CN110740487B - 一种能量有效且避障的水下路由方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种能量有效且避障的水下无线传感器网络路由方法，该方法避免海洋动物作为障碍物对水下节点通信产生干扰，将节点的剩余能量考虑到路由决策中，利用多跳转发来实现两个节点之间的数据传输，将整个水下网络划分为1000m×1000m×1000m的网络块，每个网络块中包含一个传感器节点，多个海洋动物看作一个障碍物；要求相互通信的传感器节点都可以感知、接收和转发数据包，具有一致的传输范围和能量消耗；此外，如果传感器节点在不工作时，处于休眠状态。

Description

一种能量有效且避障的水下路由方法
技术领域
本发明涉及水下无线传感器网络领域，具体讲的是一种能量有效且避障的路由方法。
背景技术
水下无线传感器网络具有高时延、高衰减以及信道资源有限等特点，相比于陆地无线通信信道，水下信道复杂多变。由于，水下传感器网络这些既定的特点，使得陆地无线传感器网络成熟的机制、协议、算法等都不能直接应用于水下网络中。目前，水下无线传感器网络协议的研究不断得到更多专家学者的重视。其中，节点发送信息以及接收信息都需要消耗大量能量，且发送信息的能耗比接收信息的能耗大很多倍，这对系统的能耗提出了更高的要求。然而，布放在水下的节点使用电池供电，为其更换电池和为电池充电都十分困难，有限的电池能量会限制整个通信网络的生命周期。
目前大多数水下无线传感器网络路由方法的研究致力于解决上述的能耗问题，以及在路由空洞情况下实现路径可达等问题，但是路由过程中常常忽略了障碍物对水下节点路由路径的干扰。例如，海洋哺乳动物和水下节点二者都采用声波的形式完成通信，当海洋哺乳动物生活在节点通信的范围内，势必会造成相互之间的干扰，从而影响水下节点的正常通信以及路由路径的决策。
因此，本发明提出了一种能量有效且避障的水下路由方法，旨在节约传感器节点能耗，延长网络生存周期，同时还能够避免障碍物为对水下通信链路的干扰。
发明内容
为了实现能量有效且避障的路由，本发明共分为三个主要步骤。首先，计算障碍物-节点干扰区域，进一步确定候选转发中继节点集合；其次，将两个相邻节点的传播延时，转发角度以及邻节点的剩余能量考虑在内，用于计算候选转发中继节点集中各节点的转发概率；最终，再引入转发优先级的概念，负责调度数据包传输到目的节点，避免数据包的冲突。为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：
一种能量有效且避障的水下无线传感器网络路由方法，该方法避免海洋动物作为障碍物对水下节点通信产生干扰，将节点的剩余能量考虑到路由决策中，利用多跳转发来实现两个节点之间的数据传输，将整个水下网络划分为1000m×1000m×1000m的网络块，每个网络块中包含一个传感器节点，多个海洋动物看作一个障碍物；要求相互通信的传感器节点都可以感知、接收和转发数据包，具有一致的传输范围和能量消耗；此外，如果传感器节点在不工作时，处于休眠状态；步骤如下：
1)当一个传感器节点，称之为当前节点，想要发送数据包，且当前节点感知到障碍物存在时，首先计算传感器节点和障碍物的通信半径以及干扰半径；当前节点将计算得到的各个半径信息作为干扰信息加在数据包中广播给周围的邻节点；
2)当前节点的每一个邻节点收到携带干扰信息的包之后，通过计算，确定自己是否在动物-节点干扰区域中：设R1和R2分别代表海洋动物的通信半径和干扰半径，R3和R4分别传感器节点大的通信半径和干扰半径，海洋动物和传感器节点的干扰半径定义为R5，则动物-节点的干扰区域半径为R5＝max{R1+R2,R3+R4}；动物-节点的干扰区域为以海洋动物的位置为中心，R5为半径的球体区域；
3)在确认好动物-节点的干扰区域之后，指定三个约束条件来确定当前节点的候选转发中继集合：第一个约束条件为信噪比(SNR)条件：SNR≥SNR0，此处，SNR0是预设的信噪比阈值；第二个约束条件为：如果当前节点感知到其他障碍物的干扰时，邻节点和障碍物的距离
Figure GDA0002320557870000021
应满足条件：
Figure GDA0002320557870000022
即邻节点是否在由R6(R6＝R5+1000)作为新半径，障碍物为圆心形成的区域中，但在障碍物-节点干扰区域之外；第三个约束条件是当前节点和其邻节点的转发角度，当当前节点ns想要发送一个数据包给目的节点nD，ns首先广播一个数据包给他的邻节点
