一种水声网络渗透路由方法与流程

1.本发明涉及水声自组织无线传感器网络技术领域，尤其是一种渗透路由方法，为水声自组织无线传感器网络的路由方法。


背景技术：

2.水声网络(underwater acoustic networks,uans)作为海洋研究的一个平台，在过去的十年中受到了广泛的关注，并提出了开发不同潜在应用的策略。水声网络应用实例包括:战术监视、地震监测、辅助导航、污染监测和许多基于科学信息的应用。uans由可变数量的传感器节点组成，用于在给定海域内执行协作监测。对于usns来说，必须提供通信覆盖，使整个监测区域被传感器节点覆盖，每个传感器节点都要能够建立多跳路径才能将监测数据传达到地表。其中，路由是任何网络的基本问题，路由协议负责发现和维护路由。
3.在水下环境中，射频信号传播时间长、频率低，所以不适合在水下使用；因此，水声网络采用声信号作为通信介质。水下环境中，由于声信号的传播时延比无线电信号高五个数量级。同时，声信号传输也面临着诸多挑战。声信号的带宽会受到距离、噪声和高功率吸收的影响。由于空洞区域的存在，传感器节点之间的连通性也会受到影响。另外水下传感器节点电池功率有限，在恶劣的水下环境下对电池进行充电比较复杂。
4.目前，现有的网络路由协议通常分为两类:主动路由和被动路由。不幸的是，这两种极端的协议都不适用于水下传感器网络。为了建立端到端路由，主动或表驱动协议需要很大的信令开销，特别是在第一次和每次拓扑发生变化时。对于水下传感器网络来说，连续的节点运动会产生连续的拓扑变化。另一方面，对于响应式路由或随需应变路由，这一类协议适合于动态环境，但它们面临较大的延迟，因为它们需要源发起的控制包泛滥来进行路由发现过程。在没有任何主动邻居信息和少量泛洪选项的情况下，构建连续移动网络的多跳数据传输路由方案是一项具有挑战性的任务。尽管水声技术已经研究了几十年，但水下网络和路由协议的研究仍处于起步阶段，因此水声网络路由协议的设计需要进行有效的研究，提供一种高效的路由算法成为一项重要任务。


技术实现要素：

5.为了克服现有技术的不足，本发明提供一种水声网络渗透路由方法。考虑到水下多跳网络时延大和能量有限的特点，为了克服因水声网络的空时变特性造成的路由传递可靠性差的问题，同时有效降低路由过程的时延开销，提出了一种水声网络渗透路由方法。该发明保证水声网络数据包传递服务的可靠性的同时，能够以低的时延完成路由过程。
6.本发明解决其技术问题所采用的技术方案包括如下步骤：
7.步骤1：水声网络为一个m
×
n的网状网络，m,n＞1，如图1所示，网络由一个汇聚节点d(m,n)和mn
‑
1个普通节点组成，实现提供从源点o(0,0)到目的节点d(m,n)的可靠路由方案；
8.源节点o(0,0)发送邻居发现包，收到邻居发现包的节点x回复发现回复包，源节点
o(0,0)收到回复后，将回复包里的id确定为自己的邻居节点，存储邻居节点列表；同时，网络中各节点根据收到的发现回复包信息和公式，计算自己与各邻居节点之间的键概率，即数据包的丢包率，并将自己中继数据包的标志位置为零；
9.步骤2、网络中各节点发起邻居发现后，源节点开启计时器timer1，如式(10)所示：
[0010][0011]
其中t
p
为消息的传播时延，为发送邻居发现包的传输时延，将网络分成m
×
n的网格，每个网格内分布着一个节点，用(m,n)定义位于横坐标第m个，纵坐标第n个网格的节点；
[0012]
当网络中各节点完成邻居发现时，网络中任意节点x根据收到的发现回复包信息和公式(9)，计算节点x与各邻居节点之间的键概率，即得到数据包的丢包率，并将自己中继数据包的标志位置为零；
[0013]
步骤3、源节点o(0,0)有数据需要发送到目的节点d(m,n)，当源节点的timer1超时后，源节点更新并发送数据包，同时源节点o(0,0)开启计时器timer2，如式(11)所示：
[0014][0015]
其中为发送数据包的传输时延，为发送ack包的传输时延；
[0016]
