一种基于时反的水声传感网络自适应跨层机会路由方法

1.本发明涉及水声传感网络信息领域，涉及水声网络，水声通信等，具体是一种水声传感网络的组网方法。


背景技术：

2.水声传感网络(uasn)是人类认识海洋、探索海洋的关键网络技术，其中，路由协议的设计是目前研究的热点之一，它能够保证从source节点到sink节点的健壮可靠的数据传输。uasns中，时变空变的水声信道会导致随机路由中断和传输空洞区域；长传播时延带来的随机分组冲突也是不可忽略的，一些媒体访问控制(mac)协议通过时隙控制或距离感知随机访问处理uasns中的不确定冲突，然而，冲突的随机性使得冲突避免策略会产生较大的开销和不希望的重传。
3.机会路由(or)选择一个中继候选集，然后在中继候选集中协调出一个最优中继节点以动态地形成从source节点到sink节点的所需路由。or协议设计的关键在于中继候选集的选择策略和协调策略。根据中继候选集选择策略的不同可将or分为发送端or和接收端or。发送端or由发送节点选择中继候选集并进行优先级排序，要求网络中节点保持链路状态或邻居位置，这会导致显著的时延和开销并加剧信道竞争，但可以有效解决空洞区域问题；接收端or由接收节点决定其是否为中继候选集成员并评估优先级，比如：基于深度的路由和基于距离向量的机会路由，每个接收节点根据其到sink节点的深度或距离确定中继候选角色，从而以可伸缩的方式选择下一个中继节点，因此路由控制开销小，节省能耗，但常常会面临空洞区域问题。中继候选集协调策略为通过评估转发优先级来确定最优中继的过程，因此，需要慎重考虑转发优先级的影响因素，并根据实际场景权衡各个影响因素在转发优先级评估中所占的权重。
4.机会路由利用信道广播特性和冗余中继候选自适应地选择中继节点以对抗随机链路中断，适用于信道环境恶劣的uasns，然而，这会使获得数据包备份的节点数量增多，导致数据包的冗余转发，进而过度消耗uasns中的带宽和能量；如果网络中存在有恶意节点或是处于对抗环境下，网络中过多的数据包备份会大大增加网络安全风险，不但无法保证数据的隐蔽传输，而且数据信息被干扰和被截获的风险急剧增加。
5.时反(tr)技术化多径干扰的劣势为优势，适用于水声信道，在进行数据传输时可利用水下多径信道实现信号在接收处的空时聚焦。时间聚焦性体现为在接收节点处多径信道相互叠加达到多径分集的作用，提高信噪比的同时也降低了符号间干扰；空间聚焦性体现为在接收节点处有较强的信号能量而在其他节点处的信号能量很弱。时间反转的空时聚焦性不仅减小了发射信号在非目标节点处的干扰，而且获得数据包传输的抗干扰、抗截获及隐蔽传输等能力。


技术实现要素：

6.为了克服现有技术的不足，本发明提供一种基于时反的水声传感网络自适应跨层
机会路由方法。为了更好地应对水声传感网络中的随机路由中断、传输空洞区域和长传播时延引起的冲突，并针对现有水声传感网络机会路由机制中存在的数据包在网络中副本过多导致的传输易暴露、冗余转发过多导致不必要的能耗等问题，本发明提出了一种基于时反的水声传感网络自适应跨层机会路由方法，旨在为水声传感网络数据包的低能耗、高可靠和安全传输提供重要技术途径。
7.基于时反的水声传感网络自适应跨层机会路由方法跨越水声网络物理层、数据链路层和网络层，将时间反转通信、多址接入和接收端机会路由机制结合在一起，利用机会路由机制绕过发生链路中断的节点和路由空洞区域，自适应形成优化路由；利用时反的空时聚焦性和多址接入完成数据包在网络中无冲突、安全隐蔽传输，并抑制冗余数据包的转发，以低开销完成数据包在水声网络中的可靠投递。
8.水声传感网络由随机部署在水面的一个或多个公共sink节点和随机部署在水下的多个传感节点i(i∈v，v为传感节点集合)组成。sink节点通过gps获取自身位置信息，传感节点通过定位机制获取自身位置信息，假设所有传感节点均知道sink节点位置。每个传感节点具备有生成和转发数据包的能力(装配获取水域信息的多种类型传感器和相同的水声通信机)，将感测到的数据发送给公共sink节点，数据包传输范围为r，并在本地设置邻居数列表和当前剩余能量值列表(每隔一个信标传输周期记录一次)。
