CN113766595B - 一种海上无线传感网的机会主义路由协议 - Google Patents

一种海上无线传感网的机会主义路由协议 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种海上无线传感网的机会主义路由协议，采用加权移动平均法预测数据包前进距离，根据节点剩余能量、数据包前进距离和包成功接收率来计算候选节点的优先权，并以节点发送数据包到下一跳转发节点集节点时不成功传输次数所发生的能量消耗最小化为约束目标函数，使用自适应功率控制机制确定最优候选节点转发集和节点最优传输功率，采用具有最高优先权的候选节点转发数据包。本发明解决了利用机会主义路由的海上无线传感网节点数据包重复传输和传输率低的问题，该协议适应海上无线传感网拓扑结构的高度动态性和较不可靠的通信链路，并且可以降低网络中数据传输量，从而提高了数据包传输率和延长了网络生命周期。

Description

一种海上无线传感网的机会主义路由协议
技术领域
本发明涉及海上无线传感网路由技术领域，尤其涉及一种海上无线传感网的机会主义路由协议。
背景技术
作为海洋监测关键技术之一，海上无线传感网(Sea Surface Wireless SensorNetworks，SSWSNs)是重要基础与支撑，利用节点间的信息交互可及时获取监测海域内所需的信息，为海洋环境保护、生产作业及海事保障等活动提供更好的技术手段和信息平台。
在SSWSNs中，路由协议是确保海洋监测数据是否能成功地利用最优路径从源节点(监控节点)低时延高效传输到汇聚节点(Sink节点)的关键。传统的传感网路由协议均至少存在以下一个缺点：1)能耗较高，特别是在维持路由开销方面；2)计算复杂度较高；3)未考虑所有传感器节点移动的情形；4)在路由设计中未考虑网络通信链路的可靠性。故传统的路由协议不适用高度动态和通信环境恶劣的海上无线传感网节点数据传输。在动态环境中，机会主义路由能够在通信信道质量较差的情况下有效提升数据的传输率，故其适用于海事搜救或海洋监测场景。具体来说，海上无线传感网路由协议的设计面临以下四个关键的挑战：1)传感器节点在风浪流作用下实时移动，即网络拓扑具有高度的动态性；2)海浪遮蔽效应导致海上无线传感网通信链路可靠性低、中断概率高、时变性强；3)部署在海面上的海洋节点能量有限且通常无法充电和替换；4)在既定的条件下，海上无线传感网路由协议设计要保证数据传输的可靠性和实时性。此外，网络拓扑的时变和某些节点的加入与退出，还会导致网络在时间上和空间上的覆盖出现不完全性和随机性。以上特性均会直接或间接的影响海上无线传感网路由协议的鲁棒性，使其面临效率低下的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种海上无线传感网的机会主义路由协议，采用压缩感知技术和功率控制机制，解决了利用机会主义路由的海上无线传感网节点数据包重复传输和传输率低的问题，该协议适应海上无线传感网拓扑结构的高度动态性和较不可靠的通信链路，并且可以降低网络中数据传输量，从而提高了数据包传输率和延长了网络生命周期。
为了达到上述目的，本发明提供一种海上无线传感网的机会主义路由协议，采用加权移动平均法预测数据包前进距离，根据节点剩余能量、数据包前进距离和包成功接收率来计算候选节点的优先权，并以节点发送数据包到下一跳转发节点集节点时不成功传输次数所发生的能量消耗最小化为约束目标函数，使用自适应功率控制机制确定最优候选节点转发集和节点最优传输功率，采用具有最高优先权的候选节点转发数据包。
所述预测数据包前进距离的方法包含：
计算节点i发送的数据包被其邻居节点ij转发时朝向汇聚节点Sink的数据包前进距离
其中，d(i,Sink)和d(ij,Sink)分别是节点i和邻居节点ij与汇聚节点Sink之间的欧氏距离；
定义邻居节点ij的n个历史数据包前进值为：计算时刻t的数据包前进值/>
其中，权重ω1+ω1+…+ωn＝1,ω1≤ω2≤…≤ωn。
所述计算候选节点的优先权的方法包含：
