[發明專利]一種免于定位的高效水聲傳感器網絡傳輸方法

在審

• 申請號: 202210894301.8
• 申請日: 2022-07-27
• 公開（公告）號: CN115379526A
• 公開（公告）日: 2022-11-22
• 發明（設計）人: 趙瑞琴;楊港;申曉紅;王海燕;衛媛;陳帆;解偉亮
• 申請（專利權）人: 西北工業大學
• 主分類號: H04W40/02
• 分類號: H04W40/02;H04W40/20;H04W40/22;H04W52/02;H04B11/00;H04B13/02
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1.一種免于定位的高效水聲傳感器網絡傳輸方法，其特征在于包括下述步驟：

包括兩個部分：(1)交互分層機制，所有傳感器結點進行周期性層級選擇的同時，通過交互獲取其鄰居結點數目，從而判斷局部網絡是否稀疏且有效避免路由空區，最終為機會路由提供準備條件；(2)路由機制，在交互分層機制完成后，基于層級、鄰居結點數目以及剩余能量規劃數據包的最優傳輸路徑，提高數據包傳輸的可靠性；

一、交互分層機制

Hello包用于交互分層機制，具體格式如下：

包類型Type	發送結點ID	層級Level

其中，發送結點ID為廣播Hello包結點的ID，層級Level用于標識結點所處層數，除sink以外的結點在本地均建立一個鄰居列表Q₁，用于存儲鄰居結點信息，對鄰居列表Q₁進行計數，得到鄰居結點數N_neighbor的大小；此外，除sink以外的結點在本地還建立兩個列表，分別是已發送列表Q₂和待發送列表Q₃；

分層交互機制具體步驟如下：

步驟1：網絡在布放成功后，所有結點的層級均為0，Hello包由Sink結點產生，并將Level字段置0后，以T_Hello為周期進行廣播，進入步驟2；

步驟2：若有結點成功收到Hello包，首先讀取發送結點的ID是否在鄰居列表Q₁中，若發送結點的ID不在鄰居列表Q₁中，進入步驟3；若發送結點的ID在鄰居列表Q₁中，則進入步驟4；

步驟3：在Q₁隊尾寫入發送結點的ID以及接收時間，進入步驟4；

步驟4：將本地時間與Q₁時間相減，得到時間差值，若時間差值小于Hello包的廣播周期T_Hello，進入步驟5；反之，若時間差值大于等于T_Hello，則進入步驟6；

步驟5：僅更新對應結點的接收時間戳，進入步驟7；

步驟6：將此結點從Q₁中刪除，進入步驟7；

步驟7：若自身層級self_level為0，進入步驟8；若自身層級self_level不為0，進入步驟10；

步驟8：讀取Hello包字段Level的值，接著更新并保存自身結點的層級，即self_level＝Level+1，進入步驟9；

步驟9：將字段Level更新為自身層級后將分層包Hello轉發出去，即Level＝self_level，進入步驟11；

步驟10：直接丟棄Hello包，進入步驟11；

步驟11：若網絡最深結點未被分配層級或未能成功感知鄰居結點，進入步驟2繼續執行；否則，交互分層機制結束；

二、路由機制

在交互分層機制完成后，路由機制的實現過程如下：

路由階段采用基于接收方的機會路由，即發送結點不能確定下一跳結點，其僅利用信道的廣播特性將數據包Data廣播出去，只有成功接收到Data的結點才具有成為中繼結點的資格；數據包Data的包頭格式如下：

其中，包序列號表示數據包在源結點的生成序號，其與源結點ID兩者共同構成區分各數據包的唯一標識；標志位RCs_flag用于表示鄰居結點數和局部網絡稀疏閾值N_th的關系；

路由機制具體如下：

步驟1：若網絡中某傳感器結點i有數據包Data要發送或轉發時，首先判斷自身層級self_level_i是否為1：若self_level_i＝1，結點i將標志位RCs_flag置為1后，將數據包發送；否則，若self_level_i≠1，進入步驟2；

步驟2：判斷結點i是否為空區結點；

結點i與周圍鄰居結點進行周期性的信息交互，從而獲取鄰居結點數目N_neighbor，若N_neighbor＜2，結點i為空區結點，則將Data丟棄；否則，進入步驟3；

步驟3：判斷局部網絡狀況，比較鄰居結點數與局部網絡稀疏閾值N_th的大小關系，即確定標志位RCs_flag的確定；若N_th＞N_neighbor，說明結點i的鄰居結點數較少，則認為結點i周圍的網絡狀況較差，故標志位RCs_flag＝0；反之，若N_th≤N_neighbor，說明網絡狀況良好，則RCs_flag＝1；進入步驟4；

步驟4：結點i在完成步驟3后，將數據包通過物理層的發射機廣播出去，進入步驟5；

步驟5：設結點j為結點i的某個鄰居結點，若結點j成功接收到Data，此時的時間戳為T_Receiving，接著獲取包頭字段數據包ID(由源結點ID和包序列號Seq組成)的值，若該值在Q₂中存在，則說明該數據包已被發送或轉發，此時直接丟棄Data并跳至步驟1；若該值在Q₂中不存在，則判斷該值在Q₃中是否存在；若該值在Q₃中已有記錄，此時跳至步驟8；若該值在Q₃中不存在，則跳至步驟6；

步驟6：結點j解析Data包頭標志位RCs_flag和層級Level_i的值；若RCs_flag＝0，說明結點i的鄰居數目較少，故將結點j加入結點i的RCs；若RCs_flag＝1，說明結點i的潛在轉發結點較多，故需判斷結點j的層級是否小于結點i的層級，即比較self_level與Level_i的大小：若self_level＞Level_i，則丟棄Data；否則，若self_level≤Level_i，結點j成為結點i的候選集結點，接著進入步驟7；

步驟7：計算Data的預定發送時間T_Sending；優先級越高的結點，其對應的等待時間T_Holding越小；

此時，將Data的數據包ID和對應的預定發送時間一同添加至列表Q₃中，然后進入步驟8；

步驟8：在當前時間T_Current小于預定發送時間T_Sending時，若結點j收到相同數據包ID的數據包，不但直接丟棄此數據包，還要將數據包Data從Q₃中移除；否則，若T_Current≥T_Sending，在預定轉發時間到達后直接發送Data，此時，傳感器結點j的角色變為i，跳轉至步驟1繼續執行，直至Data最終到達sink結點。