一種多移動匯聚節(jié)點定位輔助的水下傳感器網(wǎng)絡(luò)路由方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種適用于水下動態(tài)自組織網(wǎng)絡(luò)的多移動匯聚節(jié)點定位輔助的水下 傳感器網(wǎng)絡(luò)路由方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 與傳統(tǒng)無線網(wǎng)絡(luò)不同，水下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的能量、內(nèi)存及帶寬等資源有限，且往 往運行環(huán)境特殊，節(jié)點電量不被補充，因而盡可能的延長網(wǎng)絡(luò)生命周期成為網(wǎng)絡(luò)設(shè)計的核 心要素。海洋立體網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測結(jié)構(gòu)中大多采用水下機器人、水下滑翔機、水下普通節(jié)點以及水 面基站等多種設(shè)備配合協(xié)調(diào)運作，異構(gòu)的水下設(shè)備網(wǎng)絡(luò)中，多個普通節(jié)點和多個移動匯聚 節(jié)點通信可看作多源節(jié)點和多目的節(jié)點進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ㄐ徘榫?。一些研究者針對水下無 線傳感器網(wǎng)絡(luò)傳輸率低、延遲大、可靠性差、能量利用率低等特點，為水下無線傳感器網(wǎng)絡(luò) 設(shè)計了一些路由方法。
[0003] 近年來，隨著節(jié)點定位技術(shù)的發(fā)展，基于地理位置的路由協(xié)議在減小網(wǎng)絡(luò)能耗、提 高路由查找效率等方面凸顯優(yōu)勢，結(jié)合節(jié)點地理位置信息設(shè)計能量有效的無線傳感器網(wǎng)絡(luò) 路由協(xié)議具有重要意義。陸上無線傳感器定位路由策略GEAR、GEM等都具有局限性，不能直 接應(yīng)用于水下。目前國內(nèi)外大多數(shù)的專利中，關(guān)于適用于水下環(huán)境中多個移動的匯聚節(jié)點 收集數(shù)據(jù)的路由策略較少，僅有的少數(shù)基于定位的水下路由大都以精確的地理位置為已知 條件，并沒有完全將定位與網(wǎng)絡(luò)的路由過程充分結(jié)合，也未考慮到實際水下無線傳感器網(wǎng) 絡(luò)的特殊要求，缺少自組織性。像苑慧嫻、劉廣鐘的水聲傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議中，基于定位 的水聲傳感器網(wǎng)絡(luò)由于具備確認(rèn)各傳感器地理位置的優(yōu)勢，因此分簇過程，將各個傳感器 節(jié)點的地理位置發(fā)送給基站，基站將各個傳感器節(jié)點按地理位置劃分成不同的簇，再將分 簇結(jié)果返回給傳感器節(jié)點，但算法依賴于基站，并且在數(shù)據(jù)傳輸中并為充分利用位置信息， 犧牲了網(wǎng)絡(luò)傳輸效率，不利于水下自適應(yīng)要求較高的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。
[0004] 本發(fā)明不依賴水上基站的輔助來定位和劃分簇頭，采用模糊定位來獲得全局空間 構(gòu)型，并且傳感器節(jié)點自定義樹根節(jié)點，無需等待基站劃分來提高網(wǎng)絡(luò)的自組織性，定位信 息不僅用在網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)劃分，而且用在數(shù)據(jù)樹形成和數(shù)據(jù)傳輸過程。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的在于提供一種網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點個數(shù)控制在100個以內(nèi)，在提高數(shù)據(jù)傳輸 率的同時減少能量的消耗的適用于自組織的多移動匯聚節(jié)點定位輔助的水下傳感器網(wǎng)絡(luò) 路由方法。
[0006] 本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的：
[0007] 本發(fā)明包括全局定位階段、動態(tài)數(shù)據(jù)樹形成階段、發(fā)送預(yù)判階段：
[0008] (1)全局定位階段：
[0009] 1. 1)由目的節(jié)點作為啟動節(jié)點，目的節(jié)點在小范圍內(nèi)移動，發(fā)送多個定位啟動信 息，包含啟動節(jié)點標(biāo)識、位置信息、跳數(shù)值，每一個收到定位啟動信息的傳感器節(jié)點將自己 跳數(shù)值加1后轉(zhuǎn)發(fā)，同一個啟動節(jié)點的信息只轉(zhuǎn)發(fā)2次，從每個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點得到距該啟動節(jié)點 的最小距跳數(shù)，鄰居節(jié)點交換到啟動節(jié)點的跳數(shù)，如果一個節(jié)點在兩跳鄰居范圍內(nèi)跳數(shù)最 大，則標(biāo)定自己為邊界節(jié)點；
[0010] 1. 2)每個邊界節(jié)點廣播一個共享信息，包括一個邊界點間跳數(shù)值ζ i和一個該邊 界節(jié)點到啟動節(jié)點的跳數(shù)值ζ2，邊界點間跳數(shù)值開始，信息每轉(zhuǎn)發(fā)一次邊界跳數(shù) 值加1，邊界節(jié)點到啟動節(jié)點的跳數(shù)值ζ2不變，使每個邊界節(jié)點得到所有邊界節(jié)點到啟動 節(jié)點的跳數(shù)和本身到其它邊界節(jié)點的跳數(shù)，然后邊界節(jié)點再把ζ:廣播給內(nèi)部節(jié)點，每個傳 感器節(jié)點得到任意兩邊界節(jié)點間的跳數(shù)ζ:、所有邊界節(jié)點距啟動節(jié)點的跳數(shù)ζ2、本節(jié)點 到啟動節(jié)點的距離ζ3、本節(jié)點到邊界節(jié)點的跳數(shù)ζ4;
