CN111866982A - 一种基于分层的能量均衡水声网络路由协议方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于分层的能量均衡水声网络路由协议方法，所述方法包括数据转发步骤；所述数据转发步骤包括以下内容：S11、当接收节点不是sink节点时，判断自身层级L_Rec与发送节点层级L_Snd的大小关系，如果L_Rec<L_Snd，则执行步骤S12；S12、接收节点根据一跳延迟和剩余能量计算自身的转发概率进而设置定时器的超时值，当所述定时器到期时，接收节点变为发送节点转发数据报文；S13、重复步骤S11和S12，直到所述接收节点为sink节点时为止。本发明的优点在于：接收节点根据层级、剩余能量和一跳延迟三个因素来判断自己是否进行数据转发。通过将剩余能量高和一跳延迟小的节点作为进行数据转发的节点，有效地实现了能量均衡，延迟了网络寿命，降低了网络中端到端的延迟。

Description

一种基于分层的能量均衡水声网络路由协议方法

技术领域

本发明涉及水声传感器网络技术领域，尤其涉及一种基于分层的能量均衡水声网络路由协议方法。

背景技术

随着各国对海洋保护、海洋资源开发及建立海洋强国越来越重视，水声网络得到研究人员的极大关注。水声网络的研究可以帮助人们对海洋进行监测，从而起到保护海洋，有着战略性的意义。除了海洋环境监测之外，水声网络还有其他的应用前景，包括海洋数据采集、海洋资源勘测、海洋军事监控、辅助导航、灾难预防等。水声网络的广泛应用前景，引得各国政府和很多研究人员的极大关注。水声网络的发展不仅在军事方面影响各国的海洋战争策略，逐渐在民用领域(海洋环境保护、海洋资源开发等)起到重要作用。

在水声网络中，无线电信号在水中传播时衰减很大,仅在超低频(30-300HZ)下才能进行长距离传播，但是这需要大的电线和高发射功率；而光信号在水中有较大的散射。所以在水声网络中采用声信号进行通信。然而，与采用无线电信号的陆地无线传感器网络相比，使用水声信道的水声网络具有高延迟、高误码率(10^-3-10^-7)、低带宽、多径效应以及高度动态变化的网络拓扑等特点。此外，水下传感器节点还存在着移动性、定位困难和更换电池困难的问题。

路由协议直接影响着网络的通信性能，是所有通信网络中非常需要研究的一个领域。随着网络通信技术的快速发展，研究人员针对陆地无线传感器网络提出了很多路由协议。水声网络其实是传统的无线传感器网络的一种扩展应用。但是，由于复杂的水下环境、水声网络和水声信道的特性，使得针对传统的陆地无线传感器网络设计的相关路由协议不能够直接应用于水声网络中。目前许多国内外学者已经提出了很多适用于水声网络的路由协议。

随着水声网络相关技术的发展，许多国内外学者已经提出了很多适用于水声网络的路由协议。但是，已有的水声网络路由协议或多或少地具有一些缺点和一定的局限性。基于地理位置信息的路由协议中，假设的是已知网络中的节点的地理位置信息已知，但是对于水下节点而言，获取自身地理位置信息本身也是一大难题。使用基于贪婪水下路由协议进行数据转发时，很有可能出现路由空洞问题。

Carlson等人于2006年提出了位置感知源路由LASR(Location-Aware SourceRouting)协议。LASR协议的缺点：随着源节点和目标节点之间跳数的增加，包头也继续增加。包头的增加导致了在窄带声的水声网络开销过大。

Yan H等人于2008年提出了基于深度的路由DBR(Depth Based Routing)协议。DBR的缺点：在密集网络中，使用DBR协议将会产生过多冗余转发，进而造成额外的能量消耗和冗余包冲突。此外，在稀疏网络中使用DBR协议进行路由时，容易出现路由空洞问题。

Wahid A等人于2014年提出了无定位多层路由协议MRP(Multi-layered RoutingProtocol)。MRP协议的缺点：网络拓扑结构中节点部署为二维结构，而大多数水声网络应用场景为三维拓扑结构，其拓扑结构限制了该路由协议的应用。此外，在MRP中保持时间的计算公式未正确定义。

