基于層級的水聲網(wǎng)絡單徑路由協(xié)議與仿真實現(xiàn)

趙 建,杜秀娟*,2,3

(1. 青海師范大學計算機學院,青海 西寧810008;2. 藏語智能信息處理及應用國家重點實驗室,青海 西寧810008;3. 高原科學與可持續(xù)發(fā)展研究院,青海 西寧 810008)

1 引言

水聲網(wǎng)絡(Underwater Acoustic Networks,UANs)是一種無線通信網(wǎng)絡,其功能由大量傳感器節(jié)點實現(xiàn)[1]。各節(jié)點以協(xié)作的方式對其中的信息進行收集、處理和傳輸,最后發(fā)送給網(wǎng)絡所有者以供使用和分析。UANs作為一種分布式網(wǎng)絡,具有大規(guī)模、動態(tài)性、可靠性高等特點,現(xiàn)被廣泛應用于軍事、醫(yī)療、環(huán)境監(jiān)測等領域,在未來具有很高的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

路由協(xié)議通過建立源節(jié)點與目的節(jié)點之間的一條消息傳輸路徑來實現(xiàn)路由功能。路由協(xié)議的功能包含了兩個方面:尋找最優(yōu)路徑和數(shù)據(jù)分組交換[2]。在陸地無線傳感器網(wǎng)絡中,研究者已經(jīng)提出了很多路由協(xié)議,但由于水下環(huán)境的特殊性,如節(jié)點稀疏、水下環(huán)境復雜、拓撲動態(tài)變化、節(jié)點能量受限等,所以陸地傳感器網(wǎng)絡中的協(xié)議不能直接應用于UANs。同時,由于聲波的多普勒效應,水流的移動速度,會給傳感器節(jié)點傳輸信息時帶來的頻率偏移較大,必然會在很大程度上影響移動通信,同時也給水聲網(wǎng)絡中路由協(xié)議的開發(fā)帶來了巨大的挑戰(zhàn)[3]。

針對以上問題,本文提出了一種基于層級的水聲網(wǎng)絡自適應地理路由協(xié)議(LB-AGR)。其基于層級的路由轉(zhuǎn)發(fā)機制,減少了能量消耗、端到端延時,提高了數(shù)據(jù)的交付率。仿真結果表明LB-AGR協(xié)議具有良好的適應性。

2 網(wǎng)絡模型與LB-AGR協(xié)議概述

2.1 網(wǎng)絡模型

與陸地網(wǎng)絡不同,UANs具有定向通信的特點[4]。UANs由位于水面的節(jié)點與隨機分布在水下的若干傳感器節(jié)點組成,水下傳感器節(jié)點通過水聲網(wǎng)絡將水下的數(shù)據(jù)通過逐跳傳輸?shù)姆绞絺鞯絪ink節(jié)點,sink節(jié)點通過無線射頻信號將收集的水下信息上傳到互聯(lián)網(wǎng)中,供網(wǎng)絡所有者所使用。網(wǎng)絡模型如圖1。

圖1 水聲網(wǎng)絡模型

sink節(jié)點的功能有:①sink節(jié)點發(fā)送下行的控制報文進行整個UANs的初始化;②sink節(jié)點接收來源節(jié)點的上行數(shù)據(jù)報文并將數(shù)據(jù)通過水面基站轉(zhuǎn)發(fā)至數(shù)據(jù)中心;③sink附近的鄰居節(jié)點不僅可以偵聽和產(chǎn)生數(shù)據(jù),還具有傳輸和轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)報文的功能。sink節(jié)點和其周圍節(jié)點作為UANs的關鍵環(huán)節(jié),與整個網(wǎng)絡的運轉(zhuǎn)密不可分。

2.2 LB-AGR路由協(xié)議概述

在LB-AGR中,還為每個節(jié)點指定一個層級,用來表示節(jié)點的重要程度。這里的層級定義為傳感器節(jié)點到sink節(jié)點所經(jīng)過的跳數(shù)[5]。除此之外,還為每個節(jié)點的層級定義了老化時間,當節(jié)點層級的老化時間過期后,該節(jié)點淪為孤立節(jié)點,不與Sink節(jié)點連通;因此,節(jié)點的層級在老化時間過期前需要定期更新,才能與sink節(jié)點保持連通。

