CN114585046A - 一种海洋环境监测水声网络路由方法 - Google Patents

一种海洋环境监测水声网络路由方法 Download PDF

Info

Publication number
CN114585046A
CN114585046A CN202210058878.5A CN202210058878A CN114585046A CN 114585046 A CN114585046 A CN 114585046A CN 202210058878 A CN202210058878 A CN 202210058878A CN 114585046 A CN114585046 A CN 114585046A
Authority
CN
China
Prior art keywords
node
route
routing
neighbor
underwater acoustic
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.)
Pending
Application number
CN202210058878.5A
Other languages
English (en)
Inventor
童峰
周跃海
陈东升
杨逍宇
郑思远
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.)
Xiamen University
Original Assignee
Xiamen 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 Xiamen University filed Critical Xiamen University
Priority to CN202210058878.5A priority Critical patent/CN114585046A/zh
Publication of CN114585046A publication Critical patent/CN114585046A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • 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
    • H04W40/246—Connectivity information discovery
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04L—TRANSMISSION OF DIGITAL INFORMATION, e.g. TELEGRAPHIC COMMUNICATION
    • H04L45/00—Routing or path finding of packets in data switching networks
    • H04L45/22—Alternate routing
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04L—TRANSMISSION OF DIGITAL INFORMATION, e.g. TELEGRAPHIC COMMUNICATION
    • H04L45/00—Routing or path finding of packets in data switching networks
    • H04L45/32—Flooding
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04L—TRANSMISSION OF DIGITAL INFORMATION, e.g. TELEGRAPHIC COMMUNICATION
    • H04L45/00—Routing or path finding of packets in data switching networks
    • H04L45/54—Organization of routing tables
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04L—TRANSMISSION OF DIGITAL INFORMATION, e.g. TELEGRAPHIC COMMUNICATION
    • H04L45/00—Routing or path finding of packets in data switching networks
    • H04L45/74—Address processing for routing
    • H04L45/742—Route cache; Operation thereof
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04L—TRANSMISSION OF DIGITAL INFORMATION, e.g. TELEGRAPHIC COMMUNICATION
    • H04L45/00—Routing or path finding of packets in data switching networks
    • H04L45/74—Address processing for routing
    • H04L45/745—Address table lookup; Address filtering
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04W—WIRELESS COMMUNICATION NETWORKS
    • H04W4/00—Services specially adapted for wireless communication networks; Facilities therefor
    • H04W4/30—Services specially adapted for particular environments, situations or purposes
    • H04W4/38—Services specially adapted for particular environments, situations or purposes for collecting sensor information
    • 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
    • H04W40/24—Connectivity information management, e.g. connectivity discovery or connectivity update
    • H04W40/248—Connectivity information update
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04W—WIRELESS COMMUNICATION NETWORKS
    • H04W84/00—Network topologies
    • H04W84/18—Self-organising networks, e.g. ad-hoc networks or sensor networks
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04B—TRANSMISSION
    • H04B11/00—Transmission systems employing sonic, ultrasonic or infrasonic waves
    • 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
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02D—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN INFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGIES [ICT], I.E. INFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGIES AIMING AT THE REDUCTION OF THEIR OWN ENERGY USE
    • Y02D30/00—Reducing energy consumption in communication networks
    • Y02D30/70—Reducing energy consumption in communication networks in wireless communication networks

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
  • Signal Processing (AREA)
  • Data Exchanges In Wide-Area Networks (AREA)
  • Telephonic Communication Services (AREA)
  • Mobile Radio Communication Systems (AREA)

Abstract

本发明提供一种水声网络认知路由方法，水声网络节点在路由发现阶段以及后续的数据传输阶段，通过传输数据和监听邻居节点的方式，获取多条路由信息；在数据传输阶段，利用链路质量认知进行路由优选；在链路断开时，节点首先利用本地路由信息进行路由修复，只有当所有路径都断开时节点才进行反馈报错，节省反馈报错的开销以及重新进行路由查找的开销。本发明结合海洋环境监测的场景特点，综合采用数据交互、监听方式获得对信道、网络链路质量的认知进行路由优化，从而进一步提高水声网络路由效率、降低路由开销。

