CN112235845A - 一种应用于水声传感器网络的地理路由协议方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种应用于水声传感器网络的地理路由协议方法，每个节点获取邻居节点信息，计算平均期望转发次数，用于划分路由转发区域；每个中继节点根据节点度和丢包率的大小，将通信范围内的区域分为低丢包率区域，高丢包率区域和非转发区域，位于低丢包率区域的节点采用机会路由转发策略，位于高丢包率区域的节点采用泛洪转发策略，位于非转发区域的节点不参与转发数据包。本发明综合了机会路由转发策略和定向泛洪转发策略的优点，相比其他水声传感器网络路由协议，可明显减少能量消耗，降低丢包率和端对端延迟。

Description

一种应用于水声传感器网络的地理路由协议方法

技术领域

本发明涉及本发明涉及水声传感器网络领域，尤其是一种应用于水声传感器网络的地理路由协议方法。

背景技术

水声传感器网络是一种很有前景的技术，将促进广泛的水上应用，由于恶劣的水下环境，面临着巨大的挑战和问题，如有限的带宽、节点移动、长传播延迟、三维部署、能量限制、昂贵的制造和部署成本；这些都限制着UASN路由协议的性能，因此，如何设计出高效率的水声路由协议成为关键。

地理路由协议是水声传感器网络的一种，地理信息路由协议的关键在于如何根据节点的地理信息选择下一跳邻居节点，以及在出现路由空洞时如何绕路；在复杂的水下环境中，节点具有一定移动性，更易于出现路由空洞；如何使路由协议在水下环境中更具灵活性成为挑战。

现有的地理路由协议采用的转发策略有机会路由转发策略和方向泛洪转发策略，而机会路由转发策略只让少数节点参与转发，每个节点参与转发数据包时都需延长一段时间，因此存在着端对端延迟高，计算量大的缺点；方向泛洪转发策略是限制性的泛洪转发策略，但其并不能完全克服泛洪转发策略能量消耗大，网络生存时间过短等缺点；因此，设计出针对复杂的水下环境，可以抑制机会路由转发策略和方向泛洪转发策略各自缺点的路由协议势在必行。

发明内容

本发明需要解决的技术问题是提供一种应用于水声传感器网络的地理路由协议方法，该方法适应复杂的水下环境，并可实现高效数据路由。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

一种应用于水声传感器网络的地理路由协议方法，包括如下步骤；

S1，邻居信息获取：利用每个节点的广播和接收请求包来获取邻居节点的位置信息；

S2，计算ETX：通过接收请求包的个数来计算自身的ETX，计算得到的ETX被用于划分高丢包率区域和低丢包率区域；

S3，路由转发：节点采用分区域转发的方式将数据包从源节点路由到目的节点；根据转发偏离角公式求取θ值，来确定转发区域和非转发区域，再根据节点距离计算公式求取L值，来确定低丢包率区域和高丢包率区域，在低丢包率区域中的各节点采取机会路由转发方式，在高丢包率区域的各节点采用采取泛洪转发方式。

本发明技术方案的进一步改进在于：所述转发偏离角公式为

将偏离角小于θ的区域划分为转发区域，大于θ的区域划分为非转发区域。其中θ_max，θ_min表示具有正向进度节点集合中的所有邻居节点的最大偏离角θ_max和最小偏离角θ_min，|S_PADV|为|S_PADV|集合中元素的个数，α由整个传感器网络的密度决定，α＝γN/D，γ为任意大于0的实数，α越大，θ随正向节点度的增加而减少的越快。

本发明技术方案的进一步改进在于：所述节点距离计算公式为

其中Dist_min为距离最短的邻居节点，R_c为通信范围，

表示平均期望转发次数，β由总体估计丢包率决定，β≥0,β越大，L随

增加的越缓慢。

本发明技术方案的进一步改进在于：所述机会路由转发方式优先级计算公式为

其中E(m_j)表示节点当前的能量值，E_max表示节点的最大能量值，

表示节点的进度比，当节点的剩余能量越大，节点的进度比越大时，节点的优先级越高。

由于采用了上述技术方案，本发明取得的技术进步是：

节点采用分区域转发的方式将数据包从源节点路由到目的节点，在不同转发区域采取不同的转发策略，在低丢包率区域中的各节点采取机会路由转发方式，每个节点收到数据包时，首先计算自身的优先级，优先级高的节点等待时间少，优先转发；在高丢包率区域的各节点采用采取泛洪转发方式，每个节点收到数据包后，立即转发通过在不同区域内分别采取机会路由转发策略和泛洪策略，减轻了机会路由转发策略延迟高，节点利用率低和泛洪转发策略能量消耗大的缺点，同时综合了机会路由转发低能量消耗和泛洪转发鲁棒性高的优点，高效率的实现了数据的路由。