[0011] 1. 3)節(jié)點根據(jù)每一跳的的距離估計Hopsize，計算出節(jié)點間的距離S = Hopsize*G，ζ表示兩個節(jié)點間的跳數(shù)，利用三角形定位算法，每個節(jié)點計算得到全局的空 間構(gòu)型和本身的空間坐標(biāo)，定位進(jìn)行一次，其中Hopsize為：
[0013] η表示每個節(jié)點的鄰居個數(shù)，r表示傳感器節(jié)點通信半徑；
[0014] (2)動態(tài)數(shù)據(jù)樹形成階段：
[0015] 在計算出位置信息后，按照地理位置將所有節(jié)點最小的包絡(luò)長方體，將此長方體 均分成4個連通區(qū)域，每個區(qū)域形成一棵動態(tài)的空間匯聚樹；
[0016] 每個結(jié)點都在本地記錄一個自身的ID標(biāo)識、一個根節(jié)點Root ID標(biāo)識、地位判定值 Pww其中Pval%值與節(jié)點的能量及節(jié)點到啟動節(jié)點的距離有關(guān)：
[0018] 式中E是節(jié)點的剩余能量，Smin是節(jié)點與最近的啟動節(jié)點間的距離，α是權(quán)重，〇 < α < 1 ；
[0019] 目的節(jié)點的鄰居節(jié)點定位完成后將位置信息和地位判定值Pvalue發(fā)送給目的節(jié) 點，目的節(jié)點將該值在相應(yīng)區(qū)域最大的鄰居節(jié)點選為對應(yīng)區(qū)域的根節(jié)點，對于沒有目的節(jié) 點的鄰居節(jié)點的區(qū)域暫不確定根節(jié)點；由各個區(qū)域根節(jié)點發(fā)起組樹信息包括根節(jié)點標(biāo)識 RootID和其Pvalue、跳數(shù)，當(dāng)一個鄰居節(jié)點收到后判斷自身是否在該區(qū)間，若是在該區(qū)域且未 定義父節(jié)點則將自己定義該節(jié)點為父節(jié)點并跳數(shù)加1轉(zhuǎn)發(fā)組樹信息，若已經(jīng)定義區(qū)域內(nèi)父 節(jié)點則不轉(zhuǎn)發(fā)該組樹信息將自己和該節(jié)點定義為內(nèi)部聯(lián)通節(jié)點；若不是在該區(qū)域內(nèi)的節(jié)點 作為儲備父節(jié)點等待一段時間t
L是每個區(qū)域?qū)蔷€長度，v是水聲傳播速度，將 自身和該節(jié)點標(biāo)記為外部聯(lián)通節(jié)點，沒有區(qū)域內(nèi)的組樹信息時，選擇第一個儲備父節(jié)點作 為父節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)其組樹信息；
[0020] 為均衡整個網(wǎng)絡(luò)的能量消耗，又適應(yīng)動態(tài)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)特性，每隔一定時間T，
，L是每個區(qū)域?qū)蔷€長度，v*是移動節(jié)點速度，重新計算一次P valuy根節(jié)點將獲得 樹上在區(qū)域內(nèi)節(jié)點的新最大Pvalue節(jié)點的ID、聯(lián)通節(jié)點的樹或樹枝上最大lClu:(i的ID ;根節(jié)點 根據(jù)Pvalue與值大小的比較，向子節(jié)點廣播新的該區(qū)域根節(jié)點ID并判斷內(nèi)、外部聯(lián)通節(jié) 點是否與原樹合并或分離
時合并，
時分離，重組空間 匯聚樹，形成隨目的節(jié)點，AUV或水下滑翔機運動而運動的動態(tài)根節(jié)點；
[0021] (3)發(fā)送預(yù)判階段
[0022] 發(fā)送預(yù)判階段，離目的節(jié)點較近的傳感器節(jié)點補獲目的節(jié)點的位置，傳感器節(jié) 點補獲目的節(jié)點的信息后，將位置信息傳遞給各自的樹根結(jié)點和聯(lián)通節(jié)點，一個根節(jié)點 根據(jù)相鄰兩次接受到的目的節(jié)點位置信息進(jìn)行發(fā)送預(yù)判，Ad是根節(jié)點到目的節(jié)點的 距離，
其中
代表目的節(jié)點位置，
代表根節(jié)點位置。
[0023] 3. 1)目的節(jié)點在樹根通信范圍內(nèi)，由樹根節(jié)點直接發(fā)送數(shù)據(jù)到目的節(jié)點；
[0024] 3. 2)目的節(jié)點不在樹根通信范圍內(nèi)，根據(jù)Δ d的變化趨勢決定如何發(fā)送，Δ d不斷 增大時，若在本樹節(jié)點的傳輸范圍，根節(jié)點將數(shù)據(jù)傳遞給Pvalue最大的本樹節(jié)點，由該節(jié)點發(fā) 送，若不在本樹節(jié)點的傳輸范圍，根節(jié)點將數(shù)據(jù)傳遞給鄰居樹中根節(jié)點Pvalue最大的聯(lián)通節(jié) 點，由該節(jié)點發(fā)送；A d減小時，繼續(xù)檢測目的節(jié)點位置，Λ d等待到達(dá)通信距離后在發(fā)送數(shù) 據(jù)。
[0025] 本發(fā)明的有益效果在于：
[0026] 本發(fā)明將改進(jìn)的邊界定位使用到水下路由策略中，并采用局部方位樹模型進(jìn)行路 由結(jié)構(gòu)劃分，可以有效減少能量的消耗，避免由于傳輸距離過長而過高的消耗能量；發(fā)送預(yù) 判模型可以有效的使數(shù)據(jù)向目的節(jié)點有向傳輸，尋求一條樹間節(jié)能路徑。網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的周期 性刷新可以保證網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)不會因為節(jié)點的移動變化