CN113783628A - 一种基于峰值信息年龄的水声通信路由确定方法及系统 - Google Patents

一种基于峰值信息年龄的水声通信路由确定方法及系统 Download PDF

Info

Publication number
CN113783628A
CN113783628A CN202111068856.9A CN202111068856A CN113783628A CN 113783628 A CN113783628 A CN 113783628A CN 202111068856 A CN202111068856 A CN 202111068856A CN 113783628 A CN113783628 A CN 113783628A
Authority
CN
China
Prior art keywords
node
underwater
network
route
underwater sound
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN202111068856.9A
Other languages
English (en)
Other versions
CN113783628B (zh
Inventor
郭棉
柳秀山
许乘源
李佳锐
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Guangdong Polytechnic Normal University
Original Assignee
Guangdong Polytechnic Normal University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Guangdong Polytechnic Normal University filed Critical Guangdong Polytechnic Normal University
Priority to CN202111068856.9A priority Critical patent/CN113783628B/zh
Publication of CN113783628A publication Critical patent/CN113783628A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN113783628B publication Critical patent/CN113783628B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04B—TRANSMISSION
    • H04B13/00—Transmission systems characterised by the medium used for transmission, not provided for in groups H04B3/00 - H04B11/00
    • H04B13/02—Transmission systems in which the medium consists of the earth or a large mass of water thereon, e.g. earth telegraphy
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04B—TRANSMISSION
    • H04B11/00—Transmission systems employing sonic, ultrasonic or infrasonic waves
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04W—WIRELESS COMMUNICATION NETWORKS
    • H04W40/00—Communication routing or communication path finding
    • H04W40/02—Communication route or path selection, e.g. power-based or shortest path routing
    • H04W40/04—Communication route or path selection, e.g. power-based or shortest path routing based on wireless node resources
    • H04W40/10—Communication route or path selection, e.g. power-based or shortest path routing based on wireless node resources based on available power or energy
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04W—WIRELESS COMMUNICATION NETWORKS
    • H04W40/00—Communication routing or communication path finding
    • H04W40/02—Communication route or path selection, e.g. power-based or shortest path routing
    • H04W40/12—Communication route or path selection, e.g. power-based or shortest path routing based on transmission quality or channel quality
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04W—WIRELESS COMMUNICATION NETWORKS
    • H04W40/00—Communication routing or communication path finding
    • H04W40/02—Communication route or path selection, e.g. power-based or shortest path routing
    • H04W40/22—Communication route or path selection, e.g. power-based or shortest path routing using selective relaying for reaching a BTS [Base Transceiver Station] or an access point
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04W—WIRELESS COMMUNICATION NETWORKS
    • H04W40/00—Communication routing or communication path finding
    • H04W40/24—Connectivity information management, e.g. connectivity discovery or connectivity update
    • H04W40/248—Connectivity information update

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
  • Signal Processing (AREA)
  • Mobile Radio Communication Systems (AREA)
  • Telephonic Communication Services (AREA)

Abstract

本发明公开了一种基于峰值信息年龄的水声通信路由确定方法及系统，所述方法包括：启动水声通信网络；计算各水声传感节点间的链路可靠性、峰值信息年龄以及能量方差，并根据所计算的链路可靠性、峰值信息年龄以及能量方差，确定各水声传感节点的初始路由；计算水声通信网络的网络寿命，并根据网络寿命，将各水声传感节点的初始路由更新为更新路由；周期性监测所述水声通信网络的网络状态；判断所监测的所述网络状态是否发生变化，若是，则将路由再更新一次，若否，则继续监测网络状态变化。本发明能够提供峰值信息年龄保障，提高水下状态更新信息的信息新鲜度，同时最大化延长网络寿命。

