[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

说明书

技术领域

本发明涉及传感器网络网络层的路由协议，尤其涉及一种应用于三维水声传感器网络的分布式路由协议方法，属于水声信号处理技术领域。

背景技术

网络端到端延迟、吞吐量及能量消耗是体现网络性能的基本技术指标，传统路由协议多采用最短路径算法，即在两节点间寻找一条距离最短的路径作为最优路径，如Dijkstra算法、A*(A-star)算法、D*(D-star)算法、Bellman-Ford算法等，此类算法大都只以节点间的距离为代价限制条件，并未考虑其它方面的一些限制因素，因此，只采用某几条最短的路径发送信息，网络中很容易发生碰撞而导致信息包丢失，而信息包的重传又会使能耗增多，能量的不均衡使用，会使某些节点过早耗尽能量，导致链路失效，降低网络的端到端延迟、吞吐量及能量消耗性能，缩短网络的生存时间。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术之缺陷，提出一种应用于三维水声传感器网络的分布式路由协议方法，该方法根据节点的位置、信道利用率及能量等因素计算转发代价选择转发节点，并推导了转发代价的计算方法，可有效提高网络的能量利用率、信道利用率，延长网络的生存时间。

本发明的上述目的是这样实现的：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：本方法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，根据节点的位置、信道利用率及能量等因素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，继续根据节点的位置、信道利用率及能量等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。

具体可按以下步骤进行：

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，主要有以下四个阶段：

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(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(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。一般来说，两个周期之后网络的整体覆盖范围提高不再明显，所以将额外周期数设为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、信道利用率及能量等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：