一种生物友好的定向水下网络路由方法

文档序号:10691870阅读:430来源:国知局
一种生物友好的定向水下网络路由方法
【专利摘要】发明涉及一种生物友好的定向水下网络路由方法,包括:建立2D水声传感器网络,在此网络中,所有传感器节点可以获得自身以及邻节点的地理位置信息;源节点S向目的节点D转发数据包的过程中,如果感知到向量穿过生物?节点干扰区域,则需要采取绕路路由策略;将2D水声传感器网络划分为L×L个2D网格,在2D网格区域中,定义各个网格节点的坐标,当生物?节点干扰区域确定后,找出该区域在网格中的坐标范围;将数据包转发到最靠近干扰区域边界点时,采取绕路路由策略。本发明可以节约传感器节点能耗,同时实现生物与传感器节点的和谐共存,提高水传感器网络的通信效率与质量。
【专利说明】
-种生物友好的定向水下网络路由方法
技术领域
[0001] 本发明设及水下认知声学通信技术领域,具体的讲是一种认知水声网络中生物友 好的定向路由方法。
【背景技术】
[0002] 水声传感器网络是由布放在海底或海中的传感器节点和海面浮标节点W及它们 之间的双向声链路组成的可W覆盖大面积水下区域的通信网络。水声传感器网络具有高时 延、时延动态变化、高衰减、低带宽、W及信道利用率低等特点。被认为是迄今难度最大的无 线通信信道。水下信道水下节点使用电池供电,更换电池更为困难,另外,节点发送信息能 耗比接收信息往往大很多倍,运对系统的能耗提出了更高的要求,水下传感器网络的运些 固有特点,使得陆地无线传感器网络的成熟机制、协议、算法等都不能直接应用于水下。
[0003] 目前对水声传感器网络的研究工作中大多基于单一网络场景,即只考虑水下传感 器网络的存在,而没有充分考虑水声生物,W及其他占用水声信道资源的人工声学网络等 动态干扰对网络设计和网络性能的影响。在运样的假设下,设计的网络机制与协议对生物 和环境的影响适应性较差,而且网络节点的工作对水声生物有一定的影响,对海洋环境不 够友好。
[0004] 为了实现生物友好的水声通信,将认知无线电的思想应用于水声网络中,提出了 认知声学通信。在认知水声通信中,如果把每个传感器节点当做一个路由,最短路径即两个 节点直线距离上的传输,然而,当海洋哺乳动物位于两个通信节点直线通信距离之间时,海 洋哺乳动物间通信与两个传感器节点间的通信就会相互影响,为了实现生物友好的水声通 信,同时避免海洋哺乳动物发声对传感器节点间通信的干扰,则需要采用绕路路由的策略。 由此造成的水下网络路由的连通性差是水下网络路由算法面临的一个重要挑战。而目前已 存在的水声传感器网络路由方法中几乎没有对运方面问题的考虑。

【发明内容】

[0005] 为了改善水下通信网络中节点能耗,海洋哺乳动物与水声传感器网络友好共存的 问题,本发明提出了一种认知水声网络中生物友好的定向路由方法。该方法中,传感器节点 可W方便的获得自己的地理位置信息,找到由源节点S到目的节点D的路由路径。本发明的 技术方案如下:
[0006] 认知水声网络中一种生物友好的定向路由方法,包括下列步骤
[0007] 步骤一:建立2D水声传感器网络,在此网络中,所有传感器节点可W获得自身W及 邻节点的地理位置信息,根据源节点S发送功率范围,将可作为源节点下一跳节点的邻节点 组成的节点的集合定义为集合E,集合E中所有邻节点均在一个WS为圆屯、,分别WS到最近 的可接收数据包邻节点A的距离r和S到最远的可接收数据包邻节点F的距离R为半径所组成 的圆环W内,对集合E中的传感器节点Μ计算传感器节点的偏离角度ZMSD,使得ZMSD最小的 节点Μ作为下一跳节点,源节点S即可定向单播数据包信息给Μ,数据包信息完整接收后,继 续按照此方式转发至下一跳节点。