附图说明

图1是本发明方法流程图；

图2是本发明各时间周期图；

图3是本发明Req包广播和接收图；

图4是本发明路由转发示意图；

图5是本发明与其他相关协议每跳候选转发节点数随节点数变化对比图；

图6是本发明与其他相关协议到达率随节点数变化对比图；

图7是本发明与其他相关协议端到端延迟随节点数变化对比图；

图8是本发明与其他相关协议能量税随节点数变化对比图。

具体实施方式

1)邻居信息获取

a)广播请求包

每个节点首先要获取自己的邻居信息，邻居信息通过在节点中传递请求包Req获取，每个节点中都设置了一个定时器值T_req，但是为了避免Req包冲突，我们加入的一个随机的抖动项，当定时时间耗尽后，节点生成Req包，并将自身的ID和坐标加入包中，广播Req包，之后设置新的T_req值。

b)接收请求包

当邻居节点m_j接收到一个来自m_i的Req包时，它首先获取包中的ID和坐标，之后m_j计算自身的进度，计算进度公式如下：

ADV(m_i,m_j)＝Dist(m_j,D)-Dist(m_i,D)

其中ADV(m_i,m_j)表示邻居节点m_j相对于当前转发节点m_i的进度，Dist(m,S)表示m与目的节点D的欧氏距离当进度为正时，表明自身比节点m_i更靠近目的地，因此可以有资格作为下一跳的候选节点，将这些节点存储在候选转发集S_PADV中。而进度为负时，将该类节点存储在非候选转发集S_NADV中，当S_PADV集合为空时，表明遇到了空洞节点，需启动空洞绕路策略，可以利用存储在S_NADV中的节点绕过空洞，m_j的邻居节点集合S_Neig＝S_PADV∪S_NADV。

2)计算

在获取邻居信息的同时，节点通过获得Req包的个数，来估算期望转发次数

如图1所示，为了保证节点计算的ETX准确，需要预留出信号单程传播时间和抖动时间，在每个周期T_req的基础上，延时T_ETX后计算ETX，ETX计算周期，最大传播时间和最大抖动时间需满足下面条件：

T_ETX≥T_maxtt+T_maxjit

其中T_maxtt和T_maxjit分别为最大传播时间和最大抖动时间，由于T_maxtt与T_maxjit远小于T_req拓扑变化时间，取T_ETX≥1/2T_req，节点在定时时间T_ETX到达后，首先将Req发送的总轮数N加1，之后由公式r_j＝n_j/N计算m_i与各个邻居节点的单程收包率。n_j表示m_i接收到来自邻居节点m_j的Req数，每接收到一次，m_i自身存储的对于m_j的计数器加1。

如图2所示，节点S的通信范围内有A，B，C，D，E共5个节点，但只有A，B，C在节点S的S_PADV集合中，并且S仅成功接收A，B两个节点的Req包，因此该轮的n_A，n_B的计算器加1。

在路由协议中，当一个节点m_i广播的数据包被其邻居节点m_j转发后，m_j需要广播一个应答包Ack，当m_i收到Ack时，即知道数据包已被其他节点成功转发，不再重传该包，因此只有当m_i成功接收到Ack时，才可认为数据包已被邻居节点成功转发。考虑到同构的水下传感器网络，单程收包率r_j的平方才可表示平均往返收包率。

将每个邻居节点的平均往返收包率计算出来后，利用下面公式求出平均往返收包率，

其中|S_PADV|表示|S_PADV|集合中的节点个数，将

取倒数后算出平均期望转发次数

3)路由转发

转发协议分为广播数据包和接收数据包两部分。当节点m_i有包需要转发时，它首先计算S_PADV集合中的所有邻居节点的最大偏离角θ_max和最小偏离角θ_min，之后再根据下面公式计算出转发偏离角θ。

其中|S_PADV|为S_PADV集合中元素的个数，|S_PADV|越大，表明节点越密集，我们使转发偏离角减小，使转发区域包含的节点减少，避免更多的节点参与转发而浪费网络资源。|S_PADV|越小，表明节点越稀疏，应使转发偏离角增加，使转发区域包含的节点增加，让更多的节点参与，提高转发成功率。θ_min≤θ≤θ_max，保证了至少存在一个节点在转发区域中。α由整个传感器网络的密度决定，α＝γN/D，γ为任意大于0的实数，α越大，θ随正向节点度的增加而减少的越快。

