基于深度和位置的水下傳感網的協(xié)作路由

張 馳

(河南財經政法大學 計算機與信息工程學院，河南 鄭州 450046)

0 引 言

水下傳感網絡(underwater sensor networks，USNs)通過預先部署的傳感節(jié)點收集水域環(huán)境數(shù)據(jù)，再將數(shù)據(jù)傳輸至飄浮于水面的聲納浮標，進而實現(xiàn)對水域環(huán)境的監(jiān)測[1,2]。

然而，嚴苛的傳輸環(huán)境，增加了水域環(huán)境中的數(shù)據(jù)傳輸難度，給路由設計提出了挑戰(zhàn)。因此，僅依靠單個傳感節(jié)點難以完成數(shù)據(jù)的傳輸，需多個節(jié)點間協(xié)作，共同完成數(shù)據(jù)的傳輸。協(xié)作路由就是遵循多節(jié)點協(xié)作，共同完成數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃枷搿?/p>

協(xié)作路由利用從一個或多個轉發(fā)節(jié)點完成數(shù)據(jù)的傳輸。因此，目的節(jié)點可能會接收同一個數(shù)據(jù)包的一個或兩個復本，其中，一個復本是直接來自源節(jié)點，而其它的復本來自轉發(fā)節(jié)點轉發(fā)的。目的節(jié)點融合所接收的數(shù)據(jù)包，然后依據(jù)特定算法處理這些數(shù)據(jù)包，進而提取所需的信息，最終保證數(shù)據(jù)包能夠可靠地傳輸至目的節(jié)點[3]。

協(xié)作路由的獨特特性能夠緩解嚴苛的傳輸環(huán)境。由于目的節(jié)點融合了兩個或多個數(shù)據(jù)包復本，這就提高了目的節(jié)點成功接收數(shù)據(jù)包的概率，增加了數(shù)據(jù)包傳輸?shù)目煽啃浴Ｈ欢琔WNs的傳統(tǒng)路由[4-7]協(xié)議在傳輸數(shù)據(jù)包過程中，并沒有引用協(xié)作路由概念。因此，這種策略無法保證數(shù)據(jù)包傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

文獻[8-10]提出協(xié)作路由策略。然而，這些策略要求傳感節(jié)點的地理位置、傳感節(jié)點間的時間同步。在水域環(huán)境估算傳感節(jié)點的位置是非常困難的。

作為典型的基于節(jié)點深度值選擇的路由，能效-深度的路由(energy-efficient depth-based routing，EEDBR)[11]依據(jù)節(jié)點深度值決策路由。深度值越大表明節(jié)點離水面距離越大，將數(shù)據(jù)傳輸至位于水面的信宿的路徑越長。但是，節(jié)點往往需要通過多跳轉發(fā)才能將數(shù)據(jù)傳輸至信宿。若只依據(jù)節(jié)點深度值難以選擇最優(yōu)的數(shù)據(jù)傳輸性能。而文獻[12]提出基于能效的最優(yōu)轉發(fā)節(jié)點路由(energy-efficient optimal relay selection，EEORS)，其是從能效角度選擇最優(yōu)轉發(fā)節(jié)點，其立足點是選擇轉發(fā)節(jié)點。但轉發(fā)節(jié)點的選擇與數(shù)據(jù)包的目的節(jié)點密集相關。

為此，本文提出基于深度和位置的協(xié)作路由(depth and location-based cooperative routing，DLCR)。DLCR路由依據(jù)節(jié)點的深度和位置信息決策路由。同時，目的節(jié)點通過檢測信號的信噪比判斷是否能成功接收數(shù)據(jù)包，進而保證數(shù)據(jù)包傳輸?shù)目煽柯省７抡鏀?shù)據(jù)表明，提出的DLCR路由有效地提高了數(shù)據(jù)包傳遞率。

1 能量模型及網絡模型

1.1 能量消耗模型

對于水下通信數(shù)據(jù)包傳輸和數(shù)據(jù)包接收，引用典型的聲頻調制解調器。為此，引用文獻[13]的等式

SNR=SL-TL-NL+DI≥DT

(1)

其中，SNR表示接收端所接收的聲波的信號強度，單位為dBre μPa。而1 μPa=0.67×10-18Watts/m2。而SL、TL、NL和DI分別表示所發(fā)射聲波的等級(聲源等級)、傳輸損耗、噪聲和方向指數(shù)。若聲源是全向時，DI=0。