Description

一种海洋环境监测水声网络路由方法
技术领域
本发明属于无线传感器网络路由技术领域，尤其涉及一种海洋环境监测水声网络路由方法。
背景技术
随着海洋开发、海洋工程、环境监测等领域对水下信息获取与传输的需求日益提升，水声网络技术得到了各国广泛重视。水声网络路由是指水声网络节点传输数据时的路径选择与优化方法，也是进行网络信息多跳传输的前提，路由是否优化对水声网络的能量消耗、端到端时延等多方面的性能有直接的影响，因此是水声网络重要的研究方向之一。目前水声网络路由的主要研究集中在均衡网络能耗、延长网络生存周期等方面。
水声网络作为一类无固定设置支持的Ad Hoc(Ad Hoc On-Demand DistanceVector)网络，AODV路由协议作为一种典型的Ad Hoc网络路由方法得到广泛研究和应用。相比于其他类型的路由协议，AODV路由协议无需周期性进行路由表维护，只要在通信时才建立路由，相对主动路由协议来说大幅的减少路由开销，并且AODV路由协议仅需要保存相邻节点的信息，极大的降低了存储容量；可对拓扑结构的快速变化做出应答，具有良好的扩展性，也可以通过序列号避免产生路由环路。具有收敛速度快，路由开销小的优点。
考虑到水声网络典型的应用场景为海洋数据收集，即多个传感节点获得的数据向汇聚节点(sink节点)传输，由sink节点完成网络数据收集。在此场景下，网络节点均需维护到sink节点的路由，这也使得各网络节点可以通过监听邻居通信的方式，获取多条到达sink节点的路径并由此进行路由优选。但是，多路径路由也会造成维护开销增大；同时，AODV路由协议是基于最短距离或最小跳数的路由协议，而在水声网络条件下最短距离、最小跳数路由往往并非最佳路由。在AODV路由的基础上，国内外研究者提出了多种利用不同方面信息进行路由优化的路由方法。
参考文献1(J.Qadir,U.Ullah,B.Sainz-De-Abajo,B.G.Zapirain,G.Marques andI.de la Torre Diez,"Energy-Aware and Reliability-Based Localization-FreeCooperative Acoustic Wireless Sensor Networks,"in IEEE Access,vol.8,pp.121366-121384,2020,doi:10.1109/ACCESS.2020.3006194)提出一种EPACA(energypath and channel aware)路由协议，根据剩余能量、数据包历史、最小距离和误比特率构造权重函数，选择最佳转发候选节点。
参考文献2(Qadar J,Khan A,Mahmood H.DNAR:Depth and Noise Aware Routingfor Underwater Wireless Sensor Networks[J].Springer,Cham,2018)提出一种DNAR(Depth and Noise Aware Routing)路由协议，根据节点深度和噪声构造权重函数，选择最佳转发候选路由。
参考文献3(S.Basagni,C.Petrioli,R.Petroccia,and D.Spaccini,``CARP:Achannelaware routing protocol for underwater acoustic wireless networks,”AdHoc Netw.,vol.34,pp.92 104,Nov.2015)提出一种CARP(Channel-aware RoutingProtocol)路由协议，根据剩余能量和数据包传输历史进行路由优化。
参考文献4(Ziaur R,Fazirulhisyam H,Rasid M,et al.Totally opportunisticrouting algorithm(TORA)for underwater wireless sensor network[J].PLoS ONE,2018,13(6):e0197087)提出一种TORA(Totally opportunistic routing algorithm)路由协议，依据剩余能量和节点距离设置延迟回复时间。
上述水声网络路由方案采用基于节点周围环境噪声级、数据包传输历史、节点剩余能量等信息进行路由优化，并不能准确反映水声信道、网络链路的变化情况，因此在网络负载上升、信道条件变化等情况下路由优化往往无法及时响应，严重影响水声网络路由性能；同时，针对海洋环境监测应用背景的数据搜集型网络，大量网络控制、状态数据包携带了各节点到中心节点信道状态信息，上述协议未对这类数据包携带的信息进行有效利用。因此，从认知路由优化角度，面向海洋环境监测网络场景，上述水声网络路由协议未能充分利用水声网络节点通信过程可提供的信息，尚有性能提升潜力可供挖掘。
