[發(fā)明專利]基于Q學(xué)習(xí)和數(shù)據(jù)分級(jí)的水聲網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)計(jì)算簇頭路由方法

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202210638987.4
• 申請(qǐng)日: 2022-06-07
• 公開（公告）號(hào): CN115002865A
• 公開（公告）日: 2022-09-02
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 陳友淦;涂申奧;周娜娜;朱秀玲;江涵希;熊藝程;高榜君;許肖梅
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 廈門大學(xué)
• 主分類號(hào): H04W40/10
• 分類號(hào): H04W40/10;H04W40/24;H04W40/32;H04B13/02
• 代理公司: 廈門南強(qiáng)之路專利事務(wù)所(普通合伙) 35200
• 代理人: 馬應(yīng)森

基于Q學(xué)習(xí)和數(shù)據(jù)分級(jí)的水聲網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)計(jì)算簇頭路由方法，涉及水聲通信網(wǎng)絡(luò)。將水下節(jié)點(diǎn)分簇，設(shè)簇頭CH節(jié)點(diǎn)為計(jì)算簇頭，負(fù)責(zé)計(jì)算數(shù)據(jù)傳輸?shù)淖顑?yōu)路徑以及Q值表的存儲(chǔ)，非簇頭節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)信號(hào)傳輸。根據(jù)水聲網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的初始位置，選擇初始簇頭CH節(jié)點(diǎn)，再根據(jù)非簇頭節(jié)點(diǎn)的能量變化率選擇備用簇頭。根據(jù)數(shù)據(jù)優(yōu)先級(jí)程度不同進(jìn)行數(shù)據(jù)分級(jí)，選擇不同的數(shù)據(jù)傳輸模式，以保證較高數(shù)據(jù)優(yōu)先級(jí)的節(jié)點(diǎn)優(yōu)先傳輸；當(dāng)初始計(jì)算簇頭CH節(jié)點(diǎn)的剩余能量接近于閾值時(shí)，其與備用簇頭進(jìn)行任務(wù)交接，優(yōu)化簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)能量的均勻分布，對(duì)水聲通信網(wǎng)絡(luò)能量資源的分配進(jìn)行更加合理的規(guī)劃，實(shí)現(xiàn)水聲通信網(wǎng)絡(luò)基于Q學(xué)習(xí)和數(shù)據(jù)優(yōu)先級(jí)的水聲通信能耗和時(shí)延優(yōu)化功能。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及水下通信，尤其是涉及一種基于Q學(xué)習(xí)和數(shù)據(jù)分級(jí)的水聲網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)計(jì)算簇頭路由方法。

背景技術(shù)

近年來(lái)，水聲通信網(wǎng)絡(luò)在海洋環(huán)境保護(hù)、水下探測(cè)、海洋災(zāi)害監(jiān)測(cè)、近海作業(yè)和海洋軍事活動(dòng)等方面有著廣闊的應(yīng)用前景，引起各國(guó)政府、工業(yè)界和學(xué)術(shù)界的高度重視。高效、低功耗的路由方法，作為水下無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)中的重要組成部分，它能保證數(shù)據(jù)包的快速可靠傳輸，已成為水聲通信網(wǎng)絡(luò)的研究熱點(diǎn)。

水聲通信是目前海洋中實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)距離可靠傳輸最為穩(wěn)健的技術(shù)手段。由于水下傳感器節(jié)點(diǎn)由難以更換的內(nèi)置電池供電，且數(shù)據(jù)傳輸路徑的不均勻性容易導(dǎo)致某些節(jié)點(diǎn)能量過早耗盡造成網(wǎng)絡(luò)壽命縮短，因此延長(zhǎng)水聲網(wǎng)絡(luò)壽命是最迫切的需求。同時(shí)，水聲通信網(wǎng)絡(luò)由于數(shù)據(jù)量大、傳輸速率低，容易造成網(wǎng)絡(luò)堵塞。與陸地?zé)o線傳感器網(wǎng)絡(luò)相比，由于水聲信道的固有屬性，水聲通信網(wǎng)絡(luò)存在諸如能量利用率低、端到端時(shí)延長(zhǎng)、丟包率和系統(tǒng)能量消耗高、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)適應(yīng)性差等難題。為此，傳統(tǒng)的陸基無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由算法，無(wú)法直接應(yīng)用于水聲通信網(wǎng)絡(luò)，必須針對(duì)水聲通信網(wǎng)絡(luò)的固有特性進(jìn)行路由算法的特殊設(shè)計(jì)。此外，隨著海洋物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，水聲通信網(wǎng)絡(luò)感知的水下數(shù)據(jù)量越來(lái)越龐大，針對(duì)有限的水下資源，如何結(jié)合水下信息的不同數(shù)據(jù)優(yōu)先級(jí)進(jìn)行數(shù)據(jù)分級(jí)，進(jìn)而設(shè)計(jì)合適的路由算法具有重要意義。目前，水聲通信網(wǎng)絡(luò)路由算法研究中，少有考慮數(shù)據(jù)分級(jí)問題。

