石亞男，劉廣鐘

（上海海事大學(xué) 信息工程學(xué)院，上海 201306）

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由密集型、低成本、隨機(jī)分布的集成有傳感器、數(shù)據(jù)處理單元和短程無線通信模塊的微小節(jié)點(diǎn)通過自組織方式構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)[1]。借助節(jié)點(diǎn)中內(nèi)置、形式多樣的傳感器可以實(shí)現(xiàn)對生活環(huán)境全方位地監(jiān)測與控制，這也是下一代互聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)景規(guī)劃中較為重要的組成部分。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的自組織性和密集節(jié)點(diǎn)提供的容錯能力，使其不會因?yàn)槟承┕?jié)點(diǎn)的異常而導(dǎo)致整個系統(tǒng)的崩潰，非常適合在特殊時刻、特殊環(huán)境中快速構(gòu)建信息基礎(chǔ)設(shè)施，因此有廣闊的應(yīng)用前景[2-3]。

水聲傳感器網(wǎng)絡(luò)是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在水下一個重要應(yīng)用[4]。水聲傳感器網(wǎng)絡(luò)是指將耗能低、具有一定通信距離的水下傳感器節(jié)點(diǎn)部署到指定海域中，利用節(jié)點(diǎn)的自組織能力自動建立起網(wǎng)絡(luò)[5]。水下傳感器網(wǎng)絡(luò)在海洋管理、資源保護(hù)、災(zāi)害監(jiān)測、海洋工程、海上生產(chǎn)作業(yè)和海洋軍事活動中起到促進(jìn)作用，因此近年來在世界上得到了廣泛關(guān)注。

由于水聲傳感器網(wǎng)絡(luò)采用水聲信道通信，它與傳統(tǒng)的陸上傳感器網(wǎng)絡(luò)相比存在路徑失效、噪聲、多途干擾、傳輸延時和多普勒效應(yīng)等一系列問題。此外，由于在水聲環(huán)境中節(jié)點(diǎn)的位置會不停地移動以及在水聲環(huán)境中節(jié)點(diǎn)不便于更換，因此節(jié)點(diǎn)部署、定位和低功耗設(shè)計等問題是水聲傳感器網(wǎng)絡(luò)研究的熱點(diǎn)問題。現(xiàn)存的陸上傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議不能直接應(yīng)用到水下傳感器網(wǎng)絡(luò)中，需要找到針對水聲通信特點(diǎn)的有效而又可行的路由協(xié)議。

DBR（Depth Based Routing）[6]協(xié)議是水下傳感器網(wǎng)絡(luò)中的一個基于深度信息的路由協(xié)議，網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)的決定都取決于節(jié)點(diǎn)的深度信息。相對于其他基于地理位置信息的水下傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議，DBR不需要知道節(jié)點(diǎn)三維位置信息，只需要知道節(jié)點(diǎn)的局部深度信息。同時，DBR采用的是多Sink節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，繼承了此網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的特點(diǎn)并且未帶來額外的網(wǎng)絡(luò)成本。但是它采用洪泛傳播機(jī)制，多次計算深度信息會消耗網(wǎng)絡(luò)能耗；其次，DBR中如果節(jié)點(diǎn)之間的密度太小，可能出現(xiàn)路由空洞等問題。

本文主要在DBR協(xié)議的基礎(chǔ)上展開研究，提出一種基于局部更新策略的協(xié)議改進(jìn)機(jī)制，并通過實(shí)驗(yàn)證明了采用局部更新策略可以大大降低整個傳感器網(wǎng)絡(luò)的能量消耗。

1 DBR簡介

DBR采用的是多Sink節(jié)點(diǎn)水下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)[7]，它由水面上的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和水下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)兩部分組成，二者結(jié)合為一個整體網(wǎng)絡(luò)。

DBR采用貪婪轉(zhuǎn)發(fā)策略將數(shù)據(jù)包發(fā)送給水面的Sink節(jié)點(diǎn)[8]。DBR每次轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)時試圖選擇離目的節(jié)點(diǎn)最近的節(jié)點(diǎn)，即深度最小的節(jié)點(diǎn)為下一跳轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)；同時防止其他鄰節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)同樣的數(shù)據(jù)包來減小能耗。在整個過程中，數(shù)據(jù)包越接近目的節(jié)點(diǎn)，轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)的深度越小。在空洞不存在的情況下，如果減小每一跳轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)的深度，數(shù)據(jù)包可以到達(dá)水面Sink節(jié)點(diǎn)。當(dāng)某個節(jié)點(diǎn)有數(shù)據(jù)要發(fā)送時，簡單地通過廣播洪泛的形式將數(shù)據(jù)發(fā)送出去。其他節(jié)點(diǎn)收到數(shù)據(jù)之后，借助于深度傳感器來計算自身的深度信息并且與發(fā)送節(jié)點(diǎn)的深度作比較。如果其深度小于發(fā)送節(jié)點(diǎn)的深度，則具有轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)的資格，然后它將對收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的處理，并同樣通過廣播形式將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)出去，否則將簡單丟棄數(shù)據(jù)包。

DBR在能量控制方面主要存在以下缺陷：(1)在DBR中，所有的節(jié)點(diǎn)都要時刻保持工作狀態(tài)，隨時準(zhǔn)備好接收數(shù)據(jù)包并且做出相應(yīng)的處理工作，在節(jié)點(diǎn)密度較大的情況下，這使得能量白白消耗，縮短了網(wǎng)絡(luò)的生存周期；(2)數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)采用的是洪泛機(jī)制，如果每個節(jié)點(diǎn)都參與數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)，將增加網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜度，產(chǎn)生大量的冗余數(shù)據(jù)，導(dǎo)致過多的節(jié)點(diǎn)能量消耗，并且降低了網(wǎng)絡(luò)的寬帶利用率。同時，所有接到數(shù)據(jù)包的節(jié)點(diǎn)每次都計算自己的深度信息，同樣耗能。

2 引入局部更新后的改進(jìn)算法

在傳統(tǒng)的DBR協(xié)議傳感器網(wǎng)絡(luò)中，滿足深度小于當(dāng)前節(jié)點(diǎn)條件的鄰居節(jié)點(diǎn)都會參與到數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā)工作中，這不可避免地造成多個節(jié)點(diǎn)同時轉(zhuǎn)發(fā)相同數(shù)據(jù)包，造成數(shù)據(jù)冗余和能耗。本文針對DBR協(xié)議提出一種局部更新策略來減少DBR的能量消耗。

2.1 網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)

基于局部更新策略的DBR改進(jìn)機(jī)制采用多Sink節(jié)點(diǎn)體系結(jié)構(gòu)，如圖1所示。水面上的為Sink節(jié)點(diǎn)，水下的為一般的傳感器節(jié)點(diǎn)，以三維立體結(jié)構(gòu)部署在需要監(jiān)測的區(qū)域內(nèi)。Sink節(jié)點(diǎn)彼此之間采用RF調(diào)制解調(diào)器通信，包括將數(shù)據(jù)傳到基站；同時，應(yīng)用水聲調(diào)制解調(diào)器將接收到的水下節(jié)點(diǎn)的信息傳送至基站。每個水下節(jié)點(diǎn)都配備深度傳感器，可以隨時確定自己的深度信息。水下節(jié)點(diǎn)主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的采集，同時通過多次轉(zhuǎn)發(fā)最終將數(shù)據(jù)傳送至海面上任意一個Sink節(jié)點(diǎn)即可。通過RF調(diào)制解調(diào)器，Sink節(jié)點(diǎn)可以高速、準(zhǔn)確地將數(shù)據(jù)包傳送給靠近基站的Sink節(jié)點(diǎn)，最終成功將數(shù)據(jù)傳至基站。本文中設(shè)定將數(shù)據(jù)傳至任意一個Sink節(jié)點(diǎn)即認(rèn)為數(shù)據(jù)成功到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)。

圖1 水下傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)示意圖

2.2 改進(jìn)算法工作機(jī)制

在網(wǎng)絡(luò)部署初期，初始節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)時，通過簡單的洪泛廣播來轉(zhuǎn)發(fā)，所有節(jié)點(diǎn)深度比它小的節(jié)點(diǎn)可以進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，并且通知前一節(jié)點(diǎn)自己進(jìn)行了轉(zhuǎn)發(fā)；上一級節(jié)點(diǎn)將返回的信息存儲在一個消息隊列中，每隔一段時間t處理一次，具體為隨機(jī)選取隊列中的部分節(jié)點(diǎn)并發(fā)送關(guān)閉消息來使其關(guān)閉休眠，其余節(jié)點(diǎn)繼續(xù)參與整個網(wǎng)絡(luò)的轉(zhuǎn)發(fā)工作。這樣，在經(jīng)過幾輪的轉(zhuǎn)發(fā)過程之后，網(wǎng)絡(luò)中會有相當(dāng)一部分節(jié)點(diǎn)處在睡眠狀態(tài)，整個網(wǎng)絡(luò)的能量消耗減少。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中的某一節(jié)點(diǎn)能量快要耗盡時，它將發(fā)送警告信息通知它的上一跳節(jié)點(diǎn)，上一跳節(jié)點(diǎn)將會洪泛一個消息喚醒它睡眠的鄰居節(jié)點(diǎn)再次參與到網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳送工作中來。節(jié)點(diǎn)處理數(shù)據(jù)具體流程如圖2所示。

