[發明專利]一種應用于三維水聲傳感器網絡的分布式路由協議方法

有效

• 申請號: 201210052390.8
• 申請日: 2012-03-02
• 公開（公告）號: CN102625404A
• 公開（公告）日: 2012-08-01
• 發明（設計）人: 李霞;方世良;張瑩瑩
• 申請（專利權）人: 東南大學
• 主分類號: H04W40/04
• 分類號: H04W40/04;H04W40/10;H04W40/20;H04W84/18;H04B13/02
• 代理公司: 南京天翼專利代理有限責任公司 32112
• 代理人: 湯志武

1.一種應用于三維水聲傳感器網絡的分布式路由協議方法，其特征在于：假設每個節點都知道自己的地理位置，并且信道是雙向對稱的，當需要轉發數據時，在已有網絡拓撲結構的基礎上，根據包括節點的位置、信道利用率及能量在內的因素，通過計算轉發代價，選擇轉發節點，如果此轉發節點是目的節點，則將數據直接發送給該目的節點，數據發送過程結束；如果此轉發節點不是目的節點，將數據發送給該轉發節點，此轉發節點收到數據后，繼續根據包括節點的位置、信道利用率及能量在內的因素，計算轉發代價，選擇自己的轉發節點，直到將數據最終發送給目的節點，數據發送過程結束，包括以下步驟：

1)網絡進行初始化，采用三維水聲傳感器網絡的分布式節點布放算法建立網絡拓撲結構信息，有以下四個階段：

a)分簇

在這個階段，節點初始時被隨機布放在海底，根據節點的分組標識ID進行分簇，基本思想是鄰近區域內的每個節點選擇該區域內最大的ID作為該簇的ID，即簇的標識CID，這就意味著每個節點要與其一跳鄰節點交換ID，并保存一份鄰節點ID表；

b)分組

節點分完簇后，簇頭根據簇內節點間的覆蓋重疊，在每個簇內對節點進行分組，在分組階段需要給存在感知覆蓋重疊的兩個節點分配不同的分組ID，即組的標識GID，將它們布放到不同的深度以消除該重疊，由于簇頭知道簇內節點的ID和位置，因此開始依次分配GID，每次選擇一個新節點，檢查該節點與其它已分配GID的節點間的感知覆蓋重疊，通過這種方式，簇頭可以保證給任意具有感知覆蓋重疊的兩個節點分配不同的GID，一旦簇頭完成該過程，就會給簇內的每個節點發送包含有節點GID的信息；

c)深度分配

為了減小覆蓋重疊、提高三維整體覆蓋范圍，將給每個組分配不同的深度，計算過程如下：任意兩個不同組之間的空間為其中，D為海水的深度，G為分組的個數，此空間將確保每層，即具有某個深度的xy平面與其它層之間的距離為頂層與海面之間、底層與海底之間也都在這個距離之內，而且，此分組允許沒有覆蓋重疊的節點布放在相同的深度層，該計算過程由簇頭完成，并由簇頭將深度信息發送給簇內的每個節點；

d)額外周期

每個節點根據距離確定離自己最近的鄰節點，并檢查自己與該鄰節點間是否存在感知覆蓋重疊，如果該最近鄰節點在自己的感知覆蓋范圍內，則節點繼續移動，當沒有明顯的覆蓋范圍可提升或達到一定的周期數時，移動將會停止，當兩個周期之后網絡的整體覆蓋范圍提高不再明顯，將額外周期數設為2；

