基于地理―机会的水下无线传感网的混合路由

摘 要： 水下无线传感网络UWSNs被认为是监测海洋最有前景的技术。然而，声信道特性给UWSNs的数据采集提出了挑战。提高UWSNs数据采集效率的有效方式就是融合水下声通信和高动态网络拓扑的特性，设计高性能的路由协议。为此，提出基于地理?机会的水下无线传感网的混合路由，记为GOHR。在GOHR协议中，源节点先计算候选转发节点集，并计算集内每个节点的归一化权重值，再依据归一化权重值对集内节点进行排序，并形成转发节点簇。然后，计算每个簇的期望权重值，最后，选择期望权重值最大的簇内节点作为数据包转发节点。为了避免簇内节点转发数据包时发生碰撞，设置定时延时转发机制。仿真结果表明，提出的GOHR协议提高了数据包传递率，降低了数据包的传输时延。

关键词： 水下无线传感网； 地理路由； 机会路由； 声通信； 候选转发集

中图分类号： TN911?34； TP393 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2017）13?0017?05

Abstract： The underwater wireless sensor networks （UWSNs） are known as the most perspective technology to monitor and explore the oceans. The challenge of acoustic channel characteristics for UWSNs data collection is put forward. The effective way to improve the UWSNs data acquisition efficiency is the fusion of the characteristics of the underwater acoustic communication with highly?dynamic network topology， and design of the high?performance routing protocol. Therefore a geographic and opportunistic hybrid routing （GOHR） for UWSNs is proposed. In which， the source node is used to calculate the candidate forwarding node set， and the normalized weighted value of each node in the set. The node in the set is sorted according to the normalized weighted value to form the forwarding node cluster. The expected weighted value of each cluster is calculated. The cluster node with the highest expected weighted value is selected as the forwarding node of the data package. In order to void the collision when the data package is forwarded for the cluster node， the timing?delay forwarding mechanism is set. The simulation results show that the GOHR protocol can improve the transfer rate of data package， and reduce the transmission delay of data package.

Keywords： underwater wireless sensor network； geographic routing； opportunistic routing； acoustic communication； candidate forwarding set

0 引 言

由于海洋孕育了海量的生命以及隐含了大量的有助于人类社会发展的信息，用于探测水体环境的水下无线传感网络UWSNs（Underwater Wireless Sensor Networks）受到广泛关注[1]。目前，UWSNs在各类应用中广泛使用，如海洋生物的监测、污染物含量的检测、地震勘测等。

目前，声通信被认为是UWSNs水下通信的惟一有效的通信模式。高频率的无线电波容易被水吸收，并且光波遭受严重的散射，无线射频通信只限于短距离的可视化应用。然而，与无线射频通信相比，水下声通信信道易引起大、可变的时延，原因在于水下声速约为m/s，而光速为m/s。此外，水下声通信还存在数据包丢失、高噪声等问题[2]。据此，路由协议已成为UWSNs的研究重点。

具有简单、易可扩展的地理位置路由协议被认为是UWSNs最有效的路由协议之一[3?6]。地理位置路由无需建立、维护源节点至目的节点的路径，只依据局部信息建立路由。在每一跳，将离目的节点最近的邻居节点作为局部最优的下一跳转发节点。此外，由于地理位置路由具有好的可扩展性，易与机会路由相结合，形成地理?机会路由OR（Geo?Opportunistic Routing）混合协议，进而提高数据传输率。

文献[3]提出的基于深度路由DBR（Depth?based Routing）是水下传感网络的经典路由协议。DBR利用节点的深度信息并结合贪婪算法传输数据包，使得数据包能够传输至位于水面上的多个信宿节点。一旦接收了数据包，如果离水面更近，节点就成了转发数据包的候选节点，否则就丢弃数据包。文献[4]提出VBF路由协议。在VBF中，数据包沿着预设的虚“路由管”传输数据包。当接收了一个数据包，节点就计算离转发矢量的距离，如果小于预设的门限值，就转发数据包，否则丢弃。从VBF路由策略不难发现，如果网络密度较高，将有较多节点参与转发阶段，尽管这提供了多冗余路径，提高了数据包传输率，但是，增加了能量消耗。为此，文献[6]对VBF协议进行修改，并增加了应对路由空洞的策略。上述的这些路由协议只改善路由协议的某一方面的性能，但并没有充分考虑水下传感网络信道的特性。同时，地理位置路由协议的关键在于选择下一跳转发节点，若能够选择最佳的转发节点，就能够有效地避免路由空洞，提高路由性能。

为此，本文提出新的地理?机会路由协议GOHR（Geographic and Opportunistic Hybrid Routing）。在GOHR协议中，与机会路由协议不同，每个数据包被广播至由多个节点构成的转发集，而不是单一的转发节点。当源节点需要转发数据包，首先构建候选转发节点集，再计算集内每个节点的归一化权值NADV（Normalized ADVance），并进行排序，进而形成有序的候选转发集。随后，实施簇划分算法，将有序的候选转发集划分为不同的簇，再计算每个簇的期望数据包权值，具有最大期望数据包权值的节点被选作为下一跳转发节点集。仿真结果表明，提出的GOHR协议能够有效地降低冗余数据包，提高了数据包传递率。

