一种水下传感器网络节能高效路由方法

本发明涉及传感器网络，具体为一种水下传感器网络节能高效路由方法。

背景技术：

1、水下无线传感器网络路由是实现水下应用的关键，通过水下无线传感器网络路由可以实现水下节点间信息与数据的传递。然而，水下无线传感器网络与应用于陆地上的无线传感器网络存在着很大的区别，水下无线传感器网络路由需要面临着更多的挑战。一方面，水下网络对节点间能耗均衡的要求更高,因为水下节点不能进行自我能量补充，自身存储的能量是有限的。如果某个节点被过度使用，那么它会因提前耗尽能量而失去作用。这些节点的过早消亡可能会使网络分裂，影响网络的正常工作。因此，设计路由时要尽量保证所有节点的能量能够同步的下降。另一方面，水下网络结构具有一定的动态性，由于水流的影响，节点会在一定范围内进行移动，导致网络的结构动态变化。这就要求设计的路由能够适应网络的拓扑变化。上述这些特性对路由提出了更高的要求，需要针对这些特性设计更适合水下网络的路由方法。

技术实现思路

1、发明目的：减少水下网络的能耗，延长网络生命周期，实现数据包在每一跳的高效转发。

2、技术方案：为了实现上述目的，本发明提供了一种基于深度的水下传感器网络节能高效路由方法，在本发明中，所有的数据包与控制包均包含发送节点的传输功率、剩余能量和深度等信息，在路由建立阶段，由汇聚节点以最大传输功率广播信标包，当中继节点收到上一跳节点发送的信标包以后，首先通过测量接收信号强度计算对该上一跳节点需要的功率等级，再根据包内信息和功率等级计算对该节点的转发因子，并存入路由表中，最后中继节点会更新信标包中的信息并以最大功率广播，为了避免节点重复发送信标包，每个节点在一段时间内只发送一次信标包；在数据发送阶段，节点将路由表中的转发因子最大的节点设置为最优下一跳节点，并向该节点转发数据。为了解决节点移动问题和频繁发送信标包带来的低信道利用率和高能耗问题，我们提出了隐式路由更新机制，即节点会监听其通信范围内所有的数据包与控制包，并根据信号强度与包内信息完成对路由的更新与维护。为了解决节点移动导致的数据转发失败和路由失效问题，我们提出了局部-整体结合的一体化策略，该测量包含局部恢复和整体恢复两个并行机制，当数据包转发失败时，触发局部恢复机制，节点发送探测包重建路由表，然后根据路由表重发数据包。当汇聚节点检测到收包率低于阈值时，触发整体恢复机制，由汇聚节点发送信标包完成整个网络的路由重建。我们的方法具体步骤如下：

3、步骤1：首先，由水面汇聚节点以最大传输功率广播信标包，建立路由。以最大发送功率广播信标包建立初始路径，借助转发因子，数据在该路径传输是能量效率与能量平衡的综合最优，接收节点根据深度信息判断发送信标的节点是否符合下一跳的条件，若不符合，则直接丢弃该包，否则，使用包中记录的发送功率和接收信号强度估算本节点到发送节点的最优发送功率，再结合本节点剩余能量信息计算转发因子并记入路由表，转发因子最大的邻居节点为最优下一跳，之后本节点产生一个信标包并广播，为了防止重复发送，一个节点在一段时间内只发送一次信标包。

4、步骤2：在完成路由建立以后，网络进入数据转发阶段，中继节点在收到数据包时，首先执行隐式路由更新机制，根据包内信息更新路由表，然后将数据包转发给转发因子最大的邻居节点。