发明内容
基于上述问题，本发明提出一种面向海洋环境监测场景的水声网络认知路由方法，包括：
路由发现：通过洪泛的方式获取sink节点路由；通过监听邻居节点的路由请求回复(RREP)消息或邻居节点转发到sink节点的数据消息获得备选路由；
路由表管理：以不同邻居节点作为区分，同时记录多条路由，每个节点的缓存中配置有用于记录sink节点的路由信息的路由表，路由表中存储的信息包括节点ID、跳数、下游节点、状态和更新时间；
路由维护：数据传输阶段，节点利用链路质量认知进行路由优选，链路质量由路由表信息确定；节点判定邻居节点对应的路由失效，则将路由表中的状态项标记为断开，判定邻居节点对应的路由失效的方式包括邻居节点发送路由请求消息(RREQ)且目的节点为sink节点、长时间未收到邻居节点的任何消息或与邻居节点连续通信失败；节点监听到邻居节点的正常通信且信号的认知参数满足传输要求，则将其状态更改为正常；路由表中状态为断开的邻居节点不参与路由选择。
优选地，路由发现具体包括：在路由请求(RREQ)包中预留一段空白内容，所有收到并且转发其复制版本的中间节点，将当前节点的地址和通信时的链路信息记录在这段内容中；在路由请求回复(RREP)包中也对链路信息进行记录，并连同RREQ中的链路信息一起返回；邻居节点通过监听RREP获取到sink节点的路由信息并记录，形成备选路由；广播RREQ消息时，节点只对最先到达的RREQ进行相应。
优选地，路由表中存储的信息具体包括：
a)节点ID：所有邻居节点ID；
b)跳数：所述邻居节点向sink节点传输数据需要经过的跳数；
c)下游节点：当前节点接收到邻居节点传输来的中继任务时，标记所述邻居节点的下游节点ID；
d)状态：标记与邻居节点的链路状态，所述状态包括正常、断开、链路不对称以及节点不活跃；
e)更新时间：当前节点接收到邻居节点的任何消息时，将本地时间填入更新时间。
优选地，在传输数据过程中，如果当前节点监听到邻居节点有转发到sink节点数据包的行为，则同样记录所述邻居节点的路由信息，形成备选路由。
优选地，当路由链路断开时，节点首先使用所述备选路由进行传输；当当前节点不存在所述备选路由但收到需要转发的数据包时，当前节点采用本地修复的方式进行路由修复，同时进行路由报错，沿着数据包中的路由链路反向传递路由报错(RRER)消息；此时下游节点静默，并采用监听的方式获取路由；接收到RREQ消息的节点认为发送所述RREQ消息的邻居节点不存在到sink节点的路由，并将所述的邻居节点的跳数标记为负数以示区分。
优选地，在数据传输阶段，节点利用链路质量认知进行路由优选。
优选地，在传输数据的内容中添加从源节点至当前节点的信息，当前节点根据历史传输信息来判断是否出现路由环路。
优选地，路由发现过程中，当sink节点发生碰撞、路由发现过程无法进行时，中间节点使用本地路由表缓存中的路由信息进行路由回复。
优选地，节点在收到RREQ分组时延时发送RREP或者转发RREQ。具体地，延时时间D＝Hn,其中H是一个一跳内的时延常数，n是一个范围为[0,x]的随机整数，x与邻居节点数量相关。
本发明提供的水声网络认知路由方法，水声网络节点在路由发现阶段以及后续的数据传输阶段，通过传输数据和监听邻居节点的方式，获取多条路由信息；在数据传输阶段，利用链路质量认知进行路由优选；在链路断开时，节点首先利用本地路由信息进行修复，只有当所有路径都断开时节点才进行反馈报错，节省反馈报错的开销以及重新进行路由查找的开销。考虑到海洋环境监测水声网络路由协议的主要任务是发现和维护通往sink节点的路由，而网络中传递的路由消息绝大多数是与sink节点有关的状态、控制消息，通过监听这些消息获取信道特性进行节点自身路由优化，从而减少网络整体的路由优化开销。本发明结合海洋环境监测的场景特点，综合采用数据交互、监听方式获得对信道、网络链路质量的认知进行路由优化，从而进一步提高水声网络路由效率、降低路由开销。
附图说明
附图帮助进一步理解本申请。为了便于描述，附图中仅示出了与有关发明相关的部分。
图1为一实施例中水声网络认知路由协议方法示意图；
图2为一实施例中水声网络认知路由协议路由发现与回复流程示意图；
图3为一实施例中路由发现广播引起数据冲突的过程示意图；
图4为一实施例中水声网络认知路由方案的处理流程图；
