CN112469101A - 基于深度与能量加权和转发区域划分的水下机会路由 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于深度与能量加权和转发区域划分的水下机会路由，首先，获取接收到的数据包的深度和能量信息，并判断所述数据包类型，包括邻居请求数据包、应答数据包和转发数据包，接着，根据所述数据包中是否有潜在节点，判断是否更新邻居表；其次，基于所述转发数据包中的所述邻居表信息，划分出一个主转发区域和两个辅助转发区域；最后，基于深度和能量加权策略计算对应的加权保活时间，并基于所述保活时间，将相同的所述转发数据包丢弃后，转发对应的所述数据包至下一跳节点，提高网络生命周期。

Description

基于深度与能量加权和转发区域划分的水下机会路由
技术领域
本发明涉及传感器技术领域，尤其涉及一种基于深度与能量加权和转发区域划分的水下机会路由。
背景技术
水下传感网络(Underwater Sensor Networks，UWSNs)的发展促进了[1,2]各种应用的发展，包括海洋环境监测、海洋地质勘探、水下资源开发和灾难预警等，目前，水下无线传感器网络生命周期短和能量消耗不均衡问题一直是水下无线传感器网络路由协议设计的难点。基于深度的传统路由算法通过单一的指标进行贪婪策略选择下一跳转发节点，容易陷入局部最优解。同时，满足深度小于当前节点深度的节点，由于不在下一跳转发节点的传输范围内，无法接收到抑制转发信号也会参与到转发工作中，这会导致过多的节点同时转发相同数据包，造成数据冗余转发并和消耗能量，会严重降低网络生命周期。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于深度与能量加权和转发区域划分的水下机会路由，提高网络生命周期。
为实现上述目的，本发明提供了一种基于深度与能量加权和转发区域划分的水下机会路由，包括以下步骤：
获取接收到的数据包的深度和能量信息，并判断所述数据包类型；
根据所述数据包中是否有潜在节点，判断是否更新邻居表；
根据对应的所述数据包类型，进行转发区域和权限的划分；
基于深度和能量加权策略计算对应的加权保活时间，并基于所述保活时间转发对应的所述数据包。
其中，根据所述数据包中是否有潜在节点，判断是否更新邻居表，包括：
判断所述数据包中是否有潜在节点，若没有潜在节点，则丢弃当前所述数据包，若具有潜在节点，则分别对所述数据包中的邻居请求数据包、应答数据包和转发数据包中的邻居表信息进行更新。
其中，根据对应的所述数据包类型，进行转发区域和权限的划分，包括：
基于所述转发数据包中的所述邻居表信息，利用三个半径相同的三个圆相交对转发区域进行划分，得到三个转发区域，三个所述转发区域包括一个主转发区域和两个辅助转发区域。
其中，基于深度和能量加权策略计算对应的加权保活时间，并基于所述保活时间转发对应的所述数据包，包括：
利用深度和能量加权策略，计算出接收到的所述转发数据包中的保活时间，并利用接收到所述转发数据包的接收时间加上加权计算后的所述保活时间，得到对应的转发时间。
其中，基于深度和能量加权策略计算对应的加权保活时间，并基于所述保活时间转发对应的所述数据包，还包括：
基于加权后的所述保活时间，判断是否接收到相同的所述转发数据包，并将相同的所述转发数据包丢弃后，直至到达所述转发时间，将对应的所述转发数据包转发至下一跳节点。
本发明的一种基于深度与能量加权和转发区域划分的水下机会路由，首先，获取接收到的数据包的深度和能量信息，并判断所述数据包类型，包括邻居请求数据包、应答数据包和转发数据包，接着，根据所述数据包中是否有潜在节点，判断是否更新邻居表；其次，基于所述转发数据包中的所述邻居表信息，划分出一个主转发区域和两个辅助转发区域；最后，基于深度和能量加权策略计算对应的加权保活时间，并基于所述保活时间，将相同的所述转发数据包丢弃后，转发对应的所述数据包至下一跳节点，提高网络生命周期。