Figure GDA0002320557870000023
源节点的每个邻节点基于
Figure GDA0002320557870000024
ns和nD的位置使用余弦定理计算转发角度
Figure GDA0002320557870000025
如果转发角度
Figure GDA0002320557870000026
满足
Figure GDA0002320557870000027
则满足约束条件；
当当前节点的邻节点满足以上三个约束条件时，该邻节点将记入当前节点的候选转发中继集合中，而在干扰区域中的节点将处于休眠模式以进一步节省网络能耗；此确定方法不断在数据包传输过程中的每一跳的确定步骤中重复，直到数据包最终传输到目的节点；如果当前节点没有感知到障碍物的存在时，约束条件将变为两个，包括信噪比和当前节点和其邻节点的转发角度；同样地，当前节点的邻节点满足以上两个约束条件将会被记入在候选转发中继集合中；
4)通过考虑传播延时率，转发角度的余弦值和剩余能量比率，计算候选转发中继集合中传感器节点的转发概率；引入模糊if-then规则，最终推断出所需的输出值，并完成去模糊化阶段，方法如下：为候选转发中继集合中的每个节点建立一个输入输出映射功能fi表示为：
Figure GDA0002320557870000031
通过该映射过程求得候选转发中继集合中各节点的转发概率，其中，该映射关系采用基于模糊逻辑转发中继的模糊if-then规则：
针对三个输入变量的描述如下所示：
①
Figure GDA0002320557870000032
代表传感器节点的剩余能量比率，计算公式如下：
Figure GDA0002320557870000033
其中，
Figure GDA0002320557870000034
和
Figure GDA0002320557870000035
分别代表每个候选转发中继的剩余能量和初始能量；
②
Figure GDA0002320557870000036
代表当前节点和其邻节点的之间的转发角度的余弦值；
③
Figure GDA0002320557870000037
代表一个候选转发中继的传播延时率；计算公式表示为：
Figure GDA0002320557870000038
Figure GDA0002320557870000039
其中，
Figure GDA00023205578700000310
代表当前节点和其邻节点
Figure GDA00023205578700000311
的传播延时，传播延时通过包含在数据包中的时间戳和
Figure GDA00023205578700000312
收到数据包的时间差值得到；Rm是预先设定的最大的传播距离；vsound(m/s)为水下声速；
每个输入变量值对应不同的模糊水平值，得到对应的模糊集合，最终去模糊化每个节点的结果得到最终的转发概率；
5)每个候选转发中继设置一个等待时间，具有较高优先级的节点拥有较低的等待时间；每一个候选转发中继根据自己的转发概率计算得到等待时间；等待时间的计算公式如下：
Figure GDA00023205578700000313
其中，
Figure GDA00023205578700000314
代表传感器负责转发数据包的概率，Rm是预先设定的最大传输距离，
Figure GDA00023205578700000315
代表当前节点和邻节点
Figure GDA00023205578700000316
的距离；
当候选转发中继从当前节点接收到数据包时，需要在等待时间内监听数据包的转发状态；如果一个较高优先级的节点在等待时间内转发了相同的数据包时，其他较低优先级的转发中继将监听到，并丢弃该数据包。
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：
(1)本发明提出的路由中继选择方法是将两个相邻节点的传播延时，转发角度以及邻节点的剩余能量考虑在内，能够提高数据包投递率，均衡网络能耗，延长网络生命周期。
(2)本发明考虑障碍物对水下节点路由规划的干扰，通过计算障碍物-节点干扰区域来确定候选转发中继节点的集合，来避免障碍物对水下网络路由的干扰。
(3)本发明引入转发优先级的概念，负责调度数据包传输到目的节点，从而避免数据包的冲突。
附图说明
图1是三维水声网络模型图
图2是方法流程图
图3动物-节点干扰区域划分示意图
