孫桂芝， 謝玉鵬， 祁紅巖， 訾 鴻

(1．黑龍江科技大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院，哈爾濱150022;2．黑龍江科技大學(xué) 電氣與控制工程學(xué)院，哈爾濱150022)

0 引 言

水聲傳感器網(wǎng)絡(luò)是用水下聲波作為信息載體的無(wú)線自組網(wǎng)絡(luò)。它是海洋探索、開(kāi)發(fā)和利用的理想系統(tǒng)，目前，已成為信息領(lǐng)域的一個(gè)研究熱點(diǎn)［1－4］。水下聲信道的特殊性以及水聲傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)備能源的有限性，提高水聲傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)備的能源利用率顯得尤為重要。因此，節(jié)約能耗和提高能源利用率，延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)“壽命”是水聲傳感器網(wǎng)絡(luò)研究的關(guān)鍵問(wèn)題之一［5－9］。

關(guān)于水下傳感器網(wǎng)絡(luò)路由算法，文獻(xiàn)［4］提出了一種基于位置的轉(zhuǎn)發(fā)算法PBF。該協(xié)議選擇轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)的準(zhǔn)則是離目的節(jié)點(diǎn)距離較近的節(jié)點(diǎn)將轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包。文獻(xiàn)［5］指出節(jié)點(diǎn)的位置不同，能量消耗也不同，離目標(biāo)節(jié)點(diǎn)越近的節(jié)點(diǎn)比遠(yuǎn)離目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)越先死亡。但它們?nèi)源嬖诓蛔?PBF 算法在選擇轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)時(shí)，僅僅考慮節(jié)點(diǎn)的位置，但對(duì)節(jié)點(diǎn)的剩余能量考慮不夠;文獻(xiàn)［5］的混合傳輸機(jī)制，是通過(guò)概率來(lái)決定在每次傳輸時(shí)采用的具體傳輸形式，但確定這個(gè)概率有些困難。

為了防止節(jié)點(diǎn)過(guò)早消耗掉能量而死亡，縮短網(wǎng)絡(luò)的生存期，筆者在文獻(xiàn)［4］和［5］的基礎(chǔ)上，采用直接傳輸和多跳傳輸?shù)幕旌蟼鬏敊C(jī)制，提出一個(gè)能量高效的轉(zhuǎn)發(fā)算法PEF(position － energy forwarding)。

1 節(jié)點(diǎn)的能量消耗

文中的研究基于以下假設(shè):

(1)水聲傳感器網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)二維網(wǎng)絡(luò);

(2)除基站之外，所有節(jié)點(diǎn)的屬性相同;

(3)網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)均是靜止的;

(4)每個(gè)節(jié)點(diǎn)均能感知自己的位置信息，并且相鄰節(jié)點(diǎn)之間可以互換彼此的位置信息;

(5)每個(gè)節(jié)點(diǎn)均能感知自己的剩余能量狀況。

采用多跳的路由機(jī)制，假設(shè)傳感器節(jié)點(diǎn)覆蓋的范圍為一個(gè)圓，如圖1 所示。以距離r 把圓劃分成m 個(gè)不同的環(huán)，第i 個(gè)環(huán)記為Ci，則Ci內(nèi)的節(jié)點(diǎn)數(shù)ni為:

式中，d——收發(fā)結(jié)點(diǎn)之間的距離。

圖1 網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍劃分的示意Fig．1 Network’s coverage area dividing schematic diagram

式中，d——收發(fā)結(jié)點(diǎn)之間的距離。由于{Ci|i≠m}中的節(jié)點(diǎn)不僅要傳送自己的數(shù)據(jù)，而且還要轉(zhuǎn)發(fā)來(lái)自環(huán){Cj|(i+1)≤j≤m}中的數(shù)據(jù)，因此，它的能耗相對(duì)較高?？梢?jiàn)，不同環(huán)中的節(jié)點(diǎn)能耗是不同的，離基站較近的環(huán)中的節(jié)點(diǎn)能耗要高于離基站較遠(yuǎn)的環(huán)中的節(jié)點(diǎn)能耗［5］。{Ci|i≠m}中的節(jié)點(diǎn)消耗的總能量Ei是:

式中:etx——發(fā)送結(jié)點(diǎn)消耗的能量;

erx——接收結(jié)點(diǎn)消耗的能量。

由式(2)可知，最內(nèi)環(huán)的節(jié)點(diǎn)消耗能量最多?？紤]當(dāng)1≤i≤m－1 時(shí)，Ei的值為

假設(shè)同一個(gè)環(huán)內(nèi)的每個(gè)節(jié)點(diǎn)消耗的能量是相同的，所以環(huán)Ci中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)能耗ei為

因此，在確定節(jié)點(diǎn)的最大轉(zhuǎn)發(fā)延遲時(shí)間時(shí)，要考慮節(jié)點(diǎn)所處的位置，而不是確定為一個(gè)相同時(shí)間。由于離基站越近節(jié)點(diǎn)消耗的能量越多，定義環(huán)Ci中節(jié)點(diǎn)的最大轉(zhuǎn)發(fā)延遲時(shí)間為

式中:Tmax1——環(huán)C1中節(jié)點(diǎn)預(yù)先定義的最大轉(zhuǎn)發(fā)延遲時(shí)間;

e1——環(huán)C1中節(jié)點(diǎn)的平均能耗;

ei——環(huán)Ci中節(jié)點(diǎn)的平均能耗;

Tmaxi——環(huán)Ci中節(jié)點(diǎn)的最大轉(zhuǎn)發(fā)延遲時(shí)間。

2 節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)發(fā)延時(shí)

