[发明专利]一种两级异构分簇的水下无线传感器网络路由方法

摘要

本发明公开了一种两级异构分簇的水下无线传感器网络及其路由方法，包括上层传感器节点、下层传感器节点、海面上的sink节点以及陆地上的基站；水下无线传感器网络监测区域内所有传感器节点形成两级异构分簇结构，下层传感器节点形成第一级簇及第一级簇头节点，上层传感器节点形成第二级簇及动态簇头链；第二级簇头节点通过动态簇头链将数据发送给海面上的sink节点，sink节点直接与陆地上的基站进行无线通信，然后由基站将数据发送到远程控制中心。发明的方法能够有效得降低节点平均能耗，延长网络的生存时间，适合于监测节点众多的水下应用环境，可扩展性较强、节点的能耗更均衡，适合大规模应用。

主权项

一种两级异构分簇的水下无线传感器网络路由方法，其特征在于包括如下步骤：(1)、构建两级异构分簇的水下无线传感器网络，包括上层传感器节点、下层传感器节点、海面上的sink节点以及陆地上的基站；水下无线传感器网络监测区域内所有传感器节点形成两级异构分簇结构，下层传感器节点形成第一级簇及第一级簇头节点，上层传感器节点形成第二级簇及动态簇头链；所述下层传感器节点形成第一级簇后，簇内普通成员节点负责采集监测数据并发送给本簇簇头，即各第一级簇头节点；所述第一级簇头节点进行数据处理后根据距离、能量等指标选择相应的第二级簇头节点，由第二级簇头节点通过动态簇头链将数据发送给海面上的sink节点，所述sink节点直接与陆地上的基站进行无线通信，然后由基站将数据发送到远程控制中心；(2)、第一级簇的形成阶段为了形成第一级簇，首先在下层传感器节点中选举出第一级簇头节点，为下层传感器节点i设置一个参数Ti，表示该节点参与第一级簇头竞选的能力，即簇头竞争力，Ti的计算方法如公式(1)所示：Ti=[W1+W2]P1-P[rmod(1/p)]---(1)]]>其中W1表示簇头间距调节因子，W2表示节点能量调节因子，r是当前轮数,p为簇头节点占所有传感器节点的百分比；簇头间距调节因子W1如公式(2)所示：w1=1mod(hhmax/n)---(2)]]>其中，h为节点能接收到上层传感器节点信号的最近距离，hmax为节点能接收到上层传感器节点信号的最远距离，n为分簇个数；节点能量调节因子W2如公式(3)所示：w2=(E_c-E_h)E_t---(3)]]>其中，E_c为节点现存能量，E_h为上一轮中本簇簇头消耗能量，E_t为节点初始能量；进行第一级簇头节点选举时，如果节点的簇头竞争力T大于阀值D(n)，则该节点当选为簇头并向网络中发布公告消息，宣布自己是新当选的簇头节点；其中D(n)按式(4)进行计算：D(n)=1nΣi=1nTi---(4)]]>第一级簇头节点选举完毕后，新选举的第一级簇头向水下无线传感器网络的下层传感器节点进行消息广播，宣布自己是新当选的第一级簇头；然后，没有当选为簇头的下层传感器节点作为成员节点选择加入相应的簇；考虑到水下传感器节点能量、距离等因素的限制，成员节点选择自己能接收到且声波信号最强的那个第一级簇头节点作为自己的簇头，并向该簇头发送一个请求加入的消息，等待该簇头节点批准申请并返回一个应答消息后，正式加入该簇；第一级簇头节点为本簇内的成员节点分配不同的时隙，成员节点在各自的时隙内向簇头节点发送消息；(3)、第二级簇头的选择第一级簇头节点以泛洪的形式向上层传感器节点广播请求消息，并保持侦听；上层传感器节点收到请求消息后，发送一个响应消息；第一级簇头节点根据所接收到的响应消息的时间及信号强度选择相应的上层传感器节点作为自己的第二级簇头节点，并向该上层传感器节点发送一个请求加入的消息；上层传感器节点接收到该第一级簇头节点的请求加入消息后返回一个应答消息；第二级簇头选择成功后，第二级簇头为所辖的第一级簇头节点分配各自的时隙；(4)、第二级簇间路由的选择在簇间路由的形成阶段，以蚁群算法为基础，通过对启发因子η的改进，寻找水下无线传感器网络中一级簇头到二级簇头的最佳路径,形成簇间路由；首先设蚁群中人工蚂蚁的数量为m；监测单元内有n个簇头节点，每2个节点间有边相连，节点i和j之间的边为路径ij；hij(i,j＝1,2,…,n)表示簇头i和簇头j之间的距离；τij(t)表示t时刻在路径ij上的信息量；表示t时刻蚂蚁k由簇头i转移到簇头j的概率；q表示信息残留程度，1‑q则表示信息消逝程度；ηij表示由簇头i路由到簇头j的期望程度，作为启发因子；bi(t)表示t时刻位于簇头i的蚂蚁的个数，即Tk用于存储蚂蚁k已经走过的簇头；进行初始化，得：τij(t)＝c       (5)Δτij＝0       (6)Tk＝0         (7)ηij=(E_cE_t)k1×Eijk2×(hihmax)k3---(8)]]>其中，E_c表示簇头现有剩余能量，E_t表示簇头初始能量，Eij表示簇头i和j之间的通信能耗，hi表示簇头i距二级簇头的跳数，hmax为单元内节点距本单元二级簇头的最远跳数，k1、k2以及k3均为调节系数；蚂蚁k(k＝1,2,…,m)在交互式选路过程中，根据各路径上的信息量决定下一跳路由的方向，用表示由簇头i转移到簇头j的概率，其具体定义为：pijk=(τij)α×[(E_cE_t)k1×Eijk2×(hihmax)k3]βΣs∈allowedk(τis)αηisβj∈allowedk0otherwise---(9)]]>其中，allowedk表示蚂蚁k下一步允许选择的簇头节点，即allowedk＝{0，1，…，n‑1}‑Tk；在路由转移的过程中，蚂蚁根据概率选择下一跳簇头j，将刚刚选择过的簇头j添加到Tk中，计算信息量τij及Δτij，更新路径信息量，确定本次循环所找到的最佳路径并继续迭代，直至达到规定的迭代次数；最后输出最优解，即最佳路径；此时,已经寻找到一级簇头到二级簇头的最佳路径，形成动态簇头链；至此，水下无线传感器网络已经实现了第一级簇的形成、第二级簇的形成以及簇间路由的形成，表示自组网成功，进入稳定的数据传输阶段；(5)稳定的数据传输阶段在稳定的数据传输阶段，各第一级簇的簇内节点将监测数据发送给本级簇头节点，并在第一级簇头节点处进行数据处理后转发给第二级簇头节点；第二级簇头节点将所辖第一级簇头发送的数据经过第二级簇头之间的动态簇头链依次转发到海面上的sink节点；稳定的数据传输阶段持续一段时间后，海面上的sink节点会发出重选命令，此时数据传输阶段结束，即意味着本轮的结束；一轮结束后，开始执行新的一轮，即开始重新选举下层节点中的簇头节点并形成第一级簇、选择第二级簇头节点并形成第二级簇、选择簇间路由并形成动态簇头链，然后再次进入稳定的数据传输阶段。