一种基于BP神经网络的水声传感网动态分层路由方法技术

一种基于BP神经网络的水声传感网动态分层路由方法，涉及水下通信。水声传感网路分顶层、中间层、底层，用BP神经网络提取节点和环境特征信息，网络分层训练得基于BP神经网络的动态分层路由模型，不同路由层中的节点按信息重要程度、所属层级和节点深度信息设计不同的权重计算方式形成节点转发函数F

【技术实现步骤摘要】
一种基于BP神经网络的水声传感网动态分层路由方法


[0001]本专利技术涉及BP神经网络和水下通信，尤其是涉及一种基于BP神经网络的水声传感网动态分层路由方法。

技术介绍

[0002]水声传感网作为人类研究海洋等水下环境的主要手段，在水下勘探、军事监视、数据采集和水下灾害预防等诸多领域已有广泛应用。面对水声传感网具有的低带宽、长时延、高能耗、能量有限等特点，设计更高效可靠的水下路由协议以提升网络吞吐量、减小端到端传输时延等问题成为当前发展的主要方向之一。
[0003]随着人工智能技术的不断发展和更新，各种模型算法已经广泛应用于计算机视觉、自然语言处理、医疗技术等领域。其中，反向传播(BP)神经网络作为经典且发展成熟的人工神经网络，原理相对简单，对运算资源消耗较小。其网络结构包括输入层、隐含层和输出层三层结构，通过信号的正向传播与误差的反向传播不断修正各层权值，直至误差减少到阈值。利用BP神经网络可以实现推理、预测和分类等功能(张旭东.反向传播神经网络的实现方法研究[D].天津大学,1995.)。由于水下环境多变，水声节点易受到水体运动、生物活动和其他突发事件影响，导致其无法正常工作或短暂性退出网络，进而影响水下数据传输效率和成功率。使用BP神经网络对网络节点的分层情况和寿命进行预测，能更好地提高应对水声节点不稳定的问题，提高水下通信网络整体的鲁棒性和抗风险能力。
[0004]鉴于水声节点定位技术难度较大，HaiYan等人(HaiY,etal.DBR:Depth
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BasedRoutingforUnderwaterSensorNetworks[C],2008.)提出利用节点深度信息进行路由选择的策略，通过节点携带的压力传感器来获取节点深度值；在数据转发时，只选择深度小于当前节点的目标节点进行转发，能够有效避免获取全局位置信息的需要。由于水声传感网所处的特殊网络环境，水下传感器节点负载程度不一，导致部分节点提前死亡形成网络空洞，造成信息传输的间歇性中断和额外延迟，并进一步导致其周围节点的加速死亡，严重影响网络的总体寿命。为提供良好解决方案，使网络整体的能量负载更具均衡性，针对密集型水声传感器网络的分层路由算法已有研究。
[0005]在各类水声传感网分层路由算法中，JafriMR等人(JafriMR,etal.iAMCTD:ImprovedAdaptiveMobilityofCourierNodesinThreshold
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OptimizedDBRProtocolforUnderwaterWirelessSensorNetworks[J].InternationalJournalofDistributedSensorNetworks,2014.)则在竖直方向进行简单分层后，结合按需原则设计了不同层级的数据转发函数，该方法考虑到了网络整体的负载均衡，兼顾网络吞吐量的同时减少了网络能耗和传播损失。刘洋等人(刘洋,等.基于分层的河流水下传感器网络路由算法[J].计算机应用,2016)结合河流环境，对绳系节点进行力学分析，提出一种基于分层的路由策略，在网络冗余度和丢包率上都优于基于深度的路由算法，网络生存周期也明显提高。
[0006]综上所述，目前对水声传感网络路由的分层问题研究，多以节点为中心按传播距
离进行 划分，或在深度上进行简单固定分层，而未见从整体网络的全局部署角度出发，结合BP神 经网络与水声传感网分层路由技术进行相关研究。