对于一个发送节点i，候选集选择模块从其邻居节点集Ni中确定下一跳转发节点集数据包前进距离大于阈值θ(θ＞0)的节点被选为可能的候选节点；
依照理论路径损失模型，节点的接收功率PR(d)表示如下：
其中，是节点的传输功率，PL(d0)是当参考距离d0＝1m时的信号强度损失值，α是路径损失衰减指数，Xσ是海浪遮蔽因子，其服从期望为0方差为σ2的高斯分布；
接收节点的信噪比计算公式为：
其中，PN是海洋噪声功率；
假设海面无线通信微调制解调器采用非相干频移键控调制，一个大小为m字节的数据包在节点i和ij间的海洋链路Lij上成功被接收的概率计算公式如下：
传输失败的概率为：
计算候选节点的优先权
其中，eResidual和e0分别是节点的剩余能量和节点的初始能量。
所述计算最优候选节点转发集和节点最优传输功率的方法包含：
对于各个传输功率水平，确定使网络能耗最低的候选节点集；
假定海洋节点能依照网络状态和自身剩余能量自适应选择传输功率值，进一步假定传输功率在一组离散值中被选择，当节点i选择传输功率/>进行数据传输时，定义节点i的邻居节点集为/>
对于一个发送节点i，候选集选择模块从其邻居节点集Ni中确定下一跳转发节点集首先，数据包前进距离大于阈值θ(θ＞0)的节点组成候选节点集NA，其中，/>为节点i发送的数据包被其邻居节点ij转发时朝向汇聚节点Sink的数据包前进距离，然后对于各个传输功率水平，确定使网络能耗最低的候选节点集；
对于所有iq∈NA，下一跳转发候选集
计算的能量消耗：
首先计算候选节点都没有收到数据包的概率：
其中，是当传输功率为/>时节点i的下一跳候选节点集合；
接着估计从节点i成功发送数据包到其下一跳转发节点所需的传输次数λu，该传输次数是允许的最大传输次数λmax和期望传输次数λetc两者之间的最小值，即λu＝min{λmax,λetc}；其中，λetc计算公式如下：
在发送数据包到下一跳转发节点集节点时不成功传输次数所发生的能量消耗为：
其中，h是数据速率，PR(d)是接收功率水平；
如果考虑的某个候选节点增加了网络能耗(Ecost＞prevEcost)，则将其从候选节点集中移除
最后通过求解约束目标函数minEcost得到最优候选节点集和节点最优传输功率。
采用基于计时器的候选节点集调度算法来协调数据包转发，优先权为y的候选节点ij的等待时间计算公式为：
其中，Tdealy是源节点传输数据包发生的传输延误，dy,y+1是优先权分别为y和y+1的候选节点间的距离，c是电磁波在海表面的传输速度近似为3×108m/s，每个候选节点数据处理时间Tp近似为0.001–0.002s。
如果一个较高优先权的节点转发数据包失败，则一个较低优先权的节点开始尝试转发数据包；如果已经有节点成功地转发了数据包，则其他优先级小于该节点的节点则终止转发过程。
当监测海域范围较大和执行长期海洋环境监测时，利用改进稀疏度自适应匹配追踪算法在源节点压缩海洋感知数据并在汇聚节点重构原始数据。
本发明具有以下有益效果：
1、利用海上无线传感网拓扑的时空相关性并结合加权移动平均法来预测数据包前进距离减少了节点和其邻居节点之间位置信息的频繁交换，降低了网络能耗。
2、综合四个度量指标(节点移动性、数据包前进距离、通信链路质量和节点剩余能量)并使用自适应功率控制机制来选择最优候选转发节点集和最优节点传输功率，有效提高了数据包传输率与避免了可能的网络覆盖空洞。
3、使用基于压缩感知技术的CAMP算法在较大程度上减少了海洋节点数据采集量和网络中数据的传输量，从而有效降低了网络能耗和端到端的时延。
4、使用基于计时器的候选节点集调度算法来协调数据包转发，有效避免了数据包冲突和减少了由于链路失效所导致的数据包重传次数。
5、考虑了所有传感器节点连续移动的情况，这符合使用海上无线传感网执行海洋环境监测和海事搜救的真实情况。
附图说明
图1为海上无线传感网机会主义路由示意图。
图2为本发明一种基于压缩感知和功率控制机制的海上无线传感网能量高效机会主义路由协议的流程图。
图3为海上无线传感网初始拓扑结构(80个海洋传感器节点)。
