[发明专利]一种降低网络剩余能量的水声传感器网络路由协议

说明书

技术领域

本发明涉及水声通信网络技术领域，具体而言，涉及一种降低网络剩余能量的水声传感器网络路由协议。

背景技术

水声通信应用在军事上已经很长时间了，相对于无线电，声音在水下有着优越的传播特性，使得它成为水下通信首选的媒介。由于水下声组网易于布设，军事上的丰富经验促进了水声通信网络。这种网络在海洋数据收集、污染监测、海洋开发、灾难预报、辅助导航和战术监视等涉海领域具有广泛的应用前景。它一般是由大量分布的水下传感器、水下仪器等节点组成的多跳网，每个节点具有一个或多个传感器、嵌入式的处理器、低耗的水声MODEM、以及供应能量的电池。

提高路由协议能耗效率、延长正常工作寿命是水下传感器网络的重要课题。大部分水声传感器网络的研究针对的是一种平面结构的网络拓扑。在这种结构中有两类节点：主节点和传感器节点，传感器节点以多跳的方式与主节点相连。传感器节点负责收集传感器上的数据，通过网络把数据传给主节点。主节点负责接收传感器节点传送的数据，并把数据传送给岸上的用户。本发明基于针对如下场景：信息总是从传感器节点向主节点发送，而主节点除了向整个网络发布广告信息之外，不会指定某个节点作为目的地址进行信息传送，即只存在单向信息传输。同时假设水下声信道是双向对称的。

由于水声传感器网络的部署工作的环境限制，更换水下节点电池或者补充其能量非常困难，所以水声网络在承担环境信息监控任务的前提下，尽量节省节点能量消耗，延长网络的使用寿命，成为重要的研究方向。

对于面向环境监控的水声传感器网络来说，网络的正常工作依赖于网络拓扑的良好连通性。若连通性失效，则其承担环境数据监控的服务能力大打折扣。由于水声网络节点一般稀疏，即使只有少数节点因能量耗尽或者故障而无法继续工作，纵然其它大部分网络节点仍由大量能量剩余，整个传感器网络仍然无法很好地工作而接近失效，这样无法充分使用所有节点的能量，造成大量的能量浪费。

刘广钟、刘晓晖等学者考虑了节点剩余能量、跳数、传输距离等信息来辅助最优转发节点的选择而提出了一种定向扩散水声传感器网络路由算法，该方法能够在一定程度上延长网络的生命周期。与其不同，本发明通过所提出的链路能耗代价、转发能耗代价、最优路由能耗代价等概念不但直接或者间接的考虑了上述因素，还考虑了链路能耗相对剩余能量的比例，因而更有利于同步各节点的能量消耗，仿真结果也证明了本发明所提出协议的优势。

发明内容

有鉴于此，本发明实施例的目的在于提供一种降低网络剩余能量的水声传感器网络路由协议，以改善现有技术中水声传感器网络路由协议能耗因能耗不均衡，导致部分节点过早失效而引发的剩余能量浪费问题。

本发明提供了一种降低网络剩余能量的水声传感器网络路由协议，包括以下阶段模式：

S1，路由建立阶段模式：在已有网络拓扑结构的基础上，根据每一节点的剩余能量、链路能量消耗代价、转发能量消耗代价和最优路由能量消耗代价，分布式动态确定各个节点的最优转发节点；

S2，信息传输阶段模式：节点采集到信息后，将信息转发给自己的最优转发节点，持续进行上述过程，直到信息达到主节点；

S3，路由信息维护阶段模式；

所述路由建立阶段模式、所述信息传输阶段模式以及所述路由信息维护阶段模式交叉共存运行。

步骤S1中，包括：

S11，网络初始化：主节点S设置其最优路由能量消耗代价为0，其他节点的最优路由能量消耗代价为无穷大；

S12，主节点S广播拓扑信息包：所述拓扑信息包以泛洪方式在整个网络内传播，在未来各节点采集的信息的路由过程中，信息将按泛洪相反的方向传播，其中，拓扑信息包的主要字段内容为发射节点的路由能量消耗值，所有节点发射的拓扑信息包都以已知的确定功率发射；

S13，最优路由能量消耗代价确定：当某节点广播拓扑信息包时，该节点的邻居节点收到该拓扑信息包后，这些邻居节点根据其接收信号的信号强度，结合已知的确定的拓扑信号发射功率，进而结合节点剩余能量、节点距离主节点的跳数，计算其到下一跳节点的链路能量消耗代价，进而计算其各下游节点的转发能量消耗代价，并最终确定该邻居节点的最优路由能量消耗代价；

S14，邻居节点记录自己的最优转发节点，根据最优路由能量消耗代价的数据构造自己的拓扑信息包并广播出去，继续拓扑信息包的泛洪过程；

S15，上述过程在网络中持续进行，直到所有节点的都已经确定自己的最优路由能量消耗代价及最优转发节点。

步骤S13中，最优路由能耗代价确定的具体方法如下：