在计算出θ后，还需要计算低丢包率区域的转发半径，以划分低丢包率区域和高丢包率区域。转发半径由下面公式计算

其中Dist_min为距离最短的邻居节点，R_c为通信范围，

表示平均期望转发次数，β由总体估计丢包率决定，β≥0,β越大，L随

增加的越缓慢。

最后将θ，L加入数据包报头并广播数据包。

如图3，源节点需要将数据发送给目标节点D，S首先计算S_PADV集中A，B，C和E节点的偏离角，之后再根据最大偏离角θ_A，最小偏离角θ_C和S_PADV计算出转发偏离角，然后根据Dist_min，R_c计算出低丢包率区域的转发半径。最后将计算出的θ，L加入数据包报头并广播出去。

本发明提出的协议是基于接收端的。当邻居节点m_j收到一个数据包时，它首先取出包中的坐标，θ和L，节点根据包中的坐标和自身的坐标，判断自己所处于的区域：高丢包率区域，低丢包率区域或非转发区域。首先节点计算自己的偏移角，与包中的转发角比较，当自身的偏移角小于转发角时，节点则处于转发区域。之后再取出包中的L，若节点的距离小于转发半径，则位于低丢包率区域，位于该区域中的节点采用机会转发策略，节点首先要计算自身的优先级，优先级计算公式如下

其中E(m_j)表示节点当前的能量值，E_max表示节点的最大能量值，

表示节点的进度比，当节点的剩余能量越大，节点的进度比越大时，节点的优先级越高。

在计算优先级后，节点需要根据优先级计算等待时间，计算公式如下：

其中R_c表示节点的通信范围，V_sound表示水声传播速度，Pr iority(m_j)表示节点m_j的优先级，优先级越高，表示节点更倾向于作为下一跳转发节点，因此转发包的等待时间越低。在等待时间结束后，节点将广播数据包，之后再将自身的ID加入Ack并广播，当m_i听到S_PADV中的节点转发同样的包后,便意识到数据包已经被成功转发，将清除数据包的缓存，当其他接收到数据包的邻居节点接收到同样的数据包时，将简单的丢掉包。

若节点的距离大于转发半径，则位于高丢包率区域。位于高丢包率区域的节点采用方向泛洪转发策略，节点不再设置等待时间，直接转发数据包。

位于非转发区域的节点不具有转发数据包的资格，接收到的数据包将被直接的扔掉。

综上所述，在低丢包率区域中，我们采用机会路由转发协议，所有节点按照一定优先级进行排序，由于低丢包率，高优先级节点大概率成功转发包，避免了低优先级节点不必要的等待时间。另外，采用机会转发协议，只让一个节点转发数据包，避免了在高节点密度，低丢包率情况下带来的大量冗余包，减轻了端对端延迟和能量消耗。

在高丢包率区域中采用泛洪转发协议，泛洪转发不需要等待时间，因此避免了机会路由转发策略在高丢包率环境下的端对端延迟。另外，由于高丢包率，候选节点中只有少数甚至没有节点成功参与转发，降低了冗余包，从而降低了能量消耗。

在非候选转发区域中，由于处于此区域中的节点对朝向目的节点转发无益，还会进一步加大能量消耗，所以处于此区域中的节点简单的扔掉包，避免了不必要的能量消耗。

4)路由仿真对比

通过仿真HH-VBF在路由半径为200米，250米，300米和350米以及AHH-VBF，限制性泛洪和本发明(ASGR)，证明了本发明ASGR在路由性能上优于其他路由协议。

仿真性能指标有每跳候选节点数，到达率，端对端延迟和能量税。

a)每跳候选节点数

每跳中，有资格参与数据包转发的节点称为候选节点，每跳的候选节点数越少，可供选择的中继节点就越少，数据包转发的成功率越低；候选节点数越多，数据包转发的成功率越高，但过多的候选节点将产生大量的冗余包，增加了整个网络的数据包冲突概率，反过来降低转发成功率。

参看图4，HH-VBF，AHH-VBF和泛洪协议的每跳候选节点数，随着网络的总结点数的增加而线性增加，在节点数过多时，这些协议并不能限制每跳候选节点数达到一个合理的数量，将增加数据包之间的冲突和造成不必要的能量浪费。

本发明ASGR在总节点数小于400时，每跳候选节点数快速增加，使数据包转发的成功率快速提升，在总结点数大于400之后，每跳候选节点数几乎保持不变，抑制了过多的节点参与数据包转发，从而节省了能量，抑制了过量的冗余包，降低了数据包冲突概率。

b)到达率

到达率定义为成功发送到Sink的数据包与发送的数据包的比值。

参看图五，节点数在250以下时，由于节点数较少，限制性泛洪协议将S_PADV集合中的所有节点均设置为候选节点，因此到达率最高。本发明ASGR协议在高丢包率区域内采用泛洪协议，使网络内数据包的副本适当的增加，一定程度的增加了数据包的到达率，在节点数250以下的情况下到达率仅低于限制性泛洪协议。