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的进行详细的描述。
如图1所示，本发明将整个水下网络结构分为1000m×1000m×1000m的小网络块。在浅海区时，每个网络块中包含一个普通的传感器节点。传感器节点Nj＝{n1,n2,...nj}根据能够增加网络连通性和网络覆盖率的部署策略，部署在这些小网络块中。多个海洋动物看作一个障碍物，如图1中的Ma。要求相互通信的传感器节点都可以感知、接收和转发数据包，具有一致的传输范围和能量消耗。此外，如果传感器节点在不工作时，它处于休眠状态。具体的路由步骤如下所示：
1)当一个传感器节点(当前节点)想要发送数据包，且当前节点感知到障碍物存在时，首先计算传感器节点和障碍物的通信半径以及干扰半径。当前节点将计算得到的各个半径信息作为干扰信息加在数据包中广播给周围的邻节点。
2)当前节点的每一个邻节点收到携带干扰信息的包之后，通过计算，确定自己是否在动物-节点干扰区域中。如图3所示，R1和R2分别代表海洋动物的通信半径和干扰半径。R3和R4分别传感器节点大的通信半径和干扰半径。海洋动物和传感器节点的干扰半径定义为R5。为了避免动物的干扰，确保海洋动物的干扰区域和传感器节点的通信区域互不重叠以及海洋动物的通信区域和传感器节点的干扰区域互不重叠是十分有必要的。因此，动物-节点的干扰区域半径为R5＝max{R1+R2,R3+R4}。动物-节点的干扰区域假设是以海洋动物的位置为中心，R5为半径的球体区域。
3)在确认好动物-节点的干扰区域之后，本发明指定三个约束条件来确定当前节点的候选转发中继集合。第一个约束条件为信噪比(SNR)条件：SNR≥SNR0，此处，SNR0是预设的信噪比阈值。第二个约束条件为：如果当前节点感知到其他障碍物的干扰时，邻节点和障碍物的距离
Figure GDA0002320557870000051
应满足条件：
Figure GDA0002320557870000052
即邻节点是否在由R6(R6＝R5+1000)作为新半径，障碍物为圆心形成的区域中，但在障碍物-节点干扰区域之外。第三个约束条件是当前节点和其邻节点的转发角度。例如，当当前节点ns想要发送一个数据包给目的节点nD，ns首先广播一个数据包给他的邻节点
Figure GDA0002320557870000053
源节点的每个邻节点基于
Figure GDA0002320557870000054
ns和nD的位置使用余弦定理计算角度
Figure GDA0002320557870000055
如果角度
Figure GDA0002320557870000056
满足
Figure GDA0002320557870000057
则满足约束条件。
当当前节点的邻节点满足以上三个约束条件时，该邻节点将记入当前节点的候选转发中继集合中。而在干扰区域中的节点将处于睡眠模式以进一步节省网络能耗。此确定方法不断在数据包传输过程中的每一跳的确定步骤中重复，直到数据包最终传输到目的节点。如果当前节点没有感知到障碍物的存在时，约束条件将变为两个，包括信噪比和当前节点和其邻节点的转发角度。同样地，当前节点的邻节点满足以上两个约束条件将会被记入在候选转发中继集合中。
4)通过考虑传播延时率，转发角度的余弦值和剩余能量比率，计算候选转发中继集合中传感器节点的转发概率。然后，引入模糊if-then规则，最终推断出所需的输出值，并完成去模糊化阶段。为候选转发中继集合中的每个节点建立一个输入输出映射功能fi可以表示为：
Figure GDA0002320557870000058
通过该映射过程求得候选转发中继集合中各节点的转发概率。其中，该映射关系可以采用基于模糊逻辑转发中继的18个模糊if-then规则，如下表1所示：
表1 if-then规则
Figure GDA0002320557870000059
针对三个输入变量的描述如下所示：
Figure GDA00023205578700000510
代表传感器节点的剩余能量比率，计算公式如下：
Figure GDA0002320557870000061
其中，
Figure GDA0002320557870000062
和
Figure GDA0002320557870000063
分别代表每个候选转发中继的剩余能量和初始能量。
Figure GDA0002320557870000064
代表当前节点和其邻节点的之间的转发角度的余弦值，
Figure GDA0002320557870000065