1 系统模型

考虑如图1所示的水下无线传感网络UWSNs，大量的移动水下传感节点分布于海洋底部，而声纳浮标（信宿节点）浮于海洋表面。假定整个网络的节点集为每个节点的通信半径为其中传感节点集表示为声纳浮标集表示为，即。

传感节点随机分布于监测区域每个节点具有低带宽声学通信能力，能够将感测的数据周期地传输至信宿节点。此外，水下传感节点能够依据浮标调整自己在水下的深度。节点移动的速度m/min，每移动1 m所消耗的能量1 500 mJ/m。

信宿节点随机分布在水面上。每个信宿节点装有GPS系统，知道自己的位置。同时，信宿节点具有声学和射频双通信模式。信宿节点利用声学链路向水下传感节点传输控制命令以及接收来自水下传感节点的数据；而利用无线链路向监控中心转发数据包。与文献[3，6]类似，假定如果数据包到达了信宿节点，就认为数据包能够被传输至监控中心。由于水中声学通信速度为而空气中无线射频通信速度为声学通信比射频通信更难，因此该假定是合理的。

将时刻的网络拓扑看成无方向图，其中表示与传感节点和信宿节点相关的顶点集，而表示节点与节点的链路集。如果节点与节点能够直接、持续地在声学链路上进行通信，则认为它们是邻居节点，并且能够通过链路进行直接通信。

此外，假定节点在时刻的邻居节点集表示为，且。它已知的信宿节点集表示为 此外，每个节点周期地广播Beacon包。通过Beacon包，节点获取邻居节点的位置信息和可到达的信宿节点。

2 GOHR路由

GOHR路由属于选播、地理位置和机会的混合路由，将数据包从源节点传输至多个信宿节点。在路由过程中，GOHR协议利用当前转发节点的位置、邻居节点位置以及已知信宿节点位置信息，并结合贪婪转发策略传输数据包。GOHR协议的关键在于下一跳转发节点的选择。为了提高路由协议的性能，GOHR协议谨慎地选择转发节点。首先建立候选转发集，然后再从该集中选择部分节点作为下一跳转发节点。同时，为了控制冗余数据包，采用节点权值设定定时器。

2.1 候选转发节点集

为了有效地传输数据包，能够选择最佳的转发节点，源节点先建立候选转发节点集接下来详述建立过程。

若源节点需要向目的节点传输数据包。源节点先从它的邻居集中寻找离自己最远的信宿节点最近的信宿节点。即，且是离最远的信宿节点，如式（1），式（2）所示：

式中表示节点离信宿节点的距离。

那么，节点的候选转发节点集定义如下：

2.2 转发节点簇

2.1节先初步计算了候选转发节点集。接下来，从这个候选转发节点集中寻找一个或多个节点作为数据包的转发节点，将这些节点称为下一跳转发节点簇。之所以构建下一跳转发节点簇，是因为GOHR协议不再像传统的多跳协议那样，只选择单一的节点作为转发节点。若只选择单个的节点作为转发节点集，一旦链路断裂，数据包就会丢失。为此，提出的GOHR协议选择满足要求的多个节点作为转发节点。这有利于提高数据包的传输效率。

为此，从候选转发集中选择一些合适的节点构成下一跳转发节点簇[7?8]。首先利用定义节点的归一化权重值NADV，然后依据此值估计集内每个节点成为下一跳转发节点的“适度性”。

对于节点它的归一化权重值为：

式中：表示离节点最近的信宿节点；表示数据包传递概率。

在估算了集内节点的归一化权重值后，再依据此值从高至低对集内节点排序，形成有序集。然后将集内节点划分为不同的簇并使每个簇内节点均在彼此的通信范围内。

在划分簇时，首先从集找到归一化权重值最大的节点，也就是集内的第一个节点然后将节点加入簇（j=0），即。同时，从内减去即。随后，以节点为对象，从新的内寻找离距离小于的节点，并将这些节点移至簇内，直至内没有节点离的距离小于。这时，建立下一簇，即。再重复上述过程，直至。

构建簇算法：

Step1： While do

Step2：

Step3：

Step4： for do

Step5： if then

Step6：

Step7：

Step8： End if

Step9： End for

Step10：

Step11： End While

2.3 簇期望权重值

构建了簇后，计算每个簇的权重值EPA[9]。每个簇的权重值定义如下：

（5）

算簇期望权重值后，选择具有最大的EPA的簇作为最后转发节点集。

2.4 数据包传递概率

本节推导数据包传递概率表达式。假定任意一对节点，且它们相距为传输b的数据包传递概率为，水下无障碍物的路径损耗定义为：

2.5 定时器设置

在构建了下一跳转发集后，当前节点将下一跳转发节点的ID和位置信息嵌入数据包并广播。当接收到该数据包，节点就从中提取信息，并验证自己是否属于。如果是，就依据权值设置定时器。权值越大，定时时间越短。否则，就丢失数据包。