[000引步骤二:源节点S向目的节点D转发数据包的过程中,如果感知到向量盈穿过生物- 节点干扰区域,则需要采取绕路路由策略;生物-节点干扰区域的确定方法如下:首先需要 通过认知技术确定海洋哺乳动物的位置信息W及其发声信息,得到海洋哺乳动物的位置左 边及其发声范围半径Ri,同时感知海洋哺乳动物周边节点的功率信息得知其发声范围半径 R2,则定义W海洋哺乳动物为圆屯、,WR1+R2为半径的圆形区域为生物-节点干扰区域,该区 域中的传感器节点在生物发声过程中全部处于休眠状态。
[0009] 步骤将2D水声传感器网络划分为LXL个2D网格,在2D网格区域中,定义各个网 格节点的坐标,当生物-节点干扰区域确定后,找出该区域在网格中的坐标范围;如果在生 物-节点干扰区域坐标范围内仍然存在不在生物-节点干扰区域传感器节点,则将其定为生 物-节点干扰区域候选边界点,同时将该候选边界点两个垂直方向上的候选边界点定义为 普通传感器节点,最终将查找到的候选边界点定义为生物-节点干扰区域的边界点;由边界 点组成的结合定义为集合B,设置边界初始点,按照右手规则,向其相邻的边界点转发包含 各边界点的位置信息的皿P包;当邻节点收到皿P包后,将自身节点信息及位置信息插入皿P 中,继续转发给下一个边界点;
[0010] 步骤四:按照步骤一的方法将数据包转发到最靠近向量丽的干扰区域边界点Bi, 此时,过生物-节点干扰区域的圆屯、做边界点Bi到目的节点D向量而3的垂线,交向量于点V, 交生物-节点干扰区域于点B2和点B3,如果VB2<VB3,则向化方向转发,否则,向B3方向转发。
[0011] 本发明提出的认知水声网络中一种生物友好的定向路由方法,可W节约传感器节 点能耗,同时实现生物与传感器节点的和谐共存,提高水传感器网络的通信效率与质量。具 体而言,路由选择过程中,定向的选择转发节点的邻居节点作为下一跳。每次转发遵循一定 的原则。同时将海洋哺乳动物作为主用户,由认知技术对其进行定位W及行为感知,当源节 点与目的节点之间遭遇生物干扰区域时,需要采用绕路路由的策略,避开海洋哺乳动物与 节点相互干扰区域寻找下一跳转发节点,运就需要生物-节点干扰区域的边界点确认,保证 数据包最短路到达目的节点。提高水下网络系统有效吞吐量,实现通信数据的高效传输。当 源节点与目的节点之间存在多个干扰区域时,同样能通过该方法解决。
【附图说明】
[0012] 图1是本发明水声网络问题暴露示意图
[0013] 图2是本发明水下传感器节点与海洋哺乳动物分布示意图
[0014] 图3是本发明转发示意图
[0015] 图4是本发明生物-节点干扰区域确定示意图
[0016] 图5是本发明生物-节点干扰区域边界点查找结果示意图
[0017] 图6是本发明转发路径示意图
[0018] 图7是本发明存在多个生物-节点干扰区域转发路径示意图
【具体实施方式】
[0019] 现在对本发明的实施提供详细参考。为解释本发明将参考附图描述下述实施例。
[0020] 本发明的具体步骤如下:
[0021] 步骤一:选定一个水深200米的2D水声传感器网络,该网络中所有传感器节点可W 获得自身W及邻节点的地理位置信息,根据源节点S发送功率范围,将可作为源节点下一跳 节点的邻节点组成的节点的集合定义为集合E,集合E中所有邻节点均在一个WS为圆屯、,分 别WS到最近的可接收数据包邻节点A的距离r和S到最远的可接收数据包邻节点F的距离R 为半径所组成的圆环W内。集合E中的传感器节点Μ计算ZMSD,使得ZMSD最小的节点Μ作为 下一跳节点。源节点S即可定向单播数据包信息给Μ。数据包信息完整接收后,继续按照此方 式转发至下一跳节点。
[0022] 步骤二:干扰区域的确定。源节点向目的节点转发数据包的过程中,如果感知到向 量惑穿过生物-节点干扰区域,则需要采取绕路路由策略。首先需要通过认知技术确定海洋 哺乳动物的位置信息W及其发声信息,得到海洋哺乳动物的位置左边及其发声范围半径 Ri。同时感知海洋哺乳动物周边节点的功率信息得知其发声范围半径化。则定义W海洋哺乳 动物为圆屯、,W化+化为半径的圆形区域为生物-节点干扰区域。该区域中的传感器节点在生 物发声过程中全部处于休眠状态。