技术实现思路

[0007]本专利技术的目的在于提供一种基于BP神经网络的水声传感网动态分层路由方法，结合水 下环境因素，设计节点数据转发函数用以选择最佳接收节点，完善动态分层路由机制，将其 应用于解决密集型水声传感网易产生的能量空洞和“通信空区”问题，从而得到一个兼顾网 络均衡负载、可提高网络整体生存周期的动态分层路由转发方法。
[0008]本专利技术包括以下步骤：
[0009]1)设水声传感网的传感器节点随机分布，表示为节点1，节点2，节点3，
…
，将网络 由水面至水底、由低层级至高层级，依次分为顶层(L1)、中间层(L2)和底层(L3)三层 结构；水面分布多个汇聚(Sink)节点，表示为sink1，sink2，sink3，
…
；Sink节点可通过 无线电通信将信息传输至岸基控制中心；每个Sink节点维护自身水域网络节点的信息表，考 虑到节点漂移性，其对应水域范围内子网络的节点个数不固定；
[0010]其中，Sink节点运算能力强，负责处理其对应水域范围内所有节点转发的信息，同时负 责计算所有节点的分层情况，通过太阳能供电，不考虑能耗问题；
[0011]2)分层数据包内包含基于BP神经网络的动态分层路由模型预测到的分层结果，Sink节 点通过周期性向下广播分层数据包对网络进行动态分层，广播范围可达整个网络下边界，即 网络中的每个节点都可接收到分层结果的更新数据；
[0012]上述基于BP神经网络的动态分层路由模型预测步骤，具体如下：
[0013]2.1)将整体网络所有节点的初始分层情况、节点深度和剩余能量等特征信息，与其经过 不同轮次传输后的仿真分层结果进行匹配，作为模型样本，建立样本库；
[0014]2.2)样本库随机分为训练集和测试集进行训练；
[0015]2.3)选取节点深度、剩余能量、初始层级为特征信息，作为输入，将R轮传输后的节点 所属层级作为输出，建立基于BP神经网络的动态分层路由模型；
[0016]2.4)根据训练集对基于BP神经网络的动态分层路由模型进行训练；
[0017]2.5)根据测试集对训练完毕后的基于BP神经网络的动态路由分层模型进行测试，计算 预测值和仿真值的误差Loss，将误差Loss进行反向传播，迭代调整模型参数，直至获得数值 较小且稳定的误差Loss，得到模型参数；
[0018]2.6)将待预测的节点特征信息输入基于BP神经网络的动态分层路由模型，输出结果即 为预测的R轮传输后节点的所属层级；
[0019]3)水声节点接收到分层数据包后，提取分层数据包中自身节点ID信息对应的分层信息， 记录自身层级，根据最新分层结果更新维护自身邻居节点的信息表；
[0020]4)水声节点都可受到声源触发，触发后成为源节点始发数据包；路由中包含数据包的非 Sink节点为发送节点；设数据的紧急程度阈值，硬阈值用V
th
表示，软阈值用V
ts
表示，则发 送节点发送数据时的路由请求过程，结合数据紧急程度分为三种情况：若数据紧急程度大于 硬阈值V
th
，则马上进行数据传输；若数据紧急程度小于软阈值V
ts
，则丢弃数据，不传输； 若数据紧急程度处于V
th
与软阈值V
ts
之间，则进一步考虑发送节点的剩余能量；若发送节点 的剩余能量大于剩余能量阈值R
t
，则进行传输；若小于R
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于BP神经网络的水声传感网动态分层路由方法，其特征在于包括以下步骤：1)设水声传感网的传感器节点随机分布，表示为节点1，节点2，节点3，
…
，将网络由水面至水底、由低层级至高层级，依次分为顶层(L1)、中间层(L2)和底层(L3)三层结构；水面分布多个汇聚(Sink)节点，表示为sink1，sink2，sink3，
…
；Sink节点通过无线电通信将信息传输至岸基控制中心；每个Sink节点维护自身水域网络节点的信息表，考虑到节点漂移性，其对应水域范围内子网络的节点个数不固定；其中，Sink节点运算能力强，负责处理其对应水域范围内所有节点转发的信息，同时负责计算所有节点的分层情况，通过太阳能供电，不考虑能耗问题；2)将整体网络所有节点的初始分层情况、节点深度和剩余能量与其经过不同轮次传输后的仿真分层结果进行匹配，作为模型样本，建立样本库；3)样本库随机分为训练集和测试集进行训练；4)选取节点深度、剩余能量、初始层级为特征信息，作为输入，将R轮传输后的节点所属层级作为输出，建立基于BP神经网络的动态分层路由模型；5)根据训练集对动态分层路由模型进行训练；6)根据测试集对训练完毕后的动态路由分层模型进行测试，计算预测值和仿真值的误差，将误差进行反向传播，迭代调整模型参数，直至获得数值较小且稳定的误差，得到模型参数；7)将待预测的节点特征信息输入动态分层路由模型，输出结果即为预测的R轮传输后节点的所属层级；8)分层数据包内包含基于BP神经网络的动态分层路由模型预测到的分层结果，Sink节点通过周期性向下广播分层数据包对网络进行动态分层，广播范围达整个网络下边界，即网络中的每个节点都可接收到分层结果的更新数据；9)水声节点接收到分层数据包后，提取分层数据包中自身节点ID对应的层级，并进行记录，根据最新分层结果更新维护自身邻居节点的信息表；10)水声节点都受到声源触发，触发后成为源节点始发数据包；路由中包含数据包的非Sink节点为发送节点；设数据的紧急程度阈值，硬阈值用V
th
表示，软阈值用V
ts
表示，则发送节点发送数据时的路由请求过程，结合数据紧急程度分为三种情况：若数据紧急程度大于硬阈值V
th
，则数据传输；若数据紧急程度小于软阈值V
ts
，则丢弃数据，不传输；若数据紧急程度处于V
th
与软阈值V
ts
之间，则进一步考虑发送节点的剩余能量；若发送节点的剩余能量大于剩余能量阈值R
t
，则进行传输；若小于R
t
，则等待下一轮转发时再考虑传输，该数据包紧急程度相应减小，重复当前步骤10)；11)若步骤10)中节点确认有转发数据包的需求，为减少数据包的同层转发，发送节点将从邻居节点的信息表中选取最佳下一跳转发节点作为接收节点进行数据转发；12)接收节点更新为新的发送节点；13)发送节点根据通信范围内是否包含Sink节点...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈友淦，朱秀玲，卢鸽，江涵希，涂申奥，陶毅，许肖梅，
申请(专利权)人：厦门大学，
类型：发明
国别省市：