[发明专利]一种水声传感网络路由实现方法

权利要求书

1.一种水声传感网络路由实现方法，其特征在于包括下述步骤：

步骤1：所有传感器节点在本地建立sink列表和邻居列表；

sink列表格式如下：

sink节点ID	sink1	sink2	…
sink节点X坐标	S_x_pos(1)	S_x_pos(2)	…
sink节点Y坐标	S_y_pos(1)	S_y_pos(2)	…
信标序列号	B_seq_rec(1)	B_seq_rec(2)	…
Λ标志位	0	1	…

其中，Λ标志位表示当前传感器节点是否应该转发来自该sink的信标；若Λ标志位为0，传感器节点转发来自该sink的信标；若Λ标志位为1，不进行转发；

邻居列表格式如下：

其中，若两个传感器节点能经过一跳成功接收到来自对方的数据包，则认为这两个传感器节点互为邻节点，如果传感器节点没有比自己更靠近sink节点的邻节点，则该传感器节点处于无效状态，称其为无效节点；如果传感器节点有比自己更靠近sink节点的邻节点，则该传感器节点处于正常状态，称其为正常节点；

步骤2：所有传感器节点基于本地sink列表和邻居列表，步骤如下：

步骤2.1：信标交互

网络中的所有sink节点和传感器节点周期性地产生信标并广播出去，所有sink节点产生信标的周期为T_{B_sink}，所有传感器节点产生信标的周期为T_{B_sensor}，sink节点和传感器节点在发送信标前，会分别在T_{B_sink}和T_{B_sensor}的基础上再随机添加一个0秒到1秒的时间抖动；

sink节点发送的信标格式如下：

信标序列号B-seq	sink节点ID	sink节点的X坐标	sink节点的Y坐标

sink节点的信标包含该信标的序列号B-seq、该sink节点的ID、该sink节点的X坐标和Y坐标；其中B-seq为整数，表示信标的新旧程度，sink节点每产生一个信标B-seq加1；

传感器节点发送的信标格式如下：

其中，邻居节点个数通过统计邻居列表中的正常节点得到；sink节点集合为该传感器节点sink列表中标志位Λ为0的所有sink节点，sink节点集合中的数据包括sink节点ID与坐标、信标序列号B-seq；信标发送成功后，传感器节点将信标中包含的sink节点在sink列表的标志位Λ置为1；

若传感器节点n₀在某一时刻接收到来自sink节点s(k)的信标beacon，传感器节点n₀首先检查本地sink列表，如果sink列表中不包含s(k)，则将beacon中s(k)的ID、位置坐标以及信标序列号B-seq添加到sink列表项中，同时将sink节点s(k)对应的标志位Λ置0；如果列表中包含s(k)，比较beacon的序列号B-seq和列表中s(k)对应序列号B-seq-rec，若B-seq-rec≥B-seq，对列表不作任何修改，若B-seq-rec＜B-seq，用B-seq替换B-seq-rec，再将beacon中sink位置坐标填入列表同时将对应标志位Λ置0；

若传感器节点n₀在某一时刻接收到来自另一传感器节点n_n的信标beacon^*，即n_n为n₀的邻节点，同理n₀首先检查本地邻居列表，如果本地邻居列表中不包含n_n，将beacon^*中n_n的ID、坐标、剩余电量、邻居节点个数以及信标序列号B-seq-s添加到本地邻居列表项中；如果本地邻居列表包含n_n，将beacon^*中n_n的坐标、剩余电量、邻居节点个数和信标序列号填入邻居列表n_n对应的项中，然后n₀读取beacon^*中的sink节点集合，对集合中的所有sink节点做以下处理：

传感器节点n₀首先检查本地sink列表，如果列表中不包含s(k)^*，则将beacon^*中s(k)^*的ID、位置坐标以及信标序列号B-seq*添加到sink列表项中，同时将sink节点s(k)^*对应的标志位Λ置0；如果sink列表中包含s(k)^*，比较beacon^*中sink节点s(k)^*对应的序列号B-seq*和列表中s(k)^*对应的序列号B-seq*-rec*，若B-seq*-rec*≥B-seq*，对sink列表不作任何修改；若B-seq*-rec*＜B-seq*，用B-seq*替换sink列表中的B-seq*-rec*，将beacon^*中sink节点s(k)^*的坐标填入sink列表同时将s(k)^*对应标志位Λ置0；