[0023] 步骤假设水声传感器网络被划分为LXL个网格,在2D网格区域中,定义左下角 的网格中的网格节点坐标为[0,0],其他网格节点根据在网格中的具体位置确定其坐标[X, y]。当生物-节点干扰区域确定后,需要找出该区域在网格中的坐标范围(a《x《b,c《y《 d),则生物-节点干扰区域候选边界点坐标应为(a-l《x《b+l,c-l《y《d+l)同时去除点 (a-1,C-1),(a-1 ,d+l),(b+1, C-1),(b+1 ,d+l)。如果在生物-节点干扰区域坐标范围(a《x 《b,c《y《d)内仍然存在不在生物-节点干扰区域传感器节点,则需将其定为生物-节点干 扰区域候选边界点,同时将该候选边界点两个垂直方向上的候选边界点定义为普通传感器 节点。最终查找到的候选边界点定义为生物-节点干扰区域的边界点。边界点组成的结合定 义为集合B。设置边界初始点,按照右手规则,向其相邻的边界点转发皿P包,包含各边界点 的位置信息等。当邻节点收到皿P包后,将自身节点信息及位置信息插入皿P中,继续转发给 下一个边界点
[0024] 步骤四:按照步骤一的方法将数据包转发到最靠近向量显的干扰区域边界点Bi。 此时,过生物-节点干扰区域的圆屯、做向量巧的垂线,交向量于点V,交干扰区域于点B2和 点B3。如果VB2<VB3,则向B2方向转发,否则,向B3方向转发。最后由B2或B3按照步骤一的方法 转发至目的节点D。因此,数据包的转发路径为S-〉M-〉B广〉M'-〉B2-〉M"-〉D(S-〉M-〉Br〉M'-〉 83-〉1"-〉0),其中1、1'、1"均代表下一跳节点。第一次转发完成后,为了达到最短路径与节 约能量的要求,接下来的转发路径可W为5-〉1-〉82-〉1'-〉0。当源节点与目的节点之间存在 多个生物-节点干扰区域时,需要多次使用认知水声网络生物友好的定向路由方法避开干 扰区域最终到达目的节点。
[0025] 图1中,水声传感器网络中,当海洋哺乳动物在源节点和目的节点之间时,为了防 止海洋哺乳动物与传感器节点的相互干扰,实现生物友好,是亟待解决的问题。
[0026] 图2中,水声传感器网络中,海洋哺乳动物与传感器节点共存,为了简化问题,将网 络看成是一个2D的平面,并将其划分为若干个网格,每个网格的面积为lOOOmX 1000m。网格 中的传感器节点定义为网格节点。每个节点都能够感知、接收和转发数据包。当节点不需要 工作时就会处于休眠状态W节约能量。
[0027] 图3中,根据源节点S发送功率范围,将可作为源节点下一跳节点的邻节点组成的 节点的集合定义为集合E,集合E中所有邻节点均在一个WS为圆屯、,分别WS到最近的可接 收数据包邻节点A的距离r和S到最远的可接收数据包邻节点F的距离R为半径所组成的圆环 W内。集合E中的传感器节点Μ计算ZMSD,使得ZMSD最小的节点Μ作为下一跳节点。源节点S 即可定向单播数据包信息给Μ。数据包信息完整接受后,继续按照此方式转发至下一跳节 点。
[0028] 图4中,海洋哺乳动物声波作用范围是W海洋哺乳动物为圆屯、,WRi为半径的圆, 水下传感器节点的声波作用范围是W节点为圆屯、,WR2为半径的圆。(假设海洋哺乳动物声 波发送与接收范围相同,传感器节点的发送与接收信号范围相同。)生物-节点干扰区域为 W海洋哺乳动物为圆屯、,WR1+R2为半径的实屯、圆。生物-节点干扰区域内的节点在该段时间 内处于休眠状态。
