水下傳感器網絡中的多路徑路由技術研究*

王 飛， 王黎明， 韓 焱

(中北大學 信息探測與處理技術研究所，山西 太原 030051)

水下傳感器網絡中的多路徑路由技術研究*

王 飛， 王黎明， 韓 焱

(中北大學 信息探測與處理技術研究所，山西 太原 030051)

水下聲信道是一種復雜信道，由于各方面因素影響，在數據傳輸過程中，水下傳感器網絡數據鏈路層會有可能產生隨機中斷。研究了一種虛擬匯聚節點的多路徑水下傳感器網絡路由技術，在隨機布設的傳感器節點中選取了緩存節點，并創建了局部的匯聚節點，通過多路徑的路由技術，有效減少了網絡吞吐率受鏈路中斷的影響，并且避免了匯聚節點處的數據沖突。通過網絡的冗余性，增強了網絡穩定性、魯棒性。

水下傳感器網絡； 虛擬匯聚節點； 多路徑路由； 緩存節點； 穩定性

0 引 言

水下傳感器網絡所處環境十分惡劣，較長的信號傳播時延與復雜多變的信道，讓目前大部分情況下采用的單匯聚節點的單路徑路由技術承受了巨大壓力[1]。當信道受外部環境影響而變惡劣，普通節點與匯聚節點之間的數據鏈路質量降低，傳感器網絡將產生阻塞。為解決以上問題，本文研究了一種虛擬多路徑的傳感器路由技術，在網絡中分散布設了多個匯聚節點，增加了多條傳播路徑，提高數據在信道惡劣情況下的傳輸成功率，同時，避免了數據通過不同路徑到達同一匯聚節點時產生的競爭與沖突[2]。通過Matlab對多徑路由與單路徑路由背景下，在能量約束條件下的傳輸結果進行仿真，證明了在復雜水聲信道中，多徑路由技術的可用價值與應用優勢。

1 基于虛擬多路徑的水下傳感器網絡結構

網絡結構通常是網絡健壯性、可靠性與低能耗的決定因素，當信道質量變差，數據傳輸受阻，網絡的冗余性可以保證網絡不受影響。

傳統多路徑網絡路由技術是指在普通節點到匯聚節點之間建立多條不同路徑，最終到達同一個匯聚節點。這種方式在一定程度上緩解了數據鏈路受信道影響而產生的網絡阻塞，但不同路徑的信號會有相互干擾現象，尤其在匯聚節點處會產生數據沖突，如果加入重發機制，這種沖突的幾率更大。本文研究的多路徑路由技術在網絡中布設了多個分散的匯聚節點，當節點傳輸數據時，同時向不同路徑發射信號，任何一條路徑的匯聚節點收到有效數據，本次數據傳輸成功。多個不同路徑的匯聚節點構成本文研究的虛擬匯聚節點,網絡結構如圖1所示。

圖1 基于虛擬匯聚節點的多路徑網絡結構圖Fig 1 Structure diagram of multipath network based on virtual sink nodes

虛擬匯聚節點的多路徑網絡結構有效地避免了不同路徑上信號間的沖突與干擾，同時，多路徑保證了數據傳輸成功率。但由于水下環境的復雜，信道質量惡劣導致鏈路層暫時中斷時刻未知，此時網絡通常多次對數據進行重發，直到鏈路恢復正常，數據成功傳輸為止。重發機制的引入雖然對網絡的可靠性有所加強，但是水下傳感器能量有限，多次重發時功耗最大。因此，本文將重發機制改為緩存機制，即在網絡中加入數據緩存節點，在信道質量惡劣時將數據在該節點緩存，而當鏈路通信恢復后，緩存節點將數據傳輸至匯聚節點。

緩存節點的布置既需要滿足網絡健壯性，也需要考慮網絡低功耗要求。除滿足網絡吞吐量的緩存節點，網絡中還需增加一定數量的備用緩存節點，提高網絡冗余性，滿足實時性要求較高的網絡需要。同時，緩存節點的布置要盡可能分散，避免緩存節點的擁擠造成能源分配不均，產生網絡“熱點”[3]。

