CN106879042B - 一种水下无线传感器网络最短路径路由算法 - Google Patents

一种水下无线传感器网络最短路径路由算法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种水下无线传感器网络最短路径路由计算方法，通过即时采集并比较第i级节点和第i+1级节点的深度值，所述第i级节点从发出对应级别命令包到接收到所述第i+1级节点集合中各所述第i+1级节点反馈的对应级别响应命令包的往返时间，剩余能量值，链路质量筛选出由K个节点连接构成的水下无线传感器网络最短路径。采用上述方法无需获取水下无线传感器网络的全局位置信息，获得了水下无线传感器网络的最短路径。

Description

一种水下无线传感器网络最短路径路由算法
技术领域
本发明涉及水下无线传感器网络领域，特别是涉及一种水下无线传感器网络最短路径路由算法。
背景技术
水下无线传感器网络广泛的应用于水下环境监测、地震探测、资源发现等领域，无线电信号和光信号在水下传输中吸收严重，在水面上的接收传感器节点装有无线电调制器和水声调制器，无线电调制器用来调制从接收传感器节点到数据中心的通信，水声调制器负责水下传感器节点到接收传感器节点的通信。由于水下传感器节点和接收传感器节点随水流的移动而移动，使得水下传感器节点和接收传感器节点的位置不固定，会随时变化，从而使水下无线传感器网络的结构形成了动态的拓扑结构。
所以，陆地无线传感器网络中使用的路由算法无法直接在水下无线传感器网络中使用，在现有技术中，以获取水下无线传感器网络的全局位置信息为前提，以节省能量的指标得出水下无线传感器网络最短路径路由算法，但是由于水的流动，无法获取水下无线传感器网络的全局位置信息，所以亟需一种在无法获取水下无线传感器网络的全局位置信息的基础上，适用于水下无线传感器网络最短路径路由算法。
发明内容
本发明的目的是提供一种水下无线传感器网络最短路径路由算法。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种水下无线传感器网络最短路径路由计算方法，水下无线传感器网络由K级节点的路由器连接形成，其中，所述计算方法包括：
根据第i级节点的深度值大于i+1级节点的深度值以及第i+1级节点的剩余能量值大于设定能量阈值，初次筛选出第i+1级节点集合；其中，i＝0,1,...,K-1；
计算所述第i级节点从发出对应级别命令包到接收到所述第i+1级节点集合中各所述第i+1级节点反馈的对应级别响应命令包的往返时间；
根据所述第i级节点的深度值、初次筛选后的第i+1级节点集合中各所述第i+1级节点的深度值和对应的所述往返时间计算所述第i级节点到多个所述第i+1级节点的方向与竖直方向的夹角的余弦值；
判断所述余弦值是否相等，如果相等，继续进行；否则，选择对应余弦值最小的路径；
判断所述第i+1级节点的所述剩余能量值是否相等，如果是，继续进行；否则，选择对应所述剩余能量值最大的路径；
筛选出大于所述链路质量的质量阈值的各所述路径的链路质量，并从中选择对应链路质量最大值的路径；
对所述K级节点按照上述步骤操作，获得由K个节点连接构成的所述水下无线传感器网络最短路径。
可选的，根据所述第i级节点的深度值、初次筛选后的第i+1级节点集合中各所述第i+1级节点的深度值和对应的所述往返时间计算所述第i级节点到多个所述第i+1级节点的方向与竖直方向的夹角的余弦值的步骤具体包括：
根据公式(1)获得所述第i级节点与所述第i+1级节点的深度差Δd，
其中，d1表示所述第i级节点的深度值，d2表示所述第i+1级节点的深度值，p1表示所述第i级节点的压力值，p2表示所述第i+1级节点的压力值，g表示重力加速度，ρ表示水的密度；
根据公式(2)获得所述命令包传播的距离s，
s＝Δtv0 (2)；
其中，Δt表示所述往返时间，v0表示所述命令包在水中的传播速度；
根据公式(3)得出所述余弦值pri，
其中，Δd表示所述第i级节点与所述第i+1级节点深度差，s表示所述命令包传播的距离。
可选的，每个所述节点都设置有计时器和压力传感器。
可选的，所述第i+1级节点还包括空白节点，所述计算方法还包括：
判断所述第i+1级节点是否为空白节点，如果是，启动恢复算法；否则继续发送至下一级节点。
可选的，当所述第i+1级节点为空白节点，将所述第i+1级节点反馈的对应级别的第i+1级数据包的标志位设置为“1”，所述恢复算法具体包括：
当所述第i级节点收到第i+1级响应命令包时，所述第i级数据包的标志位为“1”时，删除对应的所述第i级节点到所述空白节点的路径；
当所述第i+1级节点收到所述第i级节点发送的对应级别的第i级数据包时，将所述第i+1级节点收到的对应级别的第i级数据包的标志位设置为“0”，继续转发对应级别的数据包。