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，下面将对实施例或现有技术描述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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明提供的一种基于深度与能量加权和转发区域划分的水下机会路由的步骤示意图。
图2是本发明提供的一种基于深度与能量加权和转发区域划分的水下机会路由的流程示意图。
图3是本发明提供的转发区域划分示意图。
图4是本发明提供的能量消耗对比曲线图。
图5是本发明提供的网络生命周期对比曲线图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
请参阅图1和图2，本发明提供一种基于深度与能量加权和转发区域划分的水下机会路由，包括以下步骤：
S101、获取接收到的数据包的深度和能量信息，并判断所述数据包类型。
具体的，获取任意节点接收到的数据包的深度和能量信息，并判断所述数据包类型，基于深度与能量加权和转发区域划分的水下机会路由(An underwater opportunisticrouting algorithm based on depth and energy weighting and forwarding areadivision，以下简称为DEWFAD)包括三种数据信息，分别是邻居请求信息(NEIGHBORREQUEST)，应答信息(ACK)和转发数据信息(DATA)，即对应的包括邻居请求数据包、应答数据包和转发数据包三种数据包类型。
邻居请求信息是用来查找合格的邻居节点，其包括4个域，如表1所示。其数据类型ID是用来区分路由过程中信息的类型，邻居请求信息的数据类型ID为”00”。源节点ID表示发送邻居请求信息节点的地址。深度和能量表示发送节点的深度和剩余能量。
应答信息格式与邻居请求信息格式一样，也是包括4个域，如表1所示。其数据类型ID为”01”，表示该包为应答信息数据包。源节点ID表示发件人的地址，深度和能量表示发送节点的深度和剩余能量。
表1邻居请求数据包和应答数据包格式
数据类型ID 源节点ID 深度 能量
转发数据包格式包括7个域，如表2所示。
表2 DATA数据包格式
数据类型ID 源节点ID 目的节点ID 深度 能量 PID DATA
数据信息的包类型为”10”，表示该包为转发数据信息包，源节点ID为发件节点地址，目的节点ID表示目标节点的地址，深度和能量表示该节点的深度和剩余能量。PID为数据包的包序列，用于区分数据包。DATA是数据包信息存放的数据信息。
S102、根据所述数据包中是否有潜在节点，判断是否更新邻居表
具体的，在路由过程中，为了提高网络性能，节点需要通过发送邻居请求信息来了解邻居节点的信息。如果每次发送数据包时都进行一次邻居请求，则会增加端到端的延时以及能量的消耗，因此，有必要在每个节点建立一个邻居表。邻居表的格式为如表3所示。其中邻居ID表示邻居节点的地址。深度表示邻居节点的深度，时间戳表示跟新邻居节点的时间。
表3邻居表格式
邻居节点ID 深度 时间戳
在接收到任何所述数据包后，需要判断所述数据包中是否有潜在节点，若没有潜在节点，则丢弃当前所述数据包，若具有潜在节点，则分别对所述数据包中的邻居请求数据包、应答数据包和转发数据包中的邻居表信息进行更新，并针对所述邻居请求数据包更新了所述邻居表信息后，需要返回一个应答信息至所述应答数据包中，同时对应所述转发数据包，在更新了所述邻居表信息后，还需要判断所述邻居表信息是否为空，若为空，则丢弃当前所述转发数据包。
S103、根据对应的所述数据包类型，进行转发区域和权限的划分。