9.网络中定义四种消息类型：信标(beacon)、探针预约包(p-r)、探针包(probe)和数据包(tr-data)。路由开启前各传感节点通过发送短信标消息知道自己的邻居数并记录在邻居数列表中，传输周期取决于网络移动性，由于洋流的漂移不会快速改变网络拓扑结构，因此无需过多开销来维护邻居数。网络中设置有消息的最大重传次数，该值依据信道状态和网络移动性设定。对probe和其他数据包分别使用功率p
pr
和p传输并且p
pr
设计为大于p，这样能够确保probe到达转发节点f的所有中继候选集成员，有效解决隐藏终端问题。
10.该技术方案由四个阶段组成：探针预约阶段、最优中继确认阶段、时反多址数据传输阶段和数据传输确认阶段。每一轮路由中，探针预约阶段发送节点需要广播探针预约包(p-r)以寻找中继候选集成员，接着在最优中继确认阶段中根据优先级从中继候选集成员中评估出最优中继节点，并让最优中继节点回复发送节点用来获取信道信息的探针包(probe)，然后是时反多址数据传输阶段，发送节点立即对探针包(probe)时反处理，而后将处理后新的数据包(tr-data)发送给最优中继节点，最后进入到数据确认阶段，在发送端和接收端均要确认数据包(tr-data)是否传输成功并做出各自的决策。
11.本发明解决其技术问题所采用的技术方案的具体步骤为：
12.步骤1：根据转发节点f的邻居数设置mem标志位，mem标志位加入到data的消息结构中，转发节点f的中继候选集成员mem由其所有单跳邻居组成，当nf≤n
ts
时，mem标志位设为0；当nf＞n
ts
时，mem标志位设为1，并且此时中继候选集由到sink节点的距离比f短的邻居组成，其中，nf为转发节点f的单跳邻居数，n
ts
为转发节点f的邻居数阈值，依据网络的稀疏程度设定；
13.步骤2：探针预约阶段；转发节点f在其数据包传输范围r内使用功率p广播预约包p-r，当节点i从转发节点f第一次接收p-r时，根据自身邻居数ni和接收到p-r中的mem标志位确定节点i是否为中继候选集成员，当节点i的邻居数ni≤1时，则其被视为空洞节点，置于待机状态；否则，判断p-r中的mem标志位，当mem标志位为0时，该节点被确定为中继候选
集成员；当mem标志位为1时，再判断i到sink节点的距离d
is
和f到sink节点的距离d
fs
之间的大小，若d
is
＜d
fs
，则节点i被确定为中继候选集成员，否则置于待机状态；
14.步骤3：最优中继确认阶段；节点i被确定为中继候选集成员之后，首先通过本地信息计算转发优先级因子同时根据转发优先级将p-r保留一段时间在和计算完成后，根据期间是否收到由其他节点发送的probe确定最优中继节点rn：若期间收到由其他节点发送的probe，丢弃节点i的p-r和该probe，节点置于待机状态；若期间未收到由其他节点发送的probe，则节点i被确定为最优中继节点，等待结束后通过使用功率p
pr
发送自身的probe来宣布节点i的最优中继角色；在结束的同时开始计时t
td
，t
td
等于端到端最大传播时延的2倍；
15.步骤4：时反多址数据传输阶段；转发节点f对最优中继节点rn发出的probe进行时反处理，然后将处理后新的时反数据包tr-data再次发送给rn；发送tr-data的同时转发节点f开始计时t
p
，t
p
等于端到端最大传播时延的2倍；
16.步骤5：数据传输确认阶段；仅当接收端和发送端均确认tr-data传输成功后，方可开启新一轮的路由；
17.在接收端，根据rn在t
td
时间内是否成功接收tr-data数据包做出以下抉择：若rn在t
td
时间内成功接收tr-data，立即在rn的数据包传输范围r内广播p-r，同时开启下一轮路由过程；若rn在t
td
时间内未收到tr-data，则rn在数据包传输范围r内广播probe，当转发节点f再次收到probe后，说明rn在t
td
时间内未收到tr-data，转发节点f依据新的probe重新给rn发送tr-data；
18.在发送端，根据转发节点f在t
p
时间内接收到p-r确认tr-data被rn成功接收，进行如下操作：若接收到p-r，说明rn成功接收tr-data并已经开启了下轮路由过程，转发节点f置于待机状态；若转发节点f未收到p-r，检查本次tr-data的重传是否超过网络中设置的最大重传次数，若未超过网络中设置的最大重传次数，返回步骤4，转发节点f重新给rn发送tr-data，若超过网络中设置的最大重传次数，f置于待机状态；
