劉文博，王 濤

（西北民族大學(xué)電氣工程學(xué)院，蘭州730124）

基于水壓的水下傳感網(wǎng)絡(luò)的選播路由協(xié)議*

劉文博*，王 濤

（西北民族大學(xué)電氣工程學(xué)院，蘭州730124）

在水下傳感網(wǎng)絡(luò)中，由于傳感節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)以及節(jié)點(diǎn)帶寬和能量受限，設(shè)計(jì)從移動(dòng)節(jié)點(diǎn)至聲納浮標(biāo)的有效選播路由協(xié)議存在挑戰(zhàn)。為此，提出一種基于水壓的水下傳感網(wǎng)絡(luò)的選播路由HPAR（Hydraulic-Pressure-based Anycast Routing）協(xié)議。HPAR協(xié)議通過(guò)水壓決策路由，并依據(jù)數(shù)據(jù)包權(quán)重，擇優(yōu)選擇下一跳轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)。當(dāng)傳感節(jié)點(diǎn)需要傳輸數(shù)據(jù)包時(shí)，HPAR協(xié)議就利用數(shù)據(jù)包優(yōu)先權(quán)值A(chǔ)DV（ADVancement）構(gòu)建候選轉(zhuǎn)發(fā)集，再利用歸一化的權(quán)值NADV（Normalized ADVance）評(píng)估候選轉(zhuǎn)發(fā)集內(nèi)節(jié)點(diǎn)成為下一跳節(jié)點(diǎn)的“適度性”，然后，將候選轉(zhuǎn)發(fā)集劃分不同的簇，使得簇內(nèi)的節(jié)點(diǎn)均在彼此的通信范圍內(nèi)，再計(jì)算每個(gè)簇的期望權(quán)值EPA（Expected Packet Advanced），具有最大EPA的簇成為下一跳轉(zhuǎn)發(fā)簇，最后，再利用定時(shí)器抑制冗余數(shù)據(jù)包數(shù)，并優(yōu)化定時(shí)參數(shù)。仿真結(jié)果表明，提出的HPAR協(xié)議有效地提高數(shù)據(jù)包傳輸率、降低冗余數(shù)據(jù)包數(shù)。

水下傳感網(wǎng)；選播路由；聲通信；水壓；數(shù)據(jù)包優(yōu)先權(quán)值

近期，水下傳感網(wǎng)絡(luò)被廣泛應(yīng)用于潛艇跟蹤、港口監(jiān)控等水面應(yīng)用［1-5］。與傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)不同，在水下傳感網(wǎng)絡(luò)中，大量水下移動(dòng)傳感節(jié)點(diǎn)部署于監(jiān)測(cè)區(qū)域，形成SEA（Sensor Equipped Aquatic）群，SEA群隨水流移動(dòng)［6-7］。每個(gè)傳感節(jié)點(diǎn)具有低帶寬的聲通信能力。此外，這些傳感節(jié)點(diǎn)能夠通過(guò)類(lèi)似魚(yú)膀胱裝置和壓力計(jì)設(shè)備，控制在水中的深度。聲納浮標(biāo)漂浮在海洋表面，這些浮標(biāo)具有聲和無(wú)線射頻通信能力。圖1顯示了SEA群結(jié)構(gòu)。在SEA群結(jié)構(gòu)中，每個(gè)傳感節(jié)點(diǎn)監(jiān)測(cè)水下活動(dòng)，并實(shí)時(shí)地通過(guò)聲通信多跳方式向任意可達(dá)的聲納浮標(biāo)漂浮傳輸數(shù)據(jù)，再利用無(wú)線射頻通信將這些數(shù)據(jù)傳輸?shù)娇刂浦行摹１疚闹攸c(diǎn)在于：設(shè)計(jì)從移動(dòng)傳感節(jié)點(diǎn)至任意聲納浮標(biāo)漂浮的有效選播（Anycast）路由協(xié)議［8-13］，其中VARP［9］和HydroCast［13］具有代表性。VAPR路由利用序列號(hào)、跳數(shù)以及深度信息，選擇下一跳的方向，并采用有方向機(jī)會(huì)轉(zhuǎn)發(fā)避免路由空洞問(wèn)題。而HydroCast屬混合組播路由。HydroCast路由結(jié)合了地理位置路由和機(jī)會(huì)路由特性，依據(jù)節(jié)點(diǎn)深度調(diào)整，進(jìn)而最大化地理位置路由的優(yōu)勢(shì)。