具体的，根据邻居表信息不为空的所述转发数据包，利用三个半径相同的三个圆相交对转发区域进行划分，得到三个转发区域，三个所述转发区域包括一个主转发区域和两个辅助转发区域，如果节点的传输距离为R，如图3所示划分，主转发区域S0是由三个半径为R的三个圆相交得到的Reuleaux三角形。根据Reuleaux的性质，Reuleaux三角形内两点之间最大距离为R，即在Reuleaux内，无论选择哪一个节点作为最终的转发节点，都能够有效地抑制Reuleaux三角形内所有的节点。S1和S2是S0的两个辅助转发区域。S1和S2也是两个宽度为R的Reuleaux三角形的一部分，也就是说S0内的节点可以从S0内的任何其它节点接收到数据包，S2内的节点同样可以从S2内的任何其它节点接收到数据包，并且S1和S2相互独立，根据节点密度对三个所述转发区域进行权限划分，自适应选择辅助区域是否参与数据转发，有效减少冗余数据转发消耗能量。
S104、基于深度和能量加权策略计算对应的加权保活时间，并基于所述保活时间转发对应的所述数据包。
具体的，数据包转发优先级通过计算转发时间ST(Sending Time)来实现。节点ST越早则转发优先级越高。每个节点接收到数据包后，首先要计算出数据包的发送时间ST和包的保活时间HT(Holding Time)。当节点接收到数据包后并不是马上转发出去，而是先保持HT再发送。ST与HT的关系为：
ST＝接收到数据包的时间+HT。
DEWFAD使用深度和能量加权策略选择最佳下一跳节点。加入权值后的HT计算如公式(1)。
Figure BDA0002770720200000051
其中，R表示传感器的最大传输距离。v0表示水声传播速度。Ecur和Einit分别表示当前节点剩余能量和节点的初始能量。δ1和δ2是可随具体环境要求取值，如果选择较小的值，则数据包的包活时间将增长，从而导致更长的端到端的延迟和更低的传输可靠性，同时，抑制了权值和较低的其他转发节点，因此能量消耗能够更少。H表示深度差，如式(2)计算得。
H＝αhcur+(1-α)hnext (2)
其中，α表示深度加权系数，hcur表示当前节点的深度。hnext表示可能下一跳节点的深度，可从存放在节点中的邻居表取得。
基于加权后的所述保活时间，判断在加权后的所述保活时间内是否接收到相同的所述转发数据包，并将相同的所述转发数据包丢弃后，直至到达所述转发时间时，将对应的所述转发数据包转发至下一跳节点。采用深度和剩余能量加权方案。相近深度或相近剩余能量的节点具有相似的保持时间，会参与到相同数据的转发过程，导致更多的能量消耗。深度和剩余能量加权能够有效地减少具有相似保持时间的节点，从而减少冗余节点转发数据消耗的能量，在转发过程中，不仅考虑到当前节点的深度，还考虑到预测节点的深度，通过两跳节点的深度有效减少到遇到空洞的可能性，从而减少无效转发数据的能耗。
请参阅图4和图5，能够明显的看出，本发明所提供的DEWFAD能够有效地减少能量的消耗，增强水下传感器网络的生命周期。其中，网络的生命周期：第一个节点的能量完全耗尽时，在网络中出现第一个节点死亡时，源节点发送数据包的轮次数。能量消耗估算：通过数据包从源节点成功发送到目标节点期间，传感器网络消耗的能量总量来进行估算。
在图4和图5中，使用不同数量的传感器节点(即49，100,200,300,400,500和600个)进行仿真。图5反映了两种策略的网络生命周期，由于传统的基于深度路由算法DBR选择具有较小深度的节点来频繁地传输数据，导致这些节点能量被迅速耗尽而死亡。相比之下，DEWFAD不仅考虑到节点的深度，还考虑了剩余能量，采用区域划分和深度与剩余能量的共同加权的方法。在深度与能量共同加权的策略下，传感器节点能够有效地平衡网络节点的能量消耗。因此，传感器节点将能更长时间保持活动状态。此外，较低的能耗是提高网络寿命的另一个因素。