步骤2.2：空区处理

传感器节点在发送信标后，首先判断传感器节点当前是否处于正常状态；

如果传感器节点处于正常状态，则根据邻居列表和sink列表判断是否有比本传感器节点更靠近任一sink节点的传感器节点的邻节点，若没有，则将该传感器节点状态置为无效，并广播一个包含该传感器节点ID的无效通知包；若有，则不改变传感器节点的状态；

如果传感器节点处于无效状态，且传感器节点发现有比该传感器节点更靠近任一sink节点的邻节点，则广播一个包含该传感器节点ID的无效恢复包，并将该传感器节点的状态置为正常；若没有发现比该传感器节点更靠近任一sink节点的邻节点，则传感器节点不改变自己的状态；

如传感器节点接收到无效通知包，则将该无效通知包中包含的邻节点在传感器节点的邻居列表中的状态置为无效；如传感器节点接收到无效恢复包，则将该无效恢复包中包含的邻节点在传感器节点的邻居列表中的状态置为正常；

步骤2.3：机会路由协议；

步骤2.3.1：若传感器节点n_i需要转发数据包，传感器节点n_i首先在本地sink列表中选出距离最近的sink节点然后在邻居列表中选择比传感器节点n_i更靠近的邻节点形成下一跳候选节点集合c_i，集合c_i中的所有节点为下一跳候选节点，之后继续步骤2.3.2；

步骤2.3.2：传感器节点n_i依据式(1)计算c_i中各节点的NADV(NormalizedADVancement，归一化前进指数)，即候选节点的优先级，并按从大到小的顺序排序，设n_c为某候选节点，n_c的NADV为：

其中代表传感器节点n_i到距离传感器节点n_i最近的sink节点的欧式距离；为候选中继节点n_c与sink节点之间的欧式距离；为n_i到n_c的欧式距离，代表信号传输距离为时成功传输m比特数据包的概率，E(n_c)为候选节点n_c的剩余电量，N(n_c)为候选节点n_c的邻节点个数，α、β和γ为平滑系数，且α+β+γ＝1；

p(d，m)的计算公式如下：

其中d为信号传输距离；m为数据包大小；Γ(d)为声信号在传输距离为d时声调制解调器接收端的平均信噪比；

步骤2.3.3：传感器节点n_i从NADV值最大的候选节点开始，以该节点为圆心以二分之一的通信距离为半径分一个簇，集合c_i中所有被包含在簇中的节点组成一簇，找到集合c_i中没有被分簇的节点中NADV最大的节点，以该节点为圆心以二分之一的通信距离为半径再分一个簇，该簇所包含的节点组成另一簇；依此重复分簇过程，直到c_i中所有节点都被分到簇中；

步骤2.3.4：分簇完成后，依据式(3)计算每簇的EPA(Expected Packet Advance，数据包前进指数)，即每簇的优先级；选择EPA值最高的簇所包含的节点作为下一跳中继节点，假设簇F共有k个节点，将k个节点按NADV由大到小排序，则F的EPA为；

其中，l为簇F中某节点的优先级排序；为排序为l的候选中继节点n_l与sink节点的欧式距离；为排序为l的候选中继节点n_l与传感器节点n_i之间的欧氏距离；为排序为j的候选中继节点与传感器节点n_i之间的欧氏距离；

步骤2.3.5：传感器节点n_i将EPA值最高的簇中所有节点的ID按照优先级从高到低包含在数据包的包头中，然后将数据包发送出去；

步骤2.3.6：若传感器节点n_j接收到数据包，传感器节点n_j首先判断自己的ID是否被包含在数据包头中；如果节点ID不在包头中，传感器节点n_j直接丢弃数据包；若节点ID在包头中，继续步骤2.3.7；

步骤2.3.7：传感器节点n_j读取数据包头各传感器节点ID，若n_j排序为J，通过公式(4)计算等待时间：

其中J代表传感器节点n_j的排序，R为所有传感器节点的通信距离，s为海洋环境中的声速，D(n_i，n_j)为传感器节点n_i和传感器节点n_j间的欧式距离，D(n_k，n_k+1)为排序为k的传感器节点与排序为的k+1的传感器节点间的欧氏距离；T_proc为传感器节点处理数据包所需的时间，为常数；

步骤2.3.8：若簇中传感器节点在等待时间T_l内接收到其它传感器节点对该数据包的转发，则取消转发该包；若到达等待时间T_l，则传感器节点n_j准备转发该数据包，此时n_j变为n_i，下一跳接收到数据包的节点变为n_j，跳转至步骤2.3.1，并重复执行步骤2.3.1至步骤2.3.8，直到数据包传递到任一sink节点。