X.Du等人于2014年提出了基于分层的自适应地理路由LB-AGR(Level-BasedAdaptive Geo-Routing)协议。LB-AGR路由协议属于基于地理位置信息的路由协议，进行路由时须知晓每个传感器节点的地理位置信息。

张嘉男等人于2018年提出了基于矢量与能量的水声网络路由VER(Vector andEnergy based Routing)协议。VER协议的缺点：在节点部署于复杂水下环境的水声网络中，VER协议仅依靠一条路径进行路由，容错性较差。

因此，如何设计出适用于水声网络的路由协议以克服上述缺陷是现阶段需要考虑的。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供了一种基于分层的能量均衡水声网络路由协议方法，解决了目前水声网络路由协议存在的不足。

本发明的目的通过以下技术方案来实现：一种基于分层的能量均衡水声网络路由协议方法，所述方法包括数据转发步骤；所述数据转发步骤包括以下内容：

S11、当接收节点不是sink节点时，判断自身层级L_Rec与发送节点层级L_Snd的大小关系，如果L_Rec<L_Snd，则执行步骤S12；

S12、接收节点根据一跳延迟和剩余能量计算自身的转发概率进而设置定时器的超时值，当所述定时器到期时，接收节点变为发送节点转发数据报文；

S13、重复步骤S11和S12，直到所述接收节点为sink节点时为止。

进一步地，所述步骤S12中当所述定时器到期时，其他保持有数据报文的转发节点听到已经有节点转发了数据报文时，则关闭自身的定时器且丢弃该数据报文。

进一步地，所述数据转发步骤还包括：当有多个接收节点转发数据报文时，如果多个接收节点在相互传输范围内，则关闭所述转发概率低的接收节点的定时器且丢弃数据报文；如果存在有不在相互传输范围内的接收节点，则该接收节点也进行数据报文的转发，实现多径路的数据传输。

进一步地，所述一跳延迟表示上一跳发送节点发送数据报文后到本跳接收节点收到该数据报文的延迟；所述转发概率P_k的计算公式为：

其中，权重系数α和β的取值范围均为[0,1]且α+β＝1，Del_k是发送节点到接收节点k的一跳延迟，Del_max是网络中预先定义的最大延迟时间，E_k是接收节点k的当前剩余能量，E_ini是节点的初始能量。

进一步地，所有接收节点在接收到数据报文后都会设置基于转发概率的定时器超时值，转发概率越高，节点的定时器到期越早；所述接收节点k定时器的超时值T_out计算公式为：

其中，Rand()是随机函数，取值范围为[0,1]。

进一步地，当存在两个以上接收节点有相同的一跳延迟和剩余能量时，即可能定时器同时到期时，则从两个以上接收节点随机选择一个优先进行数据报文转发，减少冗余包的产生。

进一步地，所述方法还包括网络初始化步骤，所述网络初始化步骤执行于所述数据转发步骤之前。

进一步地，所述网络初始化步骤包括以下内容：

S01、sink节点想网络中广播Hello报文，并且将sink节点的层级固定配置为0；

S02、当接收节点第一次接收到Hello报文时，从自己所接收的Hello报文中读取上一跳发送节点的层级L_Snd，设置自己的层级L_Rec＝L_Snd+1，并开启层级老化时间定时器；

S03、接收节点更新Hello报文中的层级和发送节点ID字段信息为自身层级L_Rec和自身节点ID，并且继续广播新的Hello报文；

S04、重复步骤S02和S03，直到所有节点完成自身层级的设置为止。

进一步地，所述网络初始化步骤中，如果sink节点在特定时间间隔之后再次广播Hello报文，则接收节点需要判断自身是否需要更新层级。

进一步地，所述更新层级的规则包括：

当一个已经获取自身层级且该层级信息老化时间未到期的接收节点接收到一个Hello报文时，比较自身层级L_Rec和报文中层级L_Snd的大小；

如果L_Rec＞L_Snd+1时，则更新自身层级为L_Rec＝L_Snd+1，并将接收节点自身层级信息和节点ID来替换Hello报文中的层级字段和发送节点ID字段后，进而广播新的Hello报文，否则丢弃该数据报文，不进行转发；