步骤4、收到来自源节点数据包p
o
的一跳邻居节点y，比较该数据包p
o
的序列号，若节点y本地没有存储该序列号，则该节点存储该序列号并把该序列号的标志位置为1，之后更新并转发该数据包；若该节点本地存储了该序列号，则将该数据包保存t时间后丢弃即终止转发；
[0017]
步骤5、网络中所有节点重复步骤4，直到目的节点收到来自源节点的数据包，目的节点按照路由列表的中继链路返回ack包给源节点，当源节点收到ack包后，路由建立，完成数据的成功中继，根据式(12)计算链路的连通概率，渗透路由过程结束；若在计时器timer2超时后，源节点未收到ack，则重新发送数据包，保证每个数据包在每条链路上只传输一次，这样数据包就会在网格中向目的地渗透。
[0018]
步骤6、源节点收到来自目的节点的ack，源节点到目的节点的路由完成建立，目的节点收到的数据包中的中继路径为最终确立的路由路径。
[0019]
所述本发明涉及的四种包类型如图2所示，具体为：
[0020]
1、邻居发现包：包格式为<包类型type，节点地址id，发送时间戳t1>
[0021]
2、发现回复包：包格式为<包类型type，回复节点地址id，接收时间戳t2>
[0022]
3、数据包：包格式为<包类型type，发包节点地址id，源节点地址id
o
，目的节点地址id
d
，键概率p
r
，数据包序列号r，数据包中继列表list，数据data>
[0023]
4、ack包：包格式为<包类型type，完整的数据包中继列表list>
[0024]
所述水声网络数据包丢包率的计算方式如下：
[0025]
由水声理论得到，接收端的信噪比snr为：
[0026]
snr＝sl
‑
tl
‑
nl di
r
‑
10logb
‑
f
ꢀꢀ
(1)
[0027]
其中sl为发射声源级，sl＝10logp
a
170.8db，p
a
为发射声功率；tl为传播损耗，nl为载波频点处的噪声谱级，di
r
为接收指向性指数，采用全向天线，指向性di
r
为0；b为接收机处理带宽，f为瑞利衰落信道中的信噪比波动产生的信噪比差额，表示为某种调制、编码方
法对信噪比的实际利用能力。对于某种特定的调制、编码方法和特定的误比特率，在不同的传输速率下的信噪比差额几乎都是常数。
[0028]
tl＝n
·
10log r αr
ꢀꢀ
(2)
[0029]
其中n为传播因子，取值取决于声波的扩展形式，当声波的扩展形式为球面扩展时n＝2，当声波的扩展形式为柱面扩展时n＝1，当扩展形式介于球面波和柱面波之间时n＝3/2；r为节点的通信距离，α为吸收系数，thorp给出的吸收系数α与频率f(khz)之间的经验公式为：
[0030][0031]
根据声纳方程，最佳频率取值的估计式为：f＝((70.7/r)
·
(d(tl)/df))
1/2
，不同的传输距离对应不同的最佳频率，本发明采用1km传输距离的最佳工作频率为22.25khz。22.5khz对应的信噪比下降3db的带宽约为33khz，即通信可用频带为10
‑
43khz。综合考虑传播损失的3db带宽、数据率及扩频增益的要求，最终所选取的工作带宽为b＝22.25khz。
[0032]
wenz模型描述的海洋环境噪声谱级(nl
total
)与频率之间的关系为：
[0033][0034][0035]
其中nl
turbulence
、nl
shipping
、nl
wind
和nl
thermal
分别是湍流噪声、航运噪声、海面噪声与热噪声，f为频率(khz)，w(m/s)为海洋表面的风速，d
w
为水域航运密度，在三级海况下，海洋表面风速w＝5m/s，d
w
＝0.5(中等航运密度)，当载波频率f＝22.25khz时，查海洋环境噪声预测图其对应的噪声谱级nl为40db。
[0036]
对于瑞丽信道(一般地说，当存在许多路径时，信号的振幅包络分布趋于瑞利型)中的fsk信号，忽略码间串扰时，考虑了衰落起伏之后，采用匹配滤波加包络检波的处理方法，误码率为：
[0037][0038]
