[发明专利]水声传感网中基于定向传输的机会路由方法

说明书

本发明公开了一种水声传感网中基于定向传输的机会路由方法，包括：一、构建网络模型，将网络进行分层，不同层次声速取值大小不同，并且借助正十二面体部署定向换能器实现全方向覆盖；二、划分转发域，将转发域划分为主转发和辅转发域；三、选择转发集，基于模糊逻辑计算节点的转发效用值，根据转发效用值设置节点的转发优先级，并基于数据包传输成功所花费的时间优化转发集节点数量，根据节点优先级及优化的转发节点数量进行转发集选择；四、协调转发节点，考虑定向换能器波束之间的传输时间差设置转发节点的等待时间，进行转发节点协调以抑制冗余转发。本发明结合机会路由与定向换能器的优势能够有效提高网络吞吐量及数据传输的可靠性。

技术领域

本发明属于水声传感网络数据传输技术领域，具体涉及一种水声传感网中基于定向传输的机会路由方法。

背景技术

水声传感网在水环境监测、海洋资源勘探、海事安全等方面具有广阔的应用前景。水声传感网通常由岸上基站、水面汇聚节点及水下传感器节点组成，数据由水下传感器节点收集，经过多跳网络传输到水面汇聚节点，汇聚节点再利用无线电将数据传输到基站，如何确保数据安全、可靠、实时的传输是水声传感网需要解决的核心问题。本发明水声传感网路由方法将是水下数据可靠传输基础理论研究的重要组成部分。

现阶段声学通信被认为是水下通信的优良媒介。然而，水声通信长传播延迟、高误码率、高衰减等特性，导致水声链路质量及稳定性较差，因此传统路由协议并不适用于水声传感网。机会路由因其能够提高无线通信传输率和吞吐量而受到广泛关注。与传统路由不同，机会路由不需要在数据包传输之前确定路由路径，而是在数据包传输时利用无线信道的广播特性允许多个中继节点协作转发数据包，从而提高数据传输效率，因此，机会路由更加适用于网络拓扑动态变化的水声传感网。

当前机会路由设计中采用的大多是全向换能器，网络节点在发送和接收数据时均采用全向传输模式。这样的数据传输模式使得网络内节点单跳通信距离受限，严重限制网络覆盖范围，大量浪费网络能量，对邻节点干扰很大，并且通信隐蔽性较差。与全向换能器相比，定向换能器可将发送和接收增益集中在某一方向，增加网络单跳传输距离、扩大网络覆盖范围、降低发射能量、降低对邻节点的干扰，并且可以提高网络通信的隐蔽性。随着换能器技术的不断发展，已有大量学者开展了水声定向通信技术的研究，然而目前基于定向传输机会路由方法的研究相对较少，因此本发明具有一定前瞻性。

在传统路由协议中，将数据包从源发送到特定的目的地，仅选择一个节点作为下一跳转发器，当该转发器节点接收数据包失败，而其他没有被选为下一跳转发器的邻居节点接收到该数据包时也必须丢弃该数据包。而机会路由利用无线介质的广播特性动态地选择下一跳转发器集，即选择一组潜在的下一跳转发器，该集合通常称为候选集，并根据每个候选者的转发能力来确定其优先级。成功接收到数据包的候选者相互协调进行数据包转发，仅在高优先级节点转发失败的时低优先级节点才进行数据包转发。机会路由中，只有当所有候选转发节点均转发失败时该数据包才转发失败，即机会路由通过组合弱链路创建虚拟强链路，大大提高了数据包传递概率，进一步增加了数据传输可靠性。当前，水声传感网中机会路由协议已经开展了一定的研究，相关研究文献如下：

1、H.Yu等人在2016年的《Ad Hoc Networks》上发表文章“WDFAD-DBR:Weightingdepth and forwarding area division DBR routing protocol for UASNs”提出路由协议WDFAD-DBR，其考虑两跳节点的深度差加权进行转发节点选择，有效减少了稀疏网络中路由空洞发生的可能性。WDFAD-DBR引用鲁洛克斯三角形作为主转发域，并根据网络密度自适应确定辅转发域的大小，鲁洛克斯三角形能够确保主转发域内节点互相监听避免隐藏终端问题，但是其忽略了主转发域与辅转发域之间的隐藏终端问题发生的可能性，因此仍有可能存在冗余传输。