圖1 SEA群結(jié)構(gòu)

然而，傳感節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)、帶寬和能量的受限，給路由協(xié)議提出了挑戰(zhàn)。水下聲信道低帶寬，并且傳播時(shí)延比無(wú)線射頻信道高了5個(gè)量級(jí)［14］。聲傳輸比地面微波通信系統(tǒng)消耗了更多的能量。因此，由于有限帶寬、高時(shí)延和有限能量，水下聲通信系統(tǒng)易陷入擁塞，導(dǎo)致數(shù)據(jù)包碰撞［15-16］。

傳統(tǒng)的先應(yīng)式或反應(yīng)式路由協(xié)議需通過(guò)系統(tǒng)泛洪進(jìn)行路由發(fā)現(xiàn)和維護(hù)，這極大地提高了能量消耗和數(shù)據(jù)包碰撞。由于無(wú)需全局網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫畔ⅲ?-D地理位置路由常用于在SEA群場(chǎng)景。然而，地理位置路由需要給移動(dòng)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行定位，這無(wú)疑加大了開(kāi)銷(xiāo)。此外，地理位置路由易陷入局部最小問(wèn)題。

本文針對(duì)地理位置路由，討論向水面的的聲納浮標(biāo)的選播路由，使數(shù)據(jù)包能夠向淺（深度短）的傳感節(jié)點(diǎn)傳輸。假定液壓計(jì)能夠準(zhǔn)確地估計(jì)深度，誤差小于1 m［17］。將節(jié)點(diǎn)的深度信息應(yīng)用于地理位置的選播路由。文獻(xiàn)［18］提出基于深度的貪婪路由DBR協(xié)議。DBR協(xié)議依據(jù)傳感節(jié)點(diǎn)的深度信息，轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包，致使數(shù)據(jù)包貪婪地向更淺的鄰居節(jié)點(diǎn)傳輸。

而不可靠的聲信道和轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)的選擇是基于地理位置選播路由協(xié)議主要問(wèn)題。為此，本文提出基于HPAR協(xié)議。HPAR協(xié)議考慮了信道質(zhì)量，并定義了能夠反映信道質(zhì)量的數(shù)據(jù)包接收率，然后依據(jù)數(shù)據(jù)包接收率和節(jié)點(diǎn)深度信息定義節(jié)點(diǎn)權(quán)值，通過(guò)這些權(quán)值決策候選轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)集，再將候選轉(zhuǎn)發(fā)集劃分簇，形成最優(yōu)的轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)簇。最后，利用定時(shí)器抑制冗余數(shù)據(jù)包，并優(yōu)化定時(shí)器參數(shù)，進(jìn)一步改善抑制冗余數(shù)據(jù)包的性能。仿真結(jié)果表明，提出的HPAR協(xié)議能夠有效地降低端到端傳輸時(shí)延、抑制冗余數(shù)據(jù)包數(shù)、提高數(shù)據(jù)包傳輸率。與VAPR路由不同，HPAR路由協(xié)議旨在提高數(shù)據(jù)傳輸、收集性能，而VAPR路由主要是如何應(yīng)對(duì)路由空洞問(wèn)題。與經(jīng)典的HydroCast路由相比，HPAR路由考慮了冗余數(shù)據(jù)包問(wèn)題，并利用定時(shí)機(jī)制抑制冗余。

