CN111065144B - 一种基于光声融合的水下传感网分布式机会路由方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于光声融合的水下传感网分布式机会路由方法，包括：（1）、待传输观测数据信息的节点选定其中一个收发区间作为工作收发区间；（2）、以光通信发射测试数据包；（3）、接收到测试数据包的其他的节点计算出其信息度量值；（4）、在工作收发区间中发送数据包；（5）、按照优先级高低顺序，若优先级高的节点成功接收到所述数据包，则选择其为胜出节点，所述胜出节点以声通信广播发送的方式发射确认信号；（6）、若胜出节点为汇聚节点，则水下通信完成，否则，胜出节点作为待发送数据的节点，返回步骤（1）。本方法利用水下光通信和声通信技术的优点，根据节点的物理位置信息和网络中的信道占用情况选择现有的最佳技术进行传输。

Description

一种基于光声融合的水下传感网分布式机会路由方法
技术领域
本发明属于水下无线通信技术领域，具体地说，是涉及一种基于光声融合的水下传感网分布式机会路由方法。
背景技术
目前的水下无线传感网构建主要依赖于水声通信技术。水声通信是一种经过实践验证的、被广泛接受的技术，具有全向传播、传输距离长、质量可靠等优点，被许多商业、科学和军事应用所采用。而新兴的水下大容量高速通信应用（例如高分辨率图像、实时视频采集等）对传输速率要求很高，需要高速、远程和低延迟的水下网络解决方案。一方面由于水下声通信可用带宽的限制，通信速率相对较低；另一方面由于声波传播速度较慢(1500m/s)，经历高延迟影响了远程的实时操作和同步任务；再者水声通信的高功耗使得经历大容量通信后的水下传感器节点存活周期大大降低。
水下无线光通信凭借其带宽大、传输速度快、时延低、能耗低、安全性高等优势可以满足水下高速通信的需求，近年来受到广泛关注。最新研究表明，水下无线光通信在相距5m时最高可达到1Gbps。然而，由于水下环境对光的的吸收和散射效应，水下光通信的通信范围十分有限，在浅水情况下，一般光发射机和光接收机相距至多十几米。而且光的方向性传输使得收发器通常必须在彼此的视场内对齐才可以稳定通信。传输距离短和方向性传输的问题也阻碍了水下光节点作为网络管理节点可靠控制整个网络的能力。基于光的水下无线传感网的构建与水下声传感网构建相比难度大大提高。
发明内容
本发明针对现有技术中水下无线光通信受传输距离短和方向性传输的限制，导致无法形成基于光的水下无线传感网的构建的技术问题，提出了一种基于光声融合的水下传感网分布式机会路由方法，可以解决上述问题。
为实现上述发明目的，本发明采用下述技术方案予以实现：
一种基于光声融合的水下传感网分布式机会路由方法，所述水下传感网包括若干个节点，至少其中一个节点为汇聚节点，所述节点以其中心作为原点，将三维空间划分成为若干个收发区间，所述路由方法包括：
（1）、待发送数据的节点作为发射节点，所述发射节点根据所述汇聚节点的位置，从其若干个收发区间内选定汇聚节点位于其辐射范围内的一个收发区间作为工作收发区间；
（2）、所述发射节点控制其工作收发区间的发射装置以光通信广播发送的方式发射测试数据包；
（3）、候选节点计算出其信息度量值，并通过声通信广播发送的方式回传至所述发射节点，所述候选节点为位于所述工作收发区间内且接收到所述测试数据包的节点；
当所述发射节点接收不到回传的信息度量值时，所述发射节点扩大其工作收发区间，将与当前工作收发区间相邻的收发区间纳入至工作收发区间，返回步骤（2）；
在扩大工作收发区间之后，若所述发射节点仍然接收不到信息度量值，则所述发射节点采用基于位置的水声机会路由查找最优声节点，并以声通信方式将待发送数据传送至所述最优声节点；
（4）、所述发射节点对所接收的信息度量值进行排序，根据排序状况分别为所述信息度量值所对应的节点设置优先级，并将所述优先级添加到待发送数据包头部，连同待发送数据组成数据包，通过光通信广播发送的方式在所述工作收发区间中发送；