图5为一实施例中小规模水声网络拓扑结构示意图；
图6为一实施例中网络投递率随网络负载变化情况对比图；
图7为一实施例中平均端到端时延随网络负载变化情况对比图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本申请作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。
图1为一实施例中水声网络认知路由协议方法示意图。在路由发现方面，本实施例通过洪泛的方式获取sink节点路由；通过监听邻居节点的路由请求回复(RREP)消息或邻居节点转发到sink节点的数据消息获得备选路由。在路由表管理方面，本实施例以不同邻居节点作为区分，同时记录多条路由，每个节点的缓存中配置有用于记录sink节点的路由信息的路由表，路由表中存储的信息包括节点ID、跳数、下游节点、状态和更新时间。在路由维护方面，本实施例中，数据传输阶段，节点利用链路质量认知进行路由优选，链路质量由路由表信息确定；当节点判定邻居节点对应的路由失效，则将路由表中的状态项标记为断开，判定邻居节点对应的路由失效的方式包括邻居节点发送路由请求消息(RREQ)且目的节点为sink节点、长时间未收到邻居节点的任何消息或与邻居节点连续通信失败；节点监听到邻居节点的正常通信且信号的认知参数满足传输要求，则将其状态更改为正常；路由表中状态为断开的邻居节点不参与路由选择。
以下通过一实施例描述本发明的路由发现过程。在网络初始化以及路由发现阶段，通过洪泛的方式查找到sink节点路由。在本实施例的认知路由协议中，在路由请求(RREQ)包中预留一段空白内容，所有收到并且转发其复制版本的中间节点，将自己的地址和通信时的链路状况记录在这段内容中。与此对应，在路由请求回复(RREP)包中也对链路信息进行记录，并连同RREQ中的链路信息一起返回。这样一方面可以识别出单向链路，另一方面所记录的链路状况信息给源节点提供了一个关于链路的整体信息，作为最初路由选择的标准。其他相邻节点通过监听RREP获取到sink节点的路径、跳数和整体链路质量信息，这样可以避免重复的路由发现过程。类似地，在传输数据的过程中，如果节点监听到邻居有转发到sink节点数据包的行为，那么也可以判断邻居节点拥有到sink节点的路由。节点将所有拥有到sink节点路由的邻居进行记录，形成备选多路径，这是水声网络认知路由协议进行路由优选的基础。
图2为一个具体实施例中水声网络认知路由协议路由发现与回复流程示意图。如图2所示，当网络中节点S不存在到sink节点D的路由时，即广播RREQ消息进行路由发现。如图2(b)所示，本实施例中，利用节点的监听机制，所有收到RREP的节点都获得了到达sink节点D的路由，提高了消息的使用效率。
本实施例中，虽然有多个节点同时收到RREQ消息，但是为了防止重复广播，节点只对最先到达的RREQ进行响应。图2(a)中的虚线表示虽然节点接收到RREQ，但是最终并未能形成路由。
以下通过一实施例描述本发明的路由发现过程可能引起的数据冲突和解决方案。
其一，当源节点有多个邻居节点，且它们也都没有到目的节点的路径时，路由发现的过程极易引起传输冲突。如图3(a)所示，当节点B、C、D收到节点A的RREQ广播后立即转发，那么在目的节点E处就可能产生碰撞导致路由发现过程无法进行下去。此时，根据本实施例中的认知路由方法，中间节点可以使用本地路由表缓存中的路由信息进行路由回复。
其二，当源节点的多个邻居节点都有到sink节点的路由，那么这些邻居节点都会向源节点回复一个RREP分组，这样很容易造成碰撞并且浪费带宽，对于数据汇聚型的水声网络这种情况更加严重。如图3(b)所示，节点B，C，D都收到了来自节点A的RREQ分组，并且它们本地都缓存有到目的节点E的路由，所以它们可能会在同一时间向节点A发送RREP分组，这将会导致RREP分组发生碰撞。此时，根据本实施例中的认知路由方法，节点在收到RREQ分组延时一段时间发送RREP或者转发RREQ。考虑到碰撞的原因在于附近有节点同时进行发送，碰撞的概率与邻居节点的密度相关，因此可以将延时时间d表示为
D＝Hn
其中H是一个一跳内的时延常数，n是一个范围为[0,x]的随机整数，x与邻居节点数量相关。将节点处理RREQ分组的时间随机化可以有效的避免发生碰撞。
以下通过一实施例描述本发明的路由表管理方案。本发明网络认知路由协议以不同邻居节点作为区分，同时记录多条路由。每个节点的缓存中都有一张路由表，用来记录到sink节点的路由信息。路由表中存储的信息如下表所示：
节点ID 跳数 下游节点 状态 更新时间
