基于地理—機會的水下無線傳感網的混合路由

徐曉暉+吳立華+張春海

摘 要： 水下無線傳感網絡UWSNs被認為是監測海洋最有前景的技術。然而，聲信道特性給UWSNs的數據采集提出了挑戰。提高UWSNs數據采集效率的有效方式就是融合水下聲通信和高動態網絡拓撲的特性，設計高性能的路由協議。為此，提出基于地理?機會的水下無線傳感網的混合路由，記為GOHR。在GOHR協議中，源節點先計算候選轉發節點集，并計算集內每個節點的歸一化權重值，再依據歸一化權重值對集內節點進行排序，并形成轉發節點簇。然后，計算每個簇的期望權重值，最后，選擇期望權重值最大的簇內節點作為數據包轉發節點。為了避免簇內節點轉發數據包時發生碰撞，設置定時延時轉發機制。仿真結果表明，提出的GOHR協議提高了數據包傳遞率，降低了數據包的傳輸時延。

關鍵詞： 水下無線傳感網； 地理路由； 機會路由； 聲通信； 候選轉發集

中圖分類號： TN911?34； TP393 文獻標識碼： A 文章編號： 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隱含了大量的有助于人類社會發展的信息，用于探測水體環境的水下無線傳感網絡UWSNs（Underwater Wireless Sensor Networks）受到廣泛關注[1]。目前，UWSNs在各類應用中廣泛使用，如海洋生物的監測、污染物含量的檢測、地震勘測等。

目前，聲通信被認為是UWSNs水下通信的惟一有效的通信模式。高頻率的無線電波容易被水吸收，并且光波遭受嚴重的散射，無線射頻通信只限于短距離的可視化應用。然而，與無線射頻通信相比，水下聲通信信道易引起大、可變的時延，原因在于水下聲速約為m/s，而光速為m/s。此外，水下聲通信還存在數據包丟失、高噪聲等問題[2]。據此，路由協議已成為UWSNs的研究重點。

具有簡單、易可擴展的地理位置路由協議被認為是UWSNs最有效的路由協議之一[3?6]。地理位置路由無需建立、維護源節點至目的節點的路徑，只依據局部信息建立路由。在每一跳，將離目的節點最近的鄰居節點作為局部最優的下一跳轉發節點。此外，由于地理位置路由具有好的可擴展性，易與機會路由相結合，形成地理?機會路由OR（Geo?Opportunistic Routing）混合協議，進而提高數據傳輸率。

文獻[3]提出的基于深度路由DBR（Depth?based Routing）是水下傳感網絡的經典路由協議。DBR利用節點的深度信息并結合貪婪算法傳輸數據包，使得數據包能夠傳輸至位于水面上的多個信宿節點。一旦接收了數據包，如果離水面更近，節點就成了轉發數據包的候選節點，否則就丟棄數據包。文獻[4]提出VBF路由協議。在VBF中，數據包沿著預設的虛“路由管”傳輸數據包。當接收了一個數據包，節點就計算離轉發矢量的距離，如果小于預設的門限值，就轉發數據包，否則丟棄。從VBF路由策略不難發現，如果網絡密度較高，將有較多節點參與轉發階段，盡管這提供了多冗余路徑，提高了數據包傳輸率，但是，增加了能量消耗。為此，文獻[6]對VBF協議進行修改，并增加了應對路由空洞的策略。上述的這些路由協議只改善路由協議的某一方面的性能，但并沒有充分考慮水下傳感網絡信道的特性。同時，地理位置路由協議的關鍵在于選擇下一跳轉發節點，若能夠選擇最佳的轉發節點，就能夠有效地避免路由空洞，提高路由性能。