（5）、按照优先级高低顺序，若优先级高的节点以光通信模式成功接收到所述数据包，则选择其为胜出节点，所述胜出节点以声通信全向广播发送的方式发射确认信号，优先级低的节点在接收到确认信号后丢弃所述数据包；若该高优先级候选节点接收失败，该高优先级节点保持空闲；
（6）、若胜出节点为汇聚节点，则水下通信完成，否则，胜出节点作为下一跳待发送数据的发射节点，返回步骤（1）开始下一跳通信。
进一步的，步骤（1）中所述发射节点根据水下超短基线声定位的方式确定所述工作收发区间。
进一步的，步骤（2）中所发射的测试数据包中携带有计算参数；
步骤（3）中根据所述计算参数计算所述信息度量值。
进一步的，所述计算参数包括：
距离参数，其为候选节点与所述汇聚节点之间的距离；
单跳误码率，其为工作收发区间内的候选节点与发射节点的光通信单跳误码率；
节点的能量，其为候选节点的剩余电量。
进一步的，所述最优声节点作为下一跳待发送数据的节点，返回步骤（1）。
进一步的，步骤（5）中，按照优先级高低顺序，低优先级节点若接收数据成功，则首先在等待时间内等待优先级最高的节点发送确认信号，若超过等待时间未接收到确认信号，则等待优先级次高的节点发送确认信号，直至遍历完所有比其优先级高的节点后选择该低优先级节点为胜出节点。
进一步的，若所述发射节点采用光通信遍历完所有优先级的节点后，未收到确认信号，则所述发射节点采用基于位置的水声机会路由查找最优声节点，并以声通信方式将待发送数据传送至所述最优声节点。
进一步的，所述汇聚节点接收数据之后，将数据通过有线通信方式发送至水面控制中心。
进一步的，候选节点与汇聚节点之间的距离获得方式采用声测距方式获得。
进一步的，所述节点内设置有光发送器、光接收器、声发送器、声接收器、摄像头以及传感器，所述传感器为温度传感器、盐度传感器、湿度传感器以及压力传感器的任意一种或者多种；
所述节点的外形为正多面体结构，该正多面体结构的每个面分别为一个收发平面，所述光发送器采用由多个方向窄视场LED元件组成的角度分集发射机，所述光发送器可通过指定的一个收发平面或多个收发平面发出定向光束。
与现有技术相比，本发明的优点和积极效果是：当传感网节点覆盖较为密集时，采用单一区间方向性的寻找最优光节点，减小到达目的节点的跳数，获得更优的端到端时延和端到端误码率；当节点覆盖稀疏时，在多个收发区间寻找最优光节点；当节点稀疏到在某一跳节点无法找到下一跳光节点时，采用声模式寻求最优光声混合路由路径，以保证链路连通性。该协议是一种契合水下光声融合传感网特点的高效路由协议，所设计路由协议有利于减小源节点到汇聚节点的跳数，降低端到端时延和复杂度，保障了水下实时图像和视频高速上传的连通性和实时性。
结合附图阅读本发明的具体实施方式后，本发明的其他特点和优点将变得更加清楚。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1 本发明提出的基于光声融合的水下传感网分布式机会路由方法的水下传感网一种实施例原理图；
图2是本实施例中将节点收发区间划分示意图;
图3是本发明提出的基于光声融合的水下传感网分布式机会路由方法的一种实施例流程图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下将结合附图和实施例，对本发明作进一步详细说明。
实施例一，本实施例提出了一种基于光声融合的水下传感网分布式机会路由方法，如图1所示，水下传感网包括若干个节点11，至少其中一个节点为汇聚节点12，节点以其中心作为原点，将三维空间划分成为若干个收发区间，如图2所示，本实施例中将节点平均分为8个收发区间，当然设置数量不限于本实施例中举例，可以根据实际需要设置。
如图3所示，本实施例的基于光声融合的水下传感网分布式机会路由方法包括：