其中各项目信息具体为：
节点ID：节点将与自己直接进行通信的其他节点ID记录在路由表中的“节点ID”项中，该项存储着所有邻居节点ID；
跳数：表示通过该邻居节点向sink节点传输数据需要经过的跳数；
下游节点：如果在最近的数据传输中，节点接收到邻居节点传输来的中继任务，则在“下游节点”项对其进行标记。这样做是为了避免将来在路由发现过程中形成环路；
状态：区分与邻居节点的链路是正常还是异常；共有4种状态，正常、断开、链路不对称以及节点不活跃；
更新时间：每当节点接收到邻居节点的任何消息，立即将本地时间填入“更新时间”项。对于路由条目，这是路由缓存超时，或路由被视为无效的时间依据。如果长时间未收到邻居节点的任何消息，则该邻居节点可能损坏，这样就可以利用更新时间进行判断。
每一行路由信息都关联着节点到该邻居节点链路质量的认知内容，作为进行路由选择的依据。
以下通过一实施例描述本发明的路由表维护方案。
节点通过三种方式判定邻居节点所对应的路由失效，即将路由表中的状态项标记为断开。这三种方式包括：邻居节点发送RREQ消息且目的节点为sink节点、长时间未收到邻居节点的任何消息的以及与该邻居节点连续通信失败。
如果一个邻居节点发起路由查找过程或无法对RREQ消息进行回复，则表明该节点不存在到sink节点的有效路由。因此接收到RREQ消息的节点可以判断该邻居不存在到sink节点的路由，并将该节点的跳数标记为负数以示区分，避免消息在错误路径上堆积。
与邻居节点连续通信失效，则表明节点间的链路出现问题，可能是邻居节点冲突频繁、水声信道通信效果差或者节点损坏，将该邻居节点在路由表中的状态标记为断开。如果是由于水声信道当前通信效果差导致的通信失败，还有一种情况是节点间并不会连续通信失效，还有能够偶尔进行数据传输。当出现这种情况时，就可以利用认知水声网络协议的链路质量认知机制进行判断，进行路由优选。
路由表中状态为断开的邻居节点不参与路由选择，但是节点监听到邻居节点的正常通信且信号的认知参数满足传输要求，则可以将其状态更改为正常。正常通信是节点与邻居进行一次完整通信，可以是通过监听获知。例如在监听到邻居节点RTS信息后，在时间期限内再次监听到邻居节点对应的DATA信息；或者在监听到邻居节点CTS信息后，在时间期限内再次监听到邻居节点对应的ACK信息。这表明邻居节点可以进行正常通信且这次通信过程可以被完整的接收，节点正常且通信正常。
图4为本一实施例中水声网络认知路由方案的处理流程图。如图所示，当接收到普通数据时，节点首先在路由缓存中查找是否有路径记录，根据路由认知记录选择路由，如果缓存中没有路由记录，则发起路由发现过程；接收到RREQ消息时，同样首先在路由缓存中查找是否有路径记录并根据路由认知记录选择路由，否则转发RREQ；接收到RREP或RRER消息时，则根据路由信息填写下一跳地址，转发数据。
本实施例中，当路由链路断开时，节点可以使用备选路由进行传输而无需报错，当节点发现自己不存在到sink节点的路由但是却收到需要转发的数据包时，节点采用本地修复的方式进行路由修复，同时进行路由报错，沿着数据包中的路由链路反向传递路由错误(RRER)消息。在这个过程中，下游节点静默，不再发起新的路由发现过程也不在进行数据传输，而采取监听的方式获取路径，以减少数据的不必要发送和冲突概率。
本实施例中，本发明的认知路由协议在传输数据的内容中添加了从源节点至当前节点的信息，节点可以根据历史传输信息来判断是否出现路由环路。当前节点根据接收到的数据可获得从源节点至当前节点的各节点信息，并搜索是否存在重复节点，由此可判断是否出现路由环路。当链路状态变化时，在本发明认知路由协议中，由于采用监听机制，一个节点可能会作为多条链路的中继节点，如果需要更新所有链路将会极大增加网络开销。具体地，如图2(b)所示，节点B需要通知所有节点，包括节点A、G、F。由于节点中还存储着备用路由，例如节点A可以直接与节点D通信，这种更新并不是十分重要。但是过期的路由信息则可能导致路由环路问题。因此在路由信息中存放到当前节点的路由链路，一方面可以让当前节点对路由是否构成环路进行检查；另一方面还可以向sink节点提供一条到节点A的路径，这样sink节点在下发指令或者查询某一节点信息时，就不需要额外的进行路由发现。
以下通过一实施例说明本申请路由方法的优势。图5为本实施例中设置的5节点海洋环境监测水声网络拓扑结构图。本实施例为常见的数据收集型水声网络，由传感器节点2，3，4，5和sink节点1以自组织形成的多对一数据搜集型网络结构，传感器节点通过中继的方式，将数据传输至sink节点。