為了確定節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)發(fā)延時(shí)，定義節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)發(fā)因子，如圖2 所示。D 為基站，A 為當(dāng)前節(jié)點(diǎn)，B 為節(jié)點(diǎn)A 的鄰節(jié)點(diǎn)。相對(duì)于節(jié)點(diǎn)A，B 的轉(zhuǎn)發(fā)因子α 定義為

式中:θ——矢量AD 與矢量AB 的夾角;

R——節(jié)點(diǎn)的發(fā)射半徑;

E0——節(jié)點(diǎn)B 的初始能量;

E——節(jié)點(diǎn)B 的剩余能量;

β——一個(gè)待定系數(shù)，其取值完全取決于具體應(yīng)用。

為了不增大α 的數(shù)值范圍，在兩個(gè)分項(xiàng)中分別乘上系數(shù)β 和1 －β。若取β =0.5，由式(6)可知，α的取值范圍為［0，1.5］。

圖2 PEF 算法轉(zhuǎn)發(fā)因子示意Fig．2 PEF protocol forwarding factor schematic diagram

基于這個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)因子α，每個(gè)滿足條件的節(jié)點(diǎn)延遲轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包的時(shí)間ti:

式中:tmaxi——環(huán)Ci中節(jié)點(diǎn)的最大轉(zhuǎn)發(fā)延時(shí);

v——水中聲的傳播速率。

由式(7)可知，節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)發(fā)延時(shí)共有兩部分組成，其中第一部分為節(jié)點(diǎn)基于α 的等待時(shí)間;第二部分為當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的所有鄰近節(jié)點(diǎn)必須等待的額外時(shí)間。

3 性能仿真與分析

在網(wǎng)絡(luò)仿真平臺(tái)NS2 上分析PEF 和PBF 算法的性能，比較其不同的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)，分析PEF 與PBF的性能，如網(wǎng)絡(luò)生存期和傳輸時(shí)延。

3.1 性能參數(shù)與仿真方法

3.1.1 性能參數(shù)

定義兩個(gè)性能參數(shù)來(lái)量化PEF 算法的性能:平均時(shí)延和網(wǎng)絡(luò)生存期。

平均傳輸時(shí)延是指基站收到數(shù)據(jù)包的平均延時(shí)。網(wǎng)絡(luò)生存期是指從網(wǎng)絡(luò)開(kāi)始發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)刻起到出現(xiàn)死亡節(jié)點(diǎn)時(shí)刻為止的這段時(shí)間。目前，網(wǎng)絡(luò)生存期的概念還沒(méi)有一個(gè)準(zhǔn)確的定義，這里只是粗略地給出一個(gè)定義。

3.1.2 仿真方法

在仿真中，傳感器節(jié)點(diǎn)均勻布放在100 km ×100 km 的空間內(nèi)，節(jié)點(diǎn)數(shù)量為500～3 000 個(gè)，MAC層采用簡(jiǎn)單的CSMA 協(xié)議，聲在水中的傳播速率為1 500 m/s，數(shù)據(jù)傳送的目的地為基站sink 節(jié)點(diǎn)。每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)初始能量為2 000 J，頻率f 為20 kHz，接收功率為1 ×10－4J/b，發(fā)射功率為1 ×10－3J/b，節(jié)點(diǎn)單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)包為100 b，取λ =0.5，r=1 000 m。

3.2 仿真結(jié)果

圖3 顯示了PEF 與PBF 算法傳輸延時(shí)與節(jié)點(diǎn)密度之間的關(guān)系。在網(wǎng)絡(luò)生存期內(nèi)PEF 的端到端延時(shí)并不高于PBF，而是較PBF 低，這是因?yàn)镻EF算法會(huì)根據(jù)節(jié)點(diǎn)所處的位置及剩余能量來(lái)決定轉(zhuǎn)發(fā)延遲時(shí)間。如果節(jié)點(diǎn)的位置較佳，剩余能量也較多，那么它的延遲轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)間會(huì)很短，而在PBF 算法中可能會(huì)采用一個(gè)較大的轉(zhuǎn)發(fā)延遲時(shí)間。圖4 顯示了PEF 與PBF 算法網(wǎng)路生存期與網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)密度的關(guān)系曲線。隨著網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)的增加，PEF 算法的網(wǎng)絡(luò)生存期明顯大于PBF 的生存期，這主要是由于PEF總是盡量選擇相同環(huán)內(nèi)剩余能量較多而且節(jié)點(diǎn)位置也較佳的節(jié)點(diǎn)作為轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)。這樣能均衡環(huán)內(nèi)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的能量消耗，避免在最佳路徑附近的環(huán)內(nèi)節(jié)點(diǎn)能量過(guò)度消耗而過(guò)早“死亡”，從而延長(zhǎng)了網(wǎng)絡(luò)生存期。節(jié)點(diǎn)密度越大，PEF 算法的優(yōu)越性越明顯。

圖3 平均傳輸延時(shí)與節(jié)點(diǎn)數(shù)量關(guān)系曲線Fig．3 Average transmitting delay and node’s number relation diagram

圖4 網(wǎng)絡(luò)生存期與節(jié)點(diǎn)數(shù)量關(guān)系曲線Fig．4 Network’s life-time and node’s number relation diagram

4 結(jié)束語(yǔ)

文中提出了一種延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)生存期的路由算法。該算法在確定轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)時(shí)兼顧了節(jié)點(diǎn)位置和剩余能量，從而避免了在最佳路徑附近的節(jié)點(diǎn)過(guò)度消耗能量而過(guò)早“死亡”的現(xiàn)象，從而延長(zhǎng)了網(wǎng)絡(luò)生存期。仿真結(jié)果表明此協(xié)議能顯著延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)的生存期，因此，它是一個(gè)可擴(kuò)展能量有限的路由協(xié)議。

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