CN113810974A - 一种水下光传感器的路由方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于无线通信技术领域,提供了一种水下光传感器的路由方法。通过求解相邻节点坐标系转换公式,并在数据转发的过程中进行坐标转换,实现了远距离节点的定位。然后采用向量转发机制,通过旋转节点的指向,进而控制请求转发方向,实现路由发现和维护。本发明提出了一种利用坐标系转换,实现数据转发过程中远距离节点间定位的方法,并在此基础上,提供了一种水下光传感器路由方法。由于整个路由过程是按需定向单播的,且路由路径是近似直线的。因此相比于其他水下的路由方法,可以实现较低的能耗和时延。
Description
技术领域
本发明属于无线通信技术领域,尤其涉及一种水下光传感器的路由方法。
背景技术
水下光通信技术具有能耗低、带宽高、速率快、时延低、造价低廉等优点,可以弥补水声和水下射频通信的不足。近年来水下光通信技术逐渐成为研究的热点问题之一。
目前大多数水下传感器路由技术的研究旨在解决水下全向路由问题,且需要目的节点的全局位置信息。水下的定位精度较低,为了获得全局位置信息,需要大量昂贵的水声设备实现声定位,成本较高。而本发明则设计了一种新的方法实现了局部坐标系下远距离节点的定位。降低了对水下全局位置信息的需要,减少了水下光通信系统的成本。并在此基础上,提供了一种适用于水下光传感器网络的路由方案。
发明内容
针对现有技术存在的问题,本发明提供了一种水下光传感器的路由方法,用于实现水下高速稳定低成本的通信。
本发明的技术方案:
一种水下光传感器的路由方法,步骤如下:
(1)基于坐标系转换的远距离节点定位:由于每一个节点都有一个自身的本地坐标系,且坐标系的坐标轴方向不一定同向,所以数据转发的过程中涉及到坐标系的转换问题。通过二维坐标系的旋转和平移变换,建立相邻节点坐标系转换模型,通过当前节点、上一跳节点,和他们的公共邻居解出相邻节点坐标系间的坐标转换公式。然后将请求中携带的发送节点位置信息转化为本地坐标系下的位置,并按照向量转发的方式继续转发。不断重复上述步骤,使得转发路径中所有节点都有到发送节点的位置信息;
所述相邻节点坐标系的转换模型如下所示:
P′=A(α)B(a,b)P
其中P和P′是分别是两个坐标系的公共节点在两个坐标系下的齐次坐标,A(α)是两个坐标系的旋转矩阵,α是坐标系旋转的角度,可表示为:
B(a,b)是两个坐标系的平移矩阵,(a,b)是坐标系的位移,可表示为:
(2)基于向量的请求转发:每个请求都有一个来自于发送节点的指向向量,和发送节点的位置,根据发送节点的位置和路由表中邻居的位置计算出发送节点到邻居的一个方向向量,根据指向向量和上述求得的方向向量计算出向量夹角,并选择发送节点到当前节点的距离小于发送节点到邻居节点的距离且向量夹角最小的节点作为最终的下一跳节点;
(3)按需旋转路由机制:每个节点都有一个自身的逻辑指向,该逻辑指向方向可用与本地坐标系x轴夹角β表示,当节点需要请求到目的节点的路由时,根据β分别计算四个方向请求的指向向量。然后按照上述向量请求转发方式分别发送并转发路由请求。经过预期传输时间t秒后,旋转节点使其逻辑指向加θ,并继续重发路由请求,直到收到路由回复后,根据路由回复计算目的节点相对于发送节点的位置向量,将节点的逻辑指向调整为目的节点所在的方向,并进入路由维护阶段,若某一时刻,路由失效,根据路由表中现存的目的节点的位置向量,调整节点逻辑指向为路由表中现有的目的节点所在方向角度减θ,并重复上述步骤;
所述四个方向请求的指向向量如下所示:
direction1=(cos(β),sin(β))
direction2=(sin(β),-cos(β))
direction3=(-cos(β),-sin(β))
direction4=(-sin(β),cos(β))
所述的预期传输时间t计算方法如下所示:
其中,n表示部署节点的数量,td是节点的预期处理时延;
所述的旋转角度θ计算方法如下所示:
其中,d表示节点的通信范围,r是节点部署区域的半径;
本发明的有益效果:本发明提出了一种利用坐标系转换,实现数据转发过程中远距离节点间定位的方法,并在此基础上,提供了一种水下光传感器路由方法。由于整个路由过程是按需定向单播的,且路由路径是近似直线的。因此相比于其他水下的路由方法,可以实现较低的能耗和时延。
附图说明
图1为本发明所述水下光传感器的网络通信场景示意图;
图2为本发明路由算法的流程图。
图3为本发明实施例的路由算法示意图;
图4为本发明实施例的局部坐标系转换示意图;