對于水下網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)而言，可以大致分為3類，如圖3所示。圖中實(shí)線表示傳送數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)路徑，虛線為返回上級信息包路徑。源節(jié)點(diǎn)向外洪泛數(shù)據(jù)包后，只有深度比該節(jié)點(diǎn)小的鄰居節(jié)點(diǎn)會將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)出去并向上級發(fā)送確認(rèn)信息；而源節(jié)點(diǎn)處理消息隊列后隨機(jī)產(chǎn)生的睡眠節(jié)點(diǎn)將不再參與此次數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā)工作。

由于水下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)處在水聲環(huán)境中，因此每個節(jié)點(diǎn)的位置不是固定不變的。因?yàn)楸疚牡乃惴〞P(guān)閉部分節(jié)點(diǎn)來達(dá)到節(jié)能的目的，所以不可避免地會遇到路由空洞的問題。在此提出一個解決方法：由于存在多個節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，當(dāng)某一節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)無法再轉(zhuǎn)發(fā)出去時不能說明整個網(wǎng)絡(luò)環(huán)境一定存在路由空洞。解決思路為：將數(shù)據(jù)包回退至第一個轉(zhuǎn)發(fā)超過2個節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)，并保留一段時間t，如在時間t內(nèi)沒有接收到另外幾路分支的回退數(shù)據(jù)，則說明其中有一條分支是可以走通，將空洞分支中的所有節(jié)點(diǎn)關(guān)閉并將回退數(shù)據(jù)舍棄；如果同樣收到其余分支的回退數(shù)據(jù)，說明此節(jié)點(diǎn)不通，將所有下游節(jié)點(diǎn)全部關(guān)閉并將數(shù)據(jù)回退到上一節(jié)點(diǎn)再繼續(xù)檢測，依次往復(fù)。如果數(shù)據(jù)回退到最下層節(jié)點(diǎn)，則說明整個水下傳感器網(wǎng)絡(luò)存在路由空洞，這時可以簡單地洪泛一條消息來將所有節(jié)點(diǎn)喚醒，并開始重新生成優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)。

圖2 節(jié)點(diǎn)處理數(shù)據(jù)流程示意圖

圖3 節(jié)點(diǎn)傳輸圖

3 仿真結(jié)果

本文采用MATLAB來仿真分析傳統(tǒng)DBR路由協(xié)議和基于局部更新的改進(jìn)后協(xié)議的性能，通過在相同環(huán)境下比較二者性能來驗(yàn)證改進(jìn)算法的有效性，重點(diǎn)觀察整個網(wǎng)絡(luò)在正常工作一段時間后，整個網(wǎng)絡(luò)中的傳感器的平均剩余能量。

節(jié)點(diǎn)隨機(jī)部署在500 m×500 m×500 m的三維區(qū)域中，水面Sink節(jié)點(diǎn)數(shù)量為5，假設(shè)節(jié)點(diǎn)在所有場景中都是靜止的，MAC層采用802.11算法，信道帶寬設(shè)為1 Mb/s，數(shù)據(jù)分組的大小為4 KB，節(jié)點(diǎn)的初始能量為 1 000 J，傳送和接收數(shù)據(jù)分組消耗1 J。

能耗比較示意圖如圖4所示?？梢钥闯觯S著節(jié)點(diǎn)數(shù)目的增多，由于采用了局部更新算法，非必要傳輸節(jié)點(diǎn)會關(guān)閉節(jié)點(diǎn)以減小能耗，改進(jìn)DBR算法平均耗能明顯小于傳統(tǒng)DBR。

傳輸率比較示意圖如圖5所示。隨著網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)數(shù)量的增加，出現(xiàn)路由空洞機(jī)率減小，改進(jìn)前DBR與改進(jìn)后協(xié)議的傳輸正確率均有提高；而在相同情況下，改進(jìn)后協(xié)議比傳統(tǒng)DBR有明顯優(yōu)勢。

圖4 能耗示意圖

圖5 傳輸率比較圖

本文研究了一個基于深度信息的路由協(xié)議DBR，在此基礎(chǔ)上提出了一個新的局部更新策略，并將兩者結(jié)合運(yùn)用于水聲傳感器網(wǎng)絡(luò)。實(shí)驗(yàn)表明，改進(jìn)后的算法大大降低了整個網(wǎng)絡(luò)的能量消耗，并且提高了傳輸率，達(dá)到了比較良好的性能。

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