1 HPAR選播路由

HPAR路由屬于選播、地理位置混合路由。在路由過(guò)程中，HPAR協(xié)議利用當(dāng)前轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)的位置、鄰居節(jié)點(diǎn)位置以及已知信宿節(jié)點(diǎn)位置信息，并結(jié)合貪婪轉(zhuǎn)發(fā)策略傳輸數(shù)據(jù)包。在HPAR協(xié)議的關(guān)鍵在于下一跳轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)的選擇。為了提高路由協(xié)議的性能，HPAR協(xié)議謹(jǐn)慎地選擇轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)。首先建立候選轉(zhuǎn)發(fā)集，然后再?gòu)脑摷羞x擇部分節(jié)點(diǎn)作為下一跳轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)。同時(shí)，為了控制冗余數(shù)據(jù)包數(shù)，通過(guò)優(yōu)化定時(shí)器參數(shù)，采用非固定方式定義定時(shí)器。

1.1 轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)簇

假定整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)集為N，每個(gè)節(jié)點(diǎn)的通信半徑為rc，其中傳感節(jié)點(diǎn)集表示為聲納浮標(biāo)集表示為，即N=Nn?Ns。接下來(lái)，首先定義候選轉(zhuǎn)發(fā)集。假定節(jié)點(diǎn)ni為當(dāng)前數(shù)據(jù)包包攜帶節(jié)點(diǎn)，其需要傳輸數(shù)據(jù)包，在時(shí)刻t它的鄰居節(jié)點(diǎn)集為Ni(t)，它可到達(dá)的信宿節(jié)點(diǎn)集為Si(t)。首先考慮它離目的節(jié)點(diǎn)的距離信息。對(duì)于任意的鄰居節(jié)點(diǎn)nk∈Ni(t)，若滿足式（1），則稱歸入候選轉(zhuǎn)發(fā)集Γi：

式中：s*i表示離節(jié)點(diǎn)ni最近的信宿節(jié)點(diǎn)、s?表示數(shù)據(jù)包的目的節(jié)點(diǎn)。分別表示ni離的距離、nk離s?的距離，該距離可通過(guò)水壓表征［18］。水壓差越大，距離越長(zhǎng)，反之，距離越短。針對(duì)候選轉(zhuǎn)發(fā)集Γi，HPAR協(xié)議測(cè)量每個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)的權(quán)值，并進(jìn)一步劃分簇。首先引用歸一化的權(quán)值NADV，評(píng)估Γi內(nèi)節(jié)點(diǎn)成為下一跳轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)的“適度性”。對(duì)于每個(gè)候選轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)nc∈Γi，歸一化的權(quán)值NADV()nc：

1.2 數(shù)據(jù)包傳遞概率

考慮文獻(xiàn)［18］的水下聲信道模型，估計(jì)數(shù)據(jù)包傳遞概率。對(duì)于相距為d的任意一對(duì)節(jié)點(diǎn)，信號(hào)頻率為f，傳輸路徑衰落，其中α(f)為吸收系數(shù)、k為擴(kuò)頻因子。因此，平均信噪比SNRΓ(d)：

其中Ed、N0為常數(shù)，且分別表示單位比特的平均能量消耗、加性白高斯噪聲功率密度。采用BPSK調(diào)制模式，相隔d的路徑的比特誤碼概率為［19］：

因此，對(duì)于相距為d的任意一對(duì)節(jié)點(diǎn)，傳輸m比特的數(shù)據(jù)包傳遞概率表示為計(jì)算Γi集內(nèi)的每一個(gè)節(jié)點(diǎn)的歸一化的權(quán)值后，并按權(quán)值從高到低排序，形成集接下來(lái)，將集元素進(jìn)一步劃分，分成不同的簇ψj，確保簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)在彼此的監(jiān)聽(tīng)范圍內(nèi)。

圖2 構(gòu)建簇算法偽代碼

構(gòu)建了簇后，依據(jù)文獻(xiàn)［15］，計(jì)算每個(gè)簇ψj集的期望數(shù)據(jù)包優(yōu)先權(quán)值EPA，如式（5）所示。貪婪機(jī)會(huì)轉(zhuǎn)發(fā)策略的目的就是構(gòu)建ψj?Γi，致使EPA最大。最后，具有EPA最大值的簇最終成為下一跳轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)簇。