其中为平均接收能量和信号噪声能量n0的比值，
[0039][0040]
其中snr为信噪比，由式(1)可得，误比特率为：
[0041][0042]
其中k＝log2m，m为系统采用的调制方式的进制数；最后，链路中的丢包率表示为：
[0043]
p
l
＝1
‑
exp(lln(1
‑
ber))
ꢀꢀ
(9)
[0044]
其中l(bits)为包的长度。
[0045]
所述连通概率的计算根据渗透理论得：
[0046][0047]
将一个网状网络拆分为a，b两部分，a为一条源节点到目的节点的最短路径，包括m n个单跳链路，b为除去这条最短路径的所有路径，那么p(a)为最短路径的概率，p(b|s
i
)为在s
i
的条件下b的概率，p(s
i
)为s
i
的概率，s
i
表示路径a的倒数第i条链路连通，且倒数第i 1条链路不连通(i＝0,...,m n
‑
1)。任何m
×
n的网络根据公式(12)拆分求解。
[0048]
本发明的有益效果在于：
[0049]
1、基于渗透理论模型，建立基于连通率的路由策略，通过提高链路通信的冗余度有效地保证了路由的可靠传输。
[0050]
2、采用每个数据包在每条链路上只传输一次的限制条件，大大降低了路由泛洪带来的巨大开销。
[0051]
3、该方法简单有效，操作实施简单，具有可实施性。
[0052]
4、该方法可以实现数据包从源到目的的快速传输，有利于提供可靠和及时的通信服务任务。
附图说明
[0053]
图1是本发明网状网络拓扑结构。
[0054]
图2是本发明的各种包格式。
[0055]
图3是本发明的流程图。
[0056]
图4是本发明中一个具体的水声网络拓扑模型。
[0057]
图5是本发明中一个水声网络各节点间误包率。
[0058]
图6是本发明确立的路由。
具体实施方式
[0059]
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
[0060]
本路由方法流程图如图3所示，主要包括三个阶段：邻居发现阶段，路由建立阶段和路由确立阶段。具体实施步骤：
[0061]
邻居发现阶段：
[0062]
步骤1：水声网络为一个m
×
n的网状网络，m,n＞1，如图1所示，网络由一个汇聚节点d(m,n)和mn
‑
1个普通节点组成，实现提供从源点o(0,0)到目的节点d(m,n)的可靠路由方案；
[0063]
源节点o(0,0)发送邻居发现包，收到邻居发现包的节点x回复发现回复包，源节点o(0,0)收到回复后，将回复包里的id确定为自己的邻居节点，存储邻居节点列表；同时，网络中各节点根据收到的发现回复包信息和公式，计算自己与各邻居节点之间的键概率，即数据包的丢包率，并将自己中继数据包的标志位置为零；
[0064]
步骤2、网络中各节点发起邻居发现后，源节点开启计时器timer1,如式(10)所示：
[0065][0066]
其中t
p
为消息的传播时延，为发送邻居发现包的传输时延，将网络分成m
×
n的网格，每个网格内分布着一个节点，用(m,n)定义位于横坐标第m个，纵坐标第n个网格的节点；
[0067]
当网络中各节点完成邻居发现时，网络中任意节点x根据收到的发现回复包信息和公式(9)，计算节点x与各邻居节点之间的键概率，即得到数据包的丢包率，并将自己中继数据包的标志位置为零；
[0068]
路由建立阶段：
[0069]
步骤3、源节点o(0,0)有数据需要发送到目的节点d(m,n)，当源节点的timer1超时后，源节点更新并发送数据包，同时源节点o(0,0)开启计时器timer2，如式(11)所示：
[0070][0071]
其中为发送数据包的传输时延，为发送ack包的传输时延；
[0072]
步骤4、收到来自源节点数据包p
o
的一跳邻居节点y，比较该数据包p
o
的序列号，若节点y本地没有存储该序列号，则该节点存储该序列号并把该序列号的标志位置为1，之后更新并转发该数据包；若该节点本地存储了该序列号，则将该数据包保存t时间后丢弃即终止转发；