在机会路由中，权值最大的节点成为下一跳转发节点，其他低权值的节点仅当权值最大的节点传输数据失败，才有机会转发数据包。在GOHR协议中，当第个权值的节点接收了数据包，其设置的定时时间为，当定时完毕后，就立即广播数据包。

由三部分组成：一部分就是数据包传输时间另一部分就是第1个至第2个权值节点间时延差，第2个至第3个权值节点时延差，直到第个权值至第个权值间时延差之和；最后一部分就是数据包处理时间。因此，定时时间为：

式中：表示第个权值至第个权值节点间的时延差。

而传输时间的定义如下：

式中：为接收节点；为发送节点；为水下声信号的传播时间。

2.6 GOHR协议的数据包转发流程

当节点需要传输数据包，首先计算候选转发集再计算集内节点的归一化权重值，再进行排序，构建有序的然后再依据构建簇算法形成多个簇，并选出下一跳转发簇。节点将簇信息嵌入数据包，再广播。接收了该数据包，节点首先判断自己是否是簇内节点，如果不是，就丢弃，否则，依据自己的权值设置定时器，进行计时，并监听是否有其他节点转发该数据包。若有，则放弃竞争本次转发数据包的机会；反之，就待计时完毕，就立即转发数据包，具体流程如图2所示。

3 性能分析

利用Matlab R2012b建立仿真平台。考虑1 500 m×1 500 m×1 500 m区域。信宿节点数，传感节点从150～450变化。每个传感节点数据包产生率服从泊松分布，且参数。节点传输半径数据产生率为50 Kb/s。每次实验重复100次，取平均值作为最终数据，仿真时间为300 s。

选择端到端传输时延、冗余数据包数、数据包传递率以及传输一个数据包的平均次数4项数据考查路由协议的性能，并与DBR，VAPR协议进行比较。而冗余数据包数是指每传输一个数据包产生的复本数。冗余数据包数越低，数据包传输效率越高。而传输一个数据包的平均次数表示每成功传输一个数据包所需的传输次数。传输次数越低，数据传输效率越高。每次实验独立重复100次，取平均值作为最终的实验数据，仿真结果如图3～图6所示。

3.1 数据包传递率

图3描绘了数据包传递率随节点数的变化曲线。从图3可知，随节点数的增加，数据包传递率呈上升趋势。这主要是因为网络内节点数越多，就有更多的节点参与路由，提高了路由的稳定性。与DBR和VAPR协议相比，提出的GOHR协议的数据包传递率得到有效提高。例如，当节点数为450时，GOHR协议的数据包传递率达到0.82，而VAPR和DBR协议的数据包传递率分别为0.65，0.6。这要归功于GOHR协议有效地建立了转发节点簇，致使簇内节点能够彼此监听转发节点是否转发数据包。而DBR和VAPR协议容易遭受路由空洞，这极大地降低了数据包的传递率。

3.2 冗余数据包数

图4绘制了三个协议的冗余数据包数随节点数的变化曲线。从图4可知，提出的GOHR协议的冗余数据包数最低，远低于DBR和VAPR协议。例如，当节点数为300时，GOHR协议的冗余数据包为2，而DBR和VAPR协议的冗余数据包分别高达8，6。这主要是因为DBR协议的多径传输导致更多的冗余数据包数，并且它未能有效地抑制数据包重传。而VAPR协议中的低权重值的节点不能监听高权重值的节点传输，这增加了冗余数据包数。此外，注意到GOHR协议的冗余数据包数并不随节点数的变化而波动。

3.3 传输一个数据包的平均次数

图5反映了平均每传输一个数据包所产生的传输次数，数据与图4相近。从整体上看，节点密度的增加提高了传输次数。DBR和VAPR协议提高得更为明显，而GOHR与GOR协议变化并不显著。

3.4 端到端传输时延

三个协议传输数据包的端到端平均时延随节点密度的变化曲线如图6所示。正如预期的，GOHR，VAPR协议的平均时延高于DBR。原因在于它们利用机会路由提高了数据包传输率，损害了平均时延的性能。GOHR协议的平均时延低于VAPR，VAPR协议的时延最高，这主要是因为VAPR的重传次数最高。

4 结 语

本文提出基于地理?机会的水下无线传感网的混合路由GOHR。GOHR协议结合地理位置和机会路由的特性，提高了数据传输效率。仿真结果表明，提出的GOHR协议能够有效地降低冗余数据包数、减少端到端传输时延，并提高了数据包传递率。这些数据表明，GOHR协议能够有效地提高采集水域数据的能力。

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