图4a～图4d为不同部署节点数下的包传输率对比图。
图5为不同节点平均速度下的包传输率对比图。
图6为每次转发时的平均候选节点数对比图。
图7为不同部署节点数下的能耗对比图。
图8为不同海洋节点平均速度下平均端到端时延对比图。
具体实施方式
以下根据图1～图8，具体说明本发明的较佳实施例。
作为充分利用无线媒介广播特性的路由技术，机会主义路由在邻居节点集中选择多个潜在的下一跳转发节点作为候选中继节点集。多个转发节点协作转发，形成空间分集，大大提高了网络吞吐量与减少了由于链路失效所导致的数据包重传次数。然而，如果将节点感知数据直接通过机会路由协议发送到Sink节点，会消耗大量的节点能量。压缩感知(Compressed Sensing，CS)技术通过开发信号的稀疏特性，在远小于Nyquist采样率的条件下，用随机采样获取信号的离散样本，然后通过非线性重建算法完美的重建信号。如果海洋数据可以在某个变换域上稀疏表示，并且测量矩阵与变换域不相关，那么就可以在Sink节点根据信号的测量值利用重构算法来精确重构信号。通常原始数据可以通过解决l0范数凸优化问题来恢复。在压缩感知中，数据的采样频率取决于信号本身的特性而不是信号带宽。因此为了降低数据包传输量和提高网络寿命，我们利用压缩感知技术来传播测量值和在Sink节点重构原始数据。在能量有限的无线传感网中，节点功率控制机制可以有效提高包发送率和网络寿命。
目前针对陆地传感网路由技术研究已经日益成熟，对SSWSNs路由协议的研究也逐渐深入。但SSWSNs节点部署稀疏且移动频繁、网络拓扑动态变化、延迟高、不存在端到端的持续连通，具有容迟容断网络的特点，给SSWSNs路由协议设计带来了较大的难题。
针对海上无线传感网路由协议设计面临的挑战，本发明提出了一种基于压缩感知和功率控制机制的机会主义路由协议，以实现海洋环境监测数据的低时延及高效可靠传输。
本发明适用于如图1所示的海上无线传感网机会主义路由，针对海上无线传感网路由设计的特点，本发明提供了一种基于压缩感知和功率控制机制的能量高效机会主义路由协议NEOR(Novel energy-efficient opportunistic routing protocol)。为了减少节点和其邻居节点之间位置信息的频繁交换，OSNs网络拓扑的时空相关性被利用并结合加权移动平均法来预测数据包前进距离。随后，一个自适应功率控制机制被提出用来选择最优的传输功率和候选转发节点集。此外，压缩感知技术在较大程度上减少了海洋节点数据采集量和网络中数据的传输量。最后，为了避免包冲突，一个基于计时器的候选节点集调度算法被用来协调数据包转发。
如图2所示，本发明提供了一种海上无线传感网的机会主义路由协议，包含以下步骤：
步骤S1、采用轻量级的时间序列预测方法-加权移动平均法预测数据包前进距离；
步骤S2、使用自适应功率控制机制来选择最优候选转发节点集和最优节点传输功率；
综合考虑节点剩余能量、数据包前进距离和包成功接收率来计算候选节点的优先权，并以节点发送数据包到下一跳转发节点集节点时不成功传输次数所发生的能量消耗最小化为约束目标函数确定最优候选节点转发集和节点最优传输功率；
步骤S3、采用基于计时器的候选节点集调度算法来协调数据包转发；
具有最高优先权的候选节点最先尝试转发数据包；
如果一个较高优先权的节点转发数据包失败，则一个较低优先权的节点开始尝试转发数据包；
对于其他候选节点，如果他们听到一个更高优先权的节点已经成功地转发了数据包，则他们终止他们的转发过程；步骤S4、数据包转发。
在本实施例中，所述步骤S1具体包含：
表示当节点i发送的数据包被其邻居节点ij转发时朝向汇聚节点Sink的数据包前进距离：
其中，d(i,Sink)和d(ij,Sink)分别是节点i和节点ij与汇聚节点Sink之间的欧氏距离；
一个HELLO信息包被用来周期性的交换邻居节点之间的位置信息并且对于每一个邻居节点保留最新的n个历史数据包前进值，对于每一次包转发请求，利用加权移动平均预测方法(weighted moving average method，WMA)来计算数据包前进距离预测值；
