[发明专利]基于簇型拓扑的水声传感器网络机会路由协议实现方法

说明书

本发明提供了一种基于簇型拓扑的水声传感器网络机会路由协议实现方法，将机会路由协议与簇型拓扑相结合，转发节点根据邻簇位置与节点密度确定数据包流向方向，提高数据包一跳转发成功率并有效避开通信空区。同时利用簇型拓扑将网络稀疏化，进而明显减少路由控制开销，克服传统有状态机会路由控制开销大的弊端，提高网络能量利用率。建立簇间转发使用簇内节点辅助机制，在主节点转发失败后，簇内其它节点竞争转发，提高簇间转发成功率并减少数据包重传。节点在评估自身优先级时考虑节点剩余能量，因此网络能耗能够分散给每个节点，解决热点问题并有效延长网络寿命。

技术领域

本发明涉及水下信息技术领域，涉及水声通信、水下网络两个领域，具体就是一种适合水下水声传感器网络的路由协议。

背景技术

路由协议是多跳型网络不可缺少的部分。为解决传统路由协议低转发率、高重传率导致节点因能量快速消耗而失效的问题，提出机会路由协议。机会路由摒弃传统只选择单个节点作为下一跳的方式，充分考虑无线传播的广播特性，选择多个节点作为下一跳候选集，然后候选集内部协调选出最优节点作为下一跳。机会路由尤其适合信道环境恶劣的水声网络，能够有效提高一跳传输的成功概率，减少数据重传，降低端到端时延以及延长网络寿命。

机会路由协议通常包括候选集选择和候选集协调两个过程，按照候选集选择策略不同分为基于发送方和基于接收方两种类型。基于发送方的机会路由协议是由发送数据包的节点决定下一跳候选集包含哪些节点，并对这些节点进行优先级排序。发送节点通常知道邻居信息，因此具有较高的一跳转发成功率并保证数据包能够朝着最优的方向流向目的节点，同时也能有效解决通信空区问题。但这种有状态的路由协议要求每个节点知道局部拓扑信息，这通常是由信标交互完成的，导致路由控制开销大，尤其在网络拓扑因为节点漂移、链路中断引起变化时，为保证路由协议的正常运行，节点之间需要更加频繁地交互控制信息，导致节点因能耗过大而快速失效，进而缩短网络寿命。这类机会路由包括GEDAR、VARP、HydroCast等。基于接收方的机会路由协议是由接收到数据包的节点决定自己是否属于候选集并对自己的优先级进行评估。发送节点不需知道邻居信息，因此路由控制开销小、节省更多能量，且因为良好的可扩展性而适合大规模网络。但这种无状态的路由协议无法保证数据包朝着最优的方向流向目的节点，且常常面临通信空区问题。这类机会路由包括DBR、VBF、E-PULRP等。

在水下水声传感器网络中，节点因电池不易更换而能量受限。如何使用最少的能耗将数据包以最少的转发次数、最少的能量消耗，实现最小的端到端时延和最大的包投递率是机会路由协议研究的关键。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种基于簇型拓扑的水声传感器网络机会路由协议实现方法。针对水声信道带宽与节点能量受限等特点，本发明解决了现有的基于发送方的机会路由协议控制开销大的问题。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案的详细步骤如下：

步骤1：确定网络结构；

三维水下水声传感器网络由两种节点组成：随机部署在水面二维平面的Sink节点和随机部署在水下三维空间内的传感器节点，Sink节点装配有GPS获取自身位置；传感器节点装配有不同类型的传感器采集水域信息；所有Sink节点和传感器节点都装配相同的声调制解调器，使用水声信号进行通信；传感器节点有生成和中继数据包的能力，数据包经多跳传输至任一Sink节点，即认为传递完成；

步骤2：完成网络初始化；

步骤2.1：所有Sink节点通过GPS得到自身位置坐标，所有传感器节点通过定位算法得到传感器节点的位置坐标，并进行周期性的更新；

步骤2.2：所有传感器节点通过周期性的信标交互方式获取所有Sink节点位置坐标；