[0073]
步骤5、网络中所有节点重复步骤4，直到目的节点收到来自源节点的数据包，目的节点按照路由列表的中继链路返回ack包给源节点，当源节点收到ack包后，路由建立，完成数据的成功中继，根据式(12)计算链路的连通概率，渗透路由过程结束；若在计时器timer2超时后，源节点未收到ack，则重新发送数据包，保证每个数据包在每条链路上只传输一次，这样数据包就会在网格中向目的地渗透。
[0074]
路由确立阶段：
[0075]
步骤6、源节点收到来自目的节点的ack，源节点到目的节点的路由完成建立，目的节点收到的数据包中的中继路径为最终确立的路由路径。
[0076]
本发明涉及的四种包类型如图2所示，具体为：
[0077]
1、邻居发现包：包格式为<包类型type，节点地址id，发送时间戳t1>
[0078]
2、发现回复包：包格式为<包类型type，回复节点地址id，接收时间戳t2>
[0079]
3、数据包：包格式为<包类型type，发包节点地址id，源节点地址id
o
，目的节点地址id
d
，键概率p
r
，数据包序列号r，数据包中继列表list，数据data>
[0080]
4、ack包：包格式为<包类型type，完整的数据包中继列表list>
[0081]
所述水声网络数据包丢包率的计算方式如下：
[0082]
由水声理论得到，接收端的信噪比snr为：
[0083]
snr＝sl
‑
tl
‑
nl di
r
‑
10logb
‑
f
ꢀꢀ
(1)
[0084]
其中sl为发射声源级，sl＝10logp
a
170.8db，p
a
为发射声功率；tl为传播损耗，nl为载波频点处的噪声谱级，di
r
为接收指向性指数，采用全向天线，指向性di
r
为0；b为接收机处理带宽，f为瑞利衰落信道中的信噪比波动产生的信噪比差额，表示为某种调制、编码方法对信噪比的实际利用能力。对于某种特定的调制、编码方法和特定的误比特率，在不同的
传输速率下的信噪比差额几乎都是常数。
[0085]
tl＝n
·
10log r αr
ꢀꢀ
(2)
[0086]
其中n为传播因子，取值取决于声波的扩展形式，当声波的扩展形式为球面扩展时n＝2，当声波的扩展形式为柱面扩展时n＝1，当扩展形式介于球面波和柱面波之间时n＝3/2；r为节点的通信距离，α为吸收系数，thorp给出的吸收系数α与频率f(khz)之间的经验公式为：
[0087][0088]
根据声纳方程，最佳频率取值的估计式为：f＝((70.7/r)
·
(d(tl)/df))
1/2
，不同的传输距离对应不同的最佳频率，本发明采用1km传输距离的最佳工作频率为22.25khz。22.5khz对应的信噪比下降3db的带宽约为33khz，即通信可用频带为10
‑
43khz。综合考虑传播损失的3db带宽、数据率及扩频增益的要求，最终所选取的工作带宽为b＝22.25khz。
[0089]
wenz模型描述的海洋环境噪声谱级(nl
total
)与频率之间的关系为：
[0090][0091][0092]
其中nl
turbulence
、nl
shipping
、nl
wind
和nl
thermal
分别是湍流噪声、航运噪声、海面噪声与热噪声，f为频率(khz)，w(m/s)为海洋表面的风速，d
w
为水域航运密度，在三级海况下，海洋表面风速w＝5m/s，d
w
＝0.5(中等航运密度)，当载波频率f＝22.25khz时，查海洋环境噪声预测图其对应的噪声谱级nl为40db。
[0093]
对于瑞丽信道(一般地说，当存在许多路径时，信号的振幅包络分布趋于瑞利型)中的fsk信号，忽略码间串扰时，考虑了衰落起伏之后，采用匹配滤波加包络检波的处理方法，误码率为：
[0094][0095]
其中为平均接收能量和信号噪声能量n0的比值，
[0096][0097]
其中snr为信噪比，由式(1)可得；
[0098]
误比特率为：
[0099][0100]
其中k＝log2m，m为系统采用的调制方式的进制数；最后，链路中的丢包率表示为：