考虑到水声网络中物理层对网络性能的影响，在本发明实施例中进行物理层参数设置以体现水声信道对物理层质量的影响。设置网络所处水域深度平均为40m，节点入水深度为5m。利用BELLHOP模型生成各节点对应水声信道冲激响应；并随机选择若干时间段，在某些节点接收信号时叠加噪声。以半个小时为时间间隔，每一个时间间隔循环解调50次，作为仿真网络运行中模拟数据传输可以调用的物理层链路库。为了模拟海洋环境监测中各传感器节点负载不均衡现象，本实施例中设置传感节点3产生的数据量为其余传感节点的2倍。
设置仿真节点数据到达服从泊松分布，通过改变泊松分布概率λ来模拟不同的网络负载，观察在不同的网络负载下的网络性能表现。每个节点配备一个收发合置换能器，仿真参数如下表所示。
参数 数值
产生数据量 泊松分布λ
水声通信频带 13kHz-18kHz
换能器指向性 水平全向
数据率 55bps
节点通信方式 半双工
同步信号和状态切换时间 0.5s
考虑到实际情况，节点发送数据时，需要发送同步信号以及进行发送/接收状态的切换，为了方便起见，将二者合计为0.5s。本发明实施例中设置每个网络数据包携带386bit数据。
网络中数据链路层中的MAC层采用MACA协议，网络层采用认知网络路由协议，仿真参数如下表所示。
参数 数值
最大重传次数 3
路由发现最大等待时长 5min
路由生命周期 10min
节点最长静默时间 8min
网络运行时间 24h
在本实施例中，设置6种不同的路由选择策略作为对比。即采用本发明所提认知路由方法(认知路由)，与上文提到的EPACA、DNAR、CARP、TORA路由协议，以及采用随机方式获得路由的随机路由协议(随机路由)进行性能评估分析。
在本实施例网络运行仿真中，采用下列性能参数作为网络性能评估参数：
(1)数据包投递率
数据包投递率是指sink节点接收到的数据包总数量与全网生成数据包总数量的比值，如下式所示：
Figure BDA0003474079710000081
数据包投递率用来衡量网络性能，在理想的情况下，传输成功率为1，实验得到的数据越接近1则表示网络性能越好，越接近0则表示网络中有大量的数据包被丢弃；
(2)平均端到端时延
端到端时延定义为数据包从源节点到达目的节点所经历的时间，如下式所示：
Figure BDA0003474079710000082
其中n表示节点个数。
图6展示了五种不同的路由方法网络投递率随网络负载的变化曲线。从图6可以看出，随着网络负载上升，各种协议的投递率逐渐下降。其中DNAR协议和随机路由的效果差不多，都比较低，主要是因为DNAR协议以中继节点周围环境的噪声级作为路由选择的依据，并不能准确的描述信道传输数据的情况，因此与随机路由相差无几。本发明认知路由方法的效果最好，尤其是在网络负载处于中等阶段。而当网络负载特别低的时候，难以统计中继节点的所需传输数RNP，并且PAPR的数值也预测不准，因此基于统计变量的路由选择策略在负载比较低的时候，都会出现波动现象，如CARP协议和EPACA协议。通过跟踪网络数据分析，本发明认知路由协议在负载低的时候效果依然是六种协议中最好的，主要原因在于它记录下了前次传输的PAPR值，而信道状况由好变坏的时间有时较长，因此本发明认知路由协议的性能较好；而CARP协议根据中继节点的数据传输历史来进行决策，数据传输历史是分时间段进行统计，由于负载很低导致许多时候在统计时间段内节点并未进行数据传输，因此很多时候在进行决策时无法利用到这一因素，导致路由选择决策失误。
当网络负载上升时，由于本发明认知路由能够监听邻居节点，获得更充足的数据对信道状况进行认知，因此，在这一阶段本发明认知路由协议的投递率依然最好，这说明了本发明认知路由方法能够较为准确的描述信道状况。
如图7所示为仿真网络使用不同路由协议在不同负载情况下的平均端到端时延图。总体来看，端到端时延随着负载的上升而上升，并在网络达到饱和时趋于平稳。这主要是因为随着负载的上升，数据包的碰撞概率也上升，由于发送失败进行退避重发等，增加了当前数据的端到端时延和缓存中数据的排队时延，因此整体的平均端到端时延数据是呈上升趋势。当网络负载饱和后，端到端时延最后也趋于平稳。从图7还可看出，相对五种对比路由方法，本发明认知路由网络的端到端时延最小。主要原因在于本发明认知路由协议选取了合适的中继节点，碰撞和重传次数较少。
尽管结合优选实施方案具体展示和介绍了本申请的内容，但所属领域的技术人员应该明白，在不脱离所附权利要求书所限定的本申请的精神和范围内，没有做出创造性劳动的情况下，在形式上和细节上对本申请做出的各种变化，均为本申请的保护范围。