DBR没有避免冗余的分组传输，具有相似深度的节点也具有相似的保持时间，同时，下一跳转发节点通信范围外的节点无法接收到抑制消息，因此DBR中这些相同的分组被相继发送。在DEWFAD中，能够大量限制这类传感器节点参与转发，转发节点不仅受到节点的深度限制，还受到能量加权的限制，能够限制具有相似深度的节点同时发送；而且，在密集区域中，通过转发区域的划分，辅助转发区域的节点被限制转发，能够避免转发节点传输范围之外的节点继续发送。因此，实现了能量消耗的降低，也提高了水下传感器网络生命周期。如图4反映了两种方案的能耗情况，而图中两种方案的能耗随着网络密度的增加而增加。这是因为随着网络节点密度的增加，更多的节点拥有资格转发数据包，DBR仅基于传感器节点的深度限制节点的数量。由于传感器节点具有相似的深度，仅利用传感器节点的深度不能减少节点的数量。相反，DEWFAD，由于能量和深度加权的优先级分配，节点的保持时间有足够的差异，并且结合划分转发区域，同时抑制了转发节点通信范围之外的节点。因此，DEWFAD抑制分组的能力更优。
本发明的一种基于深度与能量加权和转发区域划分的水下机会路由，首先，获取接收到的数据包的深度和能量信息，并判断所述数据包类型，包括邻居请求数据包、应答数据包和转发数据包，接着，根据所述数据包中是否有潜在节点，判断是否更新邻居表；其次，基于所述转发数据包中的所述邻居表信息，划分出一个主转发区域和两个辅助转发区域；最后，基于深度和能量加权策略计算对应的加权保活时间，并基于所述保活时间，将相同的所述转发数据包丢弃后，转发对应的所述数据包至下一跳节点，提高网络生命周期。
以上所揭露的仅为本发明一种较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分流程，并依本发明权利要求所作的等同变化，仍属于发明所涵盖的范围。

Claims (5)

1.一种基于深度与能量加权和转发区域划分的水下机会路由，其特征在于，包括以下步骤：
获取接收到的数据包的深度和能量信息，并判断所述数据包类型；
根据所述数据包中是否有潜在节点，判断是否更新邻居表；
根据对应的所述数据包类型，进行转发区域和权限的划分；
基于深度和能量加权策略计算对应的加权保活时间，并基于所述保活时间转发对应的所述数据包。
2.如权利要求1所述的基于深度与能量加权和转发区域划分的水下机会路由，其特征在于，根据所述数据包中是否有潜在节点，判断是否更新邻居表，包括：
判断所述数据包中是否有潜在节点，若没有潜在节点，则丢弃当前所述数据包，若具有潜在节点，则分别对所述数据包中的邻居请求数据包、应答数据包和转发数据包中的邻居表信息进行更新。
3.如权利要求2所述的基于深度与能量加权和转发区域划分的水下机会路由，其特征在于，根据对应的所述数据包类型，进行转发区域和权限的划分，包括：
基于所述转发数据包中的所述邻居表信息，利用三个半径相同的三个圆相交对转发区域进行划分，得到三个转发区域，三个所述转发区域包括一个主转发区域和两个辅助转发区域。
4.如权利要求3所述的基于深度与能量加权和转发区域划分的水下机会路由，其特征在于，基于深度和能量加权策略计算对应的加权保活时间，并基于所述保活时间转发对应的所述数据包，包括：
利用深度和能量加权策略，计算出接收到的所述转发数据包中的保活时间，并利用接收到所述转发数据包的接收时间加上加权计算后的所述保活时间，得到对应的转发时间。
5.如权利要求4所述的基于深度与能量加权和转发区域划分的水下机会路由，其特征在于，基于深度和能量加权策略计算对应的加权保活时间，并基于所述保活时间转发对应的所述数据包，还包括：
基于加权后的所述保活时间，判断是否接收到相同的所述转发数据包，并将相同的所述转发数据包丢弃后，直至到达所述转发时间，将对应的所述转发数据包转发至下一跳节点。
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