CN117580125B - 一种基于加权链路质量的水下传感器网络路由协议系统 - Google Patents

一种基于加权链路质量的水下传感器网络路由协议系统 Download PDF

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Abstract

本申请公开了一种基于加权链路质量的水下传感器网络路由协议系统，所述系统包括：网络初始化模块、数据转发模块和链路质量计算模块；所述网络初始化模块用于建立节点传输网络；所述数据转发模块用于利用所述节点传输网络对数据包进行转发；所述链路选择模块用于在数据包转发时对接收方的链路质量进行选择，选择链路质量值高的接收方传输数据包。现有路由协议较多只考虑节点与其中继节点的链路质量，虽然一定程度上考虑到信道对数据转发的影响，但是在快速变化的信道中表现不佳，丢包率、端到端时延较高。本申请提供了一种基于加权链路质量的水下传感器网络的路由协议，该方案可以提升路由协议的可靠性，减少丢包率、能耗以及端到端时延。

Description

一种基于加权链路质量的水下传感器网络路由协议系统
技术领域
本申请涉及节点通信技术领域，具体涉及一种基于加权链路质量的水下传感器网络路由协议系统。
背景技术
随着海洋开发进程的加快，人们对水下通信的需求更加迫切。水下无线传感器网络(UWSN)是水下通信技术的重要组成部分，对水下监测、水下开发和国防应用至关重要。水下声学通信信道具有带宽窄、传播速度慢、时变、频率选择性衰落和噪声大等不利因素。因此，水下声学通信网络存在端到端时延大、吞吐量低、信道重用率低等问题。由于水下传感器节点常在水流与其他水下活动的作用下移动，导致网络拓扑结构不稳定。并且水下传感器节点的能量有限，根据水下声学信道的与网络的特点，采用高性能、可靠、低能耗的通信算法是一个关键问题。
当前的路由协议根据选择中继的决策侧重点可分为生命周期感知路由协议，拓扑感知路由协议，信道感知路由协议。信道感知路由协议在路由决策过程中考虑信道的状态，在状态高速变化的水下环境中有较大优势。在选择中继节点时，大多数是只考虑下一跳的情况，在状态可能随时改变的环境中，依靠这种决策的路由协议的可靠性不尽人意。
发明内容
为了解决以上技术问题，本申请提供了一种基于加权链路质量的水下传感器网络路由协议系统，所述系统包括：网络初始化模块、数据转发模块和链路选择模块；
所述网络初始化模块用于建立节点传输网络；
所述数据转发模块用于利用所述节点传输网络对数据包进行转发；
所述链路选择模块用于在数据包转发时对接收方的链路质量进行评价，根据评价结果选择链路，并向接收方传输数据包。
可选的，所述网络初始化模块包括跳数初始化子模块以及网络连接构建模块；
所述跳数初始化子模块用于得到节点间的跳数值；
所述网络连接构建模块用于更新跳数值后建立网络连接。
可选的，得到所述节点间的跳数值的过程包括：
Sink节点在预设时间想外发送request数据包；
当接收方节点接收到所述request数据包后，接收方节点跳数HC与数据包携带的跳数hc进行比较；
根据比较结果，得到节点间的跳数值。
可选的，所述数据转发模块包括握手子模块和链路质量计算子模块；
所述握手子模块用于判断节点缓存中是否存在待转发的数据包；
所述链路质量计算子模块用于在接收到HANDSHAKE-R后，对待转发的数据包计算节点间的链路质量值。
可选的，所述握手子模块包括HANDSHAKE-S数据包和HANDSHAKE-R数据包，所述握手子模块的工作流程包括：节点x先向邻居节点发送HANDSHAKE-S数据包，邻居节点收到数据包后，根据数据包中的内容生成HANDSHAKE-R数据包，节点收到HANDSHAKE-R数据包后，完成握手。
可选的，所述根据数据包中的内容生成HANDSHAKE-R数据包的过程包括：