Description

一种基于峰值信息年龄的水声通信路由确定方法及系统
技术领域
本发明涉及水声通信领域，更具体地，涉及一种基于峰值信息年龄的水声通信路由确定方法及系统。
背景技术
海洋蕴涵着丰富的资源，人类对海洋的探索从未止步。然而由于海洋环境的特殊性，目前人类对海洋的探索还不到10％。近年来，随着水下物联网技术的发展，水声通信已经成为探索海洋、了解海洋和利用海洋的前瞻性关键技术。例如，在海洋监测中，可以将有限个水声传感节点随机地部署在拟监测的水下区域，在该区域海面部署一个汇聚节点，水声传感节点和汇聚节点形成水声通信网络。水声传感节点将感知到的水下状态信息通过水声通信网络发送给汇聚节点，汇聚节点进一步通过陆上传输网络发送给监测中心。
海洋监测，尤其突发事态的海洋监测，例如，水下输油管泄漏、赤潮爆发、海下地震监测等等，具有信息新鲜度敏感性，若监测中心接收的是过时信息，可能会降低系统决策的准确性和可靠性，造成巨大的安全隐患。信息年龄是印度理工学院Kaul等人于2012年提出的，用来刻画信息新鲜度的性能指标。由定义可知，信息年龄随着时间线性增长；只有当下一个最新状态信息到达目的地后，信息年龄重新开始计时。信息年龄越小，信息越新鲜；反之，则信息越老化。
网络传输延迟是影响信息新鲜度的最重要因素。尤其，在水声通信环境下，通信链路具有高动态性、带宽极为有限(例如，只有几十KHZ)，长传输延迟(水声传播速度一般为1.5 km/s)等等，使得水下信息新鲜度保障面临巨大挑战。不仅如此，在水下监测应用中，往往多个水声传感节点同时感知到监测状态的变化，从而多个水声传感节点同时通过共同的水声传感网络向汇聚节点发送信息状态更新信息，加剧了网络有限通信资源的竞争。此外，由于水下环境的特殊性，水声传感节点往往采用蓄电池的形式供电，因此存在节点寿命。当节点能量消耗完毕(即失效)后，不仅该节点不能执行水下信息感知和向远程监测中心汇报，还会对水声通信网络覆盖和连通可靠性造成严重影响。因此，考虑峰值信息年龄、链路可靠性、节点能耗等对水声传感节点寿命、进而对水声通信网络寿命的影响，基于峰值信息年龄、能耗等优化水声传感节点的信息状态更新信息的路由，是应用水声通信网络实现海洋监测亟需解决的关键问题。
发明内容
本发明旨在克服上述现有技术的至少一种缺陷(不足)，提供一种基于峰值信息年龄的水声通信路由确定方法及系统，用于解决水声通信中水下信息新鲜度不高、网络通信资源竞争大、以及网络寿命不高的问题。
本发明采取的技术方案是，一种基于峰值信息年龄的水声通信路由确定方法，包括以下步骤：
启动水声通信网络，所述水声通信网络包括若干水声传感节点以及汇聚节点；
计算各所述水声传感节点间的链路可靠性、峰值信息年龄以及能量方差，并根据所计算的链路可靠性、峰值信息年龄以及能量方差，确定各所述水声传感节点的初始路由，各所述水声传感节点的初始路由为各所述水声传感节点分别到所述汇聚节点的路由；
计算所述水声通信网络的网络寿命，并根据所述网络寿命，将各所述水声传感节点的初始路由更新为更新路由；
周期性监测所述水声通信网络的网络状态；
判断所监测的所述网络状态是否发生变化，若是，继续执行计算所述水声通信网络的网络寿命，并根据所述网络寿命，将各所述水声传感节点的更新路由再更新一次，若否，继续执行周期性监测所述水声通信网络的网络状态。
一般情况下，水声通信网络中有若干个水声传感节点和一个汇聚节点，水声传感节点随机地分布在水下的水声通信网络覆盖范围内，汇聚节点位于水声通信网络中心的水面上。水声传感节点感知水下信息状态，当状态发生更新后，需要通过水声通信网络将状态更新信息发送给汇聚节点，由汇聚节点进一步处理，例如，通过陆上通信系统发送给监测中心。而水声传感节点到汇聚节点的距离具有差异性，水声通信信道的链路可靠性也具有动态性和异构性，为了成功将水下状态更新信息发送给汇聚节点，水下状态更新信息则可能需要重复发送多次，而信息传输距离、重复发送次数等对信息新鲜度有重要影响。不仅如此，水声传感节点是能量受限的，发送水下状态更新信息、接收确认信息等都需要消耗能量，当某个水声节点能量耗尽，那么可以认为网络寿命也到期了。因此，为了延长网络寿命，提高状态更新信息的信息新鲜度，本发明公开的路由确定方法，先根据链路可靠性、峰值信息年龄以及能量方差确定各水声传感节点至汇聚节点的初始路由，再通过对水声通信网络寿命的计算及网络状态的持续监测，不断对初始路由进行优化更新，使得状态更新信息按优化更新后的路由进行转发，可有效为水下状态更新信息提供峰值信息年龄保障，满足水下状态更新信息的新鲜度要求，同时最大化网络寿命。
进一步的，计算各所述水声传感节点间的链路可靠性、峰值信息年龄以及能量方差，并根据所计算的链路可靠性、峰值信息年龄以及能量方差，确定各所述水声传感节点的初始路由，包括：
计算每个所述水声传感节点到汇聚节点的链路可靠性、每个所述水声传感节点到其对应的邻居节点的链路可靠性、每个所述水声传感节点的峰值信息年龄以及每个所述水声传感节点到其对应的邻居节点的能量方差；
根据每个所述水声传感节点到汇聚节点的链路可靠性、每个所述水声传感节点到其对应的邻居节点的链路可靠性、每个所述水声传感节点的峰值信息年龄以及每个所述水声传感节点到其对应的邻居节点的能量方差，从每个所述水声传感节点对应的邻居节点中确定一个，对应标记为每个所述水声传感节点的中继节点；
根据所标记的每个所述水声传感节点的中继节点，确定每个所述水声传感节点的初始路由，所述初始路由包括所述水声传感节点、所述中继节点和所述汇聚节点。
进一步的，根据每个所述水声传感节点到汇聚节点的链路可靠性、每个所述水声传感节点到其对应的邻居节点的链路可靠性、每个所述水声传感节点的峰值信息年龄以及每个所述水声传感节点与其对应的邻居节点间的能量方差，从每个所述水声传感节点对应的邻居节点中确定一个，对应标记为每个所述水声传感节点的中继节点，包括：
判断每个所述水声传感节点对应的邻居节点中，是否存在一个邻居节点同时满足条件a、 b、c、d：
条件a：所述水声传感节点到所述邻居节点的链路可靠性不低于链路可靠性阈值，
条件b：所述邻居节点到所述汇聚节点的链路可靠性不低于链路可靠性阈值，
条件c：所述水声传感节点的峰值信息年龄不高于信息年龄的阈值，
条件d：所述水声传感节点与所述邻居节点间的能量方差不高于所述水声传感节点与其它邻居节点间的能量方差，
若存在同时满足条件a、b、c、d的邻居节点，则将所述满足条件a、b、c、d的邻居节点标记为对应所述水声传感节点的中继节点；
若不存在同时满足条件a、b、c、d的邻居节点，则将到每个所述水声传感节点的链路可靠性最高的邻居节点标记为对应所述水声传感节点的中继节点。
进一步的，根据每个所述水声传感节点到汇聚节点的链路可靠性、每个所述水声传感节点到其对应的邻居节点的链路可靠性、每个所述水声传感节点的峰值信息年龄以及每个所述水声传感节点与其对应的邻居节点间的能量方差，从每个所述水声传感节点对应的邻居节点中确定一个，对应标记为每个所述水声传感节点的中继节点之前，还包括：
判断所述水声传感节点到汇聚节点的链路可靠性是否低于链路可靠性阈值，
若是，则根据所述水声传感节点到汇聚节点的链路可靠性、所述水声传感节点到其对应的邻居节点的链路可靠性、每个所述水声传感节点的峰值信息年龄以及每个所述水声传感节点与其对应的邻居节点间的能量方差，从所述水声传感节点对应的邻居节点中确定一个，对应标记为所述水声传感节点的中继节点；
若否，则确定所述水声传感节点的初始路由包括所述水声传感节点和所述汇聚节点。
为了延长网络寿命，提高状态更新信息的信息新鲜度，在本发明中，为状态更新信息提供两类初始路由方式：一类是直达路由，即，状态更新信息直接从水声传感节点通过该节点与汇聚节点的链路发送给汇聚节点，该类路由中的源节点为所述水声传感节点、下一跳及目的节点均为汇聚节点；第二类是通过中继转发，即，选择水声传感节点的一个邻居节点作为中继节点，水声传感节点将状态更新信息发送给该邻居节点，该邻居节点再发送给汇聚节点，该类路由中的源节点为所述水声传感节点、下一跳为中继节点，目的节点为汇聚节点。因此，在确定初始路由的步骤中，先通过每个水声传感节点到汇聚节点的链路可靠性与链路可靠性阈值相比较，确定每个水声传感节点的初始路由是上述初始路由的哪一个类别，当确定初始路由为通过中继转发时，再进而从水声传感节点对应的邻居节点中，根据每个所述水声传感节点到汇聚节点的链路可靠性、每个所述水声传感节点到其对应的邻居节点的链路可靠性、每个所述水声传感节点的峰值信息年龄以及每个所述水声传感节点与其对应的邻居节点间的能量方差，确定初始路由中具体的中继节点。本发明中，通过每个水声传感节点同时分布式计算本节点满足链路可靠性和峰值信息年龄要求、以及能量方差最低的初始路由，不仅使得所选路由是链路可靠性、峰值信息年龄和能耗协同优化的路由，还可以有效加快下一阶段路由更新的速度，使其更快收敛。
此外，具体的，本发明中，链路可靠性可以通过链路正向信息发送成功率与反向确认信息发送成功率之积计算得到，即有
Figure BDA0003259676720000051
公式中，自然数i、j分别表示链路i-j的源节点和目的节点，