定义邻居节点ij的n个历史数据包前进值为：然后在时刻t的数据包前进值/>被估计如下：
其中，权重ω1+ω1+…+ωn＝1,ω1≤ω2≤…≤ωn；
在本实施例中，所述的步骤S2具体包含：
S21、对于一个发送节点i，候选集选择模块从其邻居节点集Ni中确定下一跳转发节点集数据包前进距离大于阈值θ(θ＞0)的节点被选为可能的候选节点；
S22、计算候选节点优先权；
依照理论路径损失模型(遮蔽模型)，节点的接收功率PR(d)表示如下：
其中，是节点的传输功率，PL(d0)是当参考距离d0＝1m时的信号强度损失值，α是路径损失衰减指数，Xσ是海浪遮蔽因子，其服从期望为0方差为σ2的高斯分布；
故接收节点的信噪比计算公式为：
其中，PN是海洋噪声功率；
假设海面无线通信微调制解调器采用非相干频移键控(FSK)调制，相应的，一个大小为m字节的数据包在节点i和ij间的海洋链路Lij上成功被接收的概率计算公式如下：
由公式(5)可知，传输失败的概率为：
综合考虑节点剩余能量、数据包前进距离和包成功接收率来计算候选节点的优先权计算公式如下：
其中，eResidual和e0分别是节点的剩余能量和节点的初始能量；
S23、对于各个传输功率水平，确定使网络能耗最低的候选节点集；
假定海洋节点能依照网络状态和自身剩余能量自适应选择传输功率值，进一步假定传输功率在一组离散值中被选择，当节点i选择传输功率/>进行数据传输时，定义节点i的邻居节点集为/>
提出NEOR协议的候选节点集选择算法流程，对于一个发送节点i，候选集选择模块从其邻居节点集Ni中确定下一跳转发节点集首先，数据包前进距离大于阈值θ(θ＞0)的节点组成候选节点集NA/>其中：/>为节点i发送的数据包被其邻居节点ij转发时朝向汇聚节点Sink的数据包前进距离)，然后对于各个传输功率水平，NEOR确定使网络能耗最低的候选节点集；
对于所有iq∈NA，下一跳转发候选集为了计算/>的能量消耗，以下步骤将被执行：
首先计算候选节点都没有收到数据包的概率：
其中，是当传输功率为/>时节点i的下一跳候选节点集合；
接着估计从节点i成功发送数据包到其下一跳转发节点所需的传输次数λu，该传输次数是允许的最大传输次数(λmax)和期望传输次数(λetc)两者之间的最小值，即λu＝min{λmax,λetc}。其中，λetc计算公式如下：
综上分析，在发送数据包到下一跳转发节点集节点时不成功传输次数所发生的能量消耗为：
其中，h是数据速率，PR(d)是接收功率水平；
如果考虑的某个候选节点增加了网络能耗(Ecost＞prevEcost)，则将其从候选节点集中移除最后，通过求解约束目标函数minEcost得到最优候选节点集和节点最优传输功率。
在本实施例中，所述的步骤S3具体包含：
为了避免包复制难题，给每个候选节点设置一个计时器，假设从一个候选节点接收到数据包到成功发送的时间为Tp，优先权为y的候选节点ij的等待时间包括以下三个部分：
1、源节点传输数据包发生的传输延误Tdealy；
在仿真中，数据包长度被设置为256字节，MAC层协议使用802.11协议且信道速率为1Mbps，因此传输延误Tdealy＝256×8bits/1Mbps＝0.002048s；
2、
其中，dy,y+1是优先权分别为y和y+1的候选节点间的距离，c是电磁波在海表面的传输速度近似为3×108m/s，由于候选节点之间的距离小于200m，故Tq可以忽略不计；
3、对于每个候选节点数据处理时间Tp近似为0.001–0.002s；
由上分析可知，优先权为y的候选节点ij的等待时间计算公式为：
当监测海域范围较大和执行长期海洋环境监测时，利用改进稀疏度自适应匹配追踪算法CAMP在源节点压缩海洋感知数据并在汇聚节点重构原始数据。CAMP算法流程如表1。
表1CAMP算法
下面通过利用MATLAB R2016b对本发明所建立的问题模型及本发明提供的能量高效机会主义路由协议进行仿真模拟分析，来进一步介绍本发明在海事应用中的优势。