Claims (10)

1.一种水声网络路由方法，其特征在于，包括：
路由发现：通过洪泛的方式获取sink节点路由；通过监听邻居节点的路由请求回复消息或邻居节点转发到sink节点的数据消息获得备选路由；
路由表管理：以不同邻居节点作为区分，同时记录多条路由，每个节点的缓存中配置有用于记录sink节点的路由信息的路由表，所述路由表中存储的信息包括节点ID、跳数、下游节点、状态和更新时间；
路由维护：在数据传输阶段，节点利用链路质量认知进行路由优选，所述链路质量由路由表信息确定；节点判定邻居节点对应的路由失效，则将所述路由表中的状态项标记为断开，所述判定邻居节点对应的路由失效的方式包括邻居节点发送路由请求消息且目的节点为sink节点、长时间未收到邻居节点的任何消息或与所述邻居节点连续通信失败；节点监听到邻居节点的正常通信且信号的认知参数满足传输要求，则将其状态更改为正常；路由表中状态为断开的邻居节点不参与路由选择。
2.根据权利要求1所述的水声网络路由方法，其特征在于，所述路由发现具体包括：
在路由请求包中预留一段空白内容，所有收到并且转发其复制版本的中间节点，将当前节点的地址和通信时的链路信息记录在这段内容中；在路由请求回复包中也对链路信息进行记录，并连同路由请求中的链路信息一起返回；邻居节点通过监听路由回复获取到sink节点的路由信息并记录，形成备选路由；
广播路由请求消息时，节点只对最先到达的路由请求进行相应。
3.根据权利要求1所述的水声网络路由方法，其特征在于，所述路由表中存储的信息具体包括：
a)节点ID：所有邻居节点ID；
b)跳数：所述邻居节点向sink节点传输数据需要经过的跳数；
c)下游节点：当前节点接收到邻居节点传输来的中继任务时，标记所述邻居节点的下游节点ID；
d)状态：标记与邻居节点的链路状态，所述状态包括正常、断开、链路不对称以及节点不活跃；
e)更新时间：当前节点接收到邻居节点的任何消息时，将本地时间填入更新时间。
4.根据权利要求1所述的水声网络路由方法，其特征在于，在传输数据过程中，如果当前节点监听到邻居节点有转发到sink节点数据包的行为，则同样记录所述邻居节点的路由信息，形成备选路由。
5.根据权利要求1所述的水声网络路由方法，其特征在于，当路由链路断开时，节点首先使用所述备选路由进行传输；当当前节点不存在所述备选路由但收到需要转发的数据包时，当前节点则利用所述备选路由进行路由修复，并同时进行路由报错，即沿着数据包中的路由链路反向传递路由报错消息；此时下游节点静默，并采用监听的方式获取路由；
6.根据权利要求1所述的水声网络路由方法，其特征在于，接收到路由请求消息的节点认为发送所述路由请求消息的邻居节点不存在到sink节点的路由，并将所述的邻居节点的跳数标记为负数以示区分。
7.根据权利要求1所述的水声网络路由方法，其特征在于，在传输数据的内容中添加从源节点至当前节点的信息，当前节点根据历史传输信息来判断是否出现路由环路。
8.根据权利要求1所述的水声网络路由方法，其特征在于，路由发现过程中，当sink节点发生碰撞、路由发现过程无法进行时，中间节点使用本地路由表缓存中的路由信息进行路由回复。
9.根据权利要求1所述的水声网络路由方法，其特征在于，节点在收到路由请求分组时延时发送路由回复或者转发路由请求。
10.根据权利要求6所述的水声网络路由方法，其特征在于，所述延时时间D＝Hn,其中H是一个一跳内的时延常数，n是一个范围为[0,x]的随机整数，x与邻居节点数量相关。
CN202210058878.5A 2022-01-17 2022-01-17 一种海洋环境监测水声网络路由方法 Pending CN114585046A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202210058878.5A CN114585046A (zh) 2022-01-17 2022-01-17 一种海洋环境监测水声网络路由方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202210058878.5A CN114585046A (zh) 2022-01-17 2022-01-17 一种海洋环境监测水声网络路由方法