Figure BDA0003259676720000052
表示从链路的源节点i向目的节点j发送大小为X字节的状态更新信息时的正向信息发送成功率，
Figure BDA0003259676720000053
表示从链路的目的节点j向源节点i发送大小为A字节的确认(ACK)信息时的反向确认信息发送成功率；而正向信息发送成功率可以通过公式
Figure BDA0003259676720000054
确定，其中，erfc(·)表示互补误差函数，SNRij是链路i-j的信噪比，可以通过公式
Figure BDA0003259676720000055
确定，公式中
Figure BDA0003259676720000056
表示源节点的水声发射功率(以dB re 1μPa为单位)，Nf表示水下噪声，Lij(dij，f) 是以节点i为源节点、j为目的节点的水声链路的路径损耗，dij是链路i-j的距离，f是水声链路的中心频率，BN是噪声带宽，R是水声传感调制解调器的数据速率；同理，反向确认信息发送成功率可以通过公式
Figure BDA0003259676720000057
确定，式中参数的确定方法类似于
Figure BDA0003259676720000058
中参数的确定方法。
水声传感节点的峰值信息年龄可以通过以下方法确定：
令自然数i表示某一水声传感节点，自然数N表示所述节点在统计时间段内已经成功送给汇聚节点的状态更新信息数量，自然数n(1≤n≤N)表示所述节点成功发送给汇聚节点的第n个状态更新信息，实数Si，n-1、Si，n分别表示第n-1、n个成功发送的状态更新信息在源节点i的产生时刻，则第n个状态更新信息的峰值信息年龄为AoIi，n＝Si，n-Si，n-1+Yi，n，其中，Yi，n表示第n个成功发送的状态更新信息的网络延迟，通过
Figure BDA0003259676720000059
获取，其中，
Figure BDA00032596767200000510
表示数据发送延迟，
Figure BDA00032596767200000511
表示传输延迟；
所述数据发送延迟进一步通过
Figure BDA00032596767200000512
确定，即，当所述节点i直接向汇聚节点K发送状态更新信息时，通过
Figure BDA00032596767200000513
确定，当所述节点i通过邻居节点j向汇聚节点K发送状态更新信息时，通过
Figure BDA00032596767200000514
确定，其中，tX表示所述状态更新信息的单次发送时长，通过tX＝X/R获取，这里，X表示该信息的大小，R 表示水声传感调制解调器的数据速率；
所述传输延迟进一步通过
Figure BDA0003259676720000061
确定，其中，c表示水声传播速率；
上述公式中，λiK、λij、λjK分别表示从节点i向汇聚节点K、从节点i向中继节点j、从中继节点j向汇聚节点K重复发送第n个产生于节点i的状态更新信息的次数，分别通过公式λiK＝1/γiK、λij＝1/γij和λjK＝1/γjK确定，这里，γiK、γij和γjK分别表示对应链路的可靠性。
以及，所述水声传感节点与任意邻居节点间的能量方差可以通过以下公式确定：Vi，j＝(Ei-(Ei+Ej)/2)2+(Ej-(Ei+Ej)/2)2，其中，自然数i表示所述节点，自然数j 表示所述节点的任意邻居节点，Ei和Ej分别表示所述节点与所述邻居节点为了将产生于节点 i的信息成功发送给汇聚节点所需消耗的能量，分别通过公式
Figure BDA0003259676720000062
和
Figure BDA0003259676720000063
确定，其中，
Figure BDA0003259676720000064
和
Figure BDA0003259676720000065
分别表示节点 i的发射和接收功率，
Figure BDA0003259676720000066
和
Figure BDA0003259676720000067
分别表示节点j的发射和接收功率。
进一步的，计算所述水声通信网络的网络寿命，并根据所述网络寿命，将各所述水声传感节点的初始路由更新为更新路由，包括：
根据每个所述水声传感节点的初始路由计算所述水声通信网络的网络寿命，并根据所计算的网络寿命，从每个所述水声传感节点对应的邻居节点中确定一个优化邻居，对应标记为每个所述水声传感节点的新中继节点；
根据所标记的每个所述水声传感节点的新中继节点，将各所述水声传感节点的初始路由更新为更新路由，所述更新路由包括所述水声传感节点、所述新中继节点和所述汇聚节点。
进一步的，根据每个所述水声传感节点的初始路由计算所述水声通信网络的网络寿命，并根据所计算的网络寿命，从每个所述水声传感节点对应的邻居节点中确定一个优化邻居，对应标记为每个所述水声传感节点的新中继节点，包括：
接收来自每个所述水声传感节点对应的邻居节点的初始路由；
根据每个所述水声传感节点对应的邻居节点的初始路由，对每个所述水声传感节点的初始路由进行初步更新，得到每个所述水声传感节点的初步更新路由；
根据每个所述水声传感节点的初步更新路由，计算所述水声通信网络的网络寿命；
判断在每个所述水声传感节点对应的邻居节点中，是否存在一个能使所述网络寿命增大的优化邻居，
若存在，生成每个所述水声传感节点的路由更新竞争信息，每个所述水声传感节点的路由更新竞争信息包括，所述水声传感节点、所述水声传感节点对应的优化邻居、所述汇聚节点，以及所述水声传感节点以对应的优化邻居作为中继节点后所计算的新网络寿命；
若不存在，继续执行接收来自每个所述水声传感节点对应的邻居节点的初始路由；
接收来自每个所述水声传感节点对应的邻居节点的路由更新竞争信息；
判断每个所述水声传感节点的路由更新竞争信息中的新网络寿命，是否大于所有所接收的邻居节点的路由更新竞争信息中的新网络寿命，
若是，则将所述优化邻居标记为对应所述水声传感节点的新中继节点，
若否，则继续执行接收来自每个所述水声传感节点对应的邻居节点的初始路由。
本发明中，每个所述水声传感节点在确定链路可靠性、初始路由、路由竞争信息等多种信息时，可以在水声通信网络中进行广播，以及同时接收其他邻居节点广播的信息，从而实现各水声传感节点间路由信息的交互，有效实现网络中各节点协同配合，提升路由更新的效率。此外，本发明中对每个所述水声传感节点的初始路由进行初步更新的步骤具体可以包括：将所接收到的邻居节点的初始路由与所述水声传感节点的初始路由进行比较：当a)存在新路由，即，所接收到的邻居节点的初始路由中包含所述水声传感节点的初始路由中没有的源节点-目的节点对，则将该新路由添加进所述水声传感节点的初始路由中；b)存在更新的路由，即，所述水声传感节点的初始路由中已包含所接收到的邻居节点的初始路由的源节点-目的节点对，但下一跳信息不同，则将该更新的初始路由替换原来的初始路由；c)路由不变，即，所接收到的路由已存在于所述水声传感节点的初始路由中，包括源节点、下一跳和目的节点都相同，则保持原路由不变。本发明中，通过多次迭代的‘搜索能使网络寿命增大的优化路由->通过路由更新竞争信息的方式确定全局优化的路由->将该路由作为该次迭代更新的路由’的方式，一方面各节点同时计算，加快了全局优化路由查找的时间，另一方面，以网络寿命最大化为优化目标进行迭代搜索，最终可获得全网最优化的路由，使得网络寿命最大化。
进一步的，在根据每个所述水声传感节点对应的邻居节点的初始路由，对每个所述水声传感节点的初始路由进行初步更新，得到初步更新路由之后，根据每个所述水声传感节点的初步更新路由，计算所述水声通信网络的网络寿命之前，还包括：
判断路由更新周期是否到达，
若是，启动路由更新竞争窗口计时器，再继续执行根据每个所述水声传感节点的初步更新路由，计算所述水声通信网络的网络寿命，
若否，继续执行接收来自每个所述水声传感节点对应的邻居节点的初始路由；
在接收来自每个所述水声传感节点对应的邻居节点的路由更新竞争信息之后，判断每个所述水声传感节点的路由更新竞争信息中的新网络寿命，是否大于所有所接收的邻居节点的路由更新竞争信息中的新网络寿命之前，还包括：
判断路由更新竞争窗口计时器是否超时，
若是，继续执行判断每个所述水声传感节点的路由更新竞争信息中的新网络寿命，是否大于所有所接收的邻居节点的路由更新竞争信息中的新网络寿命，
若否，继续执行接收来自每个所述水声传感节点对应的邻居节点的初始路由。
此外，本发明在更新路由过程中，还设置了路由更新竞争窗口计时器，避免了水声传感节点因等待来自链路可靠性低的节点的路由更新竞争信息的超长等待延迟，提高了路由更新的时间效率，同时，本发明通过在路由更新周期到达下才进行路由更新的方式，有效避免了频繁路由更新所带来的额外开销。
进一步的，计算所述水声通信网络的网络寿命，包括：
计算每个水声传感节点的节点寿命；
接收并转发每个水声传感节点对应的邻居节点的节点寿命；
比较每个所述水声传感节点的节点寿命以及所接收的邻居节点的节点寿命，将最小的节点寿命作为所述水声通信网络的网络寿命。