节点数在250到500之间时，限制性泛洪因为在全部正向转发区域采用泛洪协议，造成了大量的数据包冗余，增加了包的冲突，使到达率降低。本发明ASGR在高丢包率区域采用泛洪协议，但由于高的丢包率，只有少数节点成功参与转发数据包，并没有造成大量的数据包冗余，因此在此节点范围内性能最佳。

节点数在500之后，AHH-VBF到达率最高，因为AHH-VBF的路由半径包含了正向转发区域内的所有节点，同时随着节点数的增加，节点出现在最大传输半径边缘的概率随之增加，传输功率几乎为最大，并且采用机会路由转发策略，降低了数据包冲突的概率。ASGR由于在低丢包率区域内采用机会路由转发协议，限制了大量数据包的冗余，并且在高丢包率区域采用泛洪协议，适当的增加了数据包的副本，使转发节点数达到了一个平衡，因此到达率仅次于AHH-VBF。

c)端到端延迟

端到端延迟定义为数据包从产生到成功到达Sink所经历的时间

参看图6，由于泛洪不设置等待时间，泛洪协议的端到端延迟在全部节点范围内几乎最低。本发明ASGR在高丢包率区域同样采用泛洪策略，因此端到端延迟仅次于泛洪协议。其他协议因为均采用单一的机会路由转发策略，每个节点转发数据包时需等待一段时间，因此端对端延迟较高。

当节点数超过500时，泛洪带来了大量的冗余包，数据包需绕过冲突区域才能到达Sink，因此端对端延迟较高，本发明ASGR引入的冗余包远小于泛洪协议，成功的抑制了大量的冗余包，限制了包的冲突概率，因此端到端延迟低于泛洪协议。

d)能量税

能量税定义为当一个数据包成功传达到Sink时，每个节点的平均能量消耗。

参看图7，本发明ASGR在全部节点范围内，能量税几乎保持最低。这是因为在节点数较少时，本发明ASGR自适应的增大转发角，使更多的节点参与转发，提升了到达率，避免了转发失败的能量浪费。另外，在节点数较大时，ASGR自适应的减少转发角，只让少数节点参与转发，避免了过多的冗余包，降低了能量消耗。

综上所述，本发明ASGR在每跳候选节点数，到达率，端对端延迟和能量税等发明优于其他相关协议，表明了本发明在路由性能上的优势。

Claims (4)

1.一种应用于水声传感器网络的地理路由协议方法，其特征在于：包括如下步骤

S1，邻居信息获取：利用每个节点的广播和接收请求包来获取邻居节点的位置信息；

S2，计算ETX：通过接收请求包的个数来计算自身的ETX，计算得到的ETX被用于划分高丢包率区域和低丢包率区域；

S3，路由转发：节点采用分区域转发的方式将数据包从源节点路由到目的节点；根据转发偏离角公式求取θ值，来确定转发区域和非转发区域，再根据节点距离计算公式求取L值，来确定低丢包率区域和高丢包率区域，在低丢包率区域中的各节点采取机会路由转发方式，在高丢包率区域的各节点采用采取泛洪转发方式。

2.根据权利要求1所述的一种应用于水声传感器网络的地理路由协议方法，其特征在于：所述转发偏离角公式为

将偏离角小于θ的区域划分为转发区域，大于θ的区域划分为非转发区域。其中θ_max，θ_min表示具有正向进度节点集合中的所有邻居节点的最大偏离角θ_max和最小偏离角θ_min，|S_PADV|为|S_PADV|集合中元素的个数，α由整个传感器网络的密度决定，α＝γN/D，γ为任意大于0的实数，α越大，θ随正向节点度的增加而减少的越快。

3.根据权利要求1所述的一种应用于水声传感器网络的地理路由协议方法，其特征在于：所述节点距离计算公式为

其中Dist_min为距离最短的邻居节点，R_c为通信范围，

表示平均期望转发次数，β由总体估计丢包率决定，β≥0,β越大，L随

增加的越缓慢。

4.根据权利要求1所述的一种应用于水声传感器网络的地理路由协议方法，其特征在于：所述机会路由转发方式优先级计算公式为

其中E(m_j)表示节点当前的能量值，E_max表示节点的最大能量值，

表示节点的进度比，当节点的剩余能量越大，节点的进度比越大时，节点的优先级越高。

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