19.步骤6：重复步骤1-步骤5，直至tr-data成功传输至sink节点。
20.所述转发优先级因子和时间的由节点i的剩余能量ei、能量消耗速率r
ies
、邻居数ni、稳定性和到接收器的距离d
is
确定；由节点i的转发优先级因子调节保持时间间隔的整数ξ、声速c和数据分组传输范围r确定，ξ≥1，计算公式分别为：
[0021][0022][0023][0024]
其中：d
ab
为节点a到节点b之间的距离；e和n分别为每个节点的初始能量和最大邻居数；r
ies
为信标传输周期内节点归一化消耗的能量；为描述节点邻居数稳定性的度量，im
表示节点邻居数列表的平均值，i
sd
表示节点邻居数列表的标准偏差，反映列表中每个值的离散程度，λ和μ为网络参数且λ μ≤1，α、β、γ和η分别表示ei、r
ies
、ni和在优先级评估中的权重，α β γ η＝1且α＞β，d
fi
是节点f和节点i之间的距离。
[0025]
本发明的有益效果在于提出的基于时反的水声传感网络自适应跨层机会路由方法，采用跨层设计思想，达到了以下发明效果：
[0026]
1)将时间反转通信、时反多址接入和接收端机会路由机制结合在一起，综合有效利用了水声传感网络中的带宽、能量和信道资源，克服了仅在网络层路由设计中非最优和不灵活的缺点，绕过链路中断、发生碰撞和传输空洞的区域，自适应形成了最优路由；
[0027]
2)利用时反的空时聚焦性和时反多址接入，完成了数据包在网络中无冲突、安全隐蔽传输，并抑制机会路由中的冗余数据包的转发，以低开销完成数据包在水声网络中的可靠投递。
附图说明
[0028]
图1是本发明中继候选集成员选取流程图。
[0029]
图2是本发明最优中继确认流程图。
[0030]
图3是本发明时反多址数据传输协议图。
[0031]
图4是本发明数据传输确认阶段流程图。
具体实施方式
[0032]
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
[0033]
考虑由随机部署在水面的一个公共sink节点和随机部署在水下的多个传感节点i(i∈v，v为传感节点集合)组成的水声传感网络。sink节点通过gps获取自身位置信息，传感节点通过定位机制获取自身位置信息，假设所有传感节点均已知sink节点位置。每个传感节点具备有生成和转发数据包的能力(装配获取水域信息的多种类型传感器和相同的水声通信机)，将感测到的数据发送给公共sink节点，数据包传输范围为r，并在本地设置邻居数列表和当前剩余能量值列表(每隔一个信标传输周期记录一次)。
[0034]
网络中定义四种消息类型：信标(beacon)、探针预约包(p-r)、探针包(probe)和数据包(tr-data)。具体地：信标消息结构包含包类型、发送节点id；探针预约包消息结构包含包类型、生成数据包的source节点id以及mem标志位；探针包消息结构包含包类型、生成数据包的source节点id以及探针信号；数据包消息结构包含包类型、包序列号、生成数据包的source节点id、发送节点位置和负载。数据包传输前各传感节点通过发送短信标消息知道自己的邻居数并记录在邻居数列表中，传输周期取决于网络移动性，由于洋流的漂移不会快速改变网络拓扑结构，因此无需过多开销来维护邻居数。网络中设置有消息的最大重传次数，该值依据信道状态和网络移动性设定。对probe和其他数据包分别使用功率p
pr
和p传输并且p
pr
设计为大于p，这样能够确保probe到达转发节点f的所有中继候选集成员，有效解决隐藏终端问题。
[0035]
该实施例由四个阶段组成：探针预约阶段、最优中继确认阶段、时反多址数据传输阶段和数据传输确认阶段。当转发节点f有数据包需要发送时，执行如下步骤：
[0036]
步骤1：根据f的邻居数设置mem标志位，该标志位加入到data的消息结构中。f的中
继候选集成员(mem)由其所有单跳邻居组成，当nf＞n
ts
时，mem标志位设为0；否则，即当nf＞n
ts