图5为本发明实施例的向量转发和请求发送节点位置传递示意图;
图6为本发明实施例的旋转路由示意图;
具体实施方式
为了使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将结合本发明实施例的附图,对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整的描述。显然,所描述的实施例是本发明的一部分实施例,而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例,本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
一种水下光学无线传感器的路由方法,应用于水下光传感器节点的通信。如图1所示,该网络由地面站、水面汇聚节点、定向的光传感器组成。水面上的汇聚节点是浮动的,负责接收从传感器收集的数据,并将这些信息传播给移动站或岸上站。每个节点都分布在深度相差不大的一层海面中并使用一个光收发器发送和转发一些特定传感器的传感数据。此外当潜水员深水作业时,也可通过手持水下光通信设备,照射水下的光传感器,实现远距离高速可靠的水下通信。由于光具有定向性,无法进行全向的洪泛,而且受海流影响,光传感器节点可能会发生移动。传感器节点需要不断的调整自身的指向来选择最佳的路径,以实现更好的通信服务(最大化网络的吞吐量和交付率)。同时还要考虑水下节点的能耗损失和时延。并尽可能减少数据转发和路由过程所造成的能耗损失。
图2为本发明实施例的发送节点路由过程的流程图。如图2所示,本发明实施例提供了这一种水下光传感器网络路由通信的方法,包括:
步骤101,节点定期闪烁,根据收到的光的方向、光强和时延确定邻居节点位于本地坐标系的位置;
步骤102,当节点请求的地址不在路由表中时,进行路由请求阶段,根据向量转发和坐标转换机制定期旋转节点逐跳发送路由请求;
步骤103,当某个收到路由请求的节点存在到目的节点的路由时,进入路由回复阶段,然后分别向发送节点和目的节点发送路由回复,并通过坐标系转换机制更新目的节点位置信息;
步骤104,当发送节点收到来自目的节点的回复时,一条到目的节点的路径就建立了,并进入路由维护阶段,通过目的节点的位置信息进行路由维护,以应对水下节点移动性对链路质量的影响。
在本发明实施例中,首先,由于受海流作用的影响,水下节点的位置是实时变化的。另外由于光的定向性,需要保证收发端的对准。所以需要通过101步骤的水下光传感器节点定期闪烁,实现邻居发现,并将该本地位置信息记录在路由表中。
当节点需要发送数据时,其路由算法的处理流程如图3所示,如果路由表中存在到目的节点的有效路由的话,按照该路径转发。如果存在但路由失效,将节点的指向对准已有的目的节点的方向,然后顺时针偏转角度θ,发送路由请求。否则,正常发送路由请求。
由于每一个节点都有一个自身的局部水平坐标系,且坐标系的坐标轴方向不一定同向,所以路由请求在转发的过程中涉及到坐标系的转换问题。二维坐标系的转换有旋转和平移两种,如图4所示,基坐标系下xoy一点P(px,py),把坐标系平移(a,b),然后又旋转α1度得到新的坐标系x″o″y″。则新坐标系下P点坐标(X1″,Y1″)满足下列公式:
其中A(α1)是两个坐标系的旋转矩阵,α是坐标系旋转的角度,可表示为:
B(a,b)是两个坐标系的平移矩阵,(a,b)是坐标系的位移,可表示为:
通过当前节点、上一跳节点,和他们的公共邻居解出相邻节点坐标系间的坐标转换公式。然后将请求中携带的原始发送节点位置信息转化为本地坐标系下的位置。并按照向量转发的方式继续转发,然后重复上述步骤,最终转发路径中所有节点都有到目的节点的位置信息。
具体的向量转发过程,如图5所示,A1是发送路由请求的节点,它有一个原始指向A1x,当其继续转发时,由于光通信是定向的,无法像全向路由那样进行洪泛,源节点的初始指向,就决定了请求的发送方向,为了最大化利用这个方向信息,请求的传递方向也是沿着请求的初始发送方向进行传递的。A1有B1,I,J,K三个邻居,分别计算A1I、A1B1、A1J、A1K与原始指向向量A1x的夹角,选择邻居节点到发送节点距离大于上一跳节点到发送节点距离且向量夹角最小的节点作为下一跳节点进行转发。A1选择B1作为下一跳,B1收到路由请求后,计算坐标转换公式,将路由请求中携带的A1坐标系下A1的坐标(0,0)转换成B1坐标系下的后续同理,实现了节点位置信息的传递与转换,降低了对水下全局位置信息的需要,减少了水下组网系统的成本。