在海难发生后，80个节点在初始时刻被随机部署在边长为2km的正方形搜救海域内。传感器节点的移动采用随机移动模型进行建模，其最大移动速度和最小移动速度分别为30m/s和10m/s。图3为海上无线传感网初始拓扑结构。一个远离船舶终端(网关节点)的海洋传感器节点被选择为Sink节点。假设Sink节点的能量是无限的，海洋数据重构任务在Sink节点使用CAMP算法来完成。三个路由协议，基于深度Q网络的自适应能量和延迟感知路由协议DQELR、基于预测的机会主义路由协议POR和基于能量控制的机会主义路由协议PCR被选择作为基准算法来与本发明提供的一种基于压缩感知和功率控制机制的能量高效机会主义路由协议NEOR和NEOR+CS协议进行对比分析。CS(Compressed Sensing)是压缩感知技术。NEOR+CS特指本专利提出的机会主义路由协议NEOR并融合压缩感知技术在源节点压缩海洋感知数据并在汇聚节点重构原始数据。本专利在对比实验中，NEOR指提出的机会主义路由协议(未利用压缩感知技术)。NEOR+CS协议由于压缩感知技术的使用极大减少了海洋数据采集量，故较大程度上降低了网络中数据传输量和网络能耗。
其它仿真参数如下表所示：
参数 值
海洋传感器节点数量 80-240
α 3.6
e0 5J
θ 20m
节点最大通信半径 {100,240,500,960}m
传输功率水平集 Pt＝{6,12,24，48}W
对四种路由协议从以下五个方面进行对比：
1、不同部署节点数下的包传输率对比；
2、不同节点平均速度下的包传输率对比；
3、每次转发时的平均候选节点数对比；
4、不同部署节点数下的能耗对比；
5、不同海洋节点平均速度下平均端到端时延对比。
图4a～图4d描绘了部署节点数与包传输率之间的函数关系，不同部署节点数下的包传输率对比：(a)Pt＝6W，(b)Pt＝12W，(c)Pt＝24W，(d)Pt＝48W。从图4a～图4d可以看出，NEOR+CS方案相比NEOR协议(不利用CS)和基准算法取得了最好的性能。其中，POR和DQELA使用一个固定的传输功率水平。NEOR协议和PCR协议能从离散集Pt＝{6,12,24，48}W自适应选择最优的传输功率水平。由于最优的传输功率水平被选择，故NEOR协议可以确定最合适的候选节点集去执行数据包转发任务。功率控制机制的使用提高了海洋节点之间的链路连通性和减少了可能出现的覆盖漏洞，故提高了数据包传输率。此外，NEOR+CS方案利用压缩感知技术能显著减少海洋节点采集的数据量，即能在较大程度上减少OSNs中的数据传输量，同时在一定程度上提高包传输率。由于PCR没有考虑节点的移动性，故当Pt＝{6,12,24，48}W时，它的性能比NEOR和POR差。同时，随着传输功率的增加，POR和DQELA的数据包传输率都有不同程度的提高。DQELA考虑的网络拓扑在短时间内是相对静态的且DQELA通过单一路径传输海洋感知数据。然而，海洋环境的高度动态性导致OSNs的通信链路高度不稳定，故在通信链路受到破坏后DQELA需要重新建立新的数据传输路径。因此，DQELA的性能是最差的。仿真结果表明，NEOR+CS方案相比POR(Pt＝48W)、PCR和DQELR(Pt＝48W)在数据包传输率性能上分别提高了12.4％,39.4％和41.9％。
图5是节点平均移动速度和包传输率的变化关系对比图。在海洋环境中，传感器节点实时移动。节点的移动速度是影响路由协议性能的一个非常关键的因子。从图5中可以看出，由于利用了机会主义路由技术和考虑了节点的动态性，故在相同节点平均速度下NEOR和POR的包传输率高于PCR和DQELA的包传输率。随着节点平均速度的提高，NEOR和POR协议的包传输率略有下降，并基本保持稳定。在DQELA协议中，当海洋节点实时移动时其形成的传输路径较不稳定。在现有的通信链路断开后，一个新的路由路径需要被建立，这将提高时延和降低数据包传输率。然而，在机会主义路由中，海洋节点广播信息且在任何时候都尝试寻找更优的传输路径，这将有效提高数据包传输率。由于没有考虑节点的移动性，故PCR和DQELA协议随着节点移动速度的增加性能逐渐恶化。