具体的，本发明中，计算每个水声传感节点的节点寿命，包括：
1)通过公式
Figure BDA0003259676720000081
计算所述节点成功发送一个本地信息状态更新信息所消耗的能量，其中自然数i表示所述节点，Z表示以所述节点为源节点的信息状态更新路由信息里的下一跳所指向的节点，λiZ表示从节点i向节点Z重复发送一个产生于节点i的状态更新信息的次数，
Figure BDA0003259676720000082
和
Figure BDA0003259676720000083
分别表示所述节点i的发射和接收功率，tX表示所述状态更新信息的单次发送时长，tA表示确认信息从节点Z发送到节点i的时长；2)用
Figure BDA0003259676720000084
计算所述节点成功转发邻居节点的单个信息状态更新信息所消耗的能量，其中，
Figure BDA0003259676720000091
表示所述信息状态更新路由表中下一跳是所述节点i的路由所对应的源节点集合，数学符号Σ表示求和，
Figure BDA0003259676720000092
和
Figure BDA0003259676720000093
分别表示节点i 的发射和接收功率，tX表示状态更新信息的单次发送时长，tA表示确认信息的发送时长；3) 用
Figure BDA0003259676720000094
计算在统计单位时间间隔内所述节点休眠所消耗的能量，其中，Psdb表示休眠状态下的功率，
Figure BDA0003259676720000095
表示在统计单位时间间隔内所述节点i的休眠时长，进一步通过
Figure BDA0003259676720000096
获取，这里，ΔT表示统计单位时间的时长，
Figure BDA0003259676720000097
表示所述节点i成功发送一个本地状态更新信息以及接收到确认信息的时长，可用
Figure BDA0003259676720000098
获取，
Figure BDA0003259676720000099
表示所述节点成功转发邻居节点的单个信息状态更新信息的时长，包括发送信息的时长、向源节点发送确认信息的时长和接收来自汇聚节点的确认信息的时长，可用
Figure BDA00032596767200000910
获取；4)将上述所消耗能量之和作为所述节点在统计单位时间间隔内的能量消耗，即，
Figure BDA00032596767200000911
5)将所述节点当前可用的能量与其在统计单位时间间隔内的能量消耗的比值与统计单位时间时长之积作为所述节点当前的剩余网络寿命，即，
Figure BDA00032596767200000912
6)将当前时刻与所述节点当前的剩余网络寿命之和作为所述节点寿命，即，
Figure BDA00032596767200000913
这里，t表示当前时刻。
进一步的，所述网路状态包括所述水声通信网络中每个水声传感节点的节点寿命、峰值信息年龄、以及网络链路状态，所述网络链路状态包括链路的连接、链路可靠性；
判断所监测的所述网络状态是否发生变化，包括：
判断每个所述水声传感节点的节点寿命是否低于节点寿命阈值，若是，则判定所述网络状态发生变化，若否，则继续判断每个所述水声传感节点的平均峰值信息年龄是否高于峰值信息年龄阈值，若是，则判定所述网络状态发生变化，若否，则进一步判断每个所述水声传感节点的链路可靠性变化量是否大于链路可靠性变化量阈值，若是，则判定所述网络状态发生了变化，若否，则判定所述网络状态没有发生变化。
另一方面，本发明还提供了一种基于峰值信息年龄的水声通信路由确定系统，包括：
网络启动模块，用于启动水声通信网络，所述水声通信网络包括若干水声传感节点以及汇聚节点；
初始路由确定模块，用于计算各所述水声传感节点间的链路可靠性、峰值信息年龄以及能量方差，并根据所计算的链路可靠性、峰值信息年龄以及能量方差，确定各所述水声传感节点的初始路由；
更新路由模块，用于计算所述水声通信网络的网络寿命，并根据所述网络寿命，将各所述水声传感节点的初始路由更新为更新路由；
网络状态监测模块，用于周期性监测所述水声通信网络的网络状态；
网络状态变化判断模块，用于判断所监测的所述网络状态是否发生变化。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
1、本发明公开的水声通信路由确定方法考虑了水声传感节点的链路可靠性、峰值信息年龄、能量方差等对水下状态更新信息传递的影响，通过在链路可靠性和峰值信息年龄都满足要求的邻居节点中选择能量方差最低的邻居节点作为初始路由中信息转发的中继节点，可以加快下一阶段寻找更新优化路由的速度，进一步通过以网络寿命最大化为目标进行优化邻居节点的搜索，从而对初始路由进行迭代更新优化，有效为水下状态更新信息提供峰值信息年龄保障，满足水下状态更新信息的新鲜度要求，同时最大化网络寿命；
2、本发明中，各水声传感节点同时进行计算，以及各节点与邻居节点之间能够进行信息交互，可以实现通信网络中各节点分布式计算及有效协同，降低对单个节点的计算性能要求，提升路由确定及更新效率，此外，本发明中，在路由更新周期到达下才进行路由的更新，有效避免了频繁路由更新所带来的额外开销，以及设置路由更新竞争窗口计时器，避免了水声传感节点因等待来自链路可靠性低的节点的路由更新竞争信息的超长等待延迟，进一步提升路由更新的效率。
附图说明
图1为本发明方法流程图。
图2为本发明方法步骤S102具体流程图。
图3为本发明方法步骤S103具体流程图。
图4为本发明方法步骤S103中计算所述水声通信网络的网络寿命具体流程图。
图5为本发明中系统结构示意图。
图6为本发明适用的水声通信网络模型示意图。
附图说明：网络启动模块100，初始路由确定模块200，更新路由模块300，网络状态监测模块400，网络状态变化判断模块500。
具体实施方式
本发明附图仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制。为了更好说明以下实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
本实施例中方法及系统可适用于如图6所示的水声通信网络模型中，所述水声通信网络中包括若干个水声传感节点和一个汇聚节点，水声传感节点随机地分布在水下的水声通信网络覆盖范围内，汇聚节点位于水声通信网络中心的水面上。水声传感节点感知水下信息状态，当水下状态发生更新后，需要通过水声通信网络将状态更新信息发送给汇聚节点，由汇聚节点进一步处理，例如，通过陆上通信系统发送给监测中心。水声传感节点到汇聚节点的距离具有差异性，水声通信信道的链路可靠性也具有动态性和异构性，为了成功将状态更新信息发送给汇聚节点，所述信息可能需要重复发送多次，而信息传输距离、重复发送次数等对信息新鲜度有重要影响。不仅如此，水声传感节点是能量受限的，发送状态更新信息、接收确认信息等都需要消耗能量，当某个水声节点能量耗尽，那么可以认为网络寿命也到期了。为了延长网络寿命，提高状态更新信息的信息新鲜度，拟为状态更新信息提供两类路由，一类是直达路由，即，由状态更新信息的源节点直接通过源节点与汇聚节点的链路发送给汇聚节点；第二类是通过中继转发，即，选择一个邻居节点，源节点将所述状态更新信息发送给该邻居节点，邻居节点再直接发送给汇聚节点，因此，本发明实施例中，水声传感节点根据自己的链路可靠性以及通过网络广播等方式获取的其它邻居节点的链路可靠性、峰值信息年龄、能量消耗等信息确定状态更新信息的路由，即，确定是选择第一类路由(直达路由)或第二类路由(通过中继节点转发)，如果选择第二类路由，进一步确定下一跳节点(中继节点)，使得状态更新信息按所述路由转发，提高网络寿命，为状态更新信息提供峰值信息年龄保障。
实施例1
如图1所示，本实施例提供一种基于峰值信息年龄的水声通信路由确定方法，包括以下步骤：
S101：启动水声通信网络，所述水声通信网络包括若干水声传感节点以及汇聚节点；
S102：计算各所述水声传感节点间的链路可靠性、峰值信息年龄以及能量方差，并根据所计算的链路可靠性、峰值信息年龄以及能量方差，确定各所述水声传感节点的初始路由，各所述水声传感节点的初始路由为各所述水声传感节点分别到所述汇聚节点的路由；
S103：计算所述水声通信网络的网络寿命，并根据所述网络寿命，将各所述水声传感节点的初始路由更新为更新路由；
S104：周期性监测所述水声通信网络的网络状态；
S105：判断所监测的所述网络状态是否发生变化，若是，继续执行S103，若否，继续执行S104。
进一步的，所述网路状态包括所述水声通信网络中每个水声传感节点的节点寿命、峰值信息年龄、以及网络链路状态，所述网络链路状态包括链路的连接、链路可靠性；
所述步骤S105中，判断所监测的所述网络状态是否发生变化，包括：
判断每个所述水声传感节点的节点寿命是否低于节点寿命阈值，若是，则判定所述网络状态发生变化，若否，则继续判断每个所述水声传感节点的平均峰值信息年龄是否高于峰值信息年龄阈值，若是，则判定所述网络状态发生变化，若否，则进一步判断每个所述水声传感节点的链路可靠性变化量是否大于链路可靠性变化量阈值，若是，则判定所述网络状态发生了变化，若否，则判定所述网络状态没有发生变化。
