一种水声传感器网络自适应概率转发路由协议

1.本发明涉及水声传感器网络、水声路由协议技术领域，尤其是针对稀疏水声传感器网络路由协议的实现方法。


背景技术：

2.水声传感器网络是一种很有前景的技术，将促进广泛的水下应用，由于恶劣的水下环境，面临着巨大的挑战和问题，如有限的带宽、节点移动、长传播延迟、三维部署、能量限制、昂贵的制造和部署成本，这些都限制着uasns路由协议的性能，因此，如何设计出高转发效率的水声路由协议成为关键。
3.水声传感器网络路由协议可以分为基于位置的路由协议和无位置路由协议。无位置的路由协议也被称为泛洪，泛洪允许节点将第一个接收到的数据包重新广播给所有的邻居，导致广播风暴问题。为了解决广播风暴问题，提出方向泛洪转发策略，让节点按照一定的概率参与广播过程。然而，无位置的路由协议在进行路由决策时并不知道网络的拓扑信息，为了克服这个问题，基于位置的路由协议假设每个节点都知道自己的地理信息。因此，每个节点都有一个网络拓扑的完整视图，通过这个视图可以有效地路由数据包。
4.基于位置的路由协议关键在于如何根据节点的地理信息选择下一跳邻居节点，以及如何设计候选集结点的选择规则。在稀疏的水声网络环境中，存在由海水腐蚀造成的节点易失效问题，由水流作用造成的节点随机移动问题，导致网络拓扑动态变化，如何使所有候选集节点协调一致在掌控范围内，筛选出“理想”节点转发数据包，使数据包转发更加高效在水下环境中成为挑战。
5.现有的基于位置的路由协议主要采用的转发策略为机会路由转发策略，而机会路由转发策略只让少数节点参与转发，每个节点参与转发数据包时都需延长一段时间，因此存在着端对端延迟高，计算量大的缺点。基于矢量转发的vbf协议是典型的的水声传感器网络基于位置的机会路由协议之一，它使用源、汇和中间转发节点的位置信息来计算“路由管道”，数据包通过这个管道从源节点被传输到目的节点，只有这个管道中的节点可以转发。通过这种方式，vbf不仅减少了网络流量，还管理了网络动态拓扑。然而，恒定布线管道半径阈值对vbf的性能有显著影响，仅仅在管道内可能无法寻找到合适的下一跳节点，特别是在稀疏的水下网络，所以需要设计一种方案摆脱管道的束缚。