代表一个候选转发中继的传播延时率。计算公式表示为：
Figure GDA0002320557870000066
Figure GDA0002320557870000067
其中，
Figure GDA0002320557870000068
代表当前节点和其邻节点
Figure GDA0002320557870000069
的传播延时。特别地，传播延时可以通过包含在数据包中的时间戳和
Figure GDA00023205578700000610
收到数据包的时间差值得到。Rm是预先设定的最大的传播距离。vsound(m/s)为水下声速。
每个输入变量值对应不同的模糊水平值，代入到输入输出映射计算公式中，得到对应的模糊集合，最终去模糊化每个节点的
Figure GDA00023205578700000611
结果得到最终的转发概率。例如，输入Re(Nj)＝0.6，cosθ(Nj)＝0.5，Pd(Nj)＝0.4，与之相应的模糊水平值分别为medium，medium和short。引入模糊if-then规则计算得到模糊集合
Figure GDA00023205578700000612
再解模糊化求得的准确值，在这个例子中为0.7。
本发明为每个候选转发中继设置一个等待时间，具有较高优先级的节点拥有较低的等待时间。当候选转发中继从当前节点接收到数据包时，需要在等待时间内监听数据包的转发状态。如果一个较高优先级的节点在等待时间内转发了相同的数据包时，其他较低优先级的转发中继将要丢弃该数据包。每一个候选转发中继根据自己的转发概率计算得到等待时间。
等待时间的计算公式如下：
Figure GDA00023205578700000613
其中，
Figure GDA00023205578700000614
代表传感器负责转发数据包的概率，Rm是预先设定的最大传输距离，
Figure GDA00023205578700000615
代表当前节点和邻节点
Figure GDA00023205578700000616
的距离。
下面结合附图说明一种能量有效且避障的路由方法实施过程：
当当前节点Nj想要发送数据包时，首先要感知周围是否存在障碍物(海洋动物)，若不存在，则Nj仅广播数据包给其邻节点Nb；若感知到周围存在障碍物，则Nj广播带有邻节点干扰信息的数据包给邻节点Nb。邻节点Nb收到数据包之后，若Nb是目的节点，则表明路由规划结束；若Nb不是目的节点，则继续判断Nb是否为Nj的候选转发中继，若不是，则整个过程结束；若是，则Nb计算节点的转发概率。然后，Nb利用其自身的转发概率计算其等待时间，然后开始监听信道。若Nb在其等待时间内监听到数据包已经被其他候选转发中继转发，则Nb丢弃该数据包，整个过程结束。若Nb在等待时间内未监听到同一数据包被其他候选转发中继转发过，则Nb成为当前节点继续重新进行上述过程，直到数据包转发至目的节点为止。

Claims (1)

1.一种能量有效且避障的水下无线传感器网络路由方法，该方法避免海洋动物作为障碍物对水下节点通信产生干扰，将节点的剩余能量考虑到路由决策中，利用多跳转发来实现两个节点之间的数据传输，将整个水下网络划分为1000m×1000m×1000m的网络块，每个网络块中包含一个传感器节点，多个海洋动物看作一个障碍物；要求相互通信的传感器节点都可以感知、接收和转发数据包，具有一致的传输范围和能量消耗；此外，如果传感器节点在不工作时，处于休眠状态；步骤如下：
1)当一个传感器节点，称之为当前节点，想要发送数据包，且当前节点感知到障碍物存在时，首先计算传感器节点和障碍物的通信半径以及干扰半径；当前节点将计算得到的各个半径信息作为干扰信息加在数据包中广播给周围的邻节点；
2)当前节点的每一个邻节点收到携带干扰信息的包之后，通过计算，确定自己是否在动物-节点干扰区域中：设R1和R2分别代表海洋动物的通信半径和干扰半径，R3和R4分别传感器节点大的通信半径和干扰半径，海洋动物和传感器节点的干扰半径定义为R5，则动物-节点的干扰区域半径为R5＝max{R1+R2,R3+R4}；动物-节点的干扰区域为以海洋动物的位置为中心，R5为半径的球体区域；
3)在确认好动物-节点的干扰区域之后，指定三个约束条件来确定当前节点的候选转发中继集合：第一个约束条件为信噪比(SNR)条件：SNR≥SNR0，此处，SNR0是预设的信噪比阈值；第二个约束条件为：如果当前节点感知到其他障碍物的干扰时，邻节点和障碍物的距离
