一种基于信道质量的水声通信网络跨层路由协议方法

本发明涉及水声通信网络、水声路由协议领域，涉及一种基于信道质量的水声通信网络跨层路由协议方法。

背景技术：

1、海洋覆盖了地球表面三分之二以上的范围，对人类的生存和发展具有至关重要的作用。目前，水声通信网络成为了民用和军事领域的研究热点。其中，网络层路由协议是水声通信网络研究的重要内容。

2、水声信道的复杂性远远超出陆地无线信道，主要表现在水声信道具有较长的传播时延、有限的带宽以及海洋环境的动态变化。这些因素给水声路由协议设计带来了巨大挑战，因此设计路由协议时要充分考虑水声信道和水下环境的特点，以确保实现高效可靠的水声通信。在水声通信网络中，传输的数据量过大、多路径之间存在干扰或碰撞、节点故障以及传感器存储能力有限等因素均可能导致网络拥塞，网络拥塞会使通信变得不稳定，并增加端到端时延。由于水下环境中信号衰减严重，水声通信设备为了维持通信质量需要消耗大量能量，因此，网络的高能耗问题也是协议设计需要考虑的重要因素之一。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服现有技术缺陷，提出了一种基于信道质量的水声通信网络跨层路由协议方法，在选择可靠链路的同时避开拥塞区域，提高数据包的投递成功率。

2、为了实现上述目的，本发明提出了一种基于信道质量的水声通信网络跨层路由协议方法，所述水声通信网络包括：一个源节点、一个目的节点和多个中继节点，所述方法包括：

3、步骤1)源节点发起水声通信网络的初始化；

4、步骤2)每个节点广播信标获取邻居节点状态并计算信道质量评估指标；

5、步骤3)发送节点根据节点深度、节点剩余能量和节点缓冲区状态确定转发候选集；

6、步骤4)发送节点确定奖励函数并计算转发候选集中所有节点的q值；

7、步骤5)发送节点选择q值最大的节点作为下一跳节点并更新v值，继续传输数据包；

8、步骤6)判断目的节点是否收到数据包：若目的节点收到数据包则结束；若没有收到则重复步骤3)到步骤5)，直至目的节点收到数据包。

9、优选的，源节点和中继节点均可为发送节点。

10、优选的，步骤1)的初始化包括：设置网络中每个节点的坐标、q值、v值、通信范围、最大缓冲区长度和初始能量参数。

11、优选的，所述步骤2)包括：

12、使用bellhop射线模型仿真得到确定声速剖面，确定收发位置的多径数目npa、npa*1维的幅度和时延信息，得到多径信道的脉冲响应h(t)为：

13、

14、其中，a0和τ0分别为直达声线在接收点的幅度和时延，au和τu分别为第u条声线在接收点的幅度和时延，t表示时间，δ为单位脉冲函数：

15、

16、将多径信道的时延和幅度信息应用于通信系统中，求出确定收发位置、特定调制模式下的信道质量评估指标cq。

17、优选的，所述信道质量评估指标cq为误比特率、误码率和包错误率中的一种或多种。

18、优选的，所述步骤3)包括：

19、筛选出满足深度要求的邻居节点子集subest1：

20、

21、其中ni为当前发送节点，neighbori为ni的邻居节点集合，nj为某一邻居节点，depth表示节点深度；

22、筛选出满足能量要求的邻居节点子集subset2：

23、

24、其中，eres表示节点剩余能量，einit为节点初始能量；

25、筛选出满足缓冲区要求的邻居节点子集subset3：

26、

27、其中为节点nj当前缓冲区长度，为节点nj最大缓冲区长度；

28、由subset1、subset2和subset3的交集得到转发候选集合candidateset。

29、优选的，所述步骤4)中的奖励函数rij为节点ni传输到节点nj的奖励函数，满足下式：

30、

31、其中，cq为信道质量评估指标，为传输成功的奖励函数，为传输失败的奖励函数，分别满足下式：

32、

33、其中，g0为常开销，为信道质量开销权重，为时延与拥塞开销权重，为剩余能量敏感度，为能量分布敏感度，c(q)为通信信道质量开销，c(t)为时延与拥塞开销，b(ni),b(nj)分别为节点ni和节点nj的剩余能量开销，d(ni),d(nj)分别为节点ni和节点nj的剩余能量分布开销，c′(t)是传输失败的时延与拥塞相关开销，c′(q)是传输失败的信道质量相关开销。