技术实现要素：

6.为了克服现有技术的不足，本发明提供一种水声传感器网络自适应概率转发路由协议。本发明需要解决的技术问题是提供一种应用于水声传感器网络的地理路由协议方法，该方法适应稀疏的拓扑复杂多变的水下环境，并可实现高效率转发路由。因此，设计一种自适应概率转发路由协议(adaptive probability forwarding routing protocal based on location，apfp)，既要克服机会路由协议中等待时间造成的端到端延迟大的问题，还要降低稀疏网络中可能寻找不到下一跳节点的概率，减少空洞发生的可能性。将最大
化贪婪的进度，提高转发集选择方法的效率，最终达到高效转发数据包的结果，从结果也能看出，提出的协议也维持住了较低的能量消耗。
7.本发明解决其技术问题所采用的技术方案包括如下步骤：
8.步骤1：网络中每个节点维护两张路由表q1和q2，q1记录节点要传输的数据data和节点的等待时间ht，q2记录发送过的数据包及数据包编号；
9.步骤2：源节点a有数据需要发送，但是源节点没有到目的节点的路由，此时开启路由发现过程；源节点获取自己的地理位置信息(xa,ya，za)，中继节点b获取自己的地理位置(xb，yb，zb)，目的节点c获取自己的地理位置(xc，yc，zc)；之后中继节点b首先判断自己是否位于转发区域内，发送节点a的中继节点b可选转发区域表示如下式：
[0010][0011]
其中，r为节点通信范围；
[0012]
步骤3：源节点a获取自已的地理位置信息后，计算中继节点b的额外通信范围额外通信范围为中继节点b的通信范围减去源节点a与b的通信范围相交部分，计算公式如下：
[0013][0014]
其中，表示中继节点b的通信范围，v
球
表示以节点通信范围为半径的球体体积，∫∫∫
ω
v表示源节点a与中继节点b通信范围相交的部分；
[0015]
步骤4：源节点计算额外通信范围的期望值如下式：
[0016][0017]
其中，s
球
表示以节点通信范围为半径的球体表面积；
[0018]
步骤5：源节点a求出额外通信范围为期望值下的源节点a与中继节点b的距离d
*
：
[0019]d*
＝0.6955r
[0020]
步骤6：根据下式估算下一跳中继节点b的转发概率pf，并在路由请求分组中添加pf信息：
[0021][0022]
其中，η代表衰减因子，取常数，d为发送节点a与中继节点b之间的距离；
[0023]
步骤7：中继节点b接收到其他节点的数据包后，根据中继节点b的路由表q2判断是否重复接收，如果接收的数据包为中继节点b已发送过的数据包及数据包编号，则判断为重复接收，丢弃分组；如果不是重复接收，则进入步骤8；
[0024]
步骤8：节点转发因子a的计算公式为：
[0025][0026]
其中，d'为中继节点b离发送节点a所在转发区域平面p的垂直距离；
[0027]
步骤9：节点等待时间ht的计算公式为：
[0028][0029]
其中，t
delay
为节点转发的最大延迟，v为水下声速，取1500m/s；
[0030]
步骤10：中继节点b在等待了等待时间ht后，进行转发；
[0031]
步骤11：采用带有扩展仿真包aqua-sim的ns2对水下传感器网络进行仿真研究；通过tcl编写各指标脚本，并通过trace脚本记录统计指标，通过指标对协议的性能进行验证。
[0032]
所述衰减因子η取常数。
[0033]
所述水下声速v取1500m/s。
[0034]
所述指标包括如下三个：
[0035]
1)分组投递率p
delivery
[0036][0037]
其中pr表示成功到达目的地的数据分组数，ps表示源节点发送的数据分组总数；
[0038]
2)平均端到端延迟avdelay；
[0039][0040]
其中n表示成功传输的数据分组数，r
time
(i)表示第i个分组到达目的节点的时间，s
time
(i)表示第i个分组的发送时间；
[0041]
3)平均能量消耗avenconsum
[0042][0043]
其中∑enconsum(i)表示总能量消耗，pr表示成功接收分组数。
[0044]
本发明的有益效果在于本发明提出的自适应概率转发路由协议，适用于稀疏且拓扑多变的水下网络环境。首先对转发区域进行进行划分，划分出转发区域与非转发区域。接下来进行概率自适应传输，与已有的机会路由传输相比，省去了等待时长，端到端延迟大大降低，候选集节点选择具有一致性，保证了节点选择的公平性。采用ns2实现了apfp协议并对其进行了仿真验证，ns2仿真结果表明：相比vbf和hh-vbf，apfp在分组投递率、端到端延迟、平均能量消耗三项指标上具有明显优势。
附图说明
[0045]
图1是本发明apfp协议节点转发位置关系图。
[0046]
图2是本发明apfp路由协议转发流程图。
[0047]
图3是本发明apfp协议分组投递率对比图。
[0048]
图4是本发明apfp协议平均端到端延迟对比图。
[0049]
图5是本发明apfp协议网络平均能量消耗对比图。
具体实施方式
[0050]
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