Y.Lu等人(Y.Lu；R.He；X.Chen；B.Lin and C.Yu,“Energy-Efficient Depth-Based Opportunistic Routing with Q-Learning for Underwater Wireless SensorNetworks”,Sensors 2020,20,1025.)提出一種基于Q學(xué)習(xí)和深度的能量高效機(jī)會(huì)路由算法，以保證水聲通信網(wǎng)絡(luò)的節(jié)能和數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽俊Ｔ撍惴ńY(jié)合Q學(xué)習(xí)技術(shù)和機(jī)會(huì)路由算法的優(yōu)點(diǎn)，在能量消耗、平均網(wǎng)絡(luò)開銷和報(bào)文投遞率等方面提高網(wǎng)絡(luò)性能，但卻沒有對(duì)空洞節(jié)點(diǎn)有效利用，使水聲通信網(wǎng)絡(luò)剩余能量的分布不均勻。T.Hu等人(T.Hu and Y.Fei,“QELAR:A Machine-Learning-Based Adaptive Routing Protocol for Energy-Efficient andLifetime-Extended Underwater Sensor Networks”,IEEE Trans.Mobile Comput.,vol.9,no.6,Jun.2010.)提出一種基于強(qiáng)化學(xué)習(xí)的自適應(yīng)、節(jié)能、生命周期感知的路由方法QELAR。該協(xié)議采用通用的MAC協(xié)議，旨在通過設(shè)計(jì)使傳感器節(jié)點(diǎn)的剩余能量分布更加均勻，以延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)生命周期。但該方案中，節(jié)點(diǎn)之間互相交換信息使能量損耗增大，增加無(wú)效損耗。Y.Su等人(Y.Su,R.Fan,X.i Fu and Z.Jin,“DQELR:An Adaptive Deep Q-Network-Based Energy-and Latency-Aware Routing Protocol Design for UnderwaterAcoustic Sensor Networks”,IEEE Access,vol.7,pp.9091-9104,Jan.2019.)提出一種基于深度Q網(wǎng)絡(luò)的自適應(yīng)能量和時(shí)延感知路由方法(DQELR)，以延長(zhǎng)水聲通信網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間。還設(shè)計(jì)廣播和單播通信機(jī)制的混合，以減少網(wǎng)絡(luò)開銷；具有更低的能耗和嚴(yán)格的時(shí)延限制，可以延長(zhǎng)水聲通信網(wǎng)絡(luò)中的網(wǎng)絡(luò)壽命。Z.Jin等人(Z.Jin；Y.Ma；Y.Su；Shuo Li andX.Fu,“A Q-Learning-Based Delay-Aware Routing Algorithm to Extend the Lifetimeof Underwater Sensor Networks”,Sensors 2017,17,1660.)提出一種基于Q學(xué)習(xí)的延遲感知路由(QDAR)算法來(lái)延長(zhǎng)水聲通信網(wǎng)絡(luò)的生命周期。在QDAR中，設(shè)計(jì)一個(gè)適應(yīng)動(dòng)態(tài)環(huán)境的數(shù)據(jù)采集階段。通過Q學(xué)習(xí)技術(shù)的應(yīng)用，QDAR可以確定全局最優(yōu)的下一跳，而不是采用貪婪模式進(jìn)行下一跳。但由于每次路徑設(shè)計(jì)都需要借助信源節(jié)點(diǎn)，可能會(huì)增大傳播延遲，降低傳輸速率，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)堵塞。