表示每个节点的邻居个数，r表示传感器节点通信半径；

(2)动态数据树形成阶段：

在计算出位置信息后，按照地理位置将所有节点最小的包络长方体，将此长方体均分成4个连通区域，每个区域形成一棵动态的空间汇聚树；

每个结点都在本地记录一个自身的ID标识、一个根节点RootID标识、地位判定值P_value，其中P_value值与节点的能量及节点到启动节点的距离有关：

P_value＝αE+(1-α)S_min

式中E是节点的剩余能量，S_min是节点与最近的启动节点间的距离，α是权重，0＜α＜1；

目的节点的邻居节点定位完成后将位置信息和地位判定值P_value发送给目的节点，目的节点将该值在相应区域最大的邻居节点选为对应区域的根节点，对于没有目的节点的邻居节点的区域暂不确定根节点；由各个区域根节点发起组树信息包括根节点标识RootID和其P_value、跳数，当一个邻居节点收到后判断自身是否在该区间，若是在该区域且未定义父节点则将自己定义该节点为父节点并跳数加1转发组树信息，若已经定义区域内父节点则不转发该组树信息将自己和该节点定义为内部联通节点；若不是在该区域内的节点作为储备父节点等待一段时间t，L是每个区域对角线长度，v是水声传播速度，将自身和该节点标记为外部联通节点，没有区域内的组树信息时，选择第一个储备父节点作为父节点转发其组树信息；

为均衡整个网络的能量消耗，又适应动态网络结构特性，每隔一定时间T，L是每个区域对角线长度，v*是移动节点速度，重新计算一次P_value，根节点将获得树上在区域内节点的新最大P_value节点的ID、联通节点的树或树枝上最大的ID；根节点根据P_value与值大小的比较，向子节点广播新的该区域根节点ID并判断内、外部联通节点是否与原树合并或分离，或时合并，时分离，重组空间汇聚树，形成随目的节点，AUV或水下滑翔机运动而运动的动态根节点；

(3)发送预判阶段

发送预判阶段，离目的节点较近的传感器节点补获目的节点的位置，传感器节点补获目的节点的信息后，将位置信息传递给各自的树根结点和联通节点，一个根节点根据相邻两次接受到的目的节点位置信息进行发送预判，Δd是根节点到目的节点的距离，其中x_goal,y_goal,z_goal代表目的节点位置，x_root,y_root,z_root代表根节点位置。

3.1)目的节点在树根通信范围内，由树根节点直接发送数据到目的节点；

3.2)目的节点不在树根通信范围内，根据Δd的变化趋势决定如何发送，Δd不断增大时，若在本树节点的传输范围，根节点将数据传递给P_value最大的本树节点，由该节点发送，若不在本树节点的传输范围，根节点将数据传递给邻居树中根节点P_value最大的联通节点，由该节点发送；Δd减小时，继续检测目的节点位置，Δd等待到达通信距离后在发送数据。

本发明的有益效果在于：

本发明将改进的边界定位使用到水下路由策略中，并采用局部方位树模型进行路由结构划分，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；发送预判模型可以有效的使数据向目的节点有向传输，寻求一条树间节能路径。网络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，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，对大范围海域的探测，环境的考察和研究均具有积极地意义。

附图说明

图1是水下网络空间结构示意图。

图2是本路由方法的流程示意图。

图3是本发明的路由方法的数据树形成阶段的示意图。

具体实施方案

下面结合附图对本发明做进一步描述：

所述的路由包括以下几个部分：

1)全局定位阶段，是在全网进行的定位和信息传递。

2)动态数据树形成阶段，提出了建立动态数据树路由的办法，由多个局部树根节点负责收集数据并向目的节点传输，利用动态数据树来提高系统通信的连通性。

3)发送预判阶段，网络中的传感器节点通过离目的节点较近的传感器节点补获目的节点的网中位置，这些传感器节点补获目的节点的信息后，将位置信息传递给各自的树根结点，在接受到两次目的节点位置信息后，结合根节点的能量信息和目的节点的运动趋势来预判是否直接发送给该目的节点，还是转发给其他节点。