為了保證接收端的聲頻調制解調器能正常檢測聲波信號，信號的SNR應該高于或等于解調器的檢測閾值。聲源等級反映了聲源波的強度。傳輸距離越遠，傳輸損耗、噪聲就越能消弱聲波強度。

SL與信號強度IT相關，其中IT表示離聲源1 m處的信號功率值。SL與IT的關系如式(2)所示

(2)

其中，IT的單位為1 μPa。若單位轉換成Watts/m2，而IT可表述為

IT=10SL/10×0.67×10-18

(3)

若傳輸單比特、且傳輸距離為d、聲源水深為H所消耗的功率PT(d)為

PT(d)=4π×d2×H×IT

(4)

因此，若傳輸k比特所消耗的能量ETX(k,d)

ETX(k,d)=PTX(d)×TTX

(5)

其中，TTX表示傳輸k比特數(shù)據(jù)所需的時間，單位為s。

1.2 網絡模型

考慮三維立體化的網絡。節(jié)點以隨機方式部署于網絡。信宿位于網絡區(qū)域的頂部。傳感節(jié)點實時地感測數(shù)據(jù)，然后傳輸至信宿，信宿再將數(shù)據(jù)傳輸至控制中心，如圖1所示。

圖1 網絡模型

傳感節(jié)點以聲波通信。而信宿既可利用聲波通信，又可利用無線射頻通信。而信宿以無線射頻通信方式向控制中心傳輸數(shù)據(jù)。

2 DLCR路由

2.1 網絡初始化

最初，信宿廣播HELLO包，其包含信宿的節(jié)點位置。一旦接收了HELLO包，節(jié)點就利用到達時間差(time of arrival，ToA)估計離信宿的距離。然后，節(jié)點利用自身壓力傳感器計算深度。最后，節(jié)點將自己的ID、深度和距離插入HELLO包，并轉播HELLO包，如圖2所示。

圖2 HELLO包格式

當節(jié)點轉播HELLO包后，它就等待一段時間t0，并且在這個等待時間，監(jiān)聽是否有節(jié)點重播此HELLO包。若在這時間內，沒有收到HELLO包，說明自己無鄰居節(jié)點。

一旦收到來自鄰居節(jié)點轉播的HEELO包，節(jié)點就從此HELLO包中提取信息，包括鄰居節(jié)點的ID、深度和距離。并將這些信息存在自己的路由表(routing table)。此過程一直重復，直到每個節(jié)點知曉自己的鄰居節(jié)點信息。

2.2 目的節(jié)點和轉發(fā)節(jié)點的選擇

一旦準備傳輸數(shù)據(jù)包，源節(jié)點首先判斷信宿是否位于自己的通信范圍。如果是，則直接向信宿傳輸；否則的話，源節(jié)點就以多跳方式向信宿傳輸數(shù)據(jù)包。

假定源節(jié)點為i，它的鄰居集為Ni。首先，源節(jié)點i選擇一個目的節(jié)點。選擇原則：選擇具有低深度、短距離的節(jié)點作為目的節(jié)點，并且被選擇的節(jié)點的剩余能量大于零。假定節(jié)點j∈Ni，它的剩余能量為Ej。只有Ej大于零的節(jié)點才可能被選擇為目的節(jié)點和轉發(fā)節(jié)點。

此外，選擇低深度、短距離的節(jié)點作為目的節(jié)點和轉發(fā)節(jié)點，原因在于：距離反映了離源節(jié)點的物理距離。離信宿越近，距離越短。除了考慮距離之后，還考慮了深度是因為低距離值不足以表明離信宿的距離。當然，距離值包含了節(jié)點的深度信息。但兩節(jié)點間的距離與兩節(jié)點的深度值并不呈比例關系。本文所指的深度是指節(jié)點離水面的垂直距離。

可能存在這種情況：兩個或多個節(jié)點具有相同的深度，但可能它們離信宿距離并不相同。因此，同時考慮距離和深度值，能選擇最靠近信宿的節(jié)點作為目的節(jié)點。

令Depth(j)、Distance(j)分別表示節(jié)點j∈Ni的深度、離源節(jié)點距離。為此，先依據(jù)深度值對Ni按升序排序，并保留前5個節(jié)點，假定這5個節(jié)點構成的節(jié)點集為N′i。然后，再從N′i中選擇選擇離源節(jié)點最近的節(jié)點作為源節(jié)點i的目的節(jié)點Di。