从图6可以看出采用功率控制机制的三个路由协议NEOR+CS、NEOR、PCR在每次转发中平均需要的候选节点数分别为2.27、2.62和3.25。这是因为每个海洋节点可以自适应选择最合适的传输功率(对应最优的节点数据传输半径)，因此可以确定候选节点所在的最优海域。当传输功率增加时，POR协议和DQELA协议在每次转发时的平均候选节点数均逐渐增加。这是因为传输功率的提高增加了其邻居节点数(即增加了潜在的候选节点数)，从而导致更多的邻居节点被选为候选节点去执行数据包转发任务。
图7是不同部署节点数下单个数据包成功传输到Sink节点的平均能耗。正如所预期的，随着OSNs部署节点数的增加，平均能耗也相应的增加。其中，DQELA协议的平均能耗最高。这是因为在高度动态的海洋环境中，DQELA协议所生成的路由路径被频繁的破坏，重新形成新的路由路径需要消耗较多的能量。当节点的传输功率越大，节点的通信则半径越大。一个节点的通信距离越远，发送数据包到汇聚节点所需的跳数就越少。因此，随着传输功率Pt的增加，POR和DQELA的平均能耗先逐渐增加后逐渐减小。从图7中可以看出，当网络节点数不少于160时，NEOR协议比POR和PCR消耗更多的能量。虽然NEOR协议和POR协议的能耗类似，但由于NEOR协议使用功率控制机制提高了网络的联通性，如图4所示的数据包传输率的上升证实了这一点。由于采用了压缩感知技术和功率控制技术，NEOR+CS方案有着最低的能耗，故NEOR+CS方案能有效延长OSNs的生命周期。
图8是不同海洋节点平均速度下平均端到端时延(从源节点采集到海洋数据到Sink节点接收到数据包的平均时间，下面均简称“时延”)的关系变化图。随着海洋节点速度的增加，所有路由协议的时延亦相应增加，其中DQELA协议的时延最高。这是由于DQELA为了避免数据包冲突会绕行传输数据包，并且在OSNs中频繁形成新的传输链路，这导致了高的时延。随着传输功率Pt的增加(节点的通信半径增大)，更大的数据包前进距离被得到。因此，随着Pt的增加，POR和DQELA的时延逐渐减小。由于利用了功率控制技术得到了最优的候选节点集，故本章提出的机会主义路由协议相比基准算法得到了最佳的性能。一个有趣的结果是，NEOR+CS方案在时延性能上略优于NEOR。这暗示着虽然压缩感知技术在较大程度上减少了海洋数据的传输量，但没有显著的减少时延。仿真结果表明，NEOR+CS方案相比POR、PCR和DQELA(Pt＝48W)在时延上分别减少了18.3％、23.7％和36.1％。
综上所述，本发明提供的一种基于压缩感知和功率控制机制的能量高效机会主义路由协议相比现有算法有效提高了包传输率、降低了网络能耗和端到端的时延。
本发明具有以下有益效果：
1、利用海上无线传感网拓扑的时空相关性并结合加权移动平均法来预测数据包前进距离减少了节点和其邻居节点之间位置信息的频繁交换，降低了网络能耗。
2、综合四个度量指标(节点移动性、数据包前进距离、通信链路质量和节点剩余能量)并使用自适应功率控制机制来选择最优候选转发节点集和最优节点传输功率，有效提高了数据包传输率与避免了可能的网络覆盖空洞。
3、使用基于压缩感知技术的CAMP算法在较大程度上减少了海洋节点数据采集量和网络中数据的传输量，从而有效降低了网络能耗和端到端的时延。
4、使用基于计时器的候选节点集调度算法来协调数据包转发，有效避免了数据包冲突和减少了由于链路失效所导致的数据包重传次数。
5、考虑了所有传感器节点连续移动的情况，这符合使用海上无线传感网执行海洋环境监测和海事搜救的真实情况。
需要说明的是，在本发明的实施例中，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述实施例，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (4)