[0101]
p
l
＝1
‑
exp(lln(1
‑
ber))
ꢀꢀ
(9)
[0102]
其中l(bits)为包的长度。
[0103]
所述连通概率的计算根据渗透理论得：
[0104][0105]
将一个网状网络拆分为a，b两部分，a为一条源节点到目的节点的最短路径，包括m n个单跳链路，b为除去这条最短路径的所有路径，那么p(a)为最短路径的概率，p(b|s
i
)为在s
i
的条件下b的概率，p(s
i
)为s
i
的概率，s
i
表示路径a的倒数第i条链路连通，且倒数第i 1条链路不连通(i＝0,...,m n
‑
1)。任何m
×
n的网络根据公式(12)拆分求解。
[0106]
下面以具体水声网络拓扑为例，给出相应拓的渗透路由方案。该水声网络拓扑模型如图4所示，将九个节点随机布放在某区域中，假设网络所部署的区域为一个边长为d的正方形，我们假设一个节点被随机地放置在它的单元内。其中最大的单跳距离为d
max
，最小的单跳距离为d
min
。由源节点o(0,0)发起路由过程。
[0107]
表1参数设置
[0108][0109]
具体步骤如下：
[0110]
1、源节点o(0,0)发送邻居发现包给邻居节点(1，0)和(0，1)，节点(1，0)和(0，1)收到该包后，将源节点存储为自己的邻居并回复源节点发现回复包。节点(1，0)发送邻居发现包给节点(1，1)和(2，0)；节点(0，1)发送邻居发现包给节点(0，2)和(1，1)。源节点收到回复后，确定位于自己右方和上方网格内的节点(1，0)和(0，1)为自己的邻居节点，并根据式(9)计算得源节点与两邻居得键概率分别为：0.2397和0.3091。
[0111]
2、网络中各节点发起邻居发现后，源节点开启计时器timer1,当网络中各节点完成邻居发现时，他们根据收到的发现回复包信息和公式(9)，计算自己与各邻居节点之间的键概率也就是数据包的丢包率如图5所示，并将自己中继数据包的标志位置为零。
[0112]
3、源节点o(0,0)有数据需要发送到目的节点d(2,2)，当源节点的timer1超时后，源节点更新并发送数据包<数据包,(0,0),(0.0),(2,2),1,1,(0,0),data>，同时开启计时器timer2。
[0113]
4、收到该数据包的节点(1,0)和(0.1)，比较该数据包的序列号1，若该节点本地没有存储该序列号1，则该节点存储该序列号并把该序列号的标志位置为1，之后更新并转发该数据包；若该节点本地存储了该序列号1，则将该数据包保存t时间后丢弃即终止转发。因为该数据包为第一次传输，节点(0,1)和(1,0)第一次接收，所以节点(0,1)和(1,0)存储该序列号1，并将该序列号的标志位置为1，之后更新转发其的数据包，分别为<数据包,(0,1),(0.0),(2,2),1,0.3091,(0,0)(0,1),data>，<数据包,(1,0),(0.0),(2,2),1,0.2397,(0,
0)(1,0),data>。
[0114]
5、网络中所有节点重复步骤3，直到目的节点收到来自源节点的数据包，目的节点按照路由列表的中继链路返回ack包给源节点，当源节点收到ack包后，路由建立，完成了数据的成功中继，根据式(12)计算链路的连通概率为77.87％，渗透路由过程结束。若在计时器timer2超时后，源节点未收到ack则重新发送数据包，重复步骤3～5。
[0115][0116]
其中
[0117][0118][0119]
p(b|s2)＝p(b|s1)
ꢀꢀ
(3)
[0120][0121]
p
iji'j'
为节点(i,j)到节点(i',j')的键概率。
[0122]
6、数据包最终中继路径为三条，分别为(0，0)
→
(0，1)
→
(0，2)
→
(1，2)
→
(2，2)、(0，0)
→
(0，1)
→
(1，1)
→
(2，1)
→
(2，2)和(0，0)
→
(1，0)
→
(1，1)
→
(2，1)
→
(2，2)。