在计算出位置信息后，按照地理位置将网络分成多个连通区域，在计算出位置信息后，按照地理位置将所有节点最小的包络长方体如图1所示，将此长方体均分成4个连通区域，每个区域形成一棵动态的空间汇聚树。每个结点都在本地记录一个自身的ID标识、一个根节点RootID标识、地位判定值P_value，其中P_value值与节点的能量及节点到启动节点的距离有关，目的节点的邻居节点定位完成后将位置信息和地位判定值P_value发送给目的节点，目的节点将该值在相应区域最大的邻居节点选为对应区域的根节点，对于没有目的节点的邻居节点的区域暂不确定根节点。由各个区域根节点发起组树信息包括根节点标识RootID和其P_value、跳数，当一个邻居节点收到后判断自己是否在该区间，若是在该区域且未定义父节点则将自己定义该节点为父节点并跳数加1转发组树信息，若已经定义区域内父节点则不转发该组树信息将自己和该节点定义为内部联通节点；若不是在该区域内的节点作为储备父节点等待一段时间t，将自己和该节点标记为外部联通节点，没有区域内的组树信息时，选择第一个储备父节点作为父节点转发其组树信息。为均衡整个网络的能量消耗，又适应动态网络结构特性，每隔一个任务时间T重新计算一次P_value，根节点将获得树上在区域内节点的新最大P_value节点的ID、联通节点的树或树枝上最大的ID。根节点根据P_value与值大小的比较，向子节点广播新的该区域根节点ID并判断内、外部联通节点是否与原树合并或分离，重组空间汇聚树，形成随目的节点(AUV或水下滑翔机)运动而运动的动态根节点。

发送预判阶段，发送预判阶段，离目的节点较近的传感器节点补获目的节点的位置，这些传感器节点补获目的节点的信息后，将位置信息传递给各自的树根结点和联通节点，进行发送预判，根据根节点到目的节点的距离变化决定是否发送数据。

本发明的内容包括三个部分：全局定位阶段、动态数据树形成阶段、发送预判阶段。

全局定位阶段是在全网进行的定位，通过对边界定位算法的改进，提高计算精度，利用多次交换相对位置信息，来计算全局坐标系，计算出每个传感器节点的全局坐标。

动态数据树形成阶段，提出了建立动态数据树路由的办法，由多个局部树根节点负责收集数据并向目的节点传输，利用动态数据树提高系统通信的连通性。

发送预判阶段，网络中的传感器节点通过离目的节点较近的传感器节点补获目的节点的网中位置，这些传感器节点补获目的节点的信息后，将位置信息传递给各自的树根结点，在接受到两次目的节点位置信息后，结合根节点的能量信息和目的节点的运动趋势来预判是否直接发送给该目的节点，还是转发给其他节点。

在水下传感器网络的数据采集应用中，传感器节点随机部署在某些固定的区域收集水下数据，并通过AUV或水下滑翔机移动到指定区域来获取数据并传输给水面基站。图1描述了上述水下网络模型，圆形节点代表水下传感器节点，燕尾形节点代表AUV或水下滑翔机(数据传输的目的节点)，其网络构型采用多目的节点和多传感器节点，所有传输节点随机的部署在汇聚节点周围，对于水下节点大都配有深度计，可认为每个节点的垂向坐标已知。

下面结合附图详细描述本发明提出的基于多移动汇聚节点的定位辅助的水下传感器网络路由方法。

本发明的水下路由方法从三个阶段进行详细描述，参照图2：全局定位阶段、动态数据树形成阶段、发送预判阶段。

(I)全局定位阶段实现步骤：

1)由目的节点作为启动节点，目的节点在小范围内移动，发送多个定位启动信息(主要包含启动节点标识、位置信息、跳数值)，每一个收到定位启动信息的传感器节点将自己跳数值加1后转发，为避免洪泛高能量消耗，来同一个启动节点的信息只转发2次，从每个网络节点都知道自己距该启动节点的最小距跳数，然后邻居节点交换到该启动节点的跳数，如果一个节点在两跳邻居范围内跳数最大，则标定自己为边界节点；