1.3 定時(shí)器設(shè)置

構(gòu)建了下一跳轉(zhuǎn)發(fā)簇ψ后，當(dāng)前節(jié)點(diǎn)ni將下一跳轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)ψ的ID和位置信息嵌入數(shù)據(jù)包，并廣播。當(dāng)接收到該數(shù)據(jù)包，節(jié)點(diǎn)就從中提取信息，并驗(yàn)證自己是否屬于ψ。如果是，再依據(jù)設(shè)置定時(shí)器。

在HPAR協(xié)議中，nk∈ψi接收了數(shù)據(jù)包，其設(shè)置的定時(shí)時(shí)間為T(mén)k，當(dāng)定時(shí)完畢后，就立即廣播數(shù)據(jù)包。

式中：rmax表示節(jié)點(diǎn)的最大傳輸距離。α為參數(shù)。

圖3 設(shè)置定時(shí)器模型分析

為了更好地抑制冗余數(shù)據(jù)包，需慎重選擇參數(shù)α。如圖3所示，當(dāng)前數(shù)據(jù)包攜帶節(jié)點(diǎn)ni，ψi內(nèi)有兩個(gè)節(jié)點(diǎn)na、nb。由于na離節(jié)點(diǎn)ni遠(yuǎn)，換而言之，它離水面上的聲納浮標(biāo)更近，反之，nb離聲納浮標(biāo)更遠(yuǎn)。因此，na的定時(shí)時(shí)間Ta比nb的定時(shí)時(shí)間Tb短，即Ta＜Tb。假定利用ACK抑制冗余數(shù)據(jù)包，定時(shí)時(shí)間滿足式（7）：

式中：tij表示節(jié)點(diǎn)ni至節(jié)點(diǎn)nj的傳播時(shí)延。tack表示傳輸ACK包的傳輸時(shí)延。

由于Ta＜Tb，結(jié)合式（6）和（7），則參數(shù)α：

注意到式（8），分母d(ni,na)-d(ni,nb)對(duì)參數(shù)α有直接影響。若d(ni,na)-d(ni,nb)過(guò)小，參數(shù)α將非常大，這就會(huì)導(dǎo)致過(guò)長(zhǎng)的時(shí)延。為此，在仿真中分析了參數(shù)α的影響，并采用自適應(yīng)、非固定參數(shù)α的機(jī)制。

1.4 HPAR協(xié)議的數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)流程

當(dāng)節(jié)點(diǎn)ni需要傳輸數(shù)據(jù)包，首先計(jì)算候選轉(zhuǎn)發(fā)集Γi，再計(jì)算集內(nèi)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)包優(yōu)先權(quán)值，再進(jìn)行排序，構(gòu)建有序的，然后再依據(jù)構(gòu)建簇算法形成多個(gè)簇，并選出下一跳轉(zhuǎn)發(fā)簇節(jié)點(diǎn)ni將簇信息嵌入數(shù)據(jù)包，再?gòu)V播。接收了該數(shù)據(jù)包，節(jié)點(diǎn)首先判斷自己是否是簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)，如果不是，就丟棄，否則，就是依據(jù)自己的權(quán)值，設(shè)置定時(shí)器，進(jìn)行計(jì)時(shí)，并監(jiān)聽(tīng)是否有其他節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)該數(shù)據(jù)包。若有，則放棄競(jìng)爭(zhēng)本次轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包的機(jī)會(huì)；反之，就待計(jì)時(shí)完畢，就立即轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包，具體流程如圖4所示。

圖4 HPAR協(xié)議數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)流程圖

2 性能分析

利用MATLAB R2012b建立仿真平臺(tái)［20］?？紤] 1 000 m×1 000 m×1 000 m區(qū)域。傳感節(jié)點(diǎn)|Nn|=150、200、250、300、350、400、450變化，相應(yīng)地聲納浮標(biāo)數(shù)|Ns|=45。此外，引用CSMA（Carriersense Multiple Access）媒介接入控制MAC（Medium Access Control）協(xié)議。在CSMA中，當(dāng)信道為繁忙狀態(tài)時(shí)，節(jié)點(diǎn)就進(jìn)入等待退避時(shí)間，并再次感測(cè)載波。為了可靠，在路由層實(shí)施ARQ重傳。一旦接收了數(shù)據(jù)包，節(jié)點(diǎn)就回復(fù)一個(gè)短的ACK包。若在規(guī)定時(shí)間內(nèi)，源節(jié)點(diǎn)沒(méi)有接收到ACK包，就重傳數(shù)據(jù)包。每個(gè)數(shù)據(jù)包的最多重傳次數(shù)為5。節(jié)點(diǎn)的傳輸半徑rc=250 m、每次實(shí)驗(yàn)重復(fù)50次，取平均值作為最終數(shù)據(jù)。運(yùn)行時(shí)間為3 600 s。當(dāng)時(shí)間結(jié)束后，就通過(guò)程序停止運(yùn)行。