当一个已经获取自身层级，但该层级信息老化时间已到期的接收节点接收到一个Hello报文时，将直接更新自身层级为L_Rec＝L_Snd+1，重新建立该接收节点的连通性。

本发明具有以下优点：

1、提出了基于分层的能量均衡的水下路由协议(LEER)，分层策略限制了同层节点间的传输，减少了冗余包的转发，进而降低网络能量消耗，同时避免了同层循环转发及路由空洞等问题。

2、接收节点根据层级、剩余能量和一跳延迟三个因素来判断自己是否进行数据转发。通过将剩余能量高和一跳延迟小的节点作为进行数据转发的节点，有效地实现了能量均衡，延迟了网络寿命，降低了网络中端到端的延迟。

3、与基于地理位置信息的路由协议相比，使用LEER协议进行路由时不需要节点获取自身的地理位置信息，不必考虑定位难题，且不需要维护任何地理位置信息，降低了网络开销。

4、在NS3中进行仿真试验，与同样基于泛洪的传统水下路由DBR协议进行对比实验，仿真结果表明，LEER协议的数据包交付率、端到端延迟及能耗方面都优于DBR协议。

5、使用泛洪方式进行数据传输的LEER协议属于多径路由，一定程度上提高了网络的容错性和鲁棒性。

附图说明

图1为本发明的分层示意图；

图2为本发明的数据转发流程示意图；

图3为本发明多径路由分析图；

图4为路由空洞示意图；

图5为分层后的路由空洞示意图；

图6为LEER协议与DBR协议的数据包交付率的对比实验图；

图7为LEER协议与DBR协议的端到端延迟的对比实验图；

图8为LEER协议与DBR协议的单位数据包能耗的对比实验图。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和有点更加清楚，下面将结合本申请实施例中附图，对本申请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申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的保护范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。下面结合附图对本发明做进一步的描述。

本发明涉及一种基于分层的能量均衡水声网络路由协议方法，解决了水声网络路由协议中存在的的能量消耗不均、长延迟及路由空洞等问题，提出了适用于水声网络的基于分层的能量均衡路由LEER(Layer-based and Energy-Efficient Routing)协议。LEER协议是一种基于分层策略的多径路由协议。在水声网络中，使用LEER协议进行路由时，不需要知晓网络中的每个传感器节点任何位置信息；同时还避免了常见的路由空洞问题。其主要包括网络初始化步骤和数据转发步骤两个阶段。

在网络初始化阶段：水下传感器节点根据其收到的Hello报文中提取层级字段信息进而更新自身层级。该过程如下：首先sink节点向网络中广播Hello报文，并且sink节点有固定的层级为0。在网络初始化阶段，当接收节点第一次接收到Hello报文，则从自己所接收的Hello报文中读取上一跳发送节点的层级L_Snd，设置自己的层级L_Rec＝L_Snd+1，并且该节点开启层级老化时间定期器。接收节点更新Hello报文中的层级字段信息为自身层级L_Rec，继续广播新的Hello报文。完成此过程后，层级的数值将是静态的，直到sink节点在特定时间间隔之后再次广播Hello报文包接收节点来判断自身是否需要更新层级，具体规则如下。当一个已经获取自身层级且该层级信息老化时间未到期的水下传感器节点接收到一个Hello报文时，它将比较自身层级L_Rec和报文中层级L_Snd的大小。若L_Rec＞L_Snd+1时，则更新自身层级为L_Rec＝L_Snd+1，并用节点自身层级信息和节点ID来替换Hello报文中的层级字段和节点ID后，进而广播新的Hello报文；否则丢弃该报文，不会转发该报文。当一个已经获取自身层级，但该层级信息老化时间已到期的水下传感器节点接收到一个Hello报文时，将直接更新自身层级为L_Rec＝L_Snd+1，重新建立该节点的连通性。