当所述节点x有一个或多个数据包待转发时，先广播HANDSHAKE-S数据包，如果在预设时间内没有收到邻居节点回复的HANDSHAKE-R，则将节点x的跳数设置成最大，若依然没有回复，丢弃所述HANDSHAKE-S数据包；
若邻居节点收到HANDSHAKE-S数据包，则比较两节点之间的跳数，如果HC(x)大于邻居节点的跳数，邻居节点检查缓存队列中是否存在Q-packet中包含的数据包，如果有相应的位置，再生成HANDSHAKE-R数据包发送给节点x。
可选的，所述计算节点间的链路质量值的过程包括：
节点x接收到邻居节点的HANDSHAKE-R数据包后，进行链路质量值的计算：
其中，Sx,y是x,y节点的传输成功率；是y与其邻居节点的链路质量平均值；lqy，N_m是y与其所有邻居的链路质量中的最大值；E(y)是节点y的能量；α、β、γ、δ是恒定值，通过调整这几个参数可以调整下一跳节点以及下下一跳节点的链路质量与节点能量在公式中的比重。
可选的，链路选择模块包括阈值判断子模块和下一跳节点选择子模块；
所述阈值判断子模块用于判断链路质量值进行数据转发；
所述下一跳节点选择子模块用于基于传输数据包的概率选择中继节点。
与现有技术相比，本申请的有益效果为：
现有路由协议较多只考虑节点与其中继节点的链路质量，虽然一定程度上考虑到信道对数据转发的影响，但是在快速变化的信道中表现不佳，丢包率、端到端时延较高。本申请提供了一种基于加权链路质量的水下传感器网络的路由协议，该方案可以提升路由协议的可靠性，减少丢包率、能耗以及端到端时延。
附图说明
为了更清楚地说明本申请的技术方案，下面对实施例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是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本申请实施例的一种基于加权链路质量的水下传感器网络路由协议系统的系统结构图；
图2为本申请实施例的一种基于加权链路质量的水下传感器网络路由协议系统的丢包率显示图；
图3为本申请实施例的一种基于加权链路质量的水下传感器网络路由协议系统的跳数显示图；
图4为本申请实施例的一种基于加权链路质量的水下传感器网络路由协议系统的端对端时延显示图；
图5为本申请实施例的一种基于加权链路质量的水下传感器网络路由协议系统的数据包平均耗能显示图。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，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，都属于本申请保护的范围。
为使本申请的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本申请作进一步详细的说明。
实施例一：
在本实施例中，如图1所示，一种基于加权链路质量的水下传感器网络路由协议系统，所述系统包括：网络初始化模块、数据转发模块和链路选择模块；
网络初始化模块用于建立节点传输网络；
网络初始化模块包括跳数初始化子模块以及网络连接构建模块；
跳数初始化子模块用于得到节点间的跳数值；
网络连接构建模块用于更新跳数值后建立网络连接。
得到节点间的跳数值的过程包括：
Sink节点在预设时间想外发送request数据包；
当接收方节点接收到所述request数据包后，接收方节点跳数HC与数据包携带的跳数hc进行比较；
根据比较结果，得到节点间的跳数值。
具体的，路由协议最开始的阶段是建立网络。网络初始化是通过汇聚节点广播Hello数据包来实现的，节点通过更新其跳数并在接收到Hello数据包后重新传输数据包的过程逐步建立连接。Sink节点的跳数初始化为0，其他所有节点跳数初始化为无穷大。跳数初始化过程如下：Sink节点每隔一定的时间间隔往外发request数据包，数据包组成(nodeID，hc)最开始hc为0，当节点接收到数据包后，将自身跳数HC与数据包携带跳数hc比较，如果HC大于hc，令HC＝hc+1，再将数据包中的hc改为HC，再将数据包广播。否则，丢弃数据包。这个阶段完成之后，每个节点都知道自身离sink节点的跳数。
