[发明专利]一种面向多水下机器人通信的节能路由方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种水下通信方法，具体地说，涉及一种面向多水下机器人通信的节能路由方法。

背景技术

水声通信网络的研究始于20世纪90年代。最近二十年，水声通信技术已经取得了巨大的进步，其应用领域也逐渐扩展到了商业领域。

90年代初，美国的自组织采样网(AOSNs)率先提出“水声网”概念，并利用海网Seaweb计划进行实践、验证，很快证实了利用声学进行水下组网的可行性，并衍生出一系列水声网计划和应用。如FRONT沿海大陆架监测计划、分布式DADS沿海军事反战计划等，充分展现了水声网络应用的广阔前景。科学技术的发展提高了水声通信的比特率与可靠性，从而实现了点对点实时通信，然而水声通信网络远远比单纯的点对点通信更有用，也更复杂。因此，美国、加拿大和欧共体等发达国家和地区投入了大量的人力、物力来研究和开发水声通信网络。

多水下机器人(AUVs)组成的水声网络是一种水声自主网，目前研究得最多的自主网是Ad Hoc网。Ad Hoc网是没有有线基础设施支持的移动网络，网络中的节点均由移动主机构成。由于所有节点可以随机地、自由地移动，其网络拓扑结构是动态变化的。在Ad Hoc网络中，主机的通信范围有限，当两个移动主机在彼此的通信覆盖范围内时，它们可以直接通信，否则必须通过中继节点进行数据转发，因此在Ad Hoc网中，主机同是还是路由器，担负着寻找路由与转发数据的功能。由于在Ad Hoc网中，数据一般都要通过多个主机转发才能到达目的节点，故Ad Hoc网也称为多跳无线网络，也就是由一组带有无线收发装置的移动终端组成的一个多跳临时性自治系统。Ad Hoc网络在军事、紧急救助和探险等领域具有非常重要的应用前景。

路由技术的研究是Ad Hoc网研究的核心内容之一，优良的路由方法能够降低路由的响应时间，减少网络运行过程中能量的消耗，这对水声自主网这种具有高延迟、能量受限的网络来讲格外重要。从路由的逻辑视图的角度进行划分，Ad Hoc网路由技术可以分为平面结构和分级结构路由。目前，Ad Hoc网研究最多的还是平面路由。对Ad Hoc路由协议技术最普遍的分类是将其划分为两类：先验式(proactive)和反应式(reactive)，也称为表驱动(table-driven)和按需要(on-demand)驱动。表驱动路由有：DBF(Distributed Bellman-Ford)，DSDV(Destination-sequenced Distance-vector Routing)，WRP(Wireless Routing Protocol)等。按需要路由主要有：DSR(Dynamic Source Routing)，AODV(Ad Hoc On-Demand Distance VectorRouting)，TORA(Temporally-Ordered Routing Algorithm)等。

AODV路由协议技术是Ad Hoc网中研究得比较多的一种按需路由协议。它具有计算量小、存储资源消耗小、对网络带宽占用小、当网络拓扑结构发生变化时能快速收敛的特点。不过它仍有一些值得改进的地方，尤其是要将它用于水下机器人通信网络这种对能耗要求较高的网络，应该使其尽可能地减少能量的损耗。

在目前国内外的路由技术中，多数涉及两点之间的通信技术。而面向多节点通信网络也主要针对静态节点的无线传感器网络，很少同时考虑水声特性、能量和节点的移动性等特征。本发明所设计的水下机器人路由方法，不同于上述路由技术。重点考虑了水声通信的特性，本质上是以节能为主要需求的路由技术，能够适合多水下机器人协作任务的需求，具有如下特征：首先，网络创建的初始需要进行路由查找，目的是找到一条稳定可靠的路由。在该阶段，引入矢量限制转发法则和链路生存时间优先选择机制，减少路由查找涉及的节点数量，增加存活率高的链路选择，从而降低了查找过程中消耗的系统能量。其次，当路由节点出现故障或出现断链时，需要进行路由修复，保障信息的可靠传递。在该阶段，将“慢启动”的思想引入到逐跳回退的路由修复算法中，以平衡能耗与响应时间。与AODV的自动修复相比，在大多数情况下，尤其是当网络较大时，它能更节省能量，修复时间也更短。最后，如果出现修复的链路不是最优情况，则需要进行路由维护。在该阶段，向HELLO消息中加入其所维护的路由标识和跳数，当节点收到其邻居节点发送的HELLO后，可得知其离目的节点的距离，使得路由的维护具有动态性和适应性，保障了最优链路的产生，节省了水下机器人通信的时间和能量。

发明内容