水下無線傳感器網絡自適應錐體矢量路由協議

劉 淳,王 敏,2*

(1.云南師范大學 信息學院,云南 昆明 650500;2.云南師范大學 民族教育信息化教育部重點實驗室,云南 昆明 650500)

0 引言

水聲傳感器網絡(Underwater Acoustic Wireless Sensor Networks,UWSNs)是一種用于實現水下信息收集和數據傳輸的技術[1],在海洋探索、環境監測等領域中發揮著重要作用[2]。然而,UWSNs面臨著多種困難。如多徑效應造成信號衰減,影響到信號質量;水流導致節點移動,增加維持穩定通信的復雜性;節點依賴電池供電,能源管理成為網絡長期運行的關鍵。因此,提高UWSNs數據傳輸的可靠性和效率性成為本文研究的主要動機。

VBF在規劃路由路徑和可擴展性方面表現出色[3],但由于固定的管道設計,使得其在高動態水下環境中的適應性和能效仍存在局限。Nicolaou等[4]提出的HH-VBF(Hop-by-Hop Vector-Based Forwarding),通過每跳創建虛擬管道,為每個轉發節點使用單獨的矢量,克服了VBF對管道半徑閾值敏感的問題。但在節點密集情況下,HH-VBF由于恒定的管道半徑,導致出現重復數據包和增加能耗問題。Yu等[5]提出的自適應逐跳向量轉發協議AHH-VBF,通過動態調整管道半徑和傳輸功率,降低了網絡能耗,并改進包的持有時間,降低了傳播延遲。但是,AHH-VBF在密集環境中產生大量重復數據包,并且在稀疏環境中傳輸連續性和可靠性存在不穩定。Khan等[6]提出的自適應逐跳錐形向量轉發協議AHHC-VBF,通過構建錐形轉發結構,根據節點的分布自適應調整錐形的高度和開口,減少網絡中的冗余包數量。但AHHC-VBF在稀疏網絡環境下會面臨著下一跳轉發節點的傳輸距離范圍之內沒有符合轉發的空洞情況。

本文提出自適應錐體矢量路由協議(Adaptive Cone Vector Routing Protocol,ACVRP),在VBF的管道中引入錐體候選區域,根據節點密度來自適應調整錐體區域大小和方向,減少冗余分組的傳輸,避免空洞情況。在選擇候選節點中,優先選擇剩余能量高和距離較遠的節點作為下一跳,以提高投遞率,減少傳輸跳數。

1 自適應錐體矢量(ACVRP)路由協議

1.1 ACVRP設計思想

為了減少網絡中冗余數據包的轉發,降低網絡整體能耗以及保證數據投遞率的同時避免出現空洞,ACVRP采用動態錐體區域作為下一跳候選區域,如圖1所示。ACVRP根據區域中節點的密度自適應調整錐體的方向和大小;為減少發送方到Sink節點傳輸的總跳數,實現降低能耗和減少傳輸時延的目的,ACVRP通過綜合考慮節點的剩余能量、區域內鄰居節點到錐體頂角節點的距離和鄰居節點到錐體中軸線的距離3個因素,來確定下一跳節點轉發的優先級。

圖1 ACVRP模型

1.2 基于密度的自適應錐體候選區域劃分

1.2.1 錐體區域內鄰居節點數量計算

錐體區域內節點應同時位于錐體區域和管道區域內,即:(1)錐體頂點到鄰居節點的向量與錐體中軸線的夾角小于或等于錐體頂角的一半;(2)鄰居節點到管道中軸線的距離小于或等于管道寬度的一半。具體如下。

同時滿足以上2點,即可計入錐體候選區域內的節點數N。

1.2.2 錐體內節點密度計算

錐體內節點密度Ddensity為:

(1)

1.2.3 錐體區域動態調整設計

初始化錐體頂角θi=60°,其母線長為傳輸半徑R。為確定錐體方向的調整,將節點的上半球形傳輸區域劃分為左右2個半區,計算并比較2個半區的密度大小,若Leftdensity≥Rightdensity,則錐體方向逆時針旋轉α°;若Leftdensity

錐體方向確定后,調整錐體大小以滿足角度閾值Tangel。將當前錐體區域內的密度Ddensity與角度閾值Tangel進行比較,來決定增加還是減小錐體頂角θ,最終調整方向和大小后的錐體區域見圖1中陰影錐形部分。

錐體頂角θ調整設定如下。

當網絡密度Ddensity>Tangel時,錐體頂角θ應減小,即:

θ=θinitial×(1-k×(Ddensity-Tangel))

(2)

當網絡密度Ddensity≤Tangel時,錐體頂角θ應增大,即:

θ=θinitial×(1+k×(Tangel-Ddensity))

(3)

其中,k是一個調整系數,用于確定錐體內節點的密度變化對θ的影響程度。

1.3 下一跳節點的優先級設計

綜合考慮3個屬性來設置節點的轉發優先級。

Ej:鄰居節點j的剩余能量,剩余能量越大,優先級越高;

Sij:鄰居節點到該節點的距離,距離短的跳數更少;

Sic:鄰居節點到錐體中軸線的距離,距離短傳輸更加集。

綜上,對于鄰居節點的HoldingTime設計如式(4):

(4)

其中,Emax表示節點的初始能量;α、β、γ是調整因素的權重。

2 性能評估

為評估ACVRP,采用了仿真實驗方法。使用NS-3仿真平臺和Aqua-Sim NG軟件比較ACVRP與VBF、AHH-VBF及AHHC-VBF的投遞率、平均能耗和傳輸時延[7-8]。

如圖2所示,顯示了ACVRP與VBF、AHH-VBF及AHHC-VBF在100—1000個節點數下的包投遞率。ACVRP和AHHC-VBF具有較高的投遞率,ACVRP在節點規模達到300之后投遞率基本穩定在0.95左右。在不同網絡規模下,ACVRP的平均投遞率與VBF、AHH-VBF和AHHC-VBF相比分別提高48.4%、18.7%和2.1%。

圖2 不同規模下的投遞率

在平均能耗方面,如圖3所示,由于ACVRP和AHHC-VBF使用范圍更小的錐形作為候選區域,進一步減少了冗余通信,所以能耗相比最低。在不同網絡節點規模下,ACVRP的平均能耗與VBF、AHH-VBF和AHHC-VBF相比分別降低76.88%、43.25%和7.71%。

圖3 不同規模下的平均能耗

如圖4所示,ACVRP、AHH-VBF和AHHC-VBF相較于VBF表現出較好的延遲性能。在不同網絡規模下,ACVRP的傳輸時延與VBF、AHH-VBF和AHHC-VBF相比分別降低40.91%、14.18%和7.79%。ACVRP通過自適應調整數據傳輸路徑,減少了傳輸跳數,從而降低了傳輸時延。

圖4 不同規模下的傳輸時延

綜上所述,ACVRP在投遞率、平均能耗和傳輸時延方面均優于VBF及其典型的改進協議,說明ACVRP能夠更好地適應UWSNs中大規模動態性的特點。

3 結語

本文針對UWSNs的高動態性提出自適應錐體矢量(ACVRP)路由協議。采用錐體候選區域,根據節點的密度進行動態調整錐體區域的方向和大小,保證足夠的候選節點,減少冗余分組的傳輸,降低總體能耗。此外,綜合考慮鄰居節點的剩余能量、鄰居節點到錐體中軸線的距離以及鄰居節點到當前節點的距離,設置下一跳節點的轉發優先級,提高包投遞率的同時,減少傳輸跳數,降低傳輸時延,提高網絡的整體能效。仿真實驗結果顯示,與VBF、AHH-VBF以及AHHC-VBF相比,ACVRP在數據包投遞率、能效和端到端延遲方面均表現出較好的性能。未來工作將專注于進一步優化ACVRP的算法性能,以提高其在不同網絡規模和復雜水域環境中的適應性和穩定性。此外,考慮在實際水下環境中對協議進行進一步的測試和優化。