时，该标志位设为1，并且此时中继候选集由到sink节点的距离比f短的邻居组成。其中：nf为f的单跳邻居数，n
ts
为f的邻居数阈值，依据网络的稀疏程度设定。
[0037]
步骤2：探针预约阶段。f在其数据包传输范围r内使用功率p广播p-r。当节点i从f第一次接收p-r时，根据自身邻居数ni和接收到p-r中的mem标志位确定节点i是否为中继候选集成员。当节点i的邻居数ni≤1时，则其被视为空洞节点，置于待机状态；否则，判断p-r中的mem标志位，当mem标志位为0时，该节点被确定为中继候选集成员；当mem标志位为1时，判断i到sink节点的距离d
is
和f到sink节点的距离d
fs
之间的大小，若d
is
＜d
fs
，则节点i被确定为中继候选集成员，否则置于待机状态。中继候选集成员的选取流程如图1所示。
[0038]
步骤3：最优中继确认阶段。节点i被确定为中继候选集成员之后，首先通过本地信息计算转发优先级因子同时根据转发优先级将p-r保留一段时间我们可以知道，越小，越短，因此转发优先级越高。由节点i的剩余能量ei、能量消耗速率r
ies
、邻居数ni、稳定性和到接收器的距离d
is
确定；由节点i的转发优先级因子调节保持时间间隔的整数ξ(ξ≥1)、声速c和数据分组传输范围r确定。计算公式分别为：
[0039][0040][0041][0042]
其中：d
ab
为节点a到节点b之间的距离；e和n分别为每个节点的初始能量和最大邻居数；r
ies
为信标传输周期内节点归一化消耗的能量；为描述节点邻居数稳定性的度量，im表示节点邻居数列表的平均值，i
sd
表示节点邻居数列表的标准偏差(反映列表中每个值的离散程度)，λ和μ为网络参数且λ μ≤1。α、β、γ和η分别表示ei、r
ies
、ni和在优先级评估中的权重，α β γ η＝1且α＞β，d
fi
是节点f和节点i之间的距离；
[0043]
步骤4：和计算完成后，根据期间是否收到由其他节点发送的probe以确定最优中继节点rn。若期间收到由其他节点发送的probe，丢弃自身p-r和该probe，节点置于待机状态；若期间未收到由其他节点发送的probe，则节点i被确定为最优中继节点，等待结束后通过使用功率p
pr
发送自身的probe来宣布节点i的最优中继角色。最优中继节点的确认流程如图2所示。在结束的同时开始计时t
td
，t
td
等于端到端最大传播时延的2倍。
[0044]
步骤5：时反多址数据传输阶段。f接收到由最优中继节点rn发送的probe后，立即对此probe进行时反处理，然后将处理后新的时反数据包(tr-data)再次发送给rn。发送tr-data的同时转发节点f开始计时t
p
，t
p
等于端到端最大传播时延的2倍。时反多址数据传输协议如图3所示。
[0045]
步骤6：数据传输确认阶段。仅当接收端和发送端均确认tr-data传输成功后，方可开启新一轮的路由。数据传输确认阶段的流程如图4所示。
[0046]
在接收端，根据rn在t
td
时间内是否成功接收tr-data做出以下抉择：若rn在t
td
时间内成功接收tr-data，立即在rn的数据包传输范围r内广播p-r，同时开启下一轮路由过程；若rn在t
td
时间内未收到tr-data，则rn在数据包传输范围r内广播probe，当转发节点f再次收到probe后，说明rn在t
td
时间内未收到tr-data，转发节点f依据新的probe信息重新发送tr-data。在发送端，根据转发节点f在t
p
时间内是否接收到p-r来确认tr-data是否被rn成功接收，进行如下判断：若接收到p-r，说明rn成功接收tr-data并已经开启了下轮路由过程，f置于待机状态；若未收到p-r，检查本次tr-data的重传是否超过网络中设置的最大重传次数，若未超过，返回步骤5，f重新给rn发送tr-data，若超过，f置于待机状态。需要注意的是：由于p-r和probe的长度较短且发射功率较大，在传输过程中的时延较小，因此被冲突的概率很低。
[0047]
重复步骤1-步骤6，直至tr-data成功传输至sink节点。
[0048]
以上所述的实施例仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。