如图1所示，首先位于水面上的sink节点向网络中广播带有层级的Hello报文，水下传感器节点(N1、N2、N3、N4)接收到Hello报文后，提取出其中sink节点的层级,进一步更新自己的层级,并用节点自身层级信息和节点ID(N1、N2、N3、N4)来替换Hello报文中的层级字段和发送节点ID信息后，进而广播这个新的Hello报文。节点(N5、N6、N7、N8)分别从上层节点(N1、N2、N3、N4)接收Hello报文，获取上一跳节点的层级为“1”，并更新自己层级为“2”，更新Hello报文中的层级字段和发送节点ID信息后，再次进行广播新的报文。同样节点N9、N10、N11、N12接收到上一跳节点(N5、N6、N7、N8)广播的Hello报文，读取报文中层级字段后更新自身层级为“3”，更新Hello报文中的层级字段和发送节点ID信息，继续进行广播。

此外，当节点多次收到Hello时，如上图1所示位于第二层的N5和N7、第三层中的N11以及第四层中的N13和N16，这些节点需要比较了Hello报文的层级字段的值与自身层级的大小，判断是否需要更新自身层级。以节点N5为例，首先节点N5第一次收到的第一层节点N1广播的Hello报文，读取该报文中的层级字段值为“1”，节点N5更新自身层级为“2”，并用节点自身层级“2”和“节点ID＝5”来替换Hello报文中的层级字段“1”和“发送节点ID＝1”后，进而广播该Hello报文。过了一小段时间后，节点N5收到来第二层节点N6广播的Hello报文，已知自身层级为“2”且层级信息老化时间未到期，比较与节点N6的层级大小。因为节点N6的节点和节点N5自身层级相同，所以当节点N5接收到来自N6的Hello报文时，不更新层级，也不转发该Hello报文。

在数据转发传输步骤的阶段：节点转发数据包时采用多径向上层节点转发策略，根据该节点的剩余能量及一跳延迟计算节点的转发概率，可以以低延迟路径将数据转发给水面的sink节点，同时考虑了节点剩余能量使得网络能量消耗均衡，延长了网络的寿命。主要包括以下内容：

(1)基于转发概率设置定时器：接收节点通过计算自己的转发概率来确定是否参与转发该数据报文的过程。转发概率是基于一跳延迟和节点的剩余能量，其中一跳延迟指的是上一跳发送节点发送数据包后到本跳接收节点收到该数据包的延迟。为了沿低延迟路径将数据报文传输到接收节点，使用一跳延迟作为权重因子来计算转发概率。节点k转发数据包的概率P_k的计算公式为：

其中，权重系数α和β的取值范围均为[0,1]且α+β＝1，Del_k是发送节点到接收节点k的一跳延迟，Del_max是网络中预先定义的最大延迟时间，E_k是接收节点k的当前剩余能量，E_ini是节点的初始能量。权重系数α和β可以权衡最小延迟路径和高剩余能量的选择。由转发概率计算公式可知，转发概率分别与一跳延迟成反比，与节点剩余能量成正比。一跳延迟越短，接收节点的剩余能量越多，则该节点转发概率越高。

所有的接收节点在接收到数据报文之后都会设置基于转发概率的定时器超时值，转发概率越高，节点定时器到期越早，即节点转发概率与节点定时器超时值成反比。接收节点k定时器的超时值T_out计算公式为：

其中，Rand()是随机函数，取值范围为[0,1]。当2个节点有相同的一跳延迟和剩余能量时可能定时器同时到期时，2个节点随机一个优先进行数据包转发，减少冗余包的产生。