為了更充分地分析路由性能，選擇經(jīng)典的DBR協(xié)議與HPAR協(xié)議進(jìn)行比較。主要考查這些協(xié)議的平均端到端時(shí)延、數(shù)據(jù)包傳遞率以及冗余數(shù)據(jù)包數(shù)性能。其中平均端到端時(shí)延等于平均傳輸一個(gè)數(shù)據(jù)所需的時(shí)延，如式（10）所示：

式中:NP表示傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包總數(shù)，Delay_P(i)表示傳輸?shù)趇個(gè)數(shù)據(jù)包的時(shí)延。

而數(shù)據(jù)包傳遞率等于成功傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包數(shù)與總傳輸數(shù)據(jù)包率之比，其定義如式（11）：

而冗余數(shù)據(jù)數(shù)表示每傳輸一個(gè)數(shù)據(jù)包時(shí)，所產(chǎn)生的多余數(shù)據(jù)包的數(shù)。同時(shí)，分析固定參數(shù)α和非固定參數(shù)α對(duì)路由協(xié)議的性能影響。仿真結(jié)果如圖6～圖8所示。

2.1 參數(shù)α

由1.3節(jié)分析可知，參數(shù)α對(duì)抑制冗余數(shù)據(jù)包的有直接的影響。為此，利用DBR協(xié)議，依據(jù)式（9）分析參數(shù)α的最小值。DBR協(xié)議是利用深度門(mén)限值h定義轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)集，只要節(jié)點(diǎn)的深度比當(dāng)前數(shù)據(jù)包攜帶節(jié)點(diǎn)低于不止一個(gè)門(mén)限值h，就可成為轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)。DBR協(xié)議規(guī)定參數(shù)α是固定的。假定門(mén)限值h分別為0、100、200。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。

圖5 最小α值

從圖5可知，最小α值隨傳感節(jié)點(diǎn)數(shù)的增加而上升。原因在于節(jié)點(diǎn)數(shù)的增加，縮短了兩節(jié)點(diǎn)間的距離，換而言之，兩節(jié)點(diǎn)間的深度差更小，進(jìn)而擴(kuò)大了α值。在不同節(jié)點(diǎn)數(shù)的環(huán)境下，α值差異較大。與DBR協(xié)議不同，HPAR協(xié)議采用非固定的α值。

2.2 仿真數(shù)據(jù)分析

依據(jù)圖5的仿真數(shù)據(jù)，制定α與節(jié)點(diǎn)數(shù)對(duì)應(yīng)關(guān)系，如表1所示。利用圖6中h=100m時(shí)的數(shù)據(jù)，即在不同的節(jié)點(diǎn)數(shù)時(shí)，取之相對(duì)應(yīng)的α值。例如，當(dāng)節(jié)點(diǎn)數(shù)為450h，α=0.84，而若節(jié)點(diǎn)數(shù)為400h，α= 0.72。在 2.2節(jié)的仿真過(guò)程中，當(dāng)采用非固定αHPAR協(xié)議時(shí)，就依據(jù)表1決定α值。

表1 α與節(jié)點(diǎn)數(shù)對(duì)應(yīng)關(guān)系表

2.2.1 冗余數(shù)據(jù)包數(shù)

