CN113179134B - 一种基于辅助区的水下数据传输方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于辅助区的水下数据传输方法，具体步骤如下：S1：从时空上划分水下节点网络的通信区间，将所有水下节点聚类至圆柱状分区，各圆柱状分区之间围成的三维柱状空间即为辅助区；S2:周期性地对水下节点网络中的圆柱状分区进行分区转移，从而将辅助区节点和圆柱状分区节点实现周期性更迭；S3：当底部的源节点有数据需要发送时，圆柱状分区分别在各时隙传输数据，源节点在所属圆柱状分区内的转发节点候选集中选择优先级最高的邻居节点作为转发节点，当该圆柱状分区内部的节点间发生路由空洞现象，则从辅助区的转发节点候选集中选择最佳转发节点，使该节点辅助完成数据的转发。本发明减少三维网络空间的声波干扰，从而实现可靠数据传输。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于辅助区的水下数据传输方法，属于水声传感器网络领域。
背景技术
实现海洋信息化是推动海洋科技不可缺少的关键支撑，水声传感器网络于海洋信息化提供重要的技术支持，已然在海底科学勘察、海洋经济开发、海洋生态保护等方面展现着巨大的应用前景。
水下通信环境非常严苛，水声传感网络往往需要通过多跳路径将监测到的数据信息传递到海面的节点，利用于各种智能海洋应用。因此，如何在干扰严重、背景噪声大、可用带宽窄的水声通信环境中提供可靠的数据传输是水声传感器网络的关键课题之一。
发明内容
为解决现有技术中的不足，针对干扰抑制型水下数据传输模型，本发明提供一种基于辅助区的水下数据传输方法，减少三维网络空间的声波干扰，从而实现可靠数据传输。
本发明中主要采用的技术方案为：
一种基于辅助区的水下数据传输方法，具体步骤如下：
S1：从时空上划分水下节点网络的通信区间，将所有水下节点聚类至相等大小的圆柱状分区，且圆柱状区半径均为R；将数据传输周期等分为T1、T2、T3、T4四个时隙，并按序分配给每个圆柱状分区，各圆柱状分区之间围成的三维柱状空间即为辅助区，所述辅助区全时隙开放；
S2:周期性地对水下节点网络中的圆柱状分区进行分区转移，每次平移均沿着同一方向，即斜对角45°方向，每次平移距离均为R,从而将一直处于工作状态的辅助区节点和分时隙工作的圆柱状分区节点实现周期性更迭；
S3：当底部的源节点有数据需要发送时，圆柱状分区分别在T1、T2、T3、T4时隙传输数据，源节点在所属圆柱状分区内的转发节点候选集中选择优先级最高的邻居节点作为转发节点，当该圆柱状分区内部的节点间发生路由空洞现象，无法在所属时隙找到转发节点时，从辅助区的转发节点候选集中选择最佳转发节点，使该节点辅助完成数据的转发。
优选地，所述S1中，水下节点网络采用基于时隙调度的由下至上水下数据传输模型进行数据传输，其中，源节点固定在水底，转发节点锚定在水中，通过机会型数据转发，将源节点的数据通过转发节点传输到水面节点。
优选地，所述S2中，分区转移周期的时间设置为四个时隙之和的整数倍。
优选地，所述S2中，整数倍设置为100。
优选地，所述S3中，转发节点候选集由所有的满足深度低于发送节点的邻居节点组成，且邻居节点优先级计算公式如式(1)所示：
其中，n为发送节点，ni为n的每一个邻居节点，C为ni的候选集中的邻居节点数，为节点ni的剩余能量，E为所有节点的初始能量，D(ni)表示节点ni到发送节点所属的圆柱状分区中心轴线的距离；
所述邻居节点优先级按F值的大小排序，F值越大，则优先级越高。
有益效果：本发明提供一种基于辅助区的水下数据传输方法，具有如下优点：
(1)通过分区转移机制，使一直处于工作状态的辅助区节点和分时隙工作的圆柱状分区内节点可以实现周期性更迭，达到平衡节点能耗的目的。
(2)通过将三维水下空间均匀分割为圆柱状分区，于各分区分配不同数据传输时隙，从而抑制自底向上的多路径间发生的水声信号干扰，减少三维网络空间的声波干扰，从而实现可靠数据传输。
附图说明
图1为本发明基于辅助区的三维圆柱状网络结构图；
图2为分区转移示例；
图3为辅助区变换前后对比俯视图；
图4为基于辅助区的干扰抑制机会路由算法流程图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本申请中的技术方案，下面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。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。
实施例1
本实施例中采用的水下节点网络模型如下：源节点固定在水底，转发节点锚定在水中，通过常规的机会型数据转发，将源节点的数据通过转发节点传输到水面节点，基于时隙调度由下至上实现水下数据传输。
本实施例的具体水下数据传输方式如下：
S1：从时空上划分水下节点网络的通信区间，将所有水下节点聚类至相等大小的圆柱状分区，将数据传输周期等分为T1、T2、T3、T4四个时隙，并按序分配给每个2*2圆柱状分区，如图1所示；各圆柱状分区之间围成的三维柱状空间(上下表面类似于菱形)即为辅助区，所述辅助区全时隙开放；