(2)数据包(数据报文)转发流程：如图2所示，当某个节点接收到数据报文时，首先判断本身是不是sink节点，若自身是sink节点则不需要转发该数据报文，直接接收该数据报文即可，表明此次数据报文传输成功。否则接收节点需要将数据报文进行转发，直至转发到位于水面的sink节点。首先接收节点需要先判断自身层级L_Rec与发送节点层级L_Snd关系，若L_Rec≥L_Snd，则接收节点丢弃该数据包；否则接收节点根据概率转发公式计算基于一跳延迟和剩余能量的转发概率P_k，进而设置定时器的超时值，该超时值是根据定时器超时值计算公式计算基于转发概率的数据转发延迟。在定时器到期时，接收节点变为发送节点进一步转发更新自己层级等信息新的数据报文。同时其他保持有该数据包的转发节点听到已经有节点转发了该数据报文，则关闭自己的定时器且丢弃该数据报文。重复上述步骤，直到把数据报文传输给位于水面上的sink节点。

(3)多径路由情景分析：如图3所示，当有多个接收节点转发数据报文时，接收节点在互相传输范围内则关闭转发概率低的接收节点定时器且丢弃数据报文。节点A收到数据源节点发送的数据报文P1，节点A首先计算自己的转发概率，根据计算的转发概率计算定时器超时值并启动定时器。定时器到期后，节点A立即转发该数据报文P1。节点B收到数据源节点发送的数据报文P1，节点B计算自己的转发概率，然后根据计算的转发概率计算定时器超时值，开启定时器。在等待的过程中，如果节点B听到节点A转发的数据报文P1时，节点B关闭节点B的定时器，并丢弃该数据包P1。

然而，当有多个接收节点转发数据报文时，接收节点之间互相听不到对方转发的数据信息，可以找到多条到达水面的sink节点的路径。如图3所示，如果节点B在等待期间没有听到节点A广播的数据报文P1，这意味着节点B不在节点A的传输范围内，在这种情况下，当节点B自身的定时器到期时，节点B也将转发数据包P1。由于该协议是基于泛洪的，因此属于多路径路由，而不是单路径路由。因此，每个节点将在其计时器过期时立即转发数据包。它相当于存在多个接收节点转发同一数据包的情况。多个节点转发同一数据包，将会产生一定数量的冗余包，会使得网络的整体能耗增加。然而，多径路由协议同时还提高了网络的容错性及鲁棒性。当数据源节点将数据包P1经过A节点向sink节点进行传输的路径出现故障时，还能够通过B节点传输数据包P1的路径进行数据转发，最终将数据包P1转发至sink节点，提高了网络的容错性及鲁棒性。

(4)路由空洞问题分析：如图4所示，使用DBR协议及其他贪婪水下路由协议进行数据转发时不可避免会出现路由空洞问题。数据源节点N19产生数据报文，采用贪婪算法找到下一跳节点N15，同样N15节点使用同样的方式找到其下一跳节点N12，节点N12的下一跳节点为节点N8，节点N8收到数据报文后，使用贪婪算法向上转发数据包时没有找到比该节点距离sink节点更近的节点，则节点N8的上部区域被称为路由空旷区域，也就是水声网络路由协议中常见的路由空洞问题。

而本发明提出的LEER路由协议则不会出现路由空洞这种情况。因为在网络初始化阶段水下每个水下节点都会学习到自身的层级，所以当水下节点从水底向sink节点转发数据报文时，参与数据报文转发的节点都获取到了自身层级。也就是说，转发节点至少有一个上层邻居节点，则不会出现路由空洞问题。在LEER中转发节点向sink节点转发时不像DBR只是以深度信息为路由度量向靠近sink的方向进行转发，而是先判断层级是否符合要求，再设置基于转发概率的定时器的超时值。

如图4和图5所示，网络初始化阶段每个水下节点获取到自身层级后，数据源节点N19向sink节点发送数据的路径为N19→N15→N12→N10→N7→N4→N1→sink。所以说在LEER中避免了出现像节点N8上部区域的路由空旷区域问题。

