王 飛， 王黎明， 韓 焱

(中北大學 信息探測與處理技術研究所，山西 太原 030051)

水下傳感器網(wǎng)絡中的多路徑路由技術研究*

王 飛， 王黎明， 韓 焱

(中北大學 信息探測與處理技術研究所，山西 太原 030051)

水下聲信道是一種復雜信道，由于各方面因素影響，在數(shù)據(jù)傳輸過程中，水下傳感器網(wǎng)絡數(shù)據(jù)鏈路層會有可能產生隨機中斷。研究了一種虛擬匯聚節(jié)點的多路徑水下傳感器網(wǎng)絡路由技術，在隨機布設的傳感器節(jié)點中選取了緩存節(jié)點，并創(chuàng)建了局部的匯聚節(jié)點，通過多路徑的路由技術，有效減少了網(wǎng)絡吞吐率受鏈路中斷的影響，并且避免了匯聚節(jié)點處的數(shù)據(jù)沖突。通過網(wǎng)絡的冗余性，增強了網(wǎng)絡穩(wěn)定性、魯棒性。

水下傳感器網(wǎng)絡； 虛擬匯聚節(jié)點； 多路徑路由； 緩存節(jié)點； 穩(wěn)定性

0 引 言

水下傳感器網(wǎng)絡所處環(huán)境十分惡劣，較長的信號傳播時延與復雜多變的信道，讓目前大部分情況下采用的單匯聚節(jié)點的單路徑路由技術承受了巨大壓力[1]。當信道受外部環(huán)境影響而變惡劣，普通節(jié)點與匯聚節(jié)點之間的數(shù)據(jù)鏈路質量降低，傳感器網(wǎng)絡將產生阻塞。為解決以上問題，本文研究了一種虛擬多路徑的傳感器路由技術，在網(wǎng)絡中分散布設了多個匯聚節(jié)點，增加了多條傳播路徑，提高數(shù)據(jù)在信道惡劣情況下的傳輸成功率，同時，避免了數(shù)據(jù)通過不同路徑到達同一匯聚節(jié)點時產生的競爭與沖突[2]。通過Matlab對多徑路由與單路徑路由背景下，在能量約束條件下的傳輸結果進行仿真，證明了在復雜水聲信道中，多徑路由技術的可用價值與應用優(yōu)勢。

1 基于虛擬多路徑的水下傳感器網(wǎng)絡結構

網(wǎng)絡結構通常是網(wǎng)絡健壯性、可靠性與低能耗的決定因素，當信道質量變差，數(shù)據(jù)傳輸受阻，網(wǎng)絡的冗余性可以保證網(wǎng)絡不受影響。

傳統(tǒng)多路徑網(wǎng)絡路由技術是指在普通節(jié)點到匯聚節(jié)點之間建立多條不同路徑，最終到達同一個匯聚節(jié)點。這種方式在一定程度上緩解了數(shù)據(jù)鏈路受信道影響而產生的網(wǎng)絡阻塞，但不同路徑的信號會有相互干擾現(xiàn)象，尤其在匯聚節(jié)點處會產生數(shù)據(jù)沖突，如果加入重發(fā)機制，這種沖突的幾率更大。本文研究的多路徑路由技術在網(wǎng)絡中布設了多個分散的匯聚節(jié)點，當節(jié)點傳輸數(shù)據(jù)時，同時向不同路徑發(fā)射信號，任何一條路徑的匯聚節(jié)點收到有效數(shù)據(jù)，本次數(shù)據(jù)傳輸成功。多個不同路徑的匯聚節(jié)點構成本文研究的虛擬匯聚節(jié)點,網(wǎng)絡結構如圖1所示。

圖1 基于虛擬匯聚節(jié)點的多路徑網(wǎng)絡結構圖Fig 1 Structure diagram of multipath network based on virtual sink nodes

虛擬匯聚節(jié)點的多路徑網(wǎng)絡結構有效地避免了不同路徑上信號間的沖突與干擾，同時，多路徑保證了數(shù)據(jù)傳輸成功率。但由于水下環(huán)境的復雜，信道質量惡劣導致鏈路層暫時中斷時刻未知，此時網(wǎng)絡通常多次對數(shù)據(jù)進行重發(fā)，直到鏈路恢復正常，數(shù)據(jù)成功傳輸為止。重發(fā)機制的引入雖然對網(wǎng)絡的可靠性有所加強，但是水下傳感器能量有限，多次重發(fā)時功耗最大。因此，本文將重發(fā)機制改為緩存機制，即在網(wǎng)絡中加入數(shù)據(jù)緩存節(jié)點，在信道質量惡劣時將數(shù)據(jù)在該節(jié)點緩存，而當鏈路通信恢復后，緩存節(jié)點將數(shù)據(jù)傳輸至匯聚節(jié)點。

緩存節(jié)點的布置既需要滿足網(wǎng)絡健壯性，也需要考慮網(wǎng)絡低功耗要求。除滿足網(wǎng)絡吞吐量的緩存節(jié)點，網(wǎng)絡中還需增加一定數(shù)量的備用緩存節(jié)點，提高網(wǎng)絡冗余性，滿足實時性要求較高的網(wǎng)絡需要。同時，緩存節(jié)點的布置要盡可能分散，避免緩存節(jié)點的擁擠造成能源分配不均，產生網(wǎng)絡“熱點”[3]。

針對以上問題，本文研究了在能量與可靠性約束條件下，將緩存發(fā)送機制代替重發(fā)機制的虛擬匯聚節(jié)點的多路徑路由技術，提出一種緩存節(jié)點的布置算法和方式，通過模擬與仿真水下傳感器網(wǎng)絡，對該路由技術進行了評價。

2 緩存節(jié)點的布置算法

節(jié)點能耗與距離呈正比，因此，通常選擇與節(jié)點最近的節(jié)點作為緩存節(jié)點，即可將監(jiān)測環(huán)境劃分成Voronoi圖，緩存節(jié)點作為每個Voronoi單元的中心。數(shù)據(jù)在Voronoi單元內經過幾個節(jié)點，通過緩存節(jié)點轉發(fā)到匯聚節(jié)點。假設一個Voronoi單元(用集合A表示)中心坐標為(xc,yc),數(shù)據(jù)經過A中節(jié)點傳輸?shù)骄彺婀?jié)點的路徑長度表示為

(1)

其中，N為節(jié)點總數(shù)，a為監(jiān)測區(qū)域半徑。節(jié)點在監(jiān)測區(qū)域內可以看作是均勻分布的，因此，節(jié)點的分布密度表示為式(1)中的N/πa2。

假設每個Voronoi空間大小相等，則每個空間的半徑可表示為

(2)

其中，i為緩存節(jié)點個數(shù)。根據(jù)式(1)、式(2)，得到每個單元內數(shù)據(jù)通過節(jié)點傳輸?shù)骄彺婀?jié)點的路徑為

E1=i(10lgS+αS×10-3).

(3)

上述得到了每個Voronoi單元內數(shù)據(jù)的傳輸路徑長度后，即可建立水下傳感器節(jié)點的能量消耗模型。水下的能量損耗主要是聲信號傳播損失與吸收損失[4]，其值可表示為

TL=10lgS+αS×10-3,

(4)

式中α為與聲信號頻率有關的吸收系數(shù)。因此，i個Voronoi單元，傳輸lbit的能耗可以表示為

E1=ilEelec+li(10lgS+αS×10-3).

(5)

其中,Eelec為傳感器節(jié)點電路能耗。另外，i個緩存節(jié)點接收數(shù)據(jù)的能耗表示為

E2=ilEelec.

(6)

這i個緩存節(jié)點將數(shù)據(jù)傳輸?shù)絊ink節(jié)點的能耗表示為

E3=l(10lg 2ai/3+α2ai/3×10-3).

(7)

整個監(jiān)測區(qū)域內傳輸lbit能耗值為

E=E1+E2+E3.

(8)

綜上所述，當E最小時，此時緩存節(jié)點的個數(shù)即為最優(yōu)解,其位置即為Voronoi單元的中心[5]。

3 多路徑路由機制模型

上述多路徑網(wǎng)絡結構中，數(shù)據(jù)在緩存節(jié)點成功完成n跳，到達匯聚節(jié)點。一個數(shù)據(jù)包在一個多徑路由中傳輸，在任一條j跳時失敗，概率為p(j)，這個概率是相互獨立的[6],則數(shù)據(jù)傳輸成功的概率分布函數(shù)可以表示為[7]

(9)

式中ti為數(shù)據(jù)在第一跳之后繼續(xù)傳輸?shù)奶鴶?shù)0≤ti≤n-1。根據(jù)上式，得到數(shù)據(jù)傳輸成功的概率為

(10)

在數(shù)據(jù)傳輸成功條件下，這一包數(shù)據(jù)的時延表示為

T=n(τb+τd).

(11)

其中,τb為數(shù)據(jù)傳輸時間，τd為數(shù)據(jù)傳播時間。

4 模擬與仿真

本文仿真了在監(jiān)測區(qū)域使用不同數(shù)量的緩存節(jié)點，研究了節(jié)點的能量消耗。如圖2，仿真在半徑1 000 m的圓形監(jiān)測區(qū)域內布置了5 000個節(jié)點。每個節(jié)點將數(shù)據(jù)傳輸?shù)礁髯訴oronoi單元中的緩存節(jié)點，最后緩存節(jié)點將數(shù)據(jù)壓縮，傳輸?shù)絊ink節(jié)點。

圖2 5 000個節(jié)點在半徑1 000 m監(jiān)測區(qū)域的均勻分布圖Fig 2 Uniform distribution diagram of 5 000 nodes in monitoring area (R=1 000 m)

在上述給定的監(jiān)測環(huán)境，圖3(a)仿真模擬出在M=4時(M即為多路徑機制的路徑數(shù)量)，n=5,10,15時(n為每一個數(shù)據(jù)包從緩存節(jié)點到達虛擬匯聚節(jié)點的跳數(shù))，單路徑與多路徑在信道質量變化條件下傳輸數(shù)據(jù)的成功率比較；圖3(b)給定n=10，在M=4,5,6時，比較了在信道變化時，多路徑路由機制與單路徑路由機制數(shù)據(jù)包傳輸成功率。

圖3 多路徑與單路徑路由機制信道質量與數(shù)據(jù)傳輸成功關系圖Fig 3 Relationship of successful probability of data transmission and channel quality between multipath and single-path routing mechanism

圖4模擬對應圖3背景下的單路徑路由機制相對于多路徑路由機制的多余時延。

在模擬中，為了保證兩種路由機制能量消耗相同，使單路徑路由機制中的重發(fā)次數(shù)與多路徑路由中的所有路徑中的數(shù)據(jù)總發(fā)送次數(shù)相等。

從圖3中可以看出:在信道質量較好的時候，單路徑路由機制明顯優(yōu)于多路徑下的的數(shù)據(jù)傳輸成功率。而在信道質量變差的時候，單路徑路由機制性能急劇變差，而多路徑下的路由機制性能變化較為平緩，并且明顯優(yōu)于前者。在惡劣的水下信道中，多徑路由技術在大多數(shù)情況下性能更加可靠。

從圖4(a)圖中可以看出:單路徑路由機制總是會產生比多路徑路由機制下有更多的時延值。尤其是在信道質量較好的情況下，亦即單路徑路由機制用較大時延保證了網(wǎng)絡的穩(wěn)定。從圖3與圖4(b)圖中可以看出:隨著路徑數(shù)量增長，多路徑路由的穩(wěn)定性下降很快，但是，此時對應的單路徑路由的時延隨著路徑數(shù)量增大，說明雖然穩(wěn)定性下降，但是多路徑路由機制的網(wǎng)絡時延比單路徑下的更小。

圖4 單路徑路由機制相對多路徑路由機制的時延消耗Fig 4 Time delay between single-path and multipath routing mechanism

5 結 論

本文研究的多路徑水下傳感器網(wǎng)絡路由技術，通過數(shù)值模擬仿真，證明了該技術在惡劣的水下信道中有較強的實用性，在未來對海洋探測等應用研究中有很強的工程意義與深遠的應用前景。

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Research on multipath routing technology of underwater sensor networks*

WANG Fei, WANG Li-ming, HAN Yan

(Institute of Signal Capturing & Processing Technology,North University of China,Taiyuan 030051,China)

Underwater acoustic channel is a complex channel,due to effect of various factors,data link layer of underwater sensor networks(UWSNs)would be broken off randomly.Research a multipath routing technology of UWSNs based on virtual sink node,and some cache nodes is selected from randomly distributed nodes,and local sink nodes are created.By multipath routing technology,effect of data link interrupt on networks throughout is reduced effectively,and conflicts in sink nodes can be avoided.The stability and robustness of networks is enhanced by network redundancy.

underwater sensor networks(UWSNs); virtual sink node; multipath routing; cache node; stability

10.13873/J.1000—9787(2014)12—0024—03

2014—09—17

國家自然科學基金資助項目(61171179，61227003，61301259)；山西省自然科學基金資助項目(2012021011—2)；高等學校博士學科點專項科研基金資助項目(20121420110006)；山西省回國留學人員科研資助項目(2013—083)；山西省高等學校優(yōu)秀創(chuàng)新團隊支持計劃資助項目

TN 929

A

1000—9787(2014)12—0024—03

王 飛(1987-)，男，山西太原人，博士研究生,從事信號處理、水聲通信網(wǎng)絡研究工作。