实施例2
本实施例在实施例1的基础上，对其中子步骤进行进一步拓展。
进一步的，如图2所示，所述步骤S102包括：
S201：计算每个所述水声传感节点到汇聚节点的链路可靠性、每个所述水声传感节点到其对应的邻居节点的链路可靠性、每个所述水声传感节点的峰值信息年龄以及每个所述水声传感节点到其对应的邻居节点的能量方差；
S202：判断所述水声传感节点i(
Figure BDA0003259676720000121
表示所述水声通信网络中的水声传感节点集合) 到汇聚节点K的链路可靠性γiK是否低于链路可靠性阈值γTh，若是，继续执行S202，若否，继续执行S206；
S203：判断每个所述水声传感节点i对应的邻居节点
Figure BDA0003259676720000122
(
Figure BDA0003259676720000123
表示节点i对应的邻居节点集合)中，是否存在一个邻居节点j同时满足条件a、b、c、d：
条件a：所述水声传感节点i到所述邻居节点j的链路可靠性γij不低于链路可靠性阈值γTh，即满足γij≥γTh，
条件b：所述邻居节点j到所述汇聚节点K的链路可靠性γjK不低于链路可靠性阈值γTh，即满足γjK≥γTh，
条件c：所述水声传感节点i的峰值信息年龄AoIi，n不高于信息年龄的阈值AoITh，即AoIi，n≤AoITh成立，这里，n表示节点i产生的拟发送给汇聚节点的水下状态更新信息的序号，
条件d：所述水声传感节点i与所述邻居节点j间的能量方差Vi，j不高于所述水声传感节点i与其它邻居节点
Figure BDA0003259676720000131
j′≠j间的能量方差Vi，j′，即对所有
Figure BDA0003259676720000132
j′≠j，Vi，j≤Vi，j′成立，
若存在同时满足条件a、b、c、d的邻居节点，继续执行步骤S203，若不存在同时满足条件a、b、c、d的邻居节点，继续执行步骤S204；
S204：将所述满足条件a、b、c、d的邻居节点j标记为对应所述水声传感节点i的中继节点NH，即令NH＝j，继续执行步骤S205；
S205：将到每个所述水声传感节点i的链路可靠性最高的邻居节点j″标记为对应所述水声传感节点i的中继节点NH(其中，
Figure BDA0003259676720000133
表示链路可靠性最高的邻居节点，arg max(·)表示最大值函数的反函数)，即令NH＝j″，继续执行步骤S205；
S206：根据所标记的每个所述水声传感节点i的中继节点NH，确定每个所述水声传感节点i的初始路由Ri＝<source:i,next_hop:NH，destination:K>，所述初始路由包括源节点：水声传感节点i、下一跳：中继节点NH、目的节点：汇聚节点K；
S207：确定所述水声传感节点i的初始路由Ri＝<source:i,next_hop:K,destination:K>，所述初始路由包括源节点：水声传感节点i、下一跳：汇聚节点K、目的节点：汇聚节点K。
此外，具体的，本实施例中，链路可靠性可以通过链路正向信息发送成功率与反向确认信息发送成功率之积计算得到，即有
Figure BDA0003259676720000134
公式中，自然数i、j分别表示链路i-j的源节点和目的节点，
Figure BDA0003259676720000135
表示从链路的源节点i向目的节点j发送大小为X字节的状态更新信息时的正向信息发送成功率，
Figure BDA0003259676720000136
表示从链路的目的节点j向源节点i 发送大小为A字节的确认(ACK)信息时的反向确认信息发送成功率；而正向信息发送成功率可以通过公式
Figure BDA0003259676720000137
确定，其中，erfc(·)表示互补误差函数，SNRij是链路i-j的信噪比，可以通过公式
Figure BDA0003259676720000141
确定，公式中
Figure BDA0003259676720000142
表示源节点的水声发射功率(以dB re 1μ Pa为单位)，Nf表示水下噪声， Lij(dij，f)是以节点i为源节点、j为目的节点的水声链路的路径损耗，dij是链路i-j的距离， f是水声链路的中心频率，BN是噪声带宽，R是水声传感调制解调器的数据速率；同理，反向确认信息发送成功率可以通过公式
Figure BDA0003259676720000143
确定，式中参数的确定方法类似于
Figure BDA0003259676720000144
中参数的确定方法。
水声传感节点的峰值信息年龄可以通过以下方法确定：
令自然数i表示某一水声传感节点，自然数N表示所述节点在统计时间段内已经成功送给汇聚节点的状态更新信息数量，自然数n(1≤n≤N)表示所述节点成功发送给汇聚节点的第n个状态更新信息，实数Si，n-1、Si，n分别表示第n-1、n个成功发送的状态更新信息在源节点i的产生时刻，则第n个状态更新信息的峰值信息年龄为AoIi，n＝Si，n-Si，n-1+Yi，n，其中，Yi，n表示第n个成功发送的状态更新信息的网络延迟，通过
Figure BDA0003259676720000145
获取，其中，
Figure BDA0003259676720000146
表示数据发送延迟，
Figure BDA0003259676720000147
表示传输延迟；
所述数据发送延迟进一步通过
Figure BDA0003259676720000148
确定，即，当所述节点i直接向汇聚节点K发送状态更新信息时，通过
Figure BDA0003259676720000149
确定，当所述节点i通过邻居节点j向汇聚节点K发送状态更新信息时，通过
Figure BDA00032596767200001410
确定，其中，tX表示所述状态更新信息的单次发送时长，通过tX＝X/R获取，这里，X表示该信息的大小，R 表示水声传感调制解调器的数据速率；
所述传输延迟进一步通过
Figure BDA00032596767200001411
确定，其中，c表示水声传播速率；
上述公式中，λiK、λij、λjK分别表示从节点i向汇聚节点K、从节点i向中继节点j、从中继节点j向汇聚节点K重复发送第n个产生于节点i的状态更新信息的次数，分别通过公式λiK＝1/γiK、λij＝1/γij和λjK＝1/γjK确定，这里，γiK、γij和γjK分别表示对应链路的可靠性。
以及，所述水声传感节点与任意邻居节点间的能量方差可以通过以下公式确定：Vi，j＝(Ei-(Ei+Ej)/2)2+(Ej-(Ei+Ej)/2)2，其中，自然数i表示所述节点，自然数j 表示所述节点的任意邻居节点，Ei和Ej分别表示所述节点与所述邻居节点为了将产生于节点 i的信息成功发送给汇聚节点所需消耗的能量，分别通过公式
Figure BDA0003259676720000151
和
Figure BDA0003259676720000152
确定，其中，
Figure BDA0003259676720000153
和
Figure BDA0003259676720000154
分别表示节点 i的发射和接收功率，
Figure BDA0003259676720000155
和
Figure BDA0003259676720000156
分别表示节点j的发射和接收功率。
实施例3
本实施例在实施例1、2的基础上，对其中子步骤进行进一步拓展。
进一步的，如图3所示，所述S103包括：
S301：接收来自每个所述水声传感节点
Figure BDA0003259676720000157
对应的邻居节点
Figure BDA0003259676720000158
的初始路由
Figure BDA0003259676720000159
S302：根据每个所述水声传感节点
Figure BDA00032596767200001510
对应的邻居节点
Figure BDA00032596767200001511
的初始路由
Figure BDA00032596767200001512
对每个所述水声传感节点i的初始路由
Figure BDA00032596767200001513
进行初步更新，得到每个所述水声传感节点i的初步更新路由
Figure BDA00032596767200001514
其中，对每个所述水声传感节点的初始路由进行初步更新的步骤具体可以包括：将所接收到的邻居节点的初始路由Rx＝<source:x,next_hop:y,destination:K>，
Figure BDA00032596767200001515
与所述水声传感节点的初始路由
Figure BDA00032596767200001516
进行比较：当a)存在新路由，即，所接收到的邻居节点的初始路由中包含所述水声传感节点的初始路由中没有的源节点-目的节点对，也就是
