[發明專利]一種兩級異構分簇的水下無線傳感器網絡路由方法

有效

• 申請號: 201410262382.5
• 申請日: 2014-06-12
• 公開（公告）號: CN104010336B
• 公開（公告）日: 2017-07-21
• 發明（設計）人: 吳迪;韓光潔;胡鋼;龍霄漢;張選松
• 申請（專利權）人: 河海大學常州校區
• 主分類號: H04W40/04
• 分類號: H04W40/04;H04W40/32;H04W52/02;H04B13/02;H04W84/18
• 代理公司: 南京縱橫知識產權代理有限公司32224
• 代理人: 董建林

技術領域

本發明涉及一種兩級異構分簇的水下無線傳感器網絡及其路由方法，

屬于路由算法技術領域。

背景技術

近年來，隨著人類對海洋的探索、開發以及利用程度地加深，推動了水下通信網絡的快速發展。考慮到海洋環境下通信的特殊性，除大型的固定平臺和主干網絡外的其他設備通常采用無線通信方式。同時，陸地上常用的地磁波、光波以及聲波這三種能量傳輸方式中，最適合在水中遠距離傳播的就是聲波。所以，在海洋領域通常采用水聲無線通信的方式。然而,由于水下聲信道的窄帶寬、多普勒頻移、多途效應、傳輸速度低等特征以及電池供電和經濟費用的限制，使得構建水下無線通信網絡主要面臨以下困難：1)聲信道的延時較長，水中聲速約為1500m/s，比空氣中的光速低了5個數量級；2)可用頻帶有限；3)時變多途影響比較嚴重；4)功耗限制，在水下長期工作的由電池供電的網絡節點壽命受到限制；5)網絡安全性受到挑戰。

鑒于以上特點，水下無線通信網絡最好能是一種具有自組織能力的網絡，能夠具有環境的自適應能力和網絡的自優化能力。而無線傳感器網絡是近年來迅速發展的一種新興技術，集傳感器技術、嵌入式計算技術、無線通信技術以及信息處理技術于一體，是由若干具有自組織能力的傳感器節點以自組網的方式構成的無線自組織網絡。無線傳感器網絡不僅可以應用在陸地環境下，也可以應用在海洋環境監測、水下導航、水下預警以及水下目標定位等領域，此時稱之為水下無線傳感器網絡。

發明內容

針對以上現有技術中的不足，本發明提供了一種適用于淺海場景應用的水下無線傳感器網絡體系結構，并提出了一種兩級分簇的水下無線傳感器網絡路由方法。

本發明的技術特征如下：

一種兩級異構分簇的水下無線傳感器網絡，包括上層傳感器節點、下層傳感器節點、海面上的sink節點以及陸地上的基站；水下無線傳感器網絡監測區域內所有傳感器節點形成兩級異構分簇結構，下層傳感器節點形成第一級簇及第一級簇頭節點，上層傳感器節點形成第二級簇及動態簇頭鏈；所述下層傳感器節點形成第一級簇后，簇內普通成員節點負責采集監測數據并發送給本簇簇頭，即各第一級簇頭節點；所述第一級簇頭節點進行數據處理后根據距離、能量等指標選擇相應的第二級簇頭節點，由第二級簇頭節點通過動態簇頭鏈將數據發送給海面上的sink節點，所述sink節點直接與陸地上的基站進行無線通信，然后由基站將數據發送到遠程控制中心。

一種兩級異構分簇的水下無線傳感器網絡路由方法，包括如下步驟：

(1)、第一級簇的形成階段

為了形成第一級簇，首先在下層傳感器節點中選舉出第一級簇頭節點，為下層傳感器節點i設置一個參數Ti，表示該節點參與第一級簇頭競選的能力，即簇頭競爭力，Ti的計算方法如公式(1)所示：

其中W₁表示簇頭間距調節因子，W₂表示節點能量調節因子，r是當前輪數,p為簇頭節點占所有傳感器節點的百分比；

簇頭間距調節因子W₁如公式(2)所示：

其中，h為節點能接收到上層傳感器節點信號的最近距離，h_max為節點能接收到上層傳感器節點信號的最遠距離，n為分簇個數；

節點能量調節因子W₂如公式(3)所示：

其中，E_c為節點現存能量，E_h為上一輪中本簇簇頭消耗能量，E_t為節點初始能量；

進行第一級簇頭節點選舉時，如果節點的簇頭競爭力T大于閥值D(n)，則該節點當選為簇頭并向網絡中發布公告消息，宣布自己是新當選的簇頭節點；其中D(n)按式(4)進行計算：

第一級簇頭節點選舉完畢后，新選舉的第一級簇頭向水下無線傳感器網絡的下層傳感器節點進行消息廣播，宣布自己是新當選的第一級簇頭；然后，沒有當選為簇頭的下層傳感器節點作為成員節點選擇加入相應的簇；考慮到水下傳感器節點能量、距離等因素的限制，成員節點選擇自己能接收到且聲波信號最強的那個第一級簇頭節點作為自己的簇頭，并向該簇頭發送一個請求加入的消息，等待該簇頭節點批準申請并返回一個應答消息后，正式加入該簇；第一級簇頭節點為本簇內的成員節點分配不同的時隙，成員節點在各自的時隙內向簇頭節點發送消息；

(2)、第二級簇頭的選擇