数据转发模块用于利用所述节点传输网络对数据包进行转发；网络初始化成功后进行数据转发，数据转发的第一阶段是握手阶段。假设节点x需要进行数据转发，第一步是与其邻居节点进行握手。
数据转发模块包括握手子模块和链路质量计算子模块；
握手子模块用于判断节点缓存中是否存在待转发的数据包；
链路质量计算子模块用于在接收到HANDSHAKE-R后，对待转发的数据包计算节点间的链路质量值。
握手子模块包括HANDSHAKE-S数据包和HANDSHAKE-R数据包，节点x先向邻居节点发送HANDSHAKE-S数据包，邻居节点收到数据包后，根据数据包中的内容生成HANDSHAKE-R数据包，节点收到HANDSHAKE-R数据包后，完成握手。
握手阶段有两种类型的packets，分别取名为HANDSHAKE-S和HANDSHAKE-R。HANDSHAKE-S是由发起握手的节点发送，它的格式为(TypeID,nodeIDx,PacketID，HC(x),Q-packet)。其中，TypeID表示数据包的类型，nodeIDx是节点x的ID，PacketID是HANDSHAKE-S的ID，每个节点发出的请求握手的数据包ID都不同。
HC(x)是节点x的跳数，Q-packet是一个数据包队列，队列中包括待转发数据，数据由(pktsrc，pktid)数据对表示，其中pktsrc是源节点ID和pktid是数据包ID。HANDSHAKE-R是节点收到HANDSHAKE-S后回应的数据包，它的格式为(TypeID,NodeIDy,PacketID,HC(y),Packet-Bit,Energy,Link-Quality),TypeID表示数据包的类型，nodeIDy是y节点ID，PacketID是收到HANDSHAKE-S的ID，HC(y)是y节点的跳数，packet-bit是节点y判断缓存中是否存有待转发的数据包，如果有，就将packet-bit上对应这些数据包位上的值，设置为1。
根据数据包中的内容生成HANDSHAKE-R数据包的过程包括：
当节点x有一个或多个数据包待转发时，先广播HANDSHAKE-S数据包，如果在预设时间内没有收到邻居节点回复的HANDSHAKE-R，则将节点x的跳数设置成最大，若依然没有回复，丢弃HANDSHAKE-S数据包；
若邻居节点收到HANDSHAKE-S数据包，则比较两节点之间的跳数，如果HC(x)大于邻居节点的跳数，邻居节点检查缓存队列中是否存在Q-packet中包含的数据包，如果有相应的位，设置1，再生成HANDSHAKE-R数据包发送给节点x，若不满足HC(x)大于邻居节点的跳数，邻居节点丢弃所述HANDSHAKE-S数据包。
链路选择模块用于在数据包转发时对接收方的链路质量进行选择，选择链路质量值高的接收方传输数据包。
计算节点间的链路质量值的过程包括：
节点x接收到邻居节点的HANDSHAKE-R数据包后，进行链路质量值的计算：
链路选择模块包括阈值判断子模块和下一跳节点选择子模块；
阈值判断子模块用于判断链路质量值进行数据转发；
下一跳节点选择子模块用于基于传输数据包的概率选择中继节点。
链路质量计算完毕后，x选择链路质量最大的节点进行数据转发，收到数据的邻居节点会向x发送ACK数据包。需要注意的是，只有链路质量大于阈值的节点才能接收数据包，如果x的邻居节点的链路质量全小于阈值，那么数据包将被丢弃。以及，如果x没收到ACK数据包，x将选择第二大链路质量的节点进行转发，以此类推。选定好最佳中继之后，x向y转发一队数据，如果y接收到数据，就向x发送ack消息。若在等待时间(数据包往返时间)内x没有收到y的ack确认消息，就选择第二大的链路质量节点，进行数据传输，以此类推。如果x所有邻居的链路质量均小于阈值，那么该数据包将会被丢弃。