完成目的節(jié)點Di的選擇之后。接下來，選擇轉發(fā)節(jié)點Fi。由于轉發(fā)節(jié)點是為了給目的節(jié)點轉發(fā)數(shù)據(jù)包，進而完成協(xié)作路由。因此，將從Ni中選擇離目的節(jié)點Di最近的節(jié)點作為轉發(fā)節(jié)點。離目的節(jié)點越近，數(shù)據(jù)包到達目的節(jié)點的時間越短，這就能降低協(xié)作路由時延。

一旦完成了目的節(jié)點Di、轉發(fā)節(jié)點Fi的選擇后，源節(jié)點i就將目的節(jié)點Di和轉發(fā)節(jié)點Fi的ID號裝入HELLO包，并向鄰居節(jié)點廣播。一旦收到來自源節(jié)點的HELLO包，節(jié)點就檢測自己的ID號，如果自己既不是轉發(fā)節(jié)點，也不是目的節(jié)點，就不參與路由。反之，若自己成為轉發(fā)節(jié)點或目的節(jié)點，就參與路由，并轉發(fā)數(shù)據(jù)包。

2.3 協(xié)作路由

在源節(jié)點轉發(fā)數(shù)據(jù)包時，盡管鄰居節(jié)點未參與路由，但是它們可能也會監(jiān)聽到數(shù)據(jù)包的轉發(fā)。但DLCR路由所選擇的轉發(fā)節(jié)點和目的節(jié)點參與路由。令ysd表示目的節(jié)點Di從源節(jié)點接收的信號[14]

(6)

其中，Ps表示源節(jié)點的發(fā)射功率，而x表示所傳輸?shù)男盘枴sd表示從源節(jié)點至目的節(jié)點的信道增益。nsd為噪聲。

而轉發(fā)節(jié)點Fi從源節(jié)點所接收的信號表示為ysr，其定義如式(7)所示[12]

(7)

相應地，hsr、nsr分別表示從源節(jié)點至轉發(fā)節(jié)點信道的增益、噪聲。

只要接收到來自源節(jié)點發(fā)送的信號，轉發(fā)節(jié)點Fi先對信號處理，再向目的節(jié)點轉發(fā)。因此，目的節(jié)點將源節(jié)點和轉發(fā)節(jié)點轉發(fā)的信號進行整合

(8)

其中，yrd表示目的節(jié)點從轉發(fā)節(jié)點所接收的信號。Pr為轉發(fā)節(jié)點所發(fā)射的功率，hrd為信道增益，nrd為噪聲。如圖3所示，圖3描述了源節(jié)點、轉發(fā)節(jié)點和目的節(jié)點三者之間的信號傳輸關系。

圖3 源節(jié)點、轉發(fā)節(jié)點和目的節(jié)點間的信號傳輸

hsd、hsr和hrd均反映無線鏈路的特性，它們?yōu)榱憔档母咚闺S機變量，且方差為σ2，如式(9)所示[13]

σ2=ηd-α

(9)

其中，d為傳輸距離、α為路徑損耗，而η為信號傳輸指數(shù)。

此外，式(8)中β為放大系數(shù)，其定義如式(10)所示

(10)

目的節(jié)點依據(jù)最大融合技術(maximum-ratio-combining，MRC)[15]，將它直接從源節(jié)點接收的信號和從轉發(fā)節(jié)點轉發(fā)的信號進行融合。因此，MRC的輸出SNRγAF，如式(11)所示

(11)

然后，目的節(jié)點將γAF與閾值γth進行比較。如果γAF大于γth，則表明目的節(jié)點已成功接收了數(shù)據(jù)包，再向源節(jié)點發(fā)送確認包ACK。

2.4 數(shù)據(jù)包的傳輸

首先，進行網絡初始化。完成后，源節(jié)點感測數(shù)據(jù)，然后源節(jié)點發(fā)送HELLO包。再進入鄰居節(jié)點發(fā)現(xiàn)階段。隨后，進行目的節(jié)點的搜索過程。一旦找到目的節(jié)點，就發(fā)現(xiàn)轉發(fā)節(jié)點。