由于初始时节点间的指向并不是对准的,所以采用了旋转搜索的机制。如图6所示,每个传感器节点在发送请求时都设置了定时器,经过预期传输时间t秒后,没有收到路由回复的话,将节点的逻辑指向逆时针旋转一定角度,并重新发送路由请求。由于这种请求方式是定向单播且近似直线传播的,所以路由的路径近似最短路径,且相比水下大部分的机会路由,因为避免了大量无关节点的接收处理。所以降低了能耗和时延,提高了吞吐量。
所述的预期传输时间t计算方法如下所示:
其中,n表示部署节点的数量,td是节点的预期处理时延;
受海流影响,水下节点的位置随时间而变化,为了抵御这种节点移动性对网络链路质量的影响,每个数据包,在发送之前,添加一个数据包头,其中记录目的节点位于发送节点坐标系下的位置,并且该位置信息随着数据包发送转发的过程中不断更新。当某个节点到目的节点的路由信息失效时,根据当前数据包头携带的目的节点的位置信息,继续进行转发,并向原发送节点发送路由错误的消息,收到该错误消息的原发送节点,调整节点逻辑指向为路由表中现有的目的节点所在方向角度减θ,并重新路由。其中θ计算方法如下所示:
其中,d表示节点的通信范围,r是节点部署区域的半径;
综上所述:本发明提出了一种基于本地坐标系间的变换和向量转发的旋转路由协议,实现了水下光传感器网络的高速稳定通信。
由于该路由协议获取到的路径近似最短路径,且避免了大量无关节点参与转发。所以降低了能耗和时延。此外,减少了对水下全局位置信息的需要,降低了水下光通信系统的成本。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解,本发明不受上述实施例的限制,上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理,在不脱离本发明精神和范围的前提下,本发明还会有各种变化和改进,这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (1)
1.一种水下光传感器的路由方法,其特征在于,步骤如下:
(1)基于坐标系转换的远距离节点定位:由于每一个节点都有一个自身的本地坐标系,且坐标系的坐标轴方向不一定同向,所以数据转发的过程中需要坐标系的转换;通过二维坐标系的旋转和平移变换,建立相邻节点坐标系转换模型,通过当前节点、上一跳节点,和他们的公共邻居解出相邻节点坐标系间的坐标转换公式;然后将请求中携带的发送节点位置信息转化为本地坐标系下的位置,并按照向量转发的方式继续转发;不断重复上述步骤,使得转发路径中所有节点都有到目的节点的位置信息;
所述相邻节点坐标系的转换模型如下所示:
P′=A(α)B(a,b)P
其中,P和P′分别是两个坐标系的公共节点在两个坐标系下的齐次坐标,A(α)是两个坐标系的旋转矩阵,α是坐标系旋转的角度,表示为:
B(a,b)是两个坐标系的平移矩阵,(a,b)是坐标系的位移,表示为:
(2)基于向量的请求转发:每个请求都有一个来自于发送节点的指向向量和发送节点的位置,根据发送节点的位置和路由表中邻居的位置计算出发送节点到邻居的一个方向向量,根据指向向量和上述求得的方向向量计算出向量夹角,并选择发送节点到当前节点的距离小于发送节点到邻居节点的距离且向量夹角最小的节点作为最终的下一跳节点;
(3)按需旋转路由机制:每个节点都有一个自身的逻辑指向,该逻辑指向方向用与本地坐标系x轴夹角β表示,当节点需要请求到目的节点的路由时,根据β分别计算四个方向请求的指向向量;然后分别按照上述指向向量请求转发方式发送并转发路由请求;经过预期传输时间t秒后,旋转节点使其逻辑指向加θ,并继续重发路由请求,直到收到路由回复后,根据路由回复计算目的节点相对于发送节点的位置向量,将节点的逻辑指向调整为目的节点所在的方向,并进入路由维护阶段,若某一时刻,路由失效,根据路由表中现存的目的节点的位置向量,调整节点逻辑指向为路由表中现有的目的节点所在方向角度减θ,并重复上述步骤;
所述的请求的指向向量如下所示:
direction1=(cos(β),sin(β))
direction2=(sin(β),-cos(β))
direction3=(-cos(β),-sin(β))
direction4=(-sin(β),cos(β))
所述的预期传输时间t计算方法如下所示:
其中,n表示部署节点的数量,td是节点的预期处理时延;
所述的旋转角度θ计算方法如下所示:
其中,d表示节点的通信范围,r是节点部署区域的半径。
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