Sx,y是x,y节点的传输成功率，成功率＝实际数据转发/理论数据转发，理论数据转发是指x,y节点握手成功并且选定y作为下一跳转发节点，实际数据转发是x,y节点握手成功并且成功转发数据到y节点。选择好下一跳节点之后，链路质量的差异使得数据包并不能每次都成功传输，所以成功传输数据包的概率能体现出信道质量的优劣，有助于LDRP协议选择处于优良信道的中继节点。
是y与其邻居节点的链路质量平均值，
lqy，N-m是y与其所有邻居的链路质量中的最大值。链路质量中考虑下一跳的邻居节点的平均值与最大值，使LDRP能够有效绕过链接漏洞，避免了路由陷阱。
E(y)是节点y的能量，避免因为y节点能量不足使得数据包丢失。
公式中的α、β、γ、δ是恒定值，通过调整这几个参数可以调整下一跳节点以及下下一跳节点的链路质量与节点能量在公式中的比重，在链路质量普遍不好的情况下，需要将下下一跳的链路质量的比重调高以保证协议的可靠性。
实施例二
通过MATLAB的仿真进行验证，在模拟中，所有节点随机分布在10000m乘10000m乘10000m的三维区域内，单个sink节点布放在水面上收集数据。这些传感器节点的初始能量为1000J，发射功率为100W，接收功率为8W，休眠消耗的功率为2mW。模拟过程中，以循环的形式进行仿真，节点数量从300增加到600，距底部3000m以内的节点被称为源节点，每轮网络随机选择源节点产生100个数据包进行传输，数据包大小为64bytes，数据包的头文件为8bytes。数据传输速率为2000bps。
丢包率如图2所示，所提出协议的丢包率都随节点数量的增加而降低，这是因为随着节点密度的增加，协议能够发现的可用邻居节点概率就越高，因为陷入空洞丢包的概率也就越低。在稀疏节点网络下，所提出协议也能找到可靠的下一跳节点，降低网络的丢包率。在节点越密集的网络，所提出协议的表现越好，丢包率甚至可以低于0.05％。
跳数如图3所示，跳数是指随着节点数量增加，数据包从产生到被sink节点接收所要经历的跳数。随着节点数量的增加，跳数平稳降低。这是因为所提出在选择下一跳节点时，充分考虑下一跳节点的距离因素(即下一跳节点距离sink节点的跳数)这样的中继选择机制使得协议在节点密度较大的网络中能够选择离sink节点尽可能近的节点作为中继节点。
端对端时延如图4所示，随着节点数量增加，所提协议的端到端时延逐渐降低。这种变化趋势与跳数随节点数量的变化趋势一致，这是因为数据包跳数和时延是强正相关关系。数据包的时延是由数据包在信道中传播时间和数据包在中继节点接收以及转发消耗的时间组成的，这也就是说，数据包在中继节点接收以及转发消耗的时间占总时延比重很大。因此，数据包经历的中继节点越多，时延就越大。由于数据包跳数随着节点数量增加而降低，故相应地，数据包时延也随节点数量增加而降低。
数据包平均耗能如图5所示，随着节点数量增加，所提路由协议的数据包平均消耗能量逐渐降低。数据包的转发次数越多，消耗的能量越多，所以根据数据包转发的跳数，数据包平均消耗能量随着节点数量的增加而减少。
以上所述的实施例仅是对本申请优选方式进行的描述，并非对本申请的范围进行限定，在不脱离本申请设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本申请的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本申请权利要求书确定的保护范围内。

Claims (6)

1.一种基于加权链路质量的水下传感器网络路由协议系统，其特征在于，所述系统包括：网络初始化模块、数据转发模块和链路选择模块；
所述网络初始化模块用于建立节点传输网络；
所述数据转发模块用于利用所述节点传输网络对数据包进行转发；
所述链路选择模块用于在数据包转发时对接收方的链路质量进行评价，基于评价结果选择链路，并向接收方传输数据包；
计算节点间的链路质量值的过程包括：
节点x接收到邻居节点的HANDSHAKE-R数据包后，进行链路质量值的计算：