[0029] 图5中,水声传感器网络被划分为LXL个网格,在2D网格区域中,定义左下角的网 格中的网格节点坐标为[0,0],其他网格节点根据在网格中的具体位置确定其坐标[x,y]。 当生物-节点干扰区域确定后,需要找出该区域在网格中的坐标范围(a《x《b,c《y《d), 则空桐区域候选边界点坐标应为(曰-1《:?^《6+1,(3-1《7《(1+1)同时去除点(曰-1,(3-1),(曰- 1,(1+1),化+1,(3-1),化+1,(1+1)。如果在生物-节点干扰区域坐标范围(曰《:?[《13,(3《7《(1)内 仍然存在不在生物-节点干扰区域传感器节点,则需将其定为生物-节点干扰区域候选边界 点,同时将该候选边界点两个垂直方向上的候选边界点定义为普通传感器节点。最终查找 到的候选边界点定义为生物-节点干扰区域的边界点。
[0030] 图6中,数据包转发到最靠近向量如的干扰区域边界点Bi。此时,过生物-节点干扰 区域的圆屯、做向量否5的垂线,交向量于点V,交干扰区域于点B2和点B3。如果VB2<VB3,则向B2 方向转发,否则,向B3方向转发。最后由B2或B3按照步骤一的方法转发至目的节点D。因此,数 据包的转发路径为S-〉M-〉B广〉Μ ' -〉B2-〉]\f -〉D (S-〉M-〉B广〉Μ' -〉Β3-〉]Τ -〉D),其中Μ、Μ '、均 代表下一跳节点。第一次转发完成后,为了达到最短路径与节约能量的要求,接下来的转发 路径可 W 为 S-〉M-〉B2-〉M ' -〉D。
[0031] 图7中,当源节点与目的节点之间存在多个生物-节点干扰区域时,需要多次使用 该方法避开干扰区域最终到达目的节点。
【主权项】
1. 一种生物友好的定向水下网络路由方法,包括下列步骤: 步骤一:建立2D水声传感器网络,在此网络中,所有传感器节点可以获得自身以及邻节 点的地理位置信息,根据源节点S发送功率范围,将可作为源节点下一跳节点的邻节点组成 的节点的集合定义为集合E,集合E中所有邻节点均在一个以S为圆心,分别以S到最近的可 接收数据包邻节点A的距离r和S到最远的可接收数据包邻节点F的距离R为半径所组成的圆 环W内,对集合E中的传感器节点Μ计算传感器节点的偏离角度ZMSD,使得ZMSD最小的节点 Μ作为下一跳节点,源节点S即可定向单播数据包信息给Μ,数据包信息完整接收后,继续按 照此方式转发至下一跳节点。 步骤二:源节点S向目的节点D转发数据包的过程中,如果感知到向量13穿过生物-节点 干扰区域,则需要采取绕路路由策略;生物-节点干扰区域的确定方法如下:首先需要通过 认知技术确定海洋哺乳动物的位置信息以及其发声信息,得到海洋哺乳动物的位置左边及 其发声范围半径Ri,同时感知海洋哺乳动物周边节点的功率信息得知其发声范围半径R 2,则 定义以海洋哺乳动物为圆心,以R1+R2为半径的圆形区域为生物-节点干扰区域,该区域中的 传感器节点在生物发声过程中全部处于休眠状态; 步骤三:将2D水声传感器网络划分为LXL个2D网格,在2D网格区域中,定义各个网格节 点的坐标,当生物-节点干扰区域确定后,找出该区域在网格中的坐标范围;如果在生物-节 点干扰区域坐标范围内仍然存在不在生物-节点干扰区域传感器节点,则将其定为生物-节 点干扰区域候选边界点,同时将该候选边界点两个垂直方向上的候选边界点定义为普通传 感器节点,最终将查找到的候选边界点定义为生物-节点干扰区域的边界点;由边界点组成 的结合定义为集合B,设置边界初始点,按照右手规则,向其相邻的边界点转发包含各边界 点的位置信息的HBP包;当邻节点收到HBP包后,将自身节点信息及位置信息插入HBP中,继 续转发给下一个边界点; 步骤四:按照步骤一的方法将数据包转发到最靠近向量涵的干扰区域边界点也,此时, 过生物-节点干扰区域的圆心做边界点Βι到目的节点D向量兩5的垂线,交向量于点V,交生 物-节点干扰区域于点出和点B3,如果VB 2〈VB3,则向出方向转发,否则,向B3方向转发。
【文档编号】H04W84/18GK106060893SQ201610530840
【公开日】2016年10月26日
【申请日】2016年7月7日
【发明人】金志刚, 王健
【申请人】天津大学
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