本发明通过NS-3仿真平台对LEER协议的性能进行评估，在相同的仿真环境参数下将LEER协议和经典的水声网络路由协议DBR协议进行了对比仿真。

具体为，本发明用于仿真的网络拓扑是由多个普通水下节点和1个sink节点组成的多跳分层三维静态水声网络。在水面上部署一个静止的sink节点，在1500m*1500m*2500m的三维区域中随机部署20，30，40，50，70个水下传感器节点，最大通信半径为1000米(m)，指的是节点间最大的通信距离。MAC层使用的是Aloha协议。数据包的大小设置为134字节(Bytes)。仿真时间1000秒(S)。所有的水下传感器节点的初始能量设置为1000J，水下节点在发送状态、接收状态时的功率分别为0.1w，0.05w。接下来的仿真实验中各组实验数据是在相同仿真参数设置下进行15次实验取平均值的结果。

仿真实验中主要考虑数据包交付率、端到端延迟、单位数据包能耗等指标，对本发明的LEER协议进行性能分析。

(1)数据包交付率：指的是位于水面的sink节点成功接收到的总包数P_success与位于水下的数据源节点发送的总包数P_send的比值，其计算公式如下所示。数据包交付率是评估网络质量的重要指标。

(2)端到端延迟：指的是数据包从数据源节点发送到sink节点花费的时间。通过计算sink节点收到数据包的时间与数据包从数据源节点发出的时间做差即为端到端的延迟。

(3)单位数据包能耗：指的是网络总能耗EC_total与sink节点成功接收的数据包数P_success的比值，其计算公式如下所示：

通过改变节点数量对LEER协议和DBR协议进行对比仿真试验，进而依据这些性能指标(如数据包交付率、端到端延迟、单位数据包能耗)进行对比分析。节点数分别设置为21，31，41，51，71；LEER协议中预定义的最大延迟是通信半径与水下声速的比值；DBR协议中深度差门限值σ值取值为R/2；其他的仿真参数上述仿真参数设置的一样。

如图6所示，随着节点数量的增加，数据包的交付率逐渐增加。这是因为随着节点数量的增加，转发节点的数量也会随之增加，则数据包的转发成功率也随之增加，数据包从源节点成功送到sink节点交付率也随之增加。从仿真结果可以看出DBR的交付率随着节点的减少，交付率明显减少，从70.53％降到43.53％。这是因为DBR的贪婪模式引起的，节点数量较少时，DBR盲目地往更靠近水面的sink节点发送数据包，致使更深度级别可用的节点无法参与数据包的转发，很容易出现路由空洞问题，从而造成很低的交付率。而LEER协议随着节点数量的减少，其交付率变化波动不大，在79.33％到82.33％之间。这是因为LEER协议是采用的分层策略的路由协议，可以避免路由空洞问题，所以具有较为稳定的交付率。因此，与DBR协议相比，LEER路由协议的交付率性能表现更好。

如图7所示，随着节点数的增加，本文提出的LEER协议的数据包的平均端到端平均延迟逐渐减少。这是因为随着节点数量的增多，在该仿真环境中的节点密度就相应的增大，则转发节点的选择较多，节点间的距离也会缩短，对应的延迟也就相应减少了。LEER协议的平均端到端延迟比DBR协议的端到端的延迟要小。因此LEER协议的平均端到端延迟性能表现比DBR协议更具有优势。

如图8所示，随着网络中节点数量的增加，不管是LEER协议还是DBR协议的单位数据包能耗的曲线都有着增加的趋势。由于LEER协议和DBR协议都是基于泛洪的方式发送数据报文的，随着节点数量增加，网络中参与数据转发的节点数量随之增加，因此网络中所有节点消耗的总能量也随之增加。随着网络中节点数量的增加，位于水面的sink节点成功接收到的数据包数有一定的增多，但相对于网络中所有节点的总能耗的增量而言，其单位数据包能耗依旧在增多。随着节点数量的增加，LEER协议的单位数据包能耗少于DBR协议的单位数据包能耗。因此，LEER协议在能耗方面与DBR协议相比也是具有一定优势的。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种基于分层的能量均衡水声网络路由协议方法，其特征在于：所述方法包括数据转发步骤；所述数据转发步骤包括以下内容：