Figure FDA0002204916900000011
应满足条件：
Figure FDA0002204916900000012
即邻节点是否在由R6(R6＝R5+1000)作为新半径，障碍物为圆心形成的区域中，但在障碍物-节点干扰区域之外；第三个约束条件是当前节点和其邻节点的转发角度，当当前节点ns想要发送一个数据包给目的节点nD，ns首先广播一个数据包给他的邻节点
Figure FDA0002204916900000013
源节点的每个邻节点基于
Figure FDA0002204916900000014
ns和nD的位置使用余弦定理计算转发角度
Figure FDA0002204916900000015
如果转发角度
Figure FDA0002204916900000016
满足
Figure FDA0002204916900000017
则满足约束条件；
当当前节点的邻节点满足以上三个约束条件时，该邻节点将记入当前节点的候选转发中继集合中，而在干扰区域中的节点将处于休眠模式以进一步节省网络能耗；此确定方法不断在数据包传输过程中的每一跳的确定步骤中重复，直到数据包最终传输到目的节点；如果当前节点没有感知到障碍物的存在时，约束条件将变为两个，包括信噪比和当前节点和其邻节点的转发角度；同样地，当前节点的邻节点满足以上两个约束条件将会被记入在候选转发中继集合中；
4)通过考虑传播延时率，转发角度的余弦值和剩余能量比率，计算候选转发中继集合中传感器节点的转发概率；引入模糊if-then规则，最终推断出所需的输出值，并完成去模糊化阶段，方法如下：为候选转发中继集合中的每个节点建立一个输入输出映射功能fi表示为：
Figure FDA0002204916900000018
通过该映射过程求得候选转发中继集合中各节点的转发概率，其中，该映射关系采用基于模糊逻辑转发中继的模糊if-then规则：
针对三个输入变量的描述如下所示：
①
Figure FDA0002204916900000021
代表传感器节点的剩余能量比率，计算公式如下：
Figure FDA0002204916900000022
其中，
Figure FDA0002204916900000023
和
Figure FDA0002204916900000024
分别代表每个候选转发中继的剩余能量和初始能量；
②
Figure FDA0002204916900000025
代表当前节点和其邻节点的之间的转发角度的余弦值；
③
Figure FDA0002204916900000026
代表一个候选转发中继的传播延时率；计算公式表示为：
Figure FDA0002204916900000027
Figure FDA0002204916900000028
其中，
Figure FDA0002204916900000029
代表当前节点和其邻节点
Figure FDA00022049169000000210
的传播延时，传播延时通过包含在数据包中的时间戳和
Figure FDA00022049169000000211
收到数据包的时间差值得到；Rm是预先设定的最大的传播距离；vsound(m/s)为水下声速；
每个输入变量值对应不同的模糊水平值，得到对应的模糊集合，最终去模糊化每个节点的结果得到最终的转发概率；
5)每个候选转发中继设置一个等待时间，具有较高优先级的节点拥有较低的等待时间；每一个候选转发中继根据自己的转发概率计算得到等待时间；等待时间的计算公式如下：
Figure FDA00022049169000000212
其中，
Figure FDA00022049169000000213
代表传感器负责转发数据包的概率，Rm是预先设定的最大传输距离，
Figure FDA00022049169000000214
代表当前节点和邻节点
Figure FDA00022049169000000215
的距离；
当候选转发中继从当前节点接收到数据包时，需要在等待时间内监听数据包的转发状态；如果一个较高优先级的节点在等待时间内转发了相同的数据包时，其他较低优先级的转发中继将监听到，并丢弃该数据包。
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生物友好的认知水声网络路由协议;金志刚等;《西安交通大学学报》(第02期);全文 *

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