S1、待发送数据的节点作为发射节点，发射节点根据汇聚节点的位置，从其若干个收发区间内选定汇聚节点位于其辐射范围内的一个收发区间作为工作收发区间；发射节点无需对汇聚节点进行空间定位，只需找准汇聚节点与发射节点的相对方位即可，因此，发射节点可以选择发射方向朝向汇聚节点的发射装置发射信号。该过程无需精准对准，发射的信号具有一定的辐射区间，在接收信号过程中并不一定直接由汇聚节点接收信号，有可能信号被辐射区间内的多个节点进行中继传输，最终达到汇聚节点。本实施例的基于光声融合的水下传感网分布式机会路由方法，旨在寻求最佳的传输路径，达到既能够保证数据传输误码率低、准确性高，同时满足传输速率快、时延小的发明目的。
S2、发射节点控制其工作收发区间的发射装置以光通信广播发送的方式发射测试数据包；
在水下光声融合网络最优路由路径选择时优先选择多跳光通信路由，当某一跳两节点间不具备光通信条件时（光无法对准或超出光通信范围时）才选择声通信作为下一跳。因此需要进行两种通信模式的选择以及光的方向性对齐(考虑节点的移动性，光通信需要经常对齐)，这带来了较高的时延和复杂度。端到端时延和复杂度会成为影响光声融合传感网路由协议高效性的重要因素。因此本方案是具有较低复杂度和较低端到端时延的路由协议。
S3、候选节点计算出其信息度量值，并通过声通信广播发送的方式回传至所述发射节点，所述候选节点为位于所述工作收发区间内且接收到所述测试数据包的节点；
机会路由的中继选择指标对路由协议的性能起着至关重要的作用，因为它直接影响候选节点的选择和优先级。机会路由度量的主要目标是减少传输的期望多跳数量，从而减少端到端延迟和能量消耗。
当步骤S3中没有节点接收到测试数据包时，发射节点接收不到信息度量值，发射节点扩大其工作收发区间，将与当前工作收发区间相邻的收发区间纳入至工作收发区间，返回步骤S2。也即，在扩大工作收发区间后，相应路径长度有可能增加，但是仍然坚持以光通信为主的原则，光通信数据传输速率远大于声通信数据传输速率。
在扩大工作收发区间之后，若发射节点仍然接收不到信息度量值，则发射节点采用基于位置的水声机会路由查找最优声节点，并以声通信方式将待发送数据传送至最优声节点。当确实无法采用光通信时，则采用声通信的方式，以保证通信链路连通不中断。
S4、发射节点对所接收的信息度量值进行排序，根据排序状况分别为信息度量值所对应的节点设置优先级，并将优先级添加到待发送数据包头部，连同待发送数据组成数据包，通过光通信广播发送的方式在工作收发区间中发送；
与传统路由技术将数据包单播到一个唯一的中继不同，机会路由通过利用广播特性来选择一组候选中继，特别适用于水下光传感网。由于水下信道的不稳定性(湍流等造成光指向错误)和海洋生物对收发机的视距阻挡，光链路的连通性很容易被破坏。在这种情况下，机会路由至少有一个成功接收包的可能性比传统单播路由高得多，从而提高了包的交付率。
S5、按照优先级高低顺序，若优先级高的节点以光通信模式成功接收到数据包，则选择其为胜出节点，胜出节点以声通信全向广播发送的方式发射确认信号，优先级低的节点在接收到确认信号后丢弃数据包；若该高优先级候选节点接收失败，该高优先级节点保持空闲；
集中式路由协议通常使用Dijkstra算法来估计源和目标之间的最短路径。然而，在密集的传感器网络中，从网络中收集所有的信息，然后计算所有可能的路径来选择最优路径是一项非常繁琐的任务，从时延和复杂性上影响协议的性能。分布式路由协议在不需要中心节点的情况下使用更简单的流程。源节点独立地使用可用的本地信息来选择决定转发节点。选择的路径由每个转发节点更新，直到数据包到达目的节点。因此可以带来更低的端到端时延和复杂度。
S6、若胜出节点为汇聚节点，则水下通信完成，否则，胜出节点作为下一跳待发送数据的发射节点，返回步骤S1开始下一跳通信。
步骤S1中发射节点根据水下超短基线声定位的方式确定工作收发区间。
步骤S2中所发射的测试数据包中携带有计算参数；
步骤S3中根据所述计算参数计算信息度量值。
各节点内部包含光发送器、光接收器、声发送器、声接收器、摄像头以及各类传感器，传感器为温度传感器、盐度传感器、湿度传感器以及压力传感器的任意一种或者多种；、摄像头用于采集视频和图像。节点的外形为正多面体结构，该正多面体结构的每个面分别为一个收发平面，所述光发送器采用由多个方向窄视场LED元件组成的角度分集发射机，所述光发送器可通过指定的一个收发平面或多个收发平面发出定向光束。
为保证水下光通信的通信距离，通常采用蓝绿激光或蓝绿LED进行光的定向传输，光发送器、光接收器优选采用蓝绿LED光源。
为了避免更新和存储整个拓扑状态的成本，本实施例中假设每个节点都有3个本地指标信息，其自身的位置信息，它的搜索空间(即下一跳的邻居节点），以及汇聚节点位置。因此，步骤S3中计算信息度量值所需的计算参数包括：
距离参数，其为候选节点与汇聚节点之间的距离；其根据候选节点与汇聚节点的距离选择和排序。候选节点可以理解为接收到测试数据包的节点。
候选节点与汇聚节点之间的距离获得方式采用声测距方式获得。
单跳误码率，其为工作收发区间内的节点与发射节点的光通信单跳误码率；该指标用于衡量当前发射节点与下一跳节点之间的链路质量。
节点的能量，其为节点的剩余电量。也即候选节点的剩余电量，当能量低时应减少对该节点的转发使用率。以延长其使用时间。
在步骤S3中，接收到所述测试数据包的各候选节点通过测试数据包中的3个候选度量指标的计算加权得出各自的信息度量值并通过声通信广播回传给发射节点。
受水下光通信时每个方向的光束在平面上都呈现窄扇形覆盖区域的启发，当水下节点密度较大时，考虑只利用指向汇聚节点的方向性卦限（3维）或方向性扇区（2维）作为机会路由候选节点的搜索空间，利用局部拓扑信息以分布式贪婪的方式寻找路径，从而降低了路由协议的整体复杂度和时延。该策略对于以光通信为主导的水下光声融合传感网非常契合。
假设水下网络中从源节点到汇聚节点的光多跳传输已传输到第i跳（节点m处），节点m将要选择第i+1跳的光节点。采用以下的步骤寻找下一跳节点。如图2所示。
最优声节点作为待发送数据的节点，返回步骤S1。声通信仅是前一发射节点找不到能够进行光通信的下一跳时才进行的选择，在当数据传输至下一跳的节点后，继续仍然以寻找能够进行光通信的再下一跳的节点为主，也即返回步骤S1。
步骤S5中，按照优先级高低顺序，低优先级节点若接收数据成功，则首先在等待时间内等待优先级最高的节点发送确认信号，若超过等待时间未接收到确认信号，则等待优先级次高的节点发送确认信号，直至遍历完所有比其优先级高的节点后选择该低优先级节点为胜出节点。
节点m对各候选节点信息度量值进行排序，选择出候选节点的优先级并添加到待发送数据包头部，连同数据通过光通信广播给各候选节点。具体的，包括：
①如果第1优先级的候选节点成功接收到数据包，则选择其为胜出节点，它将以声通信模式全向广播确认接收确认信号，以通知其他节点第1优先级节点成功接收，告知低优先级节点丢弃该数据包。若第1优先级候选节点接收失败时，第1优先级节点保持空闲。
②第2优先级候选节点如果成功接收数据包，则等待第1优先级节点的确认信号。如果没有检测到第1优先级节点的确认信号，则第2优先级节点为胜出节点；若检测到第1优先级节点的确认信号则丢弃数据包。若第2优先级候选节点接收失败时，第2优先级节点保持空闲。
③以此类推，第n优先级候选节点如果成功接收数据包，则等待前面n-1个优先级节点的确认信号。如果都没有检测到前n-1优先级节点的确认信号，则第n优先级节点为胜出节点；若检测到前n-1优先级节点的确认信号则丢弃数据包。若第n优先级候选节点接收失败时，第n优先级节点保持空闲。
当水下传感网节点稀疏部署时，经过上述步骤，可能找不到任何候选节点。在这种情况下，扩大光搜索面积，多个卦限同时发送，同样采用以上步骤寻找最优光节点。
若遍历完所有优先级的节点后，未收到确认信号，则所述发射节点采用基于位置的水声机会路由查找最优声节点，并以声通信方式将待发送数据传送至所述最优声节点。
汇聚节点接收数据之后，将数据通过有线通信方式发送至水面控制中心。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其进行限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的普通技术人员来说，依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明所要求保护的技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种基于光声融合的水下传感网分布式机会路由方法，其特征在于，所述水下传感网包括若干个节点，至少其中一个节点为汇聚节点，所述节点以其中心作为原点，将三维空间划分成为若干个收发区间，所述路由方法包括：
（1）、待发送数据的节点作为发射节点，所述发射节点根据所述汇聚节点的位置，从其若干个收发区间内选定汇聚节点位于其辐射范围内的一个收发区间作为工作收发区间；
（2）、所述发射节点控制其工作收发区间的发射装置以光通信广播发送的方式发射测试数据包；
（3）、候选节点计算出其信息度量值，并通过声通信广播发送的方式回传至所述发射节点，所述候选节点为位于所述工作收发区间内且接收到所述测试数据包的节点；
当所述发射节点接收不到回传的信息度量值时，所述发射节点扩大其工作收发区间，将与当前工作收发区间相邻的收发区间纳入至工作收发区间，返回步骤（2）；
在扩大工作收发区间之后，若所述发射节点仍然接收不到信息度量值，则所述发射节点采用基于位置的水声机会路由查找最优声节点，并以声通信方式将待发送数据传送至所述最优声节点；
（4）、所述发射节点对所接收的信息度量值进行排序，根据排序状况分别为所述信息度量值所对应的节点设置优先级，并将所述优先级添加到待发送数据包头部，连同待发送数据组成数据包，通过光通信广播发送的方式在所述工作收发区间中发送；
（5）、按照优先级高低顺序，若优先级高的节点以光通信模式成功接收到所述数据包，则选择其为胜出节点，所述胜出节点以声通信全向广播发送的方式发射确认信号，优先级低的节点在接收到确认信号后丢弃所述数据包；若该高优先级候选节点接收失败，该高优先级节点保持空闲；
（6）、若胜出节点为汇聚节点，则水下通信完成，否则，胜出节点作为下一跳待发送数据的发射节点，返回步骤（1）开始下一跳通信。
2.根据权利要求1所述的路由方法，其特征在于，步骤（1）中所述发射节点根据水下超短基线声定位的方式确定所述工作收发区间。
3.根据权利要求1所述的路由方法，其特征在于，步骤（2）中所发射的测试数据包中携带有计算参数；
步骤（3）中根据所述计算参数计算所述信息度量值。
4.根据权利要求3所述的路由方法，其特征在于，所述计算参数包括：
距离参数，其为候选节点与所述汇聚节点之间的距离；
单跳误码率，其为工作收发区间内的候选节点与发射节点的光通信单跳误码率；
节点的能量，其为候选节点的剩余电量。
5.根据权利要求1所述的路由方法，其特征在于，所述最优声节点作为下一跳待发送数据的节点，返回步骤（1）。
6.根据权利要求1所述的路由方法，其特征在于，步骤（5）中，按照优先级高低顺序，低优先级节点若接收数据成功，则首先在等待时间内等待优先级最高的节点发送确认信号，若超过等待时间未接收到确认信号，则等待优先级次高的节点发送确认信号，直至遍历完所有比其优先级高的节点后选择该低优先级节点为胜出节点。
7.根据权利要求6所述的路由方法，其特征在于，若所述发射节点采用光通信遍历完所有优先级的节点后，未收到确认信号，则所述发射节点采用基于位置的水声机会路由查找最优声节点，并以声通信方式将待发送数据传送至所述最优声节点。
8.根据权利要求1-7任一项所述的路由方法，其特征在于，所述汇聚节点接收数据之后，将数据通过有线通信方式发送至水面控制中心。
9.根据权利要求4所述的路由方法，其特征在于，候选节点与汇聚节点之间的距离获得方式采用声测距方式获得。
10.根据权利要求1所述的路由方法，其特征在于，所述节点内设置有光发送器、光接收器、声发送器、声接收器、摄像头以及传感器，所述传感器为温度传感器、盐度传感器、湿度传感器以及压力传感器的任意一种或者多种；
所述节点的外形为正多面体结构，该正多面体结构的每个面分别为一个收发平面，所述光发送器采用由多个方向窄视场LED元件组成的角度分集发射机，所述光发送器可通过指定的一个收发平面或多个收发平面发出定向光束。
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