一种面向多水下机器人通信的节能路由方法技术

本发明专利技术提供的是一种面向多水下机器人通信的节能路由方法。包括路由查找、路由修复和路由维护三个主要环节，判断两个机器人节点之间是否存在路由，如果存在则判断该路由中是否存在断链的情况，否则采用基于链路生存时间有限的路由查找算法来选择并查找这两个机器人之间的路由；当网络中存在断链时，采用节能路由修复算法修复路由，否则算法检查是否存在更优的路由；如果存在更优的路由则采用节能路由维护算法更新当前路由，否则判断任务是否结束，如果结束则结束。本发明专利技术应用到多水下机器人系统中。在路由查找、路由修复和路由维护上对通信的能量进行了直接考虑，大大节省了水下机器人通信的能量和响应时间，保障水下机器人任务的顺利进行。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种水下通信方法，具体地说，涉及一种面向多水下机器人通信的节 能路由方法。
技术介绍
水声通信网络的研究始于20世纪90年代。最近二十年，水声通信技术已经取得 了巨大的进步，其应用领域也逐渐扩展到了商业领域。90年代初，美国的自组织采样网(AOSNs)率先提出“水声网”概念，并利用海网 Seaweb计划进行实践、验证，很快证实了利用声学进行水下组网的可行性，并衍生出一系列 水声网计划和应用。如FRONT沿海大陆架监测计划、分布式DADS沿海军事反战计划等，充分 展现了水声网络应用的广阔前景。科学技术的发展提高了水声通信的比特率与可靠性，从 而实现了点对点实时通信，然而水声通信网络远远比单纯的点对点通信更有用，也更复杂。 因此，美国、加拿大和欧共体等发达国家和地区投入了大量的人力、物力来研究和开发水声 通信网络。多水下机器人(AUVs)组成的水声网络是一种水声自主网，目前研究得最多的自 主网是Ad Hoc网。Ad Hoc网是没有有线基础设施支持的移动网络，网络中的节点均由移 动主机构成。由于所有节点可以随机地、自由地移动，其网络拓扑结构是动态变化的。在 Ad Hoc网络中，主机的通信范围有限，当两个移动主机在彼此的通信覆盖范围内时，它们可 以直接通信，否则必须通过中继节点进行数据转发，因此在Ad Hoc网中，主机同是还是路由 器，担负着寻找路由与转发数据的功能。由于在Ad Hoc网中，数据一般都要通过多个主机 转发才能到达目的节点，故Ad Hoc网也称为多跳无线网络，也就是由一组带有无线收发装 置的移动终端组成的一个多跳临时性自治系统。Ad Hoc网络在军事、紧急救助和探险等领 域具有非常重要的应用前景。路由技术的研究是Ad Hoc网研究的核心内容之一，优良的路由方法能够降低路 由的响应时间，减少网络运行过程中能量的消耗，这对水声自主网这种具有高延迟、能量受 限的网络来讲格外重要。从路由的逻辑视图的角度进行划分，Ad Hoc网路由技术可以分为 平面结构和分级结构路由。目前，Ad Hoc网研究最多的还是平面路由。对Ad Hoc路由协 议技术最普遍的分类是将其划分为两类先验式(proactive)和反应式(reactive)，也称 为表驱动(table-driven)和按需要(on-demand)驱动。表驱动路由有DBF(Distributed Bellman-Ford),DSDV(Destination-sequenced Distance-vector Routing),WRP(Wireless Routing Protocol)等。按需要路由主要有DSR(Dynamic Source Routing)，AODV(Ad Hoc On-Demand Distance VectorRouting), TORA(Temporally-Ordered Routing Algorithm)寸。AODV路由协议技术是Ad Hoc网中研究得比较多的一种按需路由协议。它具有计 算量小、存储资源消耗小、对网络带宽占用小、当网络拓扑结构发生变化时能快速收敛的特 点。