針對以上問題，本文研究了在能量與可靠性約束條件下，將緩存發送機制代替重發機制的虛擬匯聚節點的多路徑路由技術，提出一種緩存節點的布置算法和方式，通過模擬與仿真水下傳感器網絡，對該路由技術進行了評價。

2 緩存節點的布置算法

節點能耗與距離呈正比，因此，通常選擇與節點最近的節點作為緩存節點，即可將監測環境劃分成Voronoi圖，緩存節點作為每個Voronoi單元的中心。數據在Voronoi單元內經過幾個節點，通過緩存節點轉發到匯聚節點。假設一個Voronoi單元(用集合A表示)中心坐標為(xc,yc),數據經過A中節點傳輸到緩存節點的路徑長度表示為

(1)

其中，N為節點總數，a為監測區域半徑。節點在監測區域內可以看作是均勻分布的，因此，節點的分布密度表示為式(1)中的N/πa2。

假設每個Voronoi空間大小相等，則每個空間的半徑可表示為

(2)

其中，i為緩存節點個數。根據式(1)、式(2)，得到每個單元內數據通過節點傳輸到緩存節點的路徑為

E1=i(10lgS+αS×10-3).

(3)

上述得到了每個Voronoi單元內數據的傳輸路徑長度后，即可建立水下傳感器節點的能量消耗模型。水下的能量損耗主要是聲信號傳播損失與吸收損失[4]，其值可表示為

TL=10lgS+αS×10-3,

(4)

式中α為與聲信號頻率有關的吸收系數。因此，i個Voronoi單元，傳輸lbit的能耗可以表示為

E1=ilEelec+li(10lgS+αS×10-3).

(5)

其中,Eelec為傳感器節點電路能耗。另外，i個緩存節點接收數據的能耗表示為

E2=ilEelec.

(6)

這i個緩存節點將數據傳輸到Sink節點的能耗表示為

E3=l(10lg 2ai/3+α2ai/3×10-3).

(7)

整個監測區域內傳輸lbit能耗值為

E=E1+E2+E3.

(8)

綜上所述，當E最小時，此時緩存節點的個數即為最優解,其位置即為Voronoi單元的中心[5]。

3 多路徑路由機制模型

上述多路徑網絡結構中，數據在緩存節點成功完成n跳，到達匯聚節點。一個數據包在一個多徑路由中傳輸，在任一條j跳時失敗，概率為p(j)，這個概率是相互獨立的[6],則數據傳輸成功的概率分布函數可以表示為[7]

(9)

式中ti為數據在第一跳之后繼續傳輸的跳數0≤ti≤n-1。根據上式，得到數據傳輸成功的概率為

(10)

在數據傳輸成功條件下，這一包數據的時延表示為

T=n(τb+τd).

(11)

其中,τb為數據傳輸時間，τd為數據傳播時間。

4 模擬與仿真

本文仿真了在監測區域使用不同數量的緩存節點，研究了節點的能量消耗。如圖2，仿真在半徑1 000 m的圓形監測區域內布置了5 000個節點。每個節點將數據傳輸到各自Voronoi單元中的緩存節點，最后緩存節點將數據壓縮，傳輸到Sink節點。

圖2 5 000個節點在半徑1 000 m監測區域的均勻分布圖Fig 2 Uniform distribution diagram of 5 000 nodes in monitoring area (R=1 000 m)

在上述給定的監測環境，圖3(a)仿真模擬出在M=4時(M即為多路徑機制的路徑數量)，n=5,10,15時(n為每一個數據包從緩存節點到達虛擬匯聚節點的跳數)，單路徑與多路徑在信道質量變化條件下傳輸數據的成功率比較；圖3(b)給定n=10，在M=4,5,6時，比較了在信道變化時，多路徑路由機制與單路徑路由機制數據包傳輸成功率。

圖3 多路徑與單路徑路由機制信道質量與數據傳輸成功關系圖Fig 3 Relationship of successful probability of data transmission and channel quality between multipath and single-path routing mechanism

