[发明专利]一种应用于三维水声传感器网络的分布式路由协议方法

权利要求书

1.一种应用于三维水声传感器网络的分布式路由协议方法，其特征在于：假设每个节点都知道自己的地理位置，并且信道是双向对称的，当需要转发数据时，在已有网络拓扑结构的基础上，根据包括节点的位置、信道利用率及能量在内的因素，通过计算转发代价，选择转发节点，如果此转发节点是目的节点，则将数据直接发送给该目的节点，数据发送过程结束；如果此转发节点不是目的节点，将数据发送给该转发节点，此转发节点收到数据后，继续根据包括节点的位置、信道利用率及能量在内的因素，计算转发代价，选择自己的转发节点，直到将数据最终发送给目的节点，数据发送过程结束，包括以下步骤：

1)网络进行初始化，采用三维水声传感器网络的分布式节点布放算法建立网络拓扑结构信息，有以下四个阶段：

a)分簇

在这个阶段，节点初始时被随机布放在海底，根据节点的分组标识ID进行分簇，基本思想是邻近区域内的每个节点选择该区域内最大的ID作为该簇的ID，即簇的标识CID，这就意味着每个节点要与其一跳邻节点交换ID，并保存一份邻节点ID表；

b)分组

节点分完簇后，簇头根据簇内节点间的覆盖重叠，在每个簇内对节点进行分组，在分组阶段需要给存在感知覆盖重叠的两个节点分配不同的分组ID，即组的标识GID，将它们布放到不同的深度以消除该重叠，由于簇头知道簇内节点的ID和位置，因此开始依次分配GID，每次选择一个新节点，检查该节点与其它已分配GID的节点间的感知覆盖重叠，通过这种方式，簇头可以保证给任意具有感知覆盖重叠的两个节点分配不同的GID，一旦簇头完成该过程，就会给簇内的每个节点发送包含有节点GID的信息；

c)深度分配

为了减小覆盖重叠、提高三维整体覆盖范围，将给每个组分配不同的深度，计算过程如下：任意两个不同组之间的空间为其中，D为海水的深度，G为分组的个数，此空间将确保每层，即具有某个深度的xy平面与其它层之间的距离为顶层与海面之间、底层与海底之间也都在这个距离之内，而且，此分组允许没有覆盖重叠的节点布放在相同的深度层，该计算过程由簇头完成，并由簇头将深度信息发送给簇内的每个节点；

d)额外周期

每个节点根据距离确定离自己最近的邻节点，并检查自己与该邻节点间是否存在感知覆盖重叠，如果该最近邻节点在自己的感知覆盖范围内，则节点继续移动，当没有明显的覆盖范围可提升或达到一定的周期数时，移动将会停止，当两个周期之后网络的整体覆盖范围提高不再明显，将额外周期数设为2；

2)设定总的通信时间为T；

3)网络所有节点进入通信过程，先判断是否有数据需要发送，如果有，则进入发送状态，执行步骤4)；否则，进入接收状态，执行步骤5)；

4)在发送状态：

a)先判断是否到达通信时间T，如果是，整个通信过程结束，执行步骤6)；否则，继续往下执行；

b)网络节点有数据需要发送，在步骤1)建立的网络拓扑结构基础上，根据节点的位置、信道利用率及能量因素计算转发代价，选择转发节点，转发代价的计算方法如下：

Ei(j)=Eij·N^ijt·N^ihop---(1)]]>

式中，为链路(i，j)的转发代价估计，表示节点i选择节点j作为转发节点向目的节点发送数据包时，成功发送1bit所需的能量估计，由以下三个因素组成：

①E_ij表示节点i向节点j发送1bit数据所需的能量，由下式表示：

Eij=2·Eelecb+min(PTimaxR,TLij·Eminb)---(2)]]>

式中变量的意义如下：

其中，分别表示发送或接收每bit数据电子器件固有的能量损耗，与距离无关；

为数据率为R时节点i的最大发送功率；

TL_ij为节点i到节点j的传输损耗，可由水声传播能耗模型计算得出，即：

在浅海中，传输损耗计算公式为：

TL＝10logd+α(f)d×10^-3    (3)

式中，d表示源节点和接收节点之间的距离，α(f)表示吸收系数，意味着声强传播每单位距离因吸收衰减α(f)分贝，单位为dB/km，TL的单位为dB；

在深海中，损耗计算公式为：

TL＝20logd+α(f)d×10^-3    (4)

式中，吸收系数α(f)数值大小与所用频率有关；

对于几百赫兹以上的频率，α(f)计算公式为：

α(f)=0.1f21+f2+40f24100+f2+2.75×10-4f2+0.003---(5)]]>

式中，f表示通信所用频率，单位为kHz；

对于低频率，α(f)计算公式为：

α(f)=0.11f21+f2+0.011f2+0.002---(6)]]>

为给定一个噪声等级，接收者成功译码每bit数据所需的最小能量损耗；

②表示在链路(i，j)误比特率为BER_ij的情况下，直到接收者j成功译码之前，长L的数据包所需发送的平均次数，水声信道的利用率、链路的能量有效性主要取决于所需的平均发送次数，由下式表示：

N^ijt=(1-PERij)·Σn=1∞n·PERijn-1---(7)]]>

其中：

PER_ij＝1-(1-BER_ij)^L    (8)

BER_ij、PER_ij分别为链路(i，j)的误比特率和误包率，n为一个包的总发送次数；

水声信道利用率可以定义为：

η=LDN^ijt·TrttR---(9)]]>

式中，表示一个往返行程所用的时间，其中，分别表示包头、有效数据、ACK包的传输时间，T_p表示传播时间，假设要传输包的有效数据长度为L^D，包头长度为L^H，ACK包长度为L^A，节点通信范围为r，声速为q，数据率为R，有定义为发送者和接收者之间的有效链路容量，表示无竞争介质接入控制方案下可达到的平均比特率，所以，公式(9)又可以写为

η=LDN^ijt·[LH+LD+LA+R·(2rq)]---(10)]]>

③表示从节点i到目的节点的平均跳数，可以由下式表示：

N^ihop=max(Σk=1mHkm,1)---(11)]]>

m为节点i到目的节点的总路径条数，H_k为节点i到目的节点的第k条路径的跳数；

节点i选择节点j^*作为转发节点，如果：

j*=argminj*∈Si∩PisEi(j)---(12)]]>

式中，S_i为节点i的邻节点集，为距离目的节点s比节点i距离目的节点s近的节点集，即如果d_js＜d_is，则即转发节点j^*为节点i的邻节点中转发代价最小的节点集合；

c)侦听信道忙闲与否，信道空闲时发送数据；

d)网络节点发送完数据后，在一个往返时间内等待对方的响应；

e)如果在一个往返时间内收到对方的应答信息，说明此次数据发送成功，重新进入到通信过程，执行步骤3)；

5)在接收状态：

a)先判断是否到达通信时间T，如果是，整个通信过程结束，执行步骤6)；否则，继续往下执行；

b)如果接收到数据，先判断该数据是给自己的数据还是需要转发给其它节点的数据；

c)如果是给自己的数据，就将该数据保存，并回复应答信息，重新进入到通信过程，执行步骤3)；

d)如果是需要转发给其它节点的数据，就将该数据暂存，回复应答信息，并进入到发送状态，转发该数据，执行步骤4)；

6)通信结束。