5、步骤3：当汇聚节点收到数据包时，表明数据转发成功，汇聚节点过滤重复包并统计到包率，若到包率低于阈值，则触发整体恢复机制，由汇聚节点重建网络路由。

6、当数据包转发失败时，继续执行的步骤是：

7、步骤4：当节点转发数据后，在t时间内既没有监听到下一跳节点转发数据包，也没有收到下一跳节点回复的ack包，则判定为转发失败，节点需要执行局部恢复机制。

8、步骤5：当局部恢复机制无法重建路由时，则判定本节点为空洞节点，节点广播空洞通知包通知上一跳节点将自己移除邻居表。

9、进一步地，所述步骤1中涉及到的转发因子，其计算步骤为：设本节点为a，邻居节点为b，则节点a与节点b之间的转发因子具体计算方式如下：

10、当节点a收到节点b发送到的包(如信标包)时，设该包的接收信号强度为rss，则

11、rss＝10logp0                         (1.1)

12、其中，p0为节点a接收到的信号功率。设节点b发送信标包的功率为pt，则节点a与节点b之间的路径损耗lab可表示为

13、

14、则a到b的最优发送功率poptab为

15、poptab＝labpth                          (1.3)

16、其中pth表示单位为瓦的信号接收门限，节点a与节点b之间通信的功率级pabl由poptab决定，即

17、pabl←poptab                          (1.4)

18、由上式可得，当a向b发送数据包时，消耗的能量eab为

19、eab＝popttsend                          (1.5)

20、其中tsend表示发送时间，需要说明的是，节点b接收数据时也要消耗能量，但是由于节点接收功率远小于发送功率，因此我们在计算转发因子时忽略该能耗。

21、设节点a的归一化剩余能量和节点a到节点b之间的归一化能量效率为ere和eηab，则a到b的转发因子为

22、fab＝pb(αeηab+βere) ere,eηab∈(0,1]            (1.6)

23、其中，pb为节点b的数据包转发成功率，初值为1；α和β为系统参数，满足α+β＝1，在理论上，α越大，路由在节能方面效果越好；反之α越小，路由在能量均衡方面效果越好。能量效率eηab可由下式计算：

24、

25、其中δdab为节点a与节点b之间的深度差。

26、转发因子将用于选择中继节点，而中继节点的选择在提高节能数据传输方面起着重要作用。但如果源和中继之间的距离越远，传输能量消耗越多。另一方面，如果距离较小，则跳数增加，这也会导致更高的端到端时延。因此，为了限制数据包跳数，平衡网络能耗与端到端时延，我们设深度差阈值为dth，只有当节点与邻居节点的深度差大于深度差阈值时，节点才会计算与该邻居节点之间的转发因子，并将其存入邻居表。dth由下式计算

27、dth＝γr(1.8)

28、其中，r为最大通信半径，γ为阈值系数取值为0～1。

29、进一步地，所述步骤3和步骤4提到的整体恢复机制和局部恢复机制是局部-整体结合的一体化策略中的两个并行机制，具体操作为，对于局部恢复，当发送失败时，节点以最大功率发送探测包，并设置等待时间t，符合下一跳条件的节点收到后以最大功率回复探测回复包，节点收到该包后，计算转发因子并更新路由表，t结束后，节点选择路由表中转发因子最大的邻居节点为下一跳节点，并转发数据包。对于整体恢复，具体操作为所有汇聚节点共享收到的数据包，并在t时间内记录收到的非重复数据包的总数，并将该值与相同时间内源节点发送的数据包总数进行比较，当比例小于设定的阈值时触发整体恢复机制，即汇聚节点发送信标包重建网络路由。

30、有益效果：本发明提出了一种水下传感器网络节能高效路由方法，在功率控制方面，本发明根据接收信号强度估计路径损耗，再根据损耗调整发送功率；在选择下一跳方面，转发因子会根据发送功率、深度差和剩余能量等，信息充分考虑能量效率和能量平衡，然后选择出能量效率高且能量相对充足的节点作为最优下一跳。仿真结果表明，本发明与现有的典型路由相比，具有更长的网络寿命和更低的能耗，不过，由于本发明的功率控制和数据保护机制增加了一定的端到端时延，因此本发明适用于对延迟不敏感且对网络寿命要求较高的系统，例如水下污染监测、设备监控(对实时性要求不高)等长期运行的应用。