不过它仍有一些值得改进的地方，尤其是要将它用于水下机器人通信网络这种对能耗要求较高的网络，应该使其尽可能地减少能量的损耗。在目前国内外的路由技术中，多数涉及两点之间的通信技术。而面向多节点通信 网络也主要针对静态节点的无线传感器网络，很少同时考虑水声特性、能量和节点的移动 性等特征。本专利技术所设计的水下机器人路由方法，不同于上述路由技术。重点考虑了水声 通信的特性，本质上是以节能为主要需求的路由技术，能够适合多水下机器人协作任务的 需求，具有如下特征首先，网络创建的初始需要进行路由查找，目的是找到一条稳定可靠 的路由。在该阶段，引入矢量限制转发法则和链路生存时间优先选择机制，减少路由查找涉 及的节点数量，增加存活率高的链路选择，从而降低了查找过程中消耗的系统能量。其次， 当路由节点出现故障或出现断链时，需要进行路由修复，保障信息的可靠传递。在该阶段， 将“慢启动”的思想引入到逐跳回退的路由修复算法中，以平衡能耗与响应时间。与AODV的 自动修复相比，在大多数情况下，尤其是当网络较大时，它能更节省能量，修复时间也更短。 最后，如果出现修复的链路不是最优情况，则需要进行路由维护。在该阶段，向HELLO消息 中加入其所维护的路由标识和跳数，当节点收到其邻居节点发送的HELLO后，可得知其离 目的节点的距离，使得路由的维护具有动态性和适应性，保障了最优链路的产生，节省了水 下机器人通信的时间和能量。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种能够节省水下机器人通信的能量和响应时间，保障水 下机器人任务的顺利进行的面向多水下机器人通信的节能路由方法。本专利技术的目的是这样实现的包括路由查找、路由修复和路由维护三个主要环节，按照如下顺序循环，直到任务 结束首先判断两个机器人节点之间是否存在路由，如果存在则判断该路由中是否存在断 链的情况，否则采用基于链路生存时间有限的路由查找算法来选择并查找这两个机器人之 间的路由；其次，当网络中存在断链时，采用节能路由修复算法修复路由，否则算法检查是 否存在更优的路由；如果存在更优的路由则采用节能路由维护算法更新当前路由，否则判 断任务是否结束，如果结束则结束。本专利技术还可以包括(1)所述基于链路生存时间有限的路由查找算法来选择并查找这两个机器人之间 的路由的方法为在信息发送前，对到达目的节点路由进行查找，路由查找分为两个过程，分别是路 由请求消息和路由应答消息的处理；①路由请求消息RREQ的处理当相互通信的机器人之间没有路由时，发送端的机器人则发出路由请求消息 RREQ，接收端的机器人收到RREQ时，则矢量限制转发法则判断是否在上一节点转发的范围 内，根据矢量计算法则，机器人仅对其与目标点方向一定角度内的节点进行转发，该角度之 外的节点不予转发；当接收端通过矢量限制转发法则判断节点不在上一节点转发范围时，则放弃该 RREQ，否则判断该信息是否已经处理过，若已经处理过该消息，则接收端继续判断是否更优 路由，当邻居节点含有该机器人位置信息的RREQ后，根据自身的坐标、运动方向及速度估算出两节点的有效通信时间即链路生存时间，当节点收到含有当前链路最小通信时间的 RREP消息后，首先计算出它与下一跳的有效通信时间，然后与此值进行比较，如果更小，则 修改瓶颈值为当前节点的有效通信时间，否则保持不变，当源节点收到多个RREP响应时， 选择瓶颈值最大的链路作为通信链路；当接收端发现RREQ消息没有被处理过或者有更优的路由存在，则判断该接收节 点不是目的节点，如果不是，查询路由表中的目的节点是否为当前所需目的节点，当该节 点是目的节点或者路由表中存在目的节点，则接收端对该RREQ消息进行响应，转入下一个 RREP发送和处理阶段，否则转发该RREQ消息，直到该信息传递到目的节点或路由中包含目 的节点的节点；②路由应答消息RREP的发送和处理对于已经存在了路由，为了建立完整的路由，当接收端在收到RREQ消息后需要对 此消息进行处理；接收到RREP消息的节点判断该消息是否处理过，如果处理过则采用链路生存选 