一旦確認了轉發(fā)節(jié)點，轉發(fā)節(jié)點也向目的節(jié)點傳輸數(shù)據(jù)。最后，目的節(jié)點檢測信噪比，是否大于閾值。如果大于閾值，表明目的節(jié)點能夠正常接收數(shù)據(jù)包，在這種情況下，目的節(jié)點就向信宿傳輸數(shù)據(jù)包，否則的話，源節(jié)點繼續(xù)向目的節(jié)點傳輸數(shù)據(jù)包。數(shù)據(jù)包傳輸?shù)恼麄€過程如圖4所示。

圖4 DLCR路由數(shù)據(jù)包轉發(fā)流程

3 性能分析

3.1 仿真環(huán)境

利用MATLAB軟件分析DLCR路由性能。考慮500 m×500 m×500 m三維立體區(qū)域，250個傳感節(jié)點大耳機分布于監(jiān)測區(qū)域。每個節(jié)點引用UWM2000解調器[14]進行通信，且數(shù)據(jù)率為10 kpbs，傳輸模式、接收模式和空閑模式下的功率消耗分別為2 W、0.8 W和8 mW。

每個節(jié)點的通信半徑為200 m，節(jié)點發(fā)送的HELLO包大小為10字節(jié)。數(shù)據(jù)包尺寸為50字節(jié)。同時，引用802.11-DYNAV作為MAC層協(xié)議。

選擇EEDBR和EEORS路由作為參照，并對比分析它們的路由性能及能耗。此外，引用基于簇結構的無線傳感網絡中的輪(Round)概念，將時間劃分同樣長的時段，每一段稱為一輪(Round)，每一輪由1000個時隙構成，每個時隙為0.18 s。因此，接下來，分析總體能量消耗、端到端傳輸延時和數(shù)據(jù)包傳遞率隨輪的變化情況。

3.2 數(shù)據(jù)分析

3.2.1 端到端傳輸時延

圖5顯示了DLCR、EECOR和EEDBR路由的端到端傳輸時延。從圖5可知，當進行了100輪后，3個協(xié)議的端到端傳輸時延趨于穩(wěn)定。相比于EECOR和EEDBR路由，DLCR路由的端到端時延較高，在運行250輪后，DLCR路由的端到端傳輸時延為3500 s，比EEDBR路由的時延增加了約400 s。原因在于：DLCR路由屬于協(xié)作路由。協(xié)作路由引用確認包機制，提供了可靠的數(shù)據(jù)包傳輸，這必須增加傳輸時延。

圖5 端到端傳輸時延

3.2.2 數(shù)據(jù)包傳遞率

圖6顯示了DLCR協(xié)議的數(shù)據(jù)包傳遞率。從圖6可知，DLCR路由的數(shù)據(jù)包傳遞率最高。原因在于：DLCR路由引用數(shù)據(jù)包傳輸?shù)目煽繖C制，提高了數(shù)據(jù)包傳輸?shù)目煽柯省４送猓瑥膱D6可知，最初3個協(xié)議的數(shù)據(jù)包傳遞率較高，當運時至50輪后，數(shù)據(jù)包傳遞率快速下降。這主要是因為：隨著時間的輪移，節(jié)點能耗逐步增加，導致部分節(jié)點能量消耗殆盡。

圖6 數(shù)據(jù)包傳遞率

3.2.3 能量消耗

最后，分析了路由的能量消耗。從圖7可知，DLCR協(xié)議的能耗略高于EEORS和EEDBR路由。結合圖6可知，DLCR路由以高的能耗換取高的數(shù)據(jù)包傳遞率。此外，注意到，當經歷了250輪后，3個協(xié)議的能量消耗一致。

圖7 能量消耗

4 結束語

針對水下傳感網絡的數(shù)據(jù)傳輸問題，提出DCLR的協(xié)作路由。通過協(xié)作數(shù)據(jù)傳輸，緩解水域的嚴苛信道環(huán)境。DCLR路由利用傳感節(jié)點的位置信息、距離以及能量信息，擇優(yōu)選擇轉發(fā)節(jié)點和目的節(jié)點，進而提高協(xié)作通信的性能。相比于EEDBR和EEORS路由，提出的DCLR路由的數(shù)據(jù)包傳遞率得到有效提高。然而，從實驗數(shù)據(jù)可知，DCLR路由的能耗和時延較高，這將是后期研究的重點。