34、优选的，所述步骤4)中的q值q*(si,ai)根据下式计算：

35、q*(si,ai)＝rij+γ×((1-cq)×v*(sj)+cq×v*(si))

36、其中，γ是折扣因子，v*(si))表示ni节点的v值，v*(sj)为nj节点的v值。

37、与现有技术相比，本发明的优势在于：

38、1、本发明提供了一种基于信道质量的水声通信网络跨层路由协议clcq，实现了不同层之间的信息交互；

39、2、对水声信道的多径效应进行仿真，并将结果应用于ofdm通信系统或其他通信系统中，求出信道质量评估指标，并应用于跨层路由协议中；

40、3、设计了强化学习的奖励函数，综合考虑信道质量、节点缓冲区状态和剩余能量，提高了数据包投递成功率；

41、4、提出了一种考虑节点深度、节点剩余能量和节点缓冲区状态的转发候选集选择方法，提高了强化学习算法效率；

42、5、本发明的跨层路由协议方法利用协议栈其他层的信息进行更智能化的路由决策。通过跨层设计，更好的优化网络的性能指标，例如降低时延，减少丢包率等。并且根据网络实际情况进行动态调整，能更好地适应于不同的网络环境和应用场景。

技术特征：

1.一种基于信道质量的水声通信网络跨层路由协议方法，所述水声通信网络包括：一个源节点、一个目的节点和多个中继节点，所述方法包括：

2.根据权利要求1所述的基于信道质量的水声通信网络跨层路由协议方法，其特征在于，源节点和中继节点均可为发送节点。

3.根据权利要求1所述的基于信道质量的水声通信网络跨层路由协议方法，其特征在于，步骤1)的初始化包括：设置网络中每个节点的坐标、q值、v值、通信范围、最大缓冲区长度和初始能量参数。

4.根据权利要求1所述的基于信道质量的水声通信网络跨层路由协议方法，其特征在于，所述步骤2)包括：

5.根据权利要求1所述的基于信道质量的水声通信网络跨层路由协议方法，其特征在于，所述信道质量评估指标cq为误比特率、误码率和包错误率中的一种或多种。

6.根据权利要求1所述的基于信道质量的水声通信网络跨层路由协议方法，其特征在于，所述步骤3)包括：

7.根据权利要求1所述的基于信道质量的水声通信网络跨层路由协议方法，其特征在于，所述步骤4)中的奖励函数rij为节点ni传输到节点nj的奖励函数，满足下式：

8.根据权利要求7所述的基于信道质量的水声通信网络跨层路由协议方法，其特征在于，所述步骤4)中的q值q*(si,ai)根据下式计算：

技术总结
本发明属于水声路由协议领域，涉及一种基于信道质量的水声通信网络跨层路由协议方法。水声通信网络包括：一个源节点、一个目的节点和多个中继节点，方法包括：步骤1)源节点发起水声通信网络的初始化；步骤2)每个节点广播信标获取邻居节点状态并计算信道质量评估指标；步骤3)发送节点根据节点深度、节点剩余能量和节点缓冲区状态确定转发候选集；步骤4)发送节点确定奖励函数并计算转发候选集中所有节点的Q值；步骤5)发送节点选择Q值最大的节点作为下一跳节点并更新V值，继续传输数据包；步骤6)判断目的节点是否收到数据包：若目的节点收到数据包则结束；若没有收到则重复步骤3)到步骤5)，直至目的节点收到数据包。

技术研发人员：何敬华,田杰,普湛清,王巍,黄海宁
受保护的技术使用者：中国科学院声学研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/10/31