Figure BDA00032596767200001517
Figure BDA00032596767200001518
则将该新路由添加进所述水声传感节点的初始路由中，即
Figure BDA00032596767200001519
b)存在更新的路由，即，所述水声传感节点的初始路由中已包含所接收到的邻居节点的初始路由的源节点-目的节点对，但下一跳信息不同，例如
Figure BDA00032596767200001520
但 Rm与Rx相比，next_hop不同，则将该更新的初始路由替换原来的初始路由，即，用Rx替换 Rm；c)路由不变，即，所接收到的路由已存在于所述水声传感节点的初始路由中，包括源节点、下一跳和目的节点都相同，则保持原路由不变；
S303：判断路由更新周期是否到达，若是，继续执行S304，若否，继续执行S301；
S304：启动路由更新竞争窗口计时器，继续执行S305；
S305：根据每个所述水声传感节点的初步更新路由
Figure BDA00032596767200001521
计算所述水声通信网络的网络寿命T；
S306：判断在每个所述水声传感节点对应的邻居节点中，是否存在一个能使所述网络寿命增大的优化邻居j*，
若存在，继续执行S307，若不存在，继续执行S301；
S307：生成每个所述水声传感节点i的路由更新竞争信息
Figure BDA0003259676720000161
Figure BDA0003259676720000162
每个所述水声传感节点i的路由更新竞争信息
Figure BDA0003259676720000163
包括，源节点：水声传感节点i、下一跳：优化邻居j*、目的节点：汇聚节点K、以及新网络寿命：水声传感节点i以对应的优化邻居j*作为中继节点后所计算的新网络寿命T′i；
S308：接收来自每个所述水声传感节点对应的邻居节点j的路由更新竞争信息
Figure BDA0003259676720000164
Figure BDA0003259676720000165
S309：判断路由更新竞争窗口计时器是否超时，若是，继续执行S310，若否，继续执行 S308；
S310：判断每个所述水声传感节点的路由更新竞争信息
Figure BDA0003259676720000166
中的新网络寿命T′i，是否大于所有所接收的邻居节点的路由更新竞争信息
Figure BDA0003259676720000167
中的新网络寿命T′j，
Figure BDA0003259676720000168
且j≠i，即判断T′i＝maxj∈vT′j是否成立，
若是，则继续执行S311，
若否，则继续执行S301；
S311：将所述优化邻居j*标记为对应所述水声传感节点的新中继节点，根据所标记的每个所述水声传感节点的新中继节点，将各所述水声传感节点的初始路由更新为更新路由 Ri＝<source:i，next_hop:j*，destination:K>，所述更新路由包括源节点：水声传感节点i、下一跳：优化邻居j*、目的节点：汇聚节点K。
实施例4
本实施例在实施例1、2、3的基础上，对其中子步骤进行进一步拓展。
进一步的，如图4所示，所述步骤S103中计算所述水声通信网络的网络寿命，包括：
S401：计算每个水声传感节点i的节点寿命Li；
具体的，计算每个水声传感节点i的节点寿命Li，包括：
1)通过公式
Figure BDA0003259676720000171
计算所述节点成功发送一个本地信息状态更新信息所消耗的能量，其中自然数i表示所述节点，Z表示以所述节点为源节点的信息状态更新路由信息里的下一跳所指向的节点，λiZ表示从节点i向节点Z重复发送一个产生于节点i的状态更新信息的次数，
Figure BDA0003259676720000172
和
Figure BDA0003259676720000173
分别表示所述节点i的发射和接收功率，tX表示所述状态更新信息的单次发送时长，tA表示确认信息从节点Z发送到节点i的时长；2)用
Figure BDA0003259676720000174
计算所述节点成功转发邻居节点的单个信息状态更新信息所消耗的能量，其中，
Figure BDA0003259676720000175
表示所述信息状态更新路由表中下一跳是所述节点i的路由所对应的源节点集合，数学符号∑表示求和，
Figure BDA0003259676720000176
和
Figure BDA0003259676720000177
分别表示节点i 的发射和接收功率，tX表示状态更新信息的单次发送时长，tA表示确认信息的发送时长；3) 用
Figure BDA0003259676720000178
计算在统计单位时间间隔内所述节点休眠所消耗的能量，其中，Psdb表示休眠状态下的功率，
Figure BDA0003259676720000179
表示在统计单位时间间隔内所述节点i的休眠时长，进一步通过
Figure BDA00032596767200001710
获取，这里，ΔT表示统计单位时间的时长，
Figure BDA00032596767200001711
表示所述节点i成功发送一个本地状态更新信息以及接收到确认信息的时长，可用
Figure BDA00032596767200001712
获取，
Figure BDA00032596767200001713
表示所述节点成功转发邻居节点的单个信息状态更新信息的时长，包括发送信息的时长、向源节点发送确认信息的时长和接收来自汇聚节点的确认信息的时长，可用
Figure BDA00032596767200001714
获取；4)将上述所消耗能量之和作为所述节点在统计单位时间间隔内的能量消耗，即，
Figure BDA00032596767200001715
5)将所述节点当前可用的能量与其在统计单位时间间隔内的能量消耗的比值与统计单位时间时长之积作为所述节点当前的剩余网络寿命，即，
Figure BDA00032596767200001716
6)将当前时刻与所述节点当前的剩余网络寿命之和作为所述节点寿命，即，
Figure BDA00032596767200001717
这里，t表示当前时刻；
S402：接收并转发每个水声传感节点对应的邻居节点的节点寿命；
S403：比较每个所述水声传感节点的节点寿命以及所接收的邻居节点的节点寿命，将最小的节点寿命作为所述水声通信网络的网络寿命，即满足
Figure BDA00032596767200001718
实施例5
如图5所示，本实施例提供了一种基于峰值信息年龄的水声通信路由确定系统，所述系统可以设置在水声传感节点上，包括：
网络启动模块100，用于启动水声通信网络，所述水声通信网络包括若干水声传感节点以及汇聚节点；
初始路由确定模块200，用于计算各所述水声传感节点间的链路可靠性、峰值信息年龄以及能量方差，并根据所计算的链路可靠性、峰值信息年龄以及能量方差，确定各所述水声传感节点的初始路由；
更新路由模块300，用于计算所述水声通信网络的网络寿命，并根据所述网络寿命，将各所述水声传感节点的初始路由更新为更新路由；
网络状态监测模块400，用于周期性监测所述水声通信网络的网络状态；
网络状态变化判断模块500，用于判断所监测的所述网络状态是否发生变化。
所述系统的工作过程如下：网络启动模块100启动水声通信网络后，初始路由确定模块 200根据计算的链路可靠性、峰值信息年龄以及能量方差，确定各所述水声传感节点的初始路由，然后将初始路由输入更新路由模块300，更新路由模块300基于网络寿命更新路由，此后，网络状态监测模块400周期性监测网络状态变化，通过网络状态变化判断模块500判断网络状态是否发生变化，当网络状态发生变化时，通过更新路由模块300进行路由更新，其中各模块具体实现方法如实施例1-4所示。
实施例6
本实施例提供一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述实施例1-4中基于峰值信息年龄的水声通信路由确定方法的步骤。
实施例7
本实施例提供一种存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述实施例1-4中基于峰值信息年龄的水声通信路由确定方法的步骤。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明技术方案所作的举例，而并非是对本发明的具体实施方式的限定。凡在本发明权利要求书的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于峰值信息年龄的水声通信路由确定方法，其特征在于，包括以下步骤：
启动水声通信网络，所述水声通信网络包括若干水声传感节点以及汇聚节点；
计算各所述水声传感节点间的链路可靠性、峰值信息年龄以及能量方差，并根据所计算的链路可靠性、峰值信息年龄以及能量方差，确定各所述水声传感节点的初始路由，各所述水声传感节点的初始路由为各所述水声传感节点分别到所述汇聚节点的路由；