2)每个边界节点广播一个共享信息(主要包括一个边界点间跳数值ζ₁和一个该边界节点到启动节点的跳数值ζ₂)，边界点间跳数值ζ₁从0开始，该信息每转发一次边界跳数值加1，边界节点到启动节点的跳数值ζ₂不变，最终使每个边界节点都知道所有边界节点到启动节点的跳数和自己到其它边界节点的跳数，然后边界节点再把ζ₁告诉广播给内部节点，这样每个传感器节点都会知道任意两边界节点间的跳数ζ₁、所有边界节点距启动节点的跳数ζ₂、本节点到启动节点的距离ζ₃、本节点到边界节点的跳数ζ₄；

3)节点根据每一跳的的距离估计Hopsize，计算出节点间的距离S＝Hopsize*ζ(ζ表示两个节点间的跳数)，利用三角形定位算法，每个节点计算得到全局的空间构型和自己的空间坐标，定位只进行一次，其中Hopsize定义为：

n表示每个节点的邻居个数，r表示传感器节点通信半径。

(II)动态数据树形成阶段

在计算出位置信息后，按照地理位置将所有节点最小的包络长方体如图1所示，将此长方体均分成4个连通区域，如图3所示，每个区域形成一棵动态的空间汇聚树。

每个结点都在本地记录一个自身的ID标识、一个根节点RootID标识、地位判定值P_value，其中P_value值与节点的能量及节点到启动节点的距离有关，如下式：

P_value＝αE+(1-α)S_min

式中E是节点的剩余能量，S_min是节点与最近的启动节点间的距离，α是权重，0＜α＜1。

目的节点的邻居节点定位完成后将位置信息和地位判定值P_value发送给目的节点，目的节点将该值在相应区域最大的邻居节点选为对应区域的根节点，对于没有目的节点的邻居节点的区域暂不确定根节点。由各个区域根节点发起组树信息包括根节点标识RootID和其P_value、跳数，当一个邻居节点收到后判断自己是否在该区间，若是在该区域且未定义父节点则将自己定义该节点为父节点并跳数加1转发组树信息，若已经定义区域内父节点则不转发该组树信息将自己和该节点定义为内部联通节点；若不是在该区域内的节点作为储备父节点等待一段时间t(L是每个区域对角线长度，v是水声传播速度)，将自己和该节点标记为外部联通节点，没有区域内的组树信息时，选择第一个储备父节点作为父节点转发其组树信息。

为均衡整个网络的能量消耗，又适应动态网络结构特性，每隔一定时间T(L是每个区域对角线长度，v*是移动节点速度)重新计算一次P_value，根节点将获得树上在区域内节点的新最大P_value节点的ID、联通节点的树或树枝上最大的ID。根节点根据P_value与值大小的比较，向子节点广播新的该区域根节点ID并判断内、外部联通节点是否与原树合并或分离，(或时合并，时分离)，重组空间汇聚树，形成随目的节点(AUV或水下滑翔机)运动而运动的动态根节点。

(III)发送预判阶段

发送预判阶段，离目的节点较近的传感器节点补获目的节点的位置，这些传感器节点补获目的节点的信息后，将位置信息传递给各自的树根结点和联通节点，一个根节点根据相邻两次接受到的目的节点位置信息进行发送预判，Δd是根节点到目的节点的距离，其中(x_goal,y_goal,z_goal)代表目的节点位置，(x_root,y_root,z_root)代表根节点位置。

1)目的节点在树根通信范围内，由树根节点直接发送数据到目的节点；

2)目的节点不在树根通信范围内，根据Δd的变化趋势决定如何发送，Δd不断增大时，若果在本树节点的传输范围，根节点将数据传递给P_value最大的本树节点，由该节点发送，若果不在本树节点的传输范围，根节点将数据传递给邻居树中根节点P_value最大的联通节点，由该节点发送；Δd减小时，继续检测目的节点位置，Δd等待到达通信距离后在发送数据。

Claims (1)

1.一种多移动汇聚节点定位辅助的水下传感器网络路由方法，包括全局定位阶段、动态数据树形成阶段、发送预判阶段，其特征在于：

一全局定位阶段：

1.1由目的节点作为启动节点，发送多个定位启动信息，包含启动节点标识、位置信息、跳数值，每一个收到定位启动信息的传感器节点将自己跳数值加1后转发，同一个启动节点的信息只转发2次，从而每个网络节点得到距该启动节点的最小距跳数，邻居节点交换到启动节点的跳数，如果一个节点在两跳邻居范围内跳数最大，则标定自己为边界节点；

1.2每个边界节点广播一个共享信息，包括一个边界点间跳数值ζ₁和一个该边界节点到启动节点的跳数值ζ₂，边界点间跳数值ζ₁从0开始，信息每转发一次边界跳数值加1，边界节点到启动节点的跳数值ζ₂不变，使每个边界节点得到所有边界节点到启动节点的跳数和本身到其它边界节点的跳数，然后边界节点再把边界点间跳数值ζ₁广播给内部节点，每个传感器节点得到任意两边界点间跳数值ζ₁、该边界节点到启动节点的跳数值ζ₂、本节点到启动节点的跳数ζ₃、本节点到边界节点的跳数ζ₄；

1.3节点根据每一跳的距离估计Hopsize，计算出节点间的距离S＝Hopsize*ζ，ζ表示两个节点间的跳数，利用三角形定位算法，每个节点计算得到全局的空间构型和本身的空间坐标，定位进行一次，其中Hopsize为：

n表示每个节点的邻居个数，r表示传感器节点通信半径；

二动态数据树形成阶段：

在计算出位置信息后，按照地理位置得到所有节点最小的包络长方体，将此长方体均分成4个连通区域，每个区域形成一棵动态的空间汇聚树；

每个节点都在本地记录一个自身的ID标识、一个根节点RootID标识、地位判定值P_value，其中P_value值与节点的能量及节点到启动节点的距离有关：

P_value＝αE+(1-α)S_min

式中E是节点的剩余能量，S_min是节点与最近的启动节点间的距离，α是权重，0＜α＜1；

目的节点的邻居节点定位完成后将位置信息和地位判定值P_value发送给目的节点，目的节点将该值在相应区域最大的邻居节点选为对应区域的根节点，当目标节点移动到原邻居节点的通信范围之外，从而导致原邻居节点没有目的节点，对于这类邻居节点的区域暂不确定根节点；由各个区域根节点发起组树信息包括根节点标识RootID和其P_value、消息转发的跳数，当一个邻居节点收到后判断自身是否在空间汇聚树区间，若是在空间汇聚树区间且未定义父节点则自己定义该节点为父节点并跳数加1转发组树信息，若已经定义区域内父节点则不转发该组树信息将自己和该节点定义为内部联通节点；若不是在该区域内的节点作为储备父节点等待一段时间t，L是每个区域对角线长度，v是水声传播速度，将自身和该节点标记为外部联通节点，没有区域内的组树信息时，选择第一个储备父节点作为父节点转发其组树信息；

为均衡整个网络的能量消耗，又适应动态网络结构特性，每隔一定时间T，L是每个区域对角线长度，v*是移动的所有节点的速度，重新计算一次P_value，根节点将获得树上在区域内节点的新最大P_value节点的ID、联通节点的树或树枝上最大的ID；根节点根据P_value与值大小的比较，向子节点广播新的该区域根节点ID并判断内、外部联通节点是否与原树合并或分离，或时合并，时分离，重组空间汇聚树，形成随目的节点，AUV或水下滑翔机运动而运动的动态根节点；

三发送预判阶段

发送预判阶段，离目的节点较近的传感器节点捕获目的节点的位置，传感器节点捕获目的节点的信息后，将位置信息传递给各自的树根节点和联通节点，一个根节点根据相邻两次接受到的目的节点位置信息进行发送预判，Δd是根节点到目的节点的距离，其中x_goal,y_goal,z_goal代表目的节点位置，x_root,y_root,z_root代表根节点位置；

3.1目的节点在树根通信范围内，由树根节点直接发送数据到目的节点；

3.2目的节点不在树根通信范围内，根据Δd的变化趋势决定如何发送，Δd不断增大时，若在本树节点的传输范围，根节点将数据传递给P_value最大的本树节点，由本树节点发送，若不在本树节点的传输范围，根节点将数据传递给邻居树中根节点P_value最大的联通节点，由该节点发送；Δd减小时，继续检测目的节点位置，Δd等待到达通信距离后再发送数据。