[发明专利]一种基于差分的水下传感器网络适应路由的方法

说明书

技术领域

本发明总体上涉及网络通信技术领域，更具体地涉及一种水下传感器网络的路由方法。

背景技术

无线传感器网络将客观世界的物理信息同传输网络连接在一起，扩展了人们的信息获取和管控能力，将传感器网络应用到水环境中的水下传感网络（UWSN Underwater Wireless Sensor Networks）成为信息科学的重要研究领域。

由于水的吸收作用，电磁波在水中的传输距离较短。遵循IEEE 802.11b/g或IEEE802.15.4协议的节点发送的电磁波在水下的传输距离只有50-100cm。因此，水下网络节点采用声波通信。与陆地WSN相比，采用水声通信的UWSN网络面临以下挑战：

传播时延长：声波在水中的传播速度是1500m/s，比无线电波在地面的传播速度低5个量级，传统无线网络多址接入技术不适用UWSN水声信道。

信道错误率(error rate)高：声波在水下传输由于受到路径损耗、噪声干扰、多普勒扩散等因素的影响，信号出错率高。根据传输范围和调制方法的不同，水声通信的误码率在10^-7-10^-3之间，并随传输范围的增大而增大。

带宽有限：水声信道的带宽因受信号吸收影响极其有限，且依赖于声波频率和传输距离。大部分声音系统的工作频率在30kHz以下，IEEE 802.11的带宽可达几十兆，而工作于几千米的水声信道带宽大约是几十kbps。

能量有限：由于传输距离远、信号的发送与接收需要额外的处理以补偿信道衰落，水声通信比陆地无线电波通信能耗高；而水下节点采用干电池供电，不能利用太阳能充电。有限的能量与较大的能耗给UWSN的通信协议设计带来较大的挑战。 

网络连通性差：水下传感器节点处于较为恶劣的江河、湖泊、海洋等环境，长期的浸泡、腐蚀使得节点故障率较高；其次，陆地传感器网络节点一般都是静止的，而水下传感器网络的节点可能会随着水流和其它水下活动而改变位置；相对于价格低廉的陆地节点，水下节点声学通信模块复杂、恶劣的水下环境需要增强的硬件保护装置，因此水下传感器节点价格昂贵。与陆地WSN、MANET等网络相比，UWSN具有长时延、高错误率、低带宽、能量有限、网络拓扑动态多变，这给UWSN网络的通信协议设计带来很大的挑战。UWSN亟需适应动态网络拓扑、节能且能耗在节点间分布均衡的路由协议。

目前传感器网络路由协议大致分为2类：查询路由和地理路由。查询路由中，汇聚节点发送兴趣消息指出查询任务。兴趣消息在整个网络中泛洪，以此逐跳建立从数据源到汇聚节点的反向路径。查询路由导致大量的通信开销、低能效和长延时。地理路由基于节点的位置或深度信息转发数据包。 基于矢量的路由转发协议（VBF）定义了一个从源节点到汇聚节点的路由管道，分组在该管道范围内泛洪。VBF为每个分组计算缓存时间来抑制过多的冗余转发，在一定程度上提高了能效。基于深度的路由DBR也通过将数据包抑制一段时间来避免许多的冗余转发。然而，由于采用缓存、广播转发，VBF与DBR都会带来较高的冲突、能耗和较长的延迟。此外，无论是VBF或DBR都采用贪心算法，容易导致本来连通的节点沦为孤立、失去路由。

以上的水下通信协议不能够很好的解决节点的能量受限的问题，造成网络的寿命非常的短，同时也不能够很好的解决数据的碰撞和较长的端到端的延迟问题。由于在水下传感网络中节点会随着水的流动而移动，造成网络的拓扑结构动态的变化，以上的通信协议也无法很好的解决这个问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种基于差分的水下传感器网络适应路由方法。该方法引入节点级别这一概念，并通过传感器网络固有的定位过程使每节点获取各自的级别信息和两跳以内的邻居节点信息，其中包括节点ID、级别、位置、剩余能量和生存时间等，并保存在邻居信息表中，作为路由决策参数。当收到分组时，节点根据分组首部的流向、目的地址字段，确定对于下行（广播或目的节点位置未知的单播）控制分组，基于级差的定向泛洪机制执行路由；对于上行数据分组，采用基于级差、节点密度和剩余能量的适应路由；对于已知目的节点位置信息的下行单播控制分组，采用基于级别与距离的差分地理路由。本发明的路由方法适用于水下复杂动态的网络环境，基于级差的定向泛洪和最佳下一跳的单节点转发大大提高了UWSN通信能效，通过均衡节点能耗延长了整个网络的生命期，非时间抑制的即时转发缩短了端到端的延迟。

为了达到上述目的，本发明提供了一种基于差分的水下传感器网络适应路由方法，其特征在于：包括下列几个组成部分：