计算所述水声通信网络的网络寿命，并根据所述网络寿命，将各所述水声传感节点的初始路由更新为更新路由；
周期性监测所述水声通信网络的网络状态；
判断所监测的所述网络状态是否发生变化，若是，继续执行计算所述水声通信网络的网络寿命，并根据所述网络寿命，将各所述水声传感节点的更新路由再更新一次，若否，继续执行周期性监测所述水声通信网络的网络状态。
2.根据权利要求1所述的一种基于峰值信息年龄的水声通信路由确定方法，其特征在于，计算各所述水声传感节点间的链路可靠性、峰值信息年龄以及能量方差，并根据所计算的链路可靠性、峰值信息年龄以及能量方差，确定各所述水声传感节点的初始路由，包括：
计算每个所述水声传感节点到汇聚节点的链路可靠性、每个所述水声传感节点到其对应的邻居节点的链路可靠性、每个所述水声传感节点的峰值信息年龄以及每个所述水声传感节点到其对应的邻居节点的能量方差；
根据每个所述水声传感节点到汇聚节点的链路可靠性、每个所述水声传感节点到其对应的邻居节点的链路可靠性、每个所述水声传感节点的峰值信息年龄以及每个所述水声传感节点到其对应的邻居节点的能量方差，从每个所述水声传感节点对应的邻居节点中确定一个，对应标记为每个所述水声传感节点的中继节点；
根据所标记的每个所述水声传感节点的中继节点，确定每个所述水声传感节点的初始路由，所述初始路由包括所述水声传感节点、所述中继节点和所述汇聚节点。
3.根据权利要求2所述的一种基于峰值信息年龄的水声通信路由确定方法，其特征在于，根据每个所述水声传感节点到汇聚节点的链路可靠性、每个所述水声传感节点到其对应的邻居节点的链路可靠性、每个所述水声传感节点的峰值信息年龄以及每个所述水声传感节点与其对应的邻居节点间的能量方差，从每个所述水声传感节点对应的邻居节点中确定一个，对应标记为每个所述水声传感节点的中继节点，包括：
判断每个所述水声传感节点对应的邻居节点中，是否存在一个邻居节点同时满足条件a、b、c、d：
条件a：所述水声传感节点到所述邻居节点的链路可靠性不低于链路可靠性阈值，
条件b：所述邻居节点到所述汇聚节点的链路可靠性不低于链路可靠性阈值，
条件c：所述水声传感节点的峰值信息年龄不高于信息年龄的阈值，
条件d：所述水声传感节点与所述邻居节点间的能量方差不高于所述水声传感节点与其它邻居节点间的能量方差，
若存在同时满足条件a、b、c、d的邻居节点，则将所述满足条件a、b、c、d的邻居节点标记为对应所述水声传感节点的中继节点；
若不存在同时满足条件a、b、c、d的邻居节点，则将到每个所述水声传感节点的链路可靠性最高的邻居节点标记为对应所述水声传感节点的中继节点。
4.根据权利要求3所述的一种基于峰值信息年龄的水声通信路由确定方法，其特征在于，根据每个所述水声传感节点到汇聚节点的链路可靠性、每个所述水声传感节点到其对应的邻居节点的链路可靠性、每个所述水声传感节点的峰值信息年龄以及每个所述水声传感节点与其对应的邻居节点间的能量方差，从每个所述水声传感节点对应的邻居节点中确定一个，对应标记为每个所述水声传感节点的中继节点之前，还包括：
判断所述水声传感节点到汇聚节点的链路可靠性是否低于链路可靠性阈值，
若是，则根据所述水声传感节点到汇聚节点的链路可靠性、所述水声传感节点到其对应的邻居节点的链路可靠性、每个所述水声传感节点的峰值信息年龄以及每个所述水声传感节点与其对应的邻居节点间的能量方差，从所述水声传感节点对应的邻居节点中确定一个，对应标记为所述水声传感节点的中继节点；
若否，则确定所述水声传感节点的初始路由包括所述水声传感节点和所述汇聚节点。
5.根据权利要求1所述的一种基于峰值信息年龄的水声通信路由确定方法，其特征在于，计算所述水声通信网络的网络寿命，并根据所述网络寿命，将各所述水声传感节点的初始路由更新为更新路由，包括：
根据每个所述水声传感节点的初始路由计算所述水声通信网络的网络寿命，并根据所计算的网络寿命，从每个所述水声传感节点对应的邻居节点中确定一个优化邻居，对应标记为每个所述水声传感节点的新中继节点；
根据所标记的每个所述水声传感节点的新中继节点，将各所述水声传感节点的初始路由更新为更新路由，所述更新路由包括所述水声传感节点、所述新中继节点和所述汇聚节点。
6.根据权利要求5所述的一种基于峰值信息年龄的水声通信路由确定方法，其特征在于，根据每个所述水声传感节点的初始路由计算所述水声通信网络的网络寿命，并根据所计算的网络寿命，从每个所述水声传感节点对应的邻居节点中确定一个优化邻居，对应标记为每个所述水声传感节点的新中继节点，包括：
接收来自每个所述水声传感节点对应的邻居节点的初始路由；
根据每个所述水声传感节点对应的邻居节点的初始路由，对每个所述水声传感节点的初始路由进行初步更新，得到每个所述水声传感节点的初步更新路由；
根据每个所述水声传感节点的初步更新路由，计算所述水声通信网络的网络寿命；
判断在每个所述水声传感节点对应的邻居节点中，是否存在一个能使所述网络寿命增大的优化邻居，
若存在，生成每个所述水声传感节点的路由更新竞争信息，每个所述水声传感节点的路由更新竞争信息包括，所述水声传感节点、所述水声传感节点对应的优化邻居、所述汇聚节点，以及所述水声传感节点以对应的优化邻居作为中继节点后所计算的新网络寿命；
若不存在，继续执行接收来自每个所述水声传感节点对应的邻居节点的初始路由；
接收来自每个所述水声传感节点对应的邻居节点的路由更新竞争信息；
判断每个所述水声传感节点的路由更新竞争信息中的新网络寿命，是否大于所有所接收的邻居节点的路由更新竞争信息中的新网络寿命，
若是，则将所述优化邻居标记为对应所述水声传感节点的新中继节点，
若否，则继续执行接收来自每个所述水声传感节点对应的邻居节点的初始路由。
7.根据权利要求6所述的一种基于峰值信息年龄的水声通信路由确定方法，其特征在于，在根据每个所述水声传感节点对应的邻居节点的初始路由，对每个所述水声传感节点的初始路由进行初步更新，得到初步更新路由之后，根据每个所述水声传感节点的初步更新路由，计算所述水声通信网络的网络寿命之前，还包括：
判断路由更新周期是否到达，
若是，启动路由更新竞争窗口计时器，再继续执行根据每个所述水声传感节点的初步更新路由，计算所述水声通信网络的网络寿命，
若否，继续执行接收来自每个所述水声传感节点对应的邻居节点的初始路由；
在接收来自每个所述水声传感节点对应的邻居节点的路由更新竞争信息之后，判断每个所述水声传感节点的路由更新竞争信息中的新网络寿命，是否大于所有所接收的邻居节点的路由更新竞争信息中的新网络寿命之前，还包括：
判断路由更新竞争窗口计时器是否超时，
若是，继续执行判断每个所述水声传感节点的路由更新竞争信息中的新网络寿命，是否大于所有所接收的邻居节点的路由更新竞争信息中的新网络寿命，
若否，继续执行接收来自每个所述水声传感节点对应的邻居节点的初始路由。
8.根据权利要求1所述的一种基于峰值信息年龄的水声通信路由确定方法，其特征在于，计算所述水声通信网络的网络寿命，包括：
计算每个水声传感节点的节点寿命；
接收并转发每个水声传感节点对应的邻居节点的节点寿命；
比较每个所述水声传感节点的节点寿命以及所接收的邻居节点的节点寿命，将最小的节点寿命作为所述水声通信网络的网络寿命。
9.根据权利要求1所述的一种基于峰值信息年龄的水声通信路由确定方法，其特征在于，所述网路状态包括所述水声通信网络中每个水声传感节点的节点寿命、峰值信息年龄、以及网络链路状态，所述网络链路状态包括链路的连接、链路可靠性；
判断所监测的所述网络状态是否发生变化，包括：
判断每个所述水声传感节点的节点寿命是否低于节点寿命阈值，若是，则判定所述网络状态发生变化，若否，则继续判断每个所述水声传感节点的平均峰值信息年龄是否高于峰值信息年龄阈值，若是，则判定所述网络状态发生变化，若否，则进一步判断每个所述水声传感节点的链路可靠性变化量是否大于链路可靠性变化量阈值，若是，则判定所述网络状态发生了变化，若否，则判定所述网络状态没有发生变化。
10.一种基于峰值信息年龄的水声通信路由确定系统，其特征在于，包括：
网络启动模块，用于启动水声通信网络，所述水声通信网络包括若干水声传感节点以及汇聚节点；
初始路由确定模块，用于计算各所述水声传感节点间的链路可靠性、峰值信息年龄以及能量方差，并根据所计算的链路可靠性、峰值信息年龄以及能量方差，确定各所述水声传感节点的初始路由；
更新路由模块，用于计算所述水声通信网络的网络寿命，并根据所述网络寿命，将各所述水声传感节点的初始路由更新为更新路由；
网络状态监测模块，用于周期性监测所述水声通信网络的网络状态；
网络状态变化判断模块，用于判断所监测的所述网络状态是否发生变化。
CN202111068856.9A 2021-09-13 2021-09-13 一种基于峰值信息年龄的水声通信路由确定方法及系统 Active CN113783628B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202111068856.9A CN113783628B (zh) 2021-09-13 2021-09-13 一种基于峰值信息年龄的水声通信路由确定方法及系统