在LB-AGR路由協(xié)議中包括網(wǎng)絡初始化階段和傳輸數(shù)據(jù)階段。在傳輸數(shù)據(jù)之前,需要通過網(wǎng)絡初始化來得到拓撲中各個節(jié)點的位置和層級信息等。在網(wǎng)絡初始化過程中,sink節(jié)點向下游節(jié)點廣播發(fā)送控制報文。報文頭部包括層級字段、目的和發(fā)送節(jié)點ID字段、數(shù)據(jù)類型字段(control、data、ack)、數(shù)據(jù)流向字段、位置字段等,其中層級字段表示上一跳鄰居節(jié)點的層級信息,其值在網(wǎng)絡初始化過程中不斷更新。網(wǎng)絡初始化完成之后,各個傳感器節(jié)點通過偵聽和接收報文動態(tài)更新鄰居表信息。傳輸水下數(shù)據(jù)時,由源節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)報文到sink節(jié)點。中間節(jié)點(1)中間節(jié)點:源節(jié)點和sink節(jié)點之間負責轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)的傳感器節(jié)點。若偵聽到報文的接收節(jié)點為自己,并且該數(shù)據(jù)報文來自下游節(jié)點,便接收該報文。接收數(shù)據(jù)報文后進行更新鄰居表和報文頭部信息的操作,并根據(jù)上行路由機制在鄰居表中尋找最佳的下一跳轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點。否則只更新鄰居表不轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)報文。路由機制是根據(jù)節(jié)點的AP(2)AP:當前節(jié)點的剩余能量。、節(jié)點的密度(density)和節(jié)點的層級為鄰居表中的候選節(jié)點計算出一個期望值,期望值最高的節(jié)點作為作為最佳的下一跳節(jié)點,用來轉(zhuǎn)發(fā)報文[6]。將這個期望值稱為綜合轉(zhuǎn)發(fā)因子。為了增加整個UANs的壽命,LB-AGR路由協(xié)議優(yōu)先選擇AP較高的節(jié)點用來轉(zhuǎn)發(fā)報文,以應對不斷變化的網(wǎng)絡拓撲。不同的報文流向采用不同的路由機制。

在LB-AGR中,每個節(jié)點需要維護一張鄰居表,用來存儲鄰居節(jié)點信息,如表1所示,其中包括了各鄰居節(jié)點的地理位置信息、ID、層級信息、AP、老化時間等。鄰居表信息隨著網(wǎng)絡拓撲的變化而不斷更新[7]。

表1 鄰居信息表

3 路由協(xié)議實現(xiàn)

3.1 網(wǎng)絡初始化

在LB-AGR路由協(xié)議中,初始化除sink以外的節(jié)點層級為0xFF(255),sink節(jié)點的層級為0。sink節(jié)點定向泛洪控制報文到UANs中的所有節(jié)點。中間節(jié)點若偵聽到報文類型為“control”便進行接收。當報文中頭部的Lpre(3)Lcur:當前節(jié)點的層級。小于Lcur(4)Lpre:報文更新前頭部字段的層級信息,即上一跳鄰居節(jié)點的信息。時,則Lcur=Lpre+1,并將上一跳節(jié)點的ID、層級、AP信息等插入到自己的鄰居表中。隨后將報文頭部字段替換為自己的信息,進行轉(zhuǎn)發(fā)[8]。

當一個已取得自己層級并且層級信息未超過老化時間的中間節(jié)點接收到控制報文時,將提取報文頭部的Lpre和自己比較,如果Lcur較大,便將新的鄰居節(jié)點的信息更新到鄰居表,然后將Lpre+1變?yōu)樽约旱膶蛹墶２笪念^部字段替換為自己的信息,進行轉(zhuǎn)發(fā)[8]。

網(wǎng)絡初始化過程如圖2。

圖2 網(wǎng)絡初始化工作流程圖

3.2 傳輸數(shù)據(jù)

此時,整個UANs已完成了初始化,整個網(wǎng)絡處于正常運作狀態(tài),各個傳感器節(jié)點均獲得了自己的層級信息。源節(jié)點發(fā)送攜帶數(shù)據(jù)信息的報文至sink節(jié)點,各中間節(jié)點偵聽報文頭部信息,若報文的傳輸方向為上行且接收節(jié)點為自己,則進行接收并執(zhí)行圖4的上行流量(5)上行流量:由源節(jié)點發(fā)送,經(jīng)過層層轉(zhuǎn)發(fā),其目的為sink節(jié)點的數(shù)據(jù)。路由機制,層級為Lcur-1的節(jié)點均為候選節(jié)點。

為了最大程度地延長UANs的壽命并平衡節(jié)點能耗,LB-AGR路由協(xié)議傾向于選擇密度更高的節(jié)點作為候選節(jié)點,并綜合考慮了剩余能量等因素,以避免某些節(jié)點過多的消耗能量甚至用完。在協(xié)議中,為每個候選節(jié)點定義了一個轉(zhuǎn)發(fā)的期望值desired＿tmp,期望值最大的候選節(jié)點便用來轉(zhuǎn)發(fā)報文。

desired＿tmp=α1*density/∑i+α2*AP/APinit

(1)

數(shù)據(jù)傳輸過程如圖3。

圖3 傳輸水下數(shù)據(jù)工作流程圖

3.3 上行流量路由算法實現(xiàn)