1.一种海上无线传感网的机会主义路由协议，其特征在于，采用加权移动平均法预测数据包前进距离，根据节点剩余能量、数据包前进距离和包成功接收率来计算候选节点的优先权，并以节点发送数据包到下一跳转发节点集节点时不成功传输次数所发生的能量消耗最小化为约束目标函数，使用自适应功率控制机制确定最优候选节点转发集和节点最优传输功率，采用具有最高优先权的候选节点转发数据包；
所述预测数据包前进距离的方法包含：
计算节点i发送的数据包被其邻居节点ij转发时朝向汇聚节点Sink的数据包前进距离
其中，d(i,Sink)和d(ij,Sink)分别是节点i和邻居节点ij与汇聚节点Sink之间的欧氏距离；
定义邻居节点ij的n个历史数据包前进值为：计算时刻t的数据包前进值/>
其中，权重ω1+ω1+…+ωn＝1,ω1≤ω2≤…≤ωn
所述计算候选节点的优先权的方法包含：
对于一个发送节点i，候选集选择模块从其邻居节点集Ni中确定下一跳转发节点集数据包前进距离大于阈值θ的节点被选为可能的候选节点，θ＞0；
依照理论路径损失模型，节点的接收功率PR(d)表示如下：
其中，是节点的传输功率，PL(d0)是当参考距离d0＝1m时的信号强度损失值，α是路径损失衰减指数，Xσ是海浪遮蔽因子，其服从期望为0方差为σ2的高斯分布；
接收节点的信噪比计算公式为：
其中，PN是海洋噪声功率；
假设海面无线通信微调制解调器采用非相干频移键控调制，一个大小为m字节的数据包在节点i和ij间的海洋链路上成功被接收的概率计算公式如下：
传输失败的概率为：
计算候选节点的优先权
其中，eResidual和e0分别是节点的剩余能量和节点的初始能量；
所述计算最优候选节点转发集和节点最优传输功率的方法包含：
对于各个传输功率水平，确定使网络能耗最低的候选节点集；
假定海洋节点能依照网络状态和自身剩余能量自适应选择传输功率值，进一步假定传输功率在一组离散值中被选择，当节点i选择传输功率/>进行数据传输时，定义节点i的邻居节点集为/>
对于一个发送节点i，候选集选择模块从其邻居节点集Ni中确定下一跳转发节点集首先，数据包前进距离大于阈值θ的节点组成候选节点集NA，其中，/>为节点i发送的数据包被其邻居节点ij转发时朝向汇聚节点Sink的数据包前进距离，然后对于各个传输功率水平，确定使网络能耗最低的候选节点集；
对于所有iq∈NA，下一跳转发候选集
计算的能量消耗：
首先计算候选节点都没有收到数据包的概率：
其中，是当传输功率为/>时节点i的下一跳候选节点集合；
接着估计从节点i成功发送数据包到其下一跳转发节点所需的传输次数λu，该传输次数是允许的最大传输次数λmax和期望传输次数λetc两者之间的最小值，即λu＝min{λmax,λetc}；其中，λetc计算公式如下：
在发送数据包到下一跳转发节点集节点时不成功传输次数所发生的能量消耗为：
其中，h是数据速率，PR(d)是接收功率水平；
如果考虑的某个候选节点增加了网络能耗，即Ecost＞prevEcost，则将其从候选节点集中移除
最后通过求解约束目标函数minEcost得到最优候选节点集和节点最优传输功率。
2.如权利要求1所述的海上无线传感网的机会主义路由协议，其特征在于，采用基于计时器的候选节点集调度算法来协调数据包转发，优先权为y的候选节点ij的等待时间计算公式为：
其中，Tdealy是源节点传输数据包发生的传输延误，dy,y+1是优先权分别为y和y+1的候选节点间的距离，c是电磁波在海表面的传输速度近似为3×108m/s，每个候选节点数据处理时间Tp为0.001-0.002s。
3.如权利要求2所述的海上无线传感网的机会主义路由协议，其特征在于，如果一个较高优先权的节点转发数据包失败，则一个较低优先权的节点开始尝试转发数据包；如果已经有节点成功地转发了数据包，则其他优先级小于该节点的节点则终止转发过程。
4.如权利要求3所述的海上无线传感网的机会主义路由协议，其特征在于，利用改进稀疏度自适应匹配追踪算法在源节点压缩海洋感知数据并在汇聚节点重构原始数据。
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