[發明專利]一種水下傳感器網絡路由數據傳輸方法及水下傳感器網絡

有效

• 申請號: 202010630938.7
• 申請日: 2020-07-03
• 公開（公告）號: CN111836327B
• 公開（公告）日: 2022-05-17
• 發明（設計）人: 蔡曉軍;劉忠洋;蔡文浩;靳文科;董廣順
• 申請（專利權）人: 山東大學
• 主分類號: H04W40/04
• 分類號: H04W40/04;H04L45/00;H04L45/12;G06F16/2458;G06F17/11;H04B13/02;H04W84/18
• 代理公司: 濟南圣達知識產權代理有限公司 37221
• 代理人: 張慶騫

本發明屬于水下傳感器網絡領域，提供了一種水下傳感器網絡路由數據傳輸方法及水下傳感器網絡。其中，水下傳感器網絡路由數據傳輸方法包括獲取水下傳感器網絡拓撲結構相關數據，查詢水下傳感器網絡中的當前節點的所有鄰居節點；將每個鄰居節點的傳輸距離、傳輸角度、剩余能量和累積獎賞作為模糊器的輸入，根據模糊規則庫推理，去模糊化得到每個鄰居節點的Q值，選擇Q值最大的鄰居節點作為轉發節點，同時按照預設學習效率以及最大Q值來更新當前節點的累積獎賞；水下傳感器網絡中所有節點的累積獎賞初始值均為0。

技術領域

本發明屬于水下傳感器網絡領域，尤其涉及一種水下傳感器網絡路由數據傳輸方法及水下傳感器網絡。

背景技術

本部分的陳述僅僅是提供了與本發明相關的背景技術信息，不必然構成在先技術。

水下傳感器網絡(UWSNs)由隨機分布的節點通過自組織的方式構成。節點包括傳感器、數據處理單元和通信模塊。UWSNs在科學勘探、商業開發和海岸線保護等領域有著非常重要的應用。盡管水下傳感器網絡與陸地傳感器網絡有一些共同的特性，如節點數量多、能量有限，但UWSN在低帶寬、高延遲、節點漂浮移動性(導致高網絡動態性)、高差錯率和三維空間等方面與陸地傳感器網絡有很大的不同。這些新特性給UWSN的協議設計帶來了諸多挑戰。

針對水下無線傳感器網絡中的這些問題，一種基于模糊邏輯決策系統的路由協議被提出。該協議通過考慮三個因素來選擇下一跳節點。首先，傳輸距離D是路由路徑選擇的重要影響因素，傳輸距離會影響數據傳輸的穩定性，因為帶寬隨著傳輸距離的增加而減小。其次是傳輸角度θ，角度越小代表傳輸方向跟源節點與目標節點連線的夾角越小。源節點最后是鄰居節點的剩余能量，盡量可能選擇剩余能量多的鄰居節點，平衡節點能量消耗，提高網絡的生命周期。模糊邏輯推理系統是一種類似于人類推理的推理方法，由模糊化模塊、知識庫、推理機制和去模糊化模塊組成。將上述三個要素作為模糊邏輯決策系統的輸入，根據輸出結果確定合適的傳感器進行報文轉發。重復該過程，直到將數據包傳輸水面上的數據中心。該路由協議在報文投遞率、能耗和平均端到端時延等方面均取得了較好的性能。但是該協議存在一些不足，雖然每一次轉發都可以選擇最優的下一跳節點，但是這種局部最優并不能保證全局最優。如圖1所示，源節點s1收集到的數據以多跳的方式傳輸到匯聚節點sink。匯聚節點sink位于海面之上，之后通過無線電波同樣以多跳的方式將數據傳輸到數據中心。海平面上的傳輸過程不在本發明討論之內。從圖1可以看到在源節點s1通信范圍內有兩個鄰居節點n1,n2。通過考慮距離、角度、剩余能量因素，發現節點n1比節點n2更適合作為轉發節點。但是從全局來看，如果選擇n1作為轉發節點，會沿著路徑A轉發報文，經過七次轉發才到達匯聚節點sink。而如果一開始選擇n2作為轉發節點，只需五次轉發就能到達sink節點。因此，基于貪心思想每次選擇最優的轉發節點轉發并不能達到全局最優。

綜上所述，目前的水下傳感器網絡路由數據傳輸路徑并不能達到全局最優。

發明內容

為了解決上述問題，本發明的第一個方面提供一種水下傳感器網絡路由數據傳輸方法，其在轉發節點確定階段，除了考慮傳輸距離、傳輸角度、鄰居節點的剩余能量外，將鄰居節點的累積獎賞作為模糊邏輯的一個新輸入，從而確定更合理的轉發節點，全局優化水下傳感器網絡路由數據傳輸路徑。

為了實現上述目的，本發明采用如下技術方案：

一種水下傳感器網絡路由數據傳輸方法，包括：

獲取水下傳感器網絡拓撲結構相關數據，查詢水下傳感器網絡中當前節點的所有鄰居節點；

將每個鄰居節點的傳輸距離、傳輸角度、剩余能量和累積獎賞作為模糊器的輸入，根據模糊規則庫推理，去模糊化得到每個鄰居節點的Q值，選擇Q值最大的鄰居節點作為轉發節點，同時按照預設學習效率以及最大Q值來更新當前節點的累積獎賞；水下傳感器網絡中所有節點的累積獎賞初始值均為0。