2)設定總的通信時間為T；

3)網絡所有節點進入通信過程，先判斷是否有數據需要發送，如果有，則進入發送狀態，執行步驟4)；否則，進入接收狀態，執行步驟5)；

4)在發送狀態：

a)先判斷是否到達通信時間T，如果是，整個通信過程結束，執行步驟6)；否則，繼續往下執行；

b)網絡節點有數據需要發送，在步驟1)建立的網絡拓撲結構基礎上，根據節點的位置、信道利用率及能量因素計算轉發代價，選擇轉發節點，轉發代價的計算方法如下：

Ei(j)=Eij·N^ijt·N^ihop---(1)]]>

式中，為鏈路(i，j)的轉發代價估計，表示節點i選擇節點j作為轉發節點向目的節點發送數據包時，成功發送1bit所需的能量估計，由以下三個因素組成：

①E_ij表示節點i向節點j發送1bit數據所需的能量，由下式表示：

Eij=2·Eelecb+min(PTimaxR,TLij·Eminb)---(2)]]>

式中變量的意義如下：

其中，分別表示發送或接收每bit數據電子器件固有的能量損耗，與距離無關；

為數據率為R時節點i的最大發送功率；

TL_ij為節點i到節點j的傳輸損耗，可由水聲傳播能耗模型計算得出，即：

在淺海中，傳輸損耗計算公式為：

TL＝10logd+α(f)d×10^-3????(3)

式中，d表示源節點和接收節點之間的距離，α(f)表示吸收系數，意味著聲強傳播每單位距離因吸收衰減α(f)分貝，單位為dB/km，TL的單位為dB；

在深海中，損耗計算公式為：

TL＝20logd+α(f)d×10^-3????(4)

式中，吸收系數α(f)數值大小與所用頻率有關；

對于幾百赫茲以上的頻率，α(f)計算公式為：

α(f)=0.1f21+f2+40f24100+f2+2.75×10-4f2+0.003---(5)]]>

式中，f表示通信所用頻率，單位為kHz；

對于低頻率，α(f)計算公式為：

α(f)=0.11f21+f2+0.011f2+0.002---(6)]]>

為給定一個噪聲等級，接收者成功譯碼每bit數據所需的最小能量損耗；

②表示在鏈路(i，j)誤比特率為BER_ij的情況下，直到接收者j成功譯碼之前，長L的數據包所需發送的平均次數，水聲信道的利用率、鏈路的能量有效性主要取決于所需的平均發送次數，由下式表示：

N^ijt=(1-PERij)·Σn=1∞n·PERijn-1---(7)]]>

其中：

PER_ij＝1-(1-BER_ij)^L????(8)

BER_ij、PER_ij分別為鏈路(i，j)的誤比特率和誤包率，n為一個包的總發送次數；

水聲信道利用率可以定義為：

η=LDN^ijt·TrttR---(9)]]>

式中，表示一個往返行程所用的時間，其中，分別表示包頭、有效數據、ACK包的傳輸時間，T_p表示傳播時間，假設要傳輸包的有效數據長度為L^D，包頭長度為L^H，ACK包長度為L^A，節點通信范圍為r，聲速為q，數據率為R，有定義為發送者和接收者之間的有效鏈路容量，表示無競爭介質接入控制方案下可達到的平均比特率，所以，公式(9)又可以寫為

η=LDN^ijt·[LH+LD+LA+R·(2rq)]---(10)]]>

③表示從節點i到目的節點的平均跳數，可以由下式表示：

N^ihop=max(Σk=1mHkm,1)---(11)]]>

m為節點i到目的節點的總路徑條數，H_k為節點i到目的節點的第k條路徑的跳數；

節點i選擇節點j^*作為轉發節點，如果：

j*=argminj*∈Si∩PisEi(j)---(12)]]>

式中，S_i為節點i的鄰節點集，為距離目的節點s比節點i距離目的節點s近的節點集，即如果d_js＜d_is，則即轉發節點j^*為節點i的鄰節點中轉發代價最小的節點集合；

c)偵聽信道忙閑與否，信道空閑時發送數據；

d)網絡節點發送完數據后，在一個往返時間內等待對方的響應；

e)如果在一個往返時間內收到對方的應答信息，說明此次數據發送成功，重新進入到通信過程，執行步驟3)；

5)在接收狀態：

a)先判斷是否到達通信時間T，如果是，整個通信過程結束，執行步驟6)；否則，繼續往下執行；

b)如果接收到數據，先判斷該數據是給自己的數據還是需要轉發給其它節點的數據；

c)如果是給自己的數據，就將該數據保存，并回復應答信息，重新進入到通信過程，執行步驟3)；

d)如果是需要轉發給其它節點的數據，就將該數據暫存，回復應答信息，并進入到發送狀態，轉發該數據，執行步驟4)；

6)通信結束。