[发明专利]基于动态网络空洞规避的水下传感器网络路由协议

说明书

一种基于动态网络空洞规避的水下传感器网络路由协议，包括：对水下每个节点的移动模式进行建模，使节点能够在一个球面上有规律地移动；由上到下建立节点之间的虚拟路由路径，所述的路径绕过网络空洞区域；通过已建立的虚拟路由路径转发数据包；根据节点的移动导致的拓扑变化动态地进行路径重建。本发明的基于动态网络空洞规避的水下传感器网络路由协议，能够实现更高的网络覆盖度，更高的数据包投递率，更短的传输时延和更低的能量消耗。它能够高效地处理网络空洞问题，体现了健壮性。

技术领域

本发明涉及一种路由协议。特别是涉及一种基于动态网络空洞规避的水下传感器网络路由协议。

背景技术

水下传感器网络包含大量布置在特定水下环境中的传感器节点。这些节点通过绳索被锚定在水底，使得节点可以随着洋流在一定范围内浮动。这些传感器节点可以监测、采集其所覆盖区域周围的各种环境参数。并且能够通过压力传感器来得到其所在位置的深度。所有的传感器节点自组织成一个网络，并通过该网络将所监测到的数据传送到位于水面的基站。如今，水下传感器网络作为一种强大的技术正在海洋的监测，测量，监控和控制上发挥着重要作用。该技术被广泛应用于测绘，环境保护，甚至军事领域，正受到研究者们越来越多的青睐。

水下传感器网络起源于陆地传感器网络，但是拥有自己的特点：1)三维的拓扑环境，而陆地传感器网络是二维的。2)有限的能量储备，而陆地传感器节点由于在地面之上，便于进行补充能量。3)拓扑的动态变化，而陆地传感器网络中节点的位置相对固定。4)更严苛的传输环境。由于电磁波无法再水下进行传播，只能用声波来进行代替。声音在水下的传播速度只有1500m/s，远远低于无线电波在空气中的传播速度(3×10⁸m/s)，所以水声信道具有高延迟和高误码率的特点。

经研究表明，机会路由协议能够很好的适用于水下传感器网络。在这种基于贪心策略的协议中，一个节点如果没有合适的候选邻居节点集，则就处于路由空洞中。有的路由协议完全没有去考虑这个问题，有的是让节点在三维方向的移动，有的是让节点仅仅在竖直方向的移动。但是让节点进行主动地进行地理位置上的移动，仍然消耗了额外的能量。并且可能由于节点的移动，出现了新的网络空洞，这就会导致该节点频繁地进行主动移动。

有些协议，如DBR(Depth-Based Routing Protocol)协议和VBF(Vector-BasedForwarding Protocol)完全没有考虑路由空洞问题。为了处理路由空洞问题，研究人员和学者已经提出了多种算法。人工鱼群算法(Artificial fish swarm algorithm)是让节点在三维方向上自由移动来提升网络覆盖率。算法将节点比作人工鱼，有觅食，追尾和群聚三种行为。然而在水中自由移动的节点价格昂贵，大规模部署并不切合实际。

基于移动辅助的拓扑控制方法(Movement Assisted-Topology Control)尝试让孤立节点仅仅在竖直方向上移动来进行拓扑修复。一共有两种拓扑控制的方法。具体的，集中式的拓扑控制算法依靠AUV节点的辅助来获取传感器节点的坐标，由监控中心集中控制孤立节点的移动。分布式的拓扑控制方法需要传感器节点使用BEACON分组来判定自己是否为孤立节点，并分布式地决定自己是否需要进行竖直方向上的移动来修复网络。但是这种方法仍然需要利用气泵来实现节点的升降，这会消耗额外的能量，并且可能由于节点的移动而产生新的网络空洞。进而导致节点频繁的进行移动。

VBVA(Vector-Based Void Avoidance)协议是在VBF协议的基础上进行改进的。如果转发节点没有位于空洞区域中，VBVA的转发策略与VBF相同。当路由向量进入内凹的空洞区域中会采取back-pressure机制来寻找下一跳节点，然后通过vector-shift来转移向量以将数据包绕过空洞区域到达汇聚节点。该方法没有进行传感器节点地理位置的调整。