可选的，所述第i级节点根据所述命令包记录所述第i+1级节点的ID值，所述深度值，所述剩余能量值，所述链路质量，所述往返时间。
可选的，所述链路质量的计算方法包括：
链路质量C(s,f)＝Blog2(1+SNR(s,f)) (4)；
其中，s表示所述命令包在水中传播的距离，B表示传输带宽，SNR表示信噪比，f表示通信频率。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：根据第i级节点的深度值大于第i+1级节点的深度值以及第i+1级节点的剩余能量值大于设定能量阈值，依次比较深度值、剩余能量值、传输命令包的往返时间、链路质量筛选出水下无线传感器网络路由的最短路径，实现了独立节点地理位置信息和节点间的时间同步，减小了节点到节点的延时，提高了能量效率，延长了整个无线网络的生命周期。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明一种水下无线传感器网络最短路径路由算法的流程图；
图2为本发明中恢复算法的流程图；
图3为本发明水下无线网络拓扑图；
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种水下无线传感器网络最短路径路由算法。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
一种水下无线传感器网络最短路径路由计算方法，如图3所示，水下无线传感器网络由K级节点的路由器连接形成，其中，如图1所示，所述计算方法包括：
步骤100：根据第i级节点的深度值大于第i+1级节点的深度值以及第i+1级节点的剩余能量值大于设定能量阈值，初次筛选出第i+1级节点集合；对于不符合筛选条件的第i+1级节点，删除路由信息，所述不符合筛选条件的第i+1级节点丢弃所述命令包，其中，i＝0,1,...,K-1。
步骤200：所述第i+1级节点对第i级节点进行响应，反馈出响应命令包，计算所述第i级节点从发出对应级别命令包到接收到所述第i+1级节点集合中各所述第i+1级节点反馈的对应级别响应命令包的往返时间，所述往返时间越长，所述命令传播的距离越长，能量损失越大。
步骤300：根据所述第i级节点的深度值、初次筛选后的第i+1级节点集合中各所述第i+1级节点的深度值和对应的所述往返时间计算所述第i级节点到多个所述第i+1级节点的方向与竖直方向的夹角的余弦值。
步骤400：判断所述余弦值是否相等，如果相等，执行步骤500；否则，选择对应余弦值最小的路径。
步骤500：判断所述第i+1级节点的所述剩余能量值是否相等，如果是，执行步骤600；否则，选择对应所述剩余能量值最大的路径，通过引入剩余能量的比较，延长了整个网络的寿命，即时转发数据包，使得无线网络在节点间传输的延时缩短。
步骤600：筛选出大于所述链路质量的质量阈值的各所述路径的链路质量，并从中选择对应链路质量最大值的路径，选择所述链路质量好的路由，优化了系统性能，降低了传输误码率。
步骤700：对所述K级节点按照上述步骤操作，获得由K个节点连接构成的所述水下无线传感器网络最短路径。
每个所述节点都装备有计时器和压力传感器，所述计时器用来确定所述第i级节点和第i+1级节点之间的距离，所述压力传感器用来测量节点深度值，根据所述第i级节点的深度值、初次筛选后的第i+1级节点集合中各所述第i+1级节点的深度值和对应的所述往返时间计算所述第i级节点到多个所述第i+1级节点的方向与竖直方向的夹角的余弦值的步骤具体包括：
301：根据公式(1)获得所述第i级节点与所述第i+1级节点的深度差Δd，
其中，d1表示所述第i级节点的深度值，d2表示所述第i+1级节点的深度值，p1表示所述第i级节点的压力值，p2表示所述第i+1级节点的压力值，g表示重力加速度，ρ表示水的密度；
302：根据公式(2)获得所述命令包传播的距离s，
s＝Δtv0 (2)；
其中，Δt表示所述往返时间，v0表示所述命令包在水中的传播速度；
303：根据公式(3)得出所述余弦值pri，
其中，Δd表示所述第i级节点与所述第i+1级节点深度差，s表示所述命令包传播的距离。
当所述第i+1级节点不符合筛选条件时，所述第i+1级节点还包括空白节点。所述计算方法还包括：判断所述第i+1级节点是否为空白节点，如果是，空白节点不能将所述对应级别的命令包发送到对应级别的节点，最终不能将所述对应级别的数据包交付到水面上的传感器节点，导致数据包交付率降低，所以，当第i+1级节点为空白节点时，启动恢复算法；否则继续转发至下一级节点。
如图2所示，当所述第i+1级节点为空白节点，将所述第i+1级节点反馈的对应级别的第i+1级数据包的标志位设置为“1”，所述标志位为数据包的包头中表示转发次数的字段，标志位设置为“1”表示对应级别的数据包转发过，但是没有成功转发，所述恢复算法具体包括：
步骤101：当所述第i级节点收到第i+1级响应命令包时，所述第i级数据包的标志位为“1”时，删除对应的所述第i级节点到所述空白节点的路径。
步骤102：当所述第i+1级节点收到所述第i级节点发送的对应级别的第i级数据包时，将所述第i+1级节点收到的对应级别的第i级数据包的标志位设置为“0”。
步骤103：继续转发对应级别的数据包，继续按照最短路径的原则进行转发数据包。
所述第i级节点根据所述命令包记录所述第i+1级节点的ID值，所述深度值，所述剩余能量值，所述链路质量，所述往返时间。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (7)

1.一种水下无线传感器网络最短路径路由计算方法，其特征在于，水下无线传感器网络由K级节点的路由器连接形成，其中，所述计算方法包括：
根据第i级节点的深度值大于第i+1级节点的深度值以及第i+1级节点的剩余能量值大于设定能量阈值，初次筛选出第i+1级节点集合；其中，i＝0,1,...,K-1；
计算所述第i级节点从发出对应级别命令包到接收到所述第i+1级节点集合中各所述第i+1级节点反馈的对应级别响应命令包的往返时间；
根据所述第i级节点的深度值、初次筛选后的第i+1级节点集合中各所述第i+1级节点的深度值和对应的所述往返时间计算所述第i级节点到多个所述第i+1级节点的方向与竖直方向的夹角的余弦值；
判断所述余弦值是否相等，如果相等，继续进行；否则，选择对应余弦值最小的路径；
判断所述第i+1级节点的所述剩余能量值是否相等，如果是，继续进行；否则，选择对应所述剩余能量值最大的路径；
筛选出大于链路质量的质量阈值的各所述路径的链路质量，并从中选择对应链路质量最大值的路径；
对所述K级节点按照上述步骤操作，获得由K个节点连接构成的所述水下无线传感器网络最短路径。
2.根据权利要求1所述的一种水下无线传感器网络最短路径路由计算方法，其特征在于，根据所述第i级节点的深度值、初次筛选后的第i+1级节点集合中各所述第i+1级节点的深度值和对应的所述往返时间计算所述第i级节点到多个所述第i+1级节点的方向与竖直方向的夹角的余弦值的步骤具体包括：
根据公式(1)获得所述第i级节点与所述第i+1级节点的深度差Δd，
其中，d1表示所述第i级节点的深度值，d2表示所述第i+1级节点的深度值，p1表示所述第i级节点的压力值，p2表示所述第i+1级节点的压力值，g表示重力加速度，ρ表示水的密度；
根据公式(2)获得所述命令包传播的距离s，
s＝Δtv0 (2)；
其中，Δt表示所述往返时间，v0表示所述命令包在水中的传播速度；
根据公式(3)得出所述余弦值pri，
其中，θ为所述第i级节点到所述第i+1级节点的方向与竖直方向的夹角，Δd表示所述第i级节点与所述第i+1级节点深度差，s表示所述命令包传播的距离。
3.根据权利要求1所述的一种水下无线传感器网络最短路径路由计算方法，其特征在于，每个所述节点都设置有计时器和压力传感器。
4.根据权利要求1所述的一种水下无线传感器网络最短路径路由计算方法，其特征在于，所述第i+1级节点还包括空白节点，所述计算方法还包括：
判断所述第i+1级节点是否为空白节点，如果是，启动恢复算法；否则继续发送至下一级节点。
5.根据权利要求4所述的一种水下无线传感器网络最短路径路由计算方法，其特征在于，当所述第i+1级节点为空白节点，将所述第i+1级节点反馈的对应级别的第i+1级数据包的标志位设置为“1”，所述恢复算法具体包括：
当所述第i级节点收到第i+1级响应命令包时，所述第i级数据包的标志位为“1”时，删除对应的所述第i级节点到所述空白节点的路径；
当所述第i+1级节点收到所述第i级节点发送的对应级别的第i级数据包时，将所述第i+1级节点收到的对应级别的第i级数据包的标志位设置为“0”，继续转发对应级别的数据包。
6.根据权利要求1所述的一种水下无线传感器网络最短路径路由计算方法，其特征在于，所述第i级节点根据所述第i+1级响应命令包记录所述第i+1级节点的ID值，所述深度值，所述剩余能量值，所述链路质量，所述往返时间。
7.根据权利要求1所述的一种水下无线传感器网络最短路径路由计算方法，其特征在于，所述链路质量的计算方法包括：
链路质量C(s,f)＝B log2(1+SNR(s,f)) (4)；
其中，s表示所述命令包在水中传播的距离，B表示传输带宽，f表示通信频率，SNR(s,f)表示与传播的距离s和通信频率f有关的信噪比函数。
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