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN114585046A true CN114585046A (zh) 2022-06-03

Family

ID=81768847

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202210058878.5A Pending CN114585046A (zh) 2022-01-17 2022-01-17 一种海洋环境监测水声网络路由方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN114585046A (zh)

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102447686A (zh) * 2010-10-15 2012-05-09 薛鹰 一种aodv应用路由协议
CN103036783A (zh) * 2011-12-23 2013-04-10 山东黄金集团有限公司 一种基于dtn深空传感器网络多径路由方法
CN106549825A (zh) * 2016-10-13 2017-03-29 重庆金美通信有限责任公司 一种通信网络路由转发表正确性测试的方法、系统和设备
CN110191053A (zh) * 2019-04-30 2019-08-30 上海微波技术研究所（中国电子科技集团公司第五十研究所） 一种基于认知学习的无线自组网络多径路由方法
US20210243674A1 (en) * 2020-01-30 2021-08-05 Mage Networks Inc. Routing method and device of mobile ad-hoc networks

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102447686A (zh) * 2010-10-15 2012-05-09 薛鹰 一种aodv应用路由协议
CN103036783A (zh) * 2011-12-23 2013-04-10 山东黄金集团有限公司 一种基于dtn深空传感器网络多径路由方法
CN106549825A (zh) * 2016-10-13 2017-03-29 重庆金美通信有限责任公司 一种通信网络路由转发表正确性测试的方法、系统和设备
CN110191053A (zh) * 2019-04-30 2019-08-30 上海微波技术研究所（中国电子科技集团公司第五十研究所） 一种基于认知学习的无线自组网络多径路由方法
US20210243674A1 (en) * 2020-01-30 2021-08-05 Mage Networks Inc. Routing method and device of mobile ad-hoc networks

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Zhang et al. Improvements on ant routing for sensor networks
Zhu et al. Model and protocol for energy-efficient routing over mobile ad hoc networks
Shaikh et al. New metrics for dominating set based energy efficient activity scheduling in ad hoc networks
Du et al. Energy efficient chessboard clustering and routing in heterogeneous sensor networks
Niu et al. Hybrid cluster routing: an efficient routing protocol for mobile ad hoc networks
Bouzid et al. Efficient routing protocol for wireless sensor network based on reinforcement learning
Cakici et al. A novel cross-layer routing protocol for increasing packet transfer reliability in mobile sensor networks
Casari et al. ALBA: An adaptive load-balanced algorithm for geographic forwarding in wireless sensor networks
CN110831006A (zh) 自组网系统及其数据传输方法
Radi et al. Network initialization in low-power wireless networks: a comprehensive study
Ratnaraj et al. OEDSR: Optimized energy-delay sub-network routing in wireless sensor network
Xu et al. Hybrid clustering and routing strategy with low overhead for wireless sensor networks
Treplan et al. Energy efficient reliable cooperative multipath routing in wireless sensor networks
CN114585046A (zh) 一种海洋环境监测水声网络路由方法
Tan et al. A distributed and dynamic data gathering protocol for sensor networks
Heurtefeux et al. AreaCast: A cross-layer approach for a communication by area in Wireless Sensor Networks
Romdhani et al. Routing for data-collection in heterogeneous wireless sensor networks
Diakhate et al. Optimizing The Energy Consumption of WSN by Using Energy Efficient Routing Protocol Using Dijkstra Algorithm
Kundaliya et al. CL-TPC: A cross layer transmission power control protocol for routing in WSN
Vaidya et al. Comparison of SPAN and LEACH protocol for topology control in wireless sensor networks
Ma et al. Opportunistic transmission based QoS topology control in wireless sensor networks
Nwelih et al. Analysis and performance evaluation of mobile ad-hoc network (MANET) protocols based on selected criteria
Chen et al. Bandwidth-based routing protocols in mobile ad hoc networks
Smail et al. Energy aware and stable Multipath Routing protocol in clustered wireless ad hoc networks
Boukerche et al. A taxonomy of routing protocols for mobile ad hoc networks

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