中間節(jié)點接收到數(shù)據(jù)報文后,遍歷自己的鄰居表,首先判斷一跳鄰居節(jié)點中是否有sink節(jié)點,如果有,則把該鄰居節(jié)點當做下一跳轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點,進行轉(zhuǎn)發(fā);其次判斷兩跳鄰居節(jié)點中是否有sink節(jié)點,如果有則把第一跳鄰居節(jié)點當做下一跳轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點進行轉(zhuǎn)發(fā);如果鄰居表中沒有sink節(jié)點,則把鄰居表中層級為Lcur-1的鄰居節(jié)點作為候選節(jié)點,在其中挑選期望值最大的作為最佳下一跳進行轉(zhuǎn)發(fā),實現(xiàn)代碼如圖4。

圖4 上行流量路由實現(xiàn)代碼

4 仿真與結果分析

本文中,通過NS3仿真軟件對LB-AGR路由協(xié)議進行仿真,并和DBR協(xié)議和LEER協(xié)議進行性能對比。

4.1 構建仿真場景

將20、30、40、50、70個節(jié)點分別隨機布置在一個1500m×1500m×2500m的三維環(huán)境中。包的數(shù)據(jù)量為134字節(jié);設置節(jié)點的SetTxPowerDb(傳輸功率)值為-42.65,代表其傳輸范圍為1000m;初始化各節(jié)點的能量為1000焦耳,發(fā)送功率為0.1W,接收功率為0.05W,空閑功率為0.005W,休眠功率為0.0001W[9]。

在本文中,采用單位數(shù)據(jù)包能耗、端到端延時和數(shù)據(jù)報文的交付率三個指標來測試LB-AGR路由協(xié)議的性能。為了避免實驗數(shù)據(jù)的偶然性,每個節(jié)點數(shù)各做15組實驗,采取實驗數(shù)據(jù)的平均值。

4.2 性能分析

從圖5中可以看出,隨著節(jié)點數(shù)目的增多,LB-AGR路由協(xié)議的交付率穩(wěn)定在90.87%-94.30%,在節(jié)點數(shù)為30時達到最高值。這是因為節(jié)點數(shù)目越多,產(chǎn)生的沖突越多,對節(jié)點的收發(fā)造成了一定的干擾。在DBR協(xié)議中,隨著節(jié)點的增多,交付率由43.53%上升到了70.53%;在LEER協(xié)議中,節(jié)點的交付率穩(wěn)定在79.33%-82.33%之間。通過比較,LB-AGR路由協(xié)議在交付率方面更具有優(yōu)勢。

圖5 數(shù)據(jù)報文交付率對比

在圖6中,隨著節(jié)點數(shù)目的增多LB-AGR協(xié)議與DBR協(xié)議的端到端延遲均有一定程度的增大,但DBR協(xié)議的上升幅度更大,由4.82s上升到了5.57s。而LEER協(xié)議的平均端到端延時隨著節(jié)點的增多逐漸減少。通過比較,LB-AGR路由協(xié)議的端到端延時性能比DBR協(xié)議表現(xiàn)更好,相對于LEER協(xié)議稍有劣勢。

圖6 端到端延時對比

從圖7中可以看出,LB-AGR協(xié)議DBR協(xié)議和LEER協(xié)議的單位數(shù)據(jù)包所耗費的能量呈上升的趨勢,這是因為UANs中參與數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的節(jié)點,即數(shù)據(jù)報文經(jīng)過的跳數(shù)也在隨之增加。但通過比較,在LB-AGR協(xié)議中單位數(shù)據(jù)包的耗能上升趨勢最小。因此LB-AGR協(xié)議在單位數(shù)據(jù)包能耗方面的優(yōu)勢更加明顯。

圖7 單位數(shù)據(jù)包能耗對比

綜上,LB-AGR協(xié)議在數(shù)據(jù)報文的交付率和單位數(shù)據(jù)包能耗方面表現(xiàn)更好,而平均端到端延時性能優(yōu)于DBR協(xié)議,稍劣于LEER協(xié)議,后期有待改進。

5 結論

本文基于層級的概念,提出了一種水聲網(wǎng)絡單徑路由協(xié)議。所做的主要貢獻主要有如下三點[10]：

1)協(xié)議基于層級和地理位置的路由機制,空曠區(qū)域問題被有效的解決。

2)通過NS3進行了仿真,驗證了LB-AGR的高交付率與低耗能更能適應水下環(huán)境多變和供能有限的環(huán)境:交付率可達到94.37%;

端到端延時平均值為3.045s;單位數(shù)據(jù)包能耗為6.686J,明顯低于其它兩種協(xié)議。

3)該仿真工作將模擬真實的水下環(huán)境進行,對后期在水下環(huán)境的部署和測試提供了一定的數(shù)據(jù)參考。