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202111068856.9A CN113783628B (zh) 2021-09-13 2021-09-13 一种基于峰值信息年龄的水声通信路由确定方法及系统

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN113783628A true CN113783628A (zh) 2021-12-10
CN113783628B CN113783628B (zh) 2022-07-15

Family

ID=78843045

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202111068856.9A Active CN113783628B (zh) 2021-09-13 2021-09-13 一种基于峰值信息年龄的水声通信路由确定方法及系统

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN113783628B (zh)

Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6914877B1 (en) * 1999-09-30 2005-07-05 Lucent Technologies Inc. System for alerting a network of changes in operational status of communication links
CN103986648A (zh) * 2014-05-06 2014-08-13 安徽理工大学 一种基于链路稳定性和能量感知物联网路由修复方法
CN106604346A (zh) * 2016-11-29 2017-04-26 河南科技大学 无线传感器网络能量有效机会路由协议的实现方法
CN106992932A (zh) * 2017-05-10 2017-07-28 天津大学 一种能耗均衡的水声网络路由建立方法
CN108809443A (zh) * 2018-05-24 2018-11-13 华中科技大学 一种基于多智能体强化学习的水下光通信网络路由方法
CN110768909A (zh) * 2019-11-07 2020-02-07 吉林大学 一种水声通信网络中的路由方法及装置
CN111049743A (zh) * 2019-12-13 2020-04-21 厦门大学 一种联合优化的水声多跳协作通信网络路由选择方法
CN113141592A (zh) * 2021-04-11 2021-07-20 西北工业大学 一种长生命周期的水声传感器网络自适应多路径路由机制

Patent Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6914877B1 (en) * 1999-09-30 2005-07-05 Lucent Technologies Inc. System for alerting a network of changes in operational status of communication links
CN103986648A (zh) * 2014-05-06 2014-08-13 安徽理工大学 一种基于链路稳定性和能量感知物联网路由修复方法
CN106604346A (zh) * 2016-11-29 2017-04-26 河南科技大学 无线传感器网络能量有效机会路由协议的实现方法
CN106992932A (zh) * 2017-05-10 2017-07-28 天津大学 一种能耗均衡的水声网络路由建立方法
CN108809443A (zh) * 2018-05-24 2018-11-13 华中科技大学 一种基于多智能体强化学习的水下光通信网络路由方法
CN110768909A (zh) * 2019-11-07 2020-02-07 吉林大学 一种水声通信网络中的路由方法及装置
CN111049743A (zh) * 2019-12-13 2020-04-21 厦门大学 一种联合优化的水声多跳协作通信网络路由选择方法
CN113141592A (zh) * 2021-04-11 2021-07-20 西北工业大学 一种长生命周期的水声传感器网络自适应多路径路由机制

Also Published As

Publication number Publication date
CN113783628B (zh) 2022-07-15

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP3248418B1 (en) Network of nodes, battery-powered node and method for managing battery-powered node
Wahid et al. Eedbr: Energy-efficient depth-based routing protocol for underwater wireless sensor networks
Zhang et al. A link-state based adaptive feedback routing for underwater acoustic sensor networks
CN108809443B (zh) 一种基于多智能体强化学习的水下光通信网络路由方法
CN111049743B (zh) 一种联合优化的水声多跳协作通信网络路由选择方法
Chen et al. QMCR: A Q-learning-based multi-hop cooperative routing protocol for underwater acoustic sensor networks
Chen et al. ACOA-AFSA fusion dynamic coded cooperation routing for different scale multi-hop underwater acoustic sensor networks
Zhu et al. A reinforcement-learning-based opportunistic routing protocol for energy-efficient and Void-Avoided UASNs
CN111901088B (zh) 水下传感器自组网多路径传输纠删编码块分配方法和装置
CN113438667B (zh) 基于IM-kmeans集群路由策略延长水下无线传感器网络寿命的方法
Bouk et al. Delay tolerance in underwater wireless communications: A routing perspective
Coutinho et al. A joint anypath routing and duty-cycling model for sustainable underwater sensor networks
Khalid et al. Comparison of localization free routing protocols in underwater wireless sensor networks
Patil et al. Stochastic modeling of depth based routing in underwater sensor networks
Han et al. FCLR: Fuzzy control-based layering routing protocol for underwater acoustic networks
Ismail et al. A novel routing protocol for underwater wireless sensor networks based on shifted energy efficiency and priority
CN111641990B (zh) 高数据包投递率与能量有效性的水声传感器网络传输方法
Ragavi et al. A Novel Hybridized Cluster‐Based Geographical Opportunistic Routing Protocol for Effective Data Routing in Underwater Wireless Sensor Networks
CN113783628B (zh) 一种基于峰值信息年龄的水声通信路由确定方法及系统
CN115002865B (zh) 基于q学习和数据分级的水声网络动态计算簇头路由方法
Alghamdi et al. A novel geo-opportunistic routing algorithm for adaptive transmission in underwater internet of things
Bansal et al. Energy-efficient multilevel clustering protocol for underwater wireless sensor networks
Morozs et al. Routing strategies for dual-hop TDA-MAC: Trade-off between network throughput and reliability
Pavitra et al. A Survival Study on Flooding Based Routing Protocols for Underwater Wireless Sensor Networks (UWSNs)
Kamaruddin et al. An energy efficient void avoidance opportunistic routing protocol for underwater sensor

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant