[發(fā)明專利]一種水下傳感器網(wǎng)絡(luò)路由數(shù)據(jù)傳輸方法及水下傳感器網(wǎng)絡(luò)

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202010630938.7
• 申請日: 2020-07-03
• 公開（公告）號: CN111836327B
• 公開（公告）日: 2022-05-17
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 蔡曉軍;劉忠洋;蔡文浩;靳文科;董廣順
• 申請（專利權(quán)）人: 山東大學(xué)
• 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(chǎn)權(quán)代理有限公司 37221
• 代理人: 張慶騫

本發(fā)明屬于水下傳感器網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域，提供了一種水下傳感器網(wǎng)絡(luò)路由數(shù)據(jù)傳輸方法及水下傳感器網(wǎng)絡(luò)。其中，水下傳感器網(wǎng)絡(luò)路由數(shù)據(jù)傳輸方法包括獲取水下傳感器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相關(guān)數(shù)據(jù)，查詢水下傳感器網(wǎng)絡(luò)中的當(dāng)前節(jié)點的所有鄰居節(jié)點；將每個鄰居節(jié)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(jù)模糊規(guī)則庫推理，去模糊化得到每個鄰居節(jié)點的Q值，選擇Q值最大的鄰居節(jié)點作為轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點，同時按照預(yù)設(shè)學(xué)習(xí)效率以及最大Q值來更新當(dāng)前節(jié)點的累積獎賞；水下傳感器網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點的累積獎賞初始值均為0。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于水下傳感器網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域，尤其涉及一種水下傳感器網(wǎng)絡(luò)路由數(shù)據(jù)傳輸方法及水下傳感器網(wǎng)絡(luò)。

背景技術(shù)

本部分的陳述僅僅是提供了與本發(fā)明相關(guān)的背景技術(shù)信息，不必然構(gòu)成在先技術(shù)。

水下傳感器網(wǎng)絡(luò)(UWSNs)由隨機分布的節(jié)點通過自組織的方式構(gòu)成。節(jié)點包括傳感器、數(shù)據(jù)處理單元和通信模塊。UWSNs在科學(xué)勘探、商業(yè)開發(fā)和海岸線保護等領(lǐng)域有著非常重要的應(yīng)用。盡管水下傳感器網(wǎng)絡(luò)與陸地傳感器網(wǎng)絡(luò)有一些共同的特性，如節(jié)點數(shù)量多、能量有限，但UWSN在低帶寬、高延遲、節(jié)點漂浮移動性(導(dǎo)致高網(wǎng)絡(luò)動態(tài)性)、高差錯率和三維空間等方面與陸地傳感器網(wǎng)絡(luò)有很大的不同。這些新特性給UWSN的協(xié)議設(shè)計帶來了諸多挑戰(zhàn)。

針對水下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的這些問題，一種基于模糊邏輯決策系統(tǒng)的路由協(xié)議被提出。該協(xié)議通過考慮三個因素來選擇下一跳節(jié)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(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)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(jié)點與目標(biāo)節(jié)點連線的夾角越小。源節(jié)點最后是鄰居節(jié)點的剩余能量，盡量可能選擇剩余能量多的鄰居節(jié)點，平衡節(jié)點能量消耗，提高網(wǎng)絡(luò)的生命周期。模糊邏輯推理系統(tǒng)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(tǒng)的輸入，根據(jù)輸出結(jié)果確定合適的傳感器進行報文轉(zhuǎn)發(fā)。重復(fù)該過程，直到將數(shù)據(jù)包傳輸水面上的數(shù)據(jù)中心。該路由協(xié)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(xié)議存在一些不足，雖然每一次轉(zhuǎn)發(fā)都可以選擇最優(yōu)的下一跳節(jié)點，但是這種局部最優(yōu)并不能保證全局最優(yōu)。如圖1所示，源節(jié)點s1收集到的數(shù)據(jù)以多跳的方式傳輸?shù)絽R聚節(jié)點sink。匯聚節(jié)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(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)中心。海平面上的傳輸過程不在本發(fā)明討論之內(nèi)。從圖1可以看到在源節(jié)點s1通信范圍內(nèi)有兩個鄰居節(jié)點n1,n2。通過考慮距離、角度、剩余能量因素，發(fā)現(xiàn)節(jié)點n1比節(jié)點n2更適合作為轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點。但是從全局來看，如果選擇n1作為轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點，會沿著路徑A轉(zhuǎn)發(fā)報文，經(jīng)過七次轉(zhuǎn)發(fā)才到達匯聚節(jié)點sink。而如果一開始選擇n2作為轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點，只需五次轉(zhuǎn)發(fā)就能到達sink節(jié)點。因此，基于貪心思想每次選擇最優(yōu)的轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)并不能達到全局最優(yōu)。

綜上所述，目前的水下傳感器網(wǎng)絡(luò)路由數(shù)據(jù)傳輸路徑并不能達到全局最優(yōu)。

發(fā)明內(nèi)容

為了解決上述問題，本發(fā)明的第一個方面提供一種水下傳感器網(wǎng)絡(luò)路由數(shù)據(jù)傳輸方法，其在轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點確定階段，除了考慮傳輸距離、傳輸角度、鄰居節(jié)點的剩余能量外，將鄰居節(jié)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(zhuǎn)發(fā)節(jié)點，全局優(yōu)化水下傳感器網(wǎng)絡(luò)路由數(shù)據(jù)傳輸路徑。

為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

一種水下傳感器網(wǎng)絡(luò)路由數(shù)據(jù)傳輸方法，包括：

獲取水下傳感器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相關(guān)數(shù)據(jù)，查詢水下傳感器網(wǎng)絡(luò)中當(dāng)前節(jié)點的所有鄰居節(jié)點；

將每個鄰居節(jié)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(jù)模糊規(guī)則庫推理，去模糊化得到每個鄰居節(jié)點的Q值，選擇Q值最大的鄰居節(jié)點作為轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點，同時按照預(yù)設(shè)學(xué)習(xí)效率以及最大Q值來更新當(dāng)前節(jié)點的累積獎賞；水下傳感器網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點的累積獎賞初始值均為0。