S2：当节点密度较高的时候，数据转发会集中在圆柱状分区内，加快圆柱区节点的能耗，节点密度低时，圆柱状分区内会时常发生路由空洞现象，数据转发会较于依赖辅助区节点，加快辅助区节点的能耗。因此，采用一种分区转移机制，平衡节点的能耗。具体地，周期性地对水下节点网络中的圆柱状分区进行分区转移，将一直处于工作状态的辅助区节点和分时隙工作的圆柱状分区节点实现周期性更迭；如图2所示，周期性将网络中左上角第一个圆柱状分区向东南方向平移R的距离，其中R为圆柱状管道半径，采用原排列方式，形成新的网络分区。辅助区变换前后对比俯视图如图3所示。分区转移后，一直处于工作状态的辅助区节点和分时隙工作的圆柱区节点可以实现周期性更迭，达到平衡节点能耗的目的。本发明中，分区转移周期的时间设置为四个时隙之和(即T1+T2+T3+T4)的整数倍，将整数倍个数设置为100。
S3：当底部的源节点有数据需要发送时，圆柱状分区分别在T1、T2、T3、T4时隙传输数据，当圆柱状分区内部的节点间发生路由空洞现象，无法在所属时隙找到转发节点时，从辅助区的转发节点候选集中选择最佳转发节点，使该节点辅助完成数据的转发。具体地，源节点在所属圆柱状分区内的转发节点候选集中选择优先级最高的邻居节点作为转发节点。当圆柱状分区内部的节点间发生路由空洞现象，无法在所属时隙找到转发节点时，从辅助区的转发节点候选集中选择优先级最高的作为转发节点，使该节点辅助完成数据的转发。转发节点候选集由所有的满足深度低于发送节点的邻居节点组成，转发节点优先级计算公式如式(1)所示：
其中，n为发送节点，ni为n的每一个邻居节点，C为ni的候选集中的邻居节点数，。为节点ni的剩余能量，E为节点的初始能量，D(ni)表示节点ni到发送节点所属的圆柱状分区中心轴线的距离。
如图4所示，本实施例的水下数据传输过程如下：
步骤1：从时空上划分水下节点网络的通信区间，将数据传输周期等分为T1、T2、T3、T4四个时隙，并按序分配给每个圆柱状分区；
步骤2：若当前时隙不允许通信，则将圆柱状分区内的节点设为睡眠状态，若当前时隙允许通信时，则进入步骤3；
步骤3：若该圆柱状区间内的源节点有数据需要传输，则进入步骤4寻找该源节点所在圆柱状分区内的邻居节点，若该圆柱状区间内的源节点没有数据需要传输，则将圆柱状分区内的节点设为睡眠状态；
步骤4：若该源节点所在圆柱状分区内存在邻居节点，则根据邻居节点优先级计算公式进行优先级排序；若该源节点所在圆柱状分区内不存在邻居节点，则在辅助区寻找邻居节点，并则根据邻居节点优先级计算公式进行优先级排序；
步骤5：选择优先级最高的节点作为转发节点，将数据包传送至目的节点，并返回步骤4进行循环，直至数据传输完成，其他邻居节点则将数据包丢弃，节约能耗。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (5)
1.一种基于辅助区的水下数据传输方法，其特征在于，具体步骤如下:
S1：从时空上划分水下节点网络的通信区间，将所有水下节点聚类至相等大小的圆柱状分区，且圆柱状区半径均为R；将数据传输周期等分为T1、T2、T3、T4四个时隙，并按序分配给每个圆柱状分区，各圆柱状分区之间围成的三维柱状空间即为辅助区，所述辅助区全时隙开放；
S2:周期性地对水下节点网络中的圆柱状分区进行分区转移，每次平移均沿着同一方向，即斜对角45°方向，每次平移距离均为R,从而将一直处于工作状态的辅助区节点和分时隙工作的圆柱状分区节点实现周期性更迭；
S3：当底部的源节点有数据需要发送时，圆柱状分区分别在T1、T2、T3、T4时隙传输数据，源节点在所属圆柱状分区内的转发节点候选集中选择优先级最高的邻居节点作为转发节点，当该圆柱状分区内部的节点间发生路由空洞现象，无法在所属时隙找到转发节点时，从辅助区的转发节点候选集中选择最佳转发节点，使该节点辅助完成数据的转发。
2.根据权利要求1所述的一种基于辅助区的水下数据传输方法，其特征在于，所述S1中，水下节点网络采用基于时隙调度的由下至上水下数据传输模型进行数据传输，其中，源节点固定在水底，转发节点锚定在水中，通过机会型数据转发，将源节点的数据通过转发节点传输到水面节点。
3.根据权利要求1所述的一种基于辅助区的水下数据传输方法，其特征在于，所述S2中，分区转移周期的时间设置为四个时隙之和的整数倍。
4.根据权利要求3所述的一种基于辅助区的水下数据传输方法，其特征在于，所述S2中，整数倍设置为100。
5.根据权利要求1所述的一种基于辅助区的水下数据传输方法，其特征在于，所述S3中，转发节点候选集由所有的满足深度低于发送节点的邻居节点组成，且邻居节点优先级计算公式如式(1)所示：
其中，n为发送节点，ni为n的每一个邻居节点，C为ni的候选集中的邻居节点数，Eni为节点ni的剩余能量，E为所有节点的初始能量，D(ni)表示节点ni到发送节点所属的圆柱状分区中心轴线的距离；
所述邻居节点优先级按F值的大小排序，F值越大，则优先级越高。
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