择机制判断是否存在更优路由，若存在更优路由本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种面向多水下机器人通信的节能路由方法，包括路由查找、路由修复和路由维护三个主要环节，其特征是：首先判断两个机器人节点之间是否存在路由，如果存在则判断该路由中是否存在断链的情况，否则采用基于链路生存时间有限的路由查找算法来选择并查找这两个机器人之间的路由；其次，当网络中存在断链时，采用节能路由修复算法修复路由，否则算法检查是否存在更优的路由；如果存在更优的路由则采用节能路由维护算法更新当前路由，否则判断任务是否结束，如果结束则结束。

【技术特征摘要】
一种面向多水下机器人通信的节能路由方法，包括路由查找、路由修复和路由维护三个主要环节，其特征是首先判断两个机器人节点之间是否存在路由，如果存在则判断该路由中是否存在断链的情况，否则采用基于链路生存时间有限的路由查找算法来选择并查找这两个机器人之间的路由；其次，当网络中存在断链时，采用节能路由修复算法修复路由，否则算法检查是否存在更优的路由；如果存在更优的路由则采用节能路由维护算法更新当前路由，否则判断任务是否结束，如果结束则结束。2.根据权利要求1所述的一种面向多水下机器人通信的节能路由方法，其特征是所 述基于链路生存时间有限的路由查找算法来选择并查找这两个机器人之间的路由的方法 为在信息发送前，对到达目的节点路由进行查找，路由查找分为两个过程，分别是路由请 求消息和路由应答消息的处理；①路由请求消息RREQ的处理当相互通信的机器人之间没有路由时，发送端的机器人则发出路由请求消息RREQ，接 收端的机器人收到RREQ时，则矢量限制转发法则判断是否在上一节点转发的范围内，根据 矢量计算法则，机器人仅对其与目标点方向一定角度内的节点进行转发，该角度之外的节 点不予转发；当接收端通过矢量限制转发法则判断节点不在上一节点转发范围时，则放弃该RREQ， 否则判断该信息是否已经处理过，若已经处理过该消息，则接收端继续判断是否更优路由， 当邻居节点含有该机器人位置信息的RREQ后，根据自身的坐标、运动方向及速度估算出两 节点的有效通信时间即链路生存时间，当节点收到含有当前链路最小通信时间的RREP消 息后，首先计算出它与下一跳的有效通信时间，然后与此值进行比较，如果更小，则修改瓶 颈值为当前节点的有效通信时间，否则保持不变，当源节点收到多个RREP响应时，选择瓶 颈值最大的链路作为通信链路；当接收端发现RREQ消息没有被处理过或者有更优的路由存在，则判断该接收节点不 是目的节点，如果不是，查询路由表中的目的节点是否为当前所需目的节点，当该节点是目 的节点或者路由表中存在目的节点，则接收端对该RREQ消息进行响应，转入下一个RREP发 送和处理阶段，否则转发该RREQ消息，直到该信息传递到目的节点或路由中包含目的节点 的节点；②路由应答消息RREP的发送和处理对于已经存在了路由，为了建立完整的路由，当接收端在收到RREQ消息后需要对此消 息进行处理；接收到RREP消息的节点判断该消息是否处理过，如果处理过则采用链路生存选择机 制判断是否存在更优路由，若存在更优路由，则判断该节点是否路由查找的源节点，否则丢 弃该RREP消息，当收到RREP的节点是源节点，则结束路由查找过程，否则继续转发，直到发 现源节点。3.根据权利要求1或2所述的一种面向多水下机器人通信的节能路由方法，其特征是 所述节能路由修复算法为基于“慢启动”路由修复算法，具体包括路由修复发生在链路发生 故障时，其过程如下①链路发生故障时，进行传统的局部路由修复，若修复成功转到⑤，否则转入②；②以“慢启动”的方式交由上游节点进行路由修复，其过程如下为路由请求消息RREQ 添加TTL项，以此来限定RREQ消息被转...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘佰龙，张汝波，徐东，张子迎，林俊宇，
申请(专利权)人：哈尔滨工程大学，
类型：发明
国别省市：93[中国|哈尔滨]