[0051]
本发明实现了一种自适应概率转发的水下路由协议，命名为apfp。apfp考虑转发区域对节点通信范围的影响，将网络场景划分为两个半球。网络区域内的节点依据自己的地理位置信息，确定自己属于哪个分区，不同的分区采用不同的转发概率。
[0052]
步骤1：网络中每个节点维护两张路由表q1和q2。q1记录节点要传输的数据data和节点的等待时间ht；q2记录发送过的数据包及数据包编号。
[0053]
步骤2：源节点a有数据需要发送，但是源节点没有到目的节点的路由，此时开启路由发现过程；源节点获取自己的地理位置信息(xa,ya，za)，中继节点b获取自己的地理位置(xb，yb，zb)，目的节点c获取自己的地理位置(xc，yc，zc)。之后中继节点b首先判断自己是否位于转发区域内(节点的转发区域界限平面p为与发送节点a和目的节点c所形成向量垂直并经过发送节点a的平面)，发送节点a的中继节点b可选转发区域表示如下式(对应图1中离目的节点距离更近的半球)：
[0054][0055]
其中，r为节点通信范围。
[0056]
位于转发区域内的中继节点b转步骤3，不在转发区域范围内的节点转步骤11。
[0057]
步骤3：源节点a获取自己的地理位置信息后，计算中继节点b的额外通信范围(中继节点b的通信范围减去源节点a与b的通信范围相交部分)如下式：
[0058][0059]
其中，d表示发送节点与中继节点b之间的距离。
[0060]
步骤4：假设下一跳中继节点b随机分布在上一跳节点a的一跳通信范围内时，额外增加通信范围的期望可以计算为：
[0061][0062][0063]
其中，d
*
表示额外通信范围为期望值下的源节点a与中继节点b距离。
[0064]
步骤5：根据步骤4求出额外通信范围期望值下的源节点a与中继节点b距离d
*
为：
[0065]d*
＝0.6955r
[0066]
步骤6：根据步骤5可知，d
*
＝0.6955r时节点获得额外新增通信范围的平均值，发送节点和下一跳节点之间距离小于此值时，额外新增的通信范围小于平均值；发送节点和
下一跳节点之间的距离大于此值时，额外新增的通信范围大于平均值。协议转发概率的设计倾向于让额外通信范围大的节点以高概率转发分组，让额外通信范围小的节点以低概率转发分组，因此，将转发概率pf设计为：
[0067][0068]
当中继节点b与发送节点a之间的距离大于d*小于通信半径时，中继节点b采用概率p1转发；当中继节点b与发送节点a之间的距离小于d*时，中继节点b采用概率p2转发；
[0069]
步骤7：中继节点b接收到路由请求分组后，根据节点b的路由表q2判断是否重复接收，如果重复接收，则丢弃分组；否则，转步骤8；
[0070]
步骤8：节点转发因子a计算公式：
[0071][0072]
其中，r为节点通信范围，d为发送节点a与中继节点b之间的距离，d'为节点b离发送节点a所在转发区域平面p的垂直距离。
[0073]
步骤9：节点等待时间ht计算公式：
[0074][0075]
其中，t
delay
为节点转发的最大延迟，v为水下声速1500m/s。
[0076]
步骤10：中继节点b等待了等待时间ht进行自适应转发。
[0077]
步骤11：仿真参数设置；
[0078]
仿真环境是带有aqua-sim水下模块的ns2，仿真场景为5km*5km*2km，节点的传输半径为1km，仿真时间为500s。uasns节点采用随机移动模型，最大移动速度为3m/s，最小移动速度为0.2m/s。源节点的坐标为(1000,3000,0)，目的节点的坐标为(2500,2500,2000)，发送数据包的间隔为1s。仿真协议：apfp、vbf、hh-vbf。具体仿真参数如下：
[0079]
表1仿真参数设置
[0080][0081]
本发明用以下三个指标对协议性能进行评估:
[0082]
1)分组投递率p
delivery
[0083][0084]
其中pr表示成功到达目的地的数据分组数，ps表示源节点发送的数据分组总数。
[0085]
2)平均端到端延迟avdelay
[0086][0087]
其中n表示成功传输的数据分组数，r
time
(i)表示第i个分组到达目的节点的时间，s
time
(i)表示第i个分组的发送时间。
[0088]
3)平均能量消耗avenconsum
[0089][0090]
其中∑enconsum(i)表示总能量消耗，pr表示成功接收分组数。
[0091]
改变网络中uasns节点的数量为100,110,120...150，得到协议分组投递率、平均端到端延迟、平均能量消耗随网络中节点数量变化的情况。如图3至5所示。
[0092]
从仿真结果可以看出，本发明提出的apfp路由方法，相比vbf和hh-vbf，在分组投
递率、端到端延迟、平均能量消耗三项指标上，具有明显的优势。原因在于apfp利用地理信息位置，将网络场景分区，不同的区域采用不同的转发概率，缓解了vbf、hh-vbf机会路由中受虚拟管道向量影响的问题，之后采用自适应转发机制，大大减少了网络传输的端到端延迟，提高了数据包传输效率。