S11、当接收节点不是sink节点时，判断自身层级L_Rec与发送节点层级L_Snd的大小关系，如果L_Rec<L_Snd，则执行步骤S12；

S12、接收节点根据一跳延迟和剩余能量计算自身的转发概率进而设置定时器的超时值，当所述定时器到期时，接收节点变为发送节点转发数据报文；

S13、重复步骤S11和S12，直到所述接收节点为sink节点时为止。

2.根据权利要求1所述的一种基于分层的能量均衡水声网络路由协议方法，其特征在于：所述步骤S12中当所述定时器到期时，其他保持有数据报文的转发节点听到已经有节点转发了数据报文时，则关闭自身的定时器且丢弃该数据报文。

3.根据权利要求1所述的一种基于分层的能量均衡水声网络路由协议方法，其特征在于：所述数据转发步骤还包括：当有多个接收节点转发数据报文时，如果多个接收节点在相互传输范围内，则关闭所述转发概率低的接收节点的定时器且丢弃数据报文；如果存在有不在相互传输范围内的接收节点，则该接收节点也进行数据报文的转发，实现多径路的数据传输。

4.根据权利要求1所述的一种基于分层的能量均衡水声网络路由协议方法，其特征在于：所述一跳延迟表示上一跳发送节点发送数据报文后到本跳接收节点收到该数据报文的延迟；所述转发概率P_k的计算公式为：

其中，权重系数α和β的取值范围均为[0,1]且α+β＝1，Del_k是发送节点到接收节点k的一跳延迟，Del_max是网络中预先定义的最大延迟时间，E_k是接收节点k的当前剩余能量，E_ini是节点的初始能量。

5.根据权利要求1所述的一种基于分层的能量均衡水声网络路由协议方法，其特征在于：所有接收节点在接收到数据报文后都会设置基于转发概率的定时器超时值，转发概率越高，节点的定时器到期越早；所述接收节点k定时器的超时值T_out计算公式为：

其中，Rand()是随机函数，取值范围为[0,1]。

6.根据权利要求5所述的一种基于分层的能量均衡水声网络路由协议方法，其特征在于：当存在两个以上接收节点有相同的一跳延迟和剩余能量时，即可能定时器同时到期时，则从两个以上接收节点随机选择一个优先进行数据报文转发，减少冗余包的产生。

7.根据权利要求1-6中任意一项所述的一种基于分层的能量均衡水声网络路由协议方法，其特征在于：所述方法还包括网络初始化步骤，所述网络初始化步骤执行于所述数据转发步骤之前。

8.根据权利要求7所述的一种基于分层的能量均衡水声网络路由协议方法，其特征在于：所述网络初始化步骤包括以下内容：

S01、sink节点向网络中广播Hello报文，并且将sink节点的层级固定配置为0；

S02、当接收节点第一次接收到Hello报文时，从自己所接收的Hello报文中读取上一跳发送节点的层级L_Snd，设置自己的层级L_Rec＝L_Snd+1，并开启层级老化时间定时器；

S03、接收节点更新Hello报文中的层级和发送节点ID字段信息分别为自身层级L_Rec和自身节点ID，并且继续广播新的Hello报文；

S04、重复步骤S02和S03，直到所有节点完成自身层级的设置为止。

9.根据权利要求8所述的一种基于分层的能量均衡水声网络路由协议方法，其特征在于：所述网络初始化步骤中，如果sink节点在特定时间间隔之后再次广播Hello报文，则接收节点需要判断自身是否需要更新层级。

10.根据权利要求9所述的一种基于分层的能量均衡水声网络路由协议方法，其特征在于：所述更新层级的规则包括：

当一个已经获取自身层级且该层级信息老化时间未到期的接收节点接收到一个Hello报文时，比较自身层级L_Rec和报文中层级L_Snd的大小；

如果L_Rec＞L_Snd+1时，则更新自身层级为L_Rec＝L_Snd+1，并将接收节点自身层级信息和节点ID来替换Hello报文中的层级字段和发送节点ID字段后，进而广播新的Hello报文，否则丢弃该数据报文，不进行转发；

当一个已经获取自身层级，但该层级信息老化时间已到期的接收节点接收到一个Hello报文时，将直接更新自身层级为L_Rec＝L_Snd+1，重新建立该接收节点的连通性。

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