圖4模擬對應圖3背景下的單路徑路由機制相對于多路徑路由機制的多余時延。

在模擬中，為了保證兩種路由機制能量消耗相同，使單路徑路由機制中的重發次數與多路徑路由中的所有路徑中的數據總發送次數相等。

從圖3中可以看出:在信道質量較好的時候，單路徑路由機制明顯優于多路徑下的的數據傳輸成功率。而在信道質量變差的時候，單路徑路由機制性能急劇變差，而多路徑下的路由機制性能變化較為平緩，并且明顯優于前者。在惡劣的水下信道中，多徑路由技術在大多數情況下性能更加可靠。

從圖4(a)圖中可以看出:單路徑路由機制總是會產生比多路徑路由機制下有更多的時延值。尤其是在信道質量較好的情況下，亦即單路徑路由機制用較大時延保證了網絡的穩定。從圖3與圖4(b)圖中可以看出:隨著路徑數量增長，多路徑路由的穩定性下降很快，但是，此時對應的單路徑路由的時延隨著路徑數量增大，說明雖然穩定性下降，但是多路徑路由機制的網絡時延比單路徑下的更小。

圖4 單路徑路由機制相對多路徑路由機制的時延消耗Fig 4 Time delay between single-path and multipath routing mechanism

5 結 論

本文研究的多路徑水下傳感器網絡路由技術，通過數值模擬仿真，證明了該技術在惡劣的水下信道中有較強的實用性，在未來對海洋探測等應用研究中有很強的工程意義與深遠的應用前景。

[1] Heidemann J,Li Y,Syed A,et al.Underwater sensor networking: Research challenges and potential applications[C]∥Proceedings of IEEE Wireless Communications and Networking Conference,Las Vegas,Nevada,USA,2006.

[2] Souzer M, Stojanovic M, Proakis J G. Underwater acoustic networks[J].IEEE Journal of Oceanic Enginerring,2000,25(1):72-83.

[3] 翟 潔.水下傳感器網絡路由協議的研究[D].武漢:華中科技大學,2007.

[4] 許肖梅.水聲通信與水聲網絡的發展與應用[J].聲學技術,2009,28(6):811-816.

[5] Mirza D,Schurgrs C.Energy-efficient localization in networks of underwater drifters[C]∥Proceedings of the Second Workshop on Underwater Networks,ACM WUWNet’07,Montreal,Quebec,Canada,2007:73-80.

[6] 徐 明.水聲傳感器網中基于網絡編碼的多徑路由協議[J].傳感器與微系統,2013,32(1):36-39.

[7] 盛 堰,周 飛.一種水下無線傳感器網絡數據的盲分離算法[J].傳感器與微系統,2013,32(10):106-109.

Research on multipath routing technology of underwater sensor networks*

WANG Fei, WANG Li-ming, HAN Yan

(Institute of Signal Capturing & Processing Technology,North University of China,Taiyuan 030051,China)

Underwater acoustic channel is a complex channel,due to effect of various factors,data link layer of underwater sensor networks(UWSNs)would be broken off randomly.Research a multipath routing technology of UWSNs based on virtual sink node,and some cache nodes is selected from randomly distributed nodes,and local sink nodes are created.By multipath routing technology,effect of data link interrupt on networks throughout is reduced effectively,and conflicts in sink nodes can be avoided.The stability and robustness of networks is enhanced by network redundancy.

underwater sensor networks(UWSNs); virtual sink node; multipath routing; cache node; stability

10.13873/J.1000—9787(2014)12—0024—03

2014—09—17

國家自然科學基金資助項目(61171179，61227003，61301259)；山西省自然科學基金資助項目(2012021011—2)；高等學校博士學科點專項科研基金資助項目(20121420110006)；山西省回國留學人員科研資助項目(2013—083)；山西省高等學校優秀創新團隊支持計劃資助項目

TN 929

A

1000—9787(2014)12—0024—03

王 飛(1987-)，男，山西太原人，博士研究生,從事信號處理、水聲通信網絡研究工作。