其中，HC(y)为y节点跳数；
链路选择模块包括阈值判断子模块和下一跳节点选择子模块；
阈值判断子模块用于判断链路质量值进行数据转发；
下一跳节点选择子模块用于基于传输数据包的概率选择中继节点；
链路质量计算完毕后，x选择链路质量最大的节点进行数据转发，收到数据的邻居节点会向x发送ACK数据包；当链路质量大于阈值的节点接收数据包，如果x的邻居节点的链路质量小于阈值，那么数据包将被丢弃；如果x没收到ACK数据包，x将选择第二大链路质量的节点进行转发，以此类推；选定好最佳中继之后，x向y转发一队数据，如果y接收到数据，就向x发送ack消息；若在等待时间内x没有收到y的ack确认消息，选择第二大的链路质量节点，进行数据传输，以此类推；如果x所有邻居的链路质量均小于阈值，那么该数据包将会被丢弃；所述等待时间为数据包往返时间；
Sx,y是x,y节点的传输成功率，成功率＝实际数据转发/理论数据转发，理论数据转发是指x,y节点握手成功并且选定y作为下一跳转发节点，实际数据转发是x,y节点握手成功并且成功转发数据到y节点；
选择好下一跳节点之后，根据链路质量选择处于优良信道的中继节点；
是y与其邻居节点的链路质量平均值，
lqy，N_m是y与其邻居的链路质量中的最大值；链路质量中考虑下一跳的邻居节点的平均值与最大值，使LDRP能够有效绕过链接漏洞，避免了路由陷阱；
E(y)是节点y的能量，避免因为y节点能量不足使得数据包丢失；
公式中的α、β、γ、δ是恒定值，通过调整这几个参数可以调整下一跳节点以及下下一跳节点的链路质量与节点能量在公式中的比重，在链路质量普遍不好的情况下，需要将下下一跳的链路质量的比重调高以保证协议的可靠性。
2.根据权利要求1所述的基于加权链路质量的水下传感器网络路由协议系统，其特征在于，所述网络初始化模块包括跳数初始化子模块以及网络连接构建模块；
所述跳数初始化子模块用于得到节点间的跳数值；
所述网络连接构建模块用于更新跳数值后建立网络连接。
3.根据权利要求2所述的基于加权链路质量的水下传感器网络路由协议系统，其特征在于：得到所述节点间的跳数值的过程包括：
Sink节点在预设时间向外发送request数据包；
当接收方节点接收到所述request数据包后，接收方节点跳数HC与数据包携带的跳数hc进行比较；
根据比较结果，得到节点间的跳数值。
4.根据权利要求1所述的基于加权链路质量的水下传感器网络路由协议系统，其特征在于，所述数据转发模块包括握手子模块和链路质量计算子模块；
所述握手子模块用于判断节点缓存中是否存在待转发的数据包；
所述链路质量计算子模块用于在接收到HANDSHAKE-R后，对待转发的数据包计算节点间的链路质量值。
5.根据权利要求4所述的基于加权链路质量的水下传感器网络路由协议系统，其特征在于，所述握手子模块包括HANDSHAKE-S数据包和HANDSHAKE-R数据包；所述握手子模块的工作流程包括：
节点x先向邻居节点发送HANDSHAKE-S数据包，邻居节点收到数据包后，根据数据包中的内容生成HANDSHAKE-R数据包，节点收到HANDSHAKE-R数据包后，完成握手。
6.根据权利要求5所述的基于加权链路质量的水下传感器网络路由协议系统，其特征在于，所述根据数据包中的内容生成HANDSHAKE-R数据包的过程包括：
当所述节点x有一个或多个数据包待转发时，先广播HANDSHAKE-S数据包，如果在预设时间内没有收到邻居节点回复的HANDSHAKE-R，则将节点x的跳数设置成最大，若依然没有回复，丢弃所述HANDSHAKE-S数据包；
若邻居节点收到HANDSHAKE-S数据包，则比较两节点之间的跳数，如果HC(x)大于邻居节点的跳数，邻居节点检查缓存队列中是否存在Q-packet中包含的数据包，如果有相应的位置，生成HANDSHAKE-R数据包发送给节点x。
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