圖6描述了平均每個(gè)數(shù)據(jù)包的冗余數(shù)據(jù)包數(shù)。將DBR采用固定α值的HPAR協(xié)議和非固定α值的HPAR協(xié)議進(jìn)行相互比較。與DBR協(xié)議相比，HPAR協(xié)議的冗余數(shù)據(jù)包得到有效下降。原因在于：在DBR協(xié)議中，冗余數(shù)據(jù)包主要來(lái)源于多徑數(shù)據(jù)包傳遞和未能有效地抑制數(shù)據(jù)包重傳。而在HPAR協(xié)議中，通過(guò)融合數(shù)據(jù)包傳遞率和距離信息計(jì)算節(jié)點(diǎn)的權(quán)值，再依據(jù)權(quán)值定義轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)集，而不是像DBR協(xié)議那樣通過(guò)深度門(mén)限值定義轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)集。此外，與固定α值的HPAR協(xié)議，非固定α值的HPAR協(xié)議能夠?qū)⑷哂鄶?shù)據(jù)包數(shù)下降約1個(gè)，這說(shuō)明了非固定α值對(duì)抑制冗余數(shù)據(jù)包有積極的影響。

此外，從圖6不難發(fā)現(xiàn)，HPAR協(xié)議的冗余數(shù)據(jù)包數(shù)并沒(méi)有隨節(jié)點(diǎn)數(shù)的增加而上升，在整個(gè)節(jié)點(diǎn)數(shù)的變化期間內(nèi)，冗余數(shù)據(jù)包數(shù)較穩(wěn)定。這主要有兩點(diǎn)原因：首先，HPAR協(xié)議能夠有效定義轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)集，剔除多余節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包，其次HPAR協(xié)議通過(guò)設(shè)置定時(shí)器，進(jìn)一步抑制冗余數(shù)據(jù)包。

圖6 冗余數(shù)據(jù)包數(shù)

2.2.2 數(shù)據(jù)包傳遞率

數(shù)據(jù)包傳遞率隨節(jié)點(diǎn)數(shù)的變化情況如圖7所示。從圖7可知，數(shù)據(jù)包傳遞率隨節(jié)點(diǎn)密度增加而上升，原因在于：密度增加，參與路由的節(jié)點(diǎn)數(shù)更多，節(jié)點(diǎn)間的通信鏈接更穩(wěn)定，進(jìn)而提高了數(shù)據(jù)包傳遞率。與DBR協(xié)議相比，提出的HPAR協(xié)議的數(shù)據(jù)包傳遞率得到有效提高。原因在于：HPAR協(xié)議在決定轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)集時(shí)考慮信道質(zhì)量和深度信息，并且通過(guò)自適應(yīng)地調(diào)整參數(shù)α值，改善抑制冗余數(shù)據(jù)包的性能。從圖7可知，非固定參數(shù)α的HPAR協(xié)議比固定參數(shù)α的HPAR協(xié)議的更能有效地提高數(shù)據(jù)包傳遞率，進(jìn)一步說(shuō)明非固定參數(shù)α可改善協(xié)議性能。

圖7 數(shù)據(jù)包傳遞率

2.2.3 端到端傳輸時(shí)延

傳輸數(shù)據(jù)包的端到端時(shí)延隨節(jié)點(diǎn)數(shù)變化曲線如圖8所示。正如預(yù)期的，HPAR協(xié)議的平均時(shí)延高于DBR協(xié)議。原因在于DBR協(xié)議利用機(jī)會(huì)路由提高了數(shù)據(jù)包傳輸率，損害了平均時(shí)延的性能。而HPAR協(xié)議通過(guò)擇優(yōu)選擇轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)集，抑制了冗余數(shù)據(jù)包數(shù)，提高了數(shù)據(jù)包傳遞率，進(jìn)而降低了端到端傳輸時(shí)延。此外，采用非固定α值能夠有效地縮減時(shí)延，通過(guò)自適應(yīng)地調(diào)整α值，以最優(yōu)的方式設(shè)定定時(shí)器，減少了傳輸時(shí)延。

圖8 端到端傳輸時(shí)延

從上述仿真數(shù)據(jù)可知，HPAR協(xié)議通過(guò)ADV定義轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)集，擇優(yōu)選擇下一跳轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)，再設(shè)置定時(shí)器控制冗余數(shù)據(jù)包，進(jìn)而提高了數(shù)據(jù)包的傳輸效率。與DBR協(xié)議相比，HPAR協(xié)議的優(yōu)勢(shì)在于抑制冗余數(shù)據(jù)包數(shù)、提高數(shù)據(jù)包傳遞率，也減少了端到端傳輸時(shí)延。

3 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)水下傳感網(wǎng)絡(luò)的路由問(wèn)題，提出了基于水壓的選播路由協(xié)議HPAR。當(dāng)節(jié)點(diǎn)需要轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包時(shí)，HPAR協(xié)議先利用數(shù)據(jù)包優(yōu)先權(quán)值A(chǔ)DV，從其鄰居節(jié)點(diǎn)中選擇一部分節(jié)點(diǎn)作為候選轉(zhuǎn)發(fā)集，然后再計(jì)算候選轉(zhuǎn)發(fā)集內(nèi)所有節(jié)點(diǎn)的歸一化權(quán)值NADV，并依據(jù)NADV，對(duì)候選轉(zhuǎn)發(fā)集內(nèi)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行排序，形成有序的候選轉(zhuǎn)發(fā)集。隨后，對(duì)有序的候選轉(zhuǎn)發(fā)集劃分不同的簇，并且確保每個(gè)簇內(nèi)的節(jié)點(diǎn)在彼此的通信范圍內(nèi)。然后計(jì)算每個(gè)簇的期望權(quán)值EPA，并選擇具有最大EPA的簇作為下一跳節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)發(fā)集，最后，設(shè)置定時(shí)器，抑制冗余數(shù)據(jù)包。仿真結(jié)果表明，提出HPAR協(xié)議能夠有效地降低冗余數(shù)據(jù)包數(shù)、提高了數(shù)據(jù)包傳遞率。

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劉文博（1982-），女，黑龍江省鶴崗市人，碩士研究生，西北民族大學(xué)電氣工程學(xué)院講師，主要研究領(lǐng)域?yàn)閿?shù)字圖像處理，通信和信號(hào)處理；

王 濤（1984-），男，陜西省寶雞市人，碩士研究生，西北民族大學(xué)電氣工程學(xué)院講師，主要研究領(lǐng)域?yàn)殡娮釉O(shè)計(jì)自動(dòng)化，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。

Hydraulic-Pressure-Based Anycast Routing for Underwater Sensor Networks*

LIU Wenbo*，WANG Tao
（College of Electrical Engineering，Northwest University for Nationalities，Lanzhou730124，China）

Due to the node mobility and limited resources（bandwidth and energy）of the mobile node of Underwater sensor networks，designing an efficient anycast routing protocol from a mobile sensor to any sonobuoy at sea level is key issue.Therefore Hydraulic-pressure-based anycast routing（HPAR）is proposed in this paper.HPAR makes routing decisions based on hydraulic-pressure，and optimal next forwarding node is selected by packet advancement.Whenever a sensor node needs to send a packet，HPAR uses the packet advancement（ADV）to determine the neighbors candidate set，then uses normalized advance（NADV）to measure the“goodness”of each nodes in neighbors candidate set，and ordered by NADV metric，finally form the ordered neighbors candidate set.NADV corresponds the optimal trade-off between the proximity and link cost to determine the priorities of the candidate nodes.In addition，the ordered neighbors candidate set is divided into several clusters，so that each node in clusters must hear each other.HPAR computes the Expected Packet Advanced（EPA），and the cluster with the highest EPA is selected to be the next-hop forwarder cluster.Finally，the redundant packet is suppressed by timer，and parameter of timer is optimal.Simulation results show that HPAR protocol has a good performance in terms of average numbers of redundant packets and packet delivery ratio.

underwater sensor networks；anycast routing；acoustic communication；hydraulic-pressure；packet advancement

TN914

A

1004-1699（2016）12-1899-06

??7230

10.3969/j.issn.1004-1699.2016.12.020

項(xiàng)目來(lái)源：中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)項(xiàng)目（31920150012，31920160073）

2016-04-12修改日期：2016-08-16