韋正現(xiàn)，宋敏，印桂生，王紅濱

(1.哈爾濱工程大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001; 2.中國船舶工業(yè)系統(tǒng)工程研究院，北京 100094; 3.北京外國語大學(xué) 信息技術(shù)中心，北京 100089)

水下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能力分析與評估方法

韋正現(xiàn)1,2，宋敏3，印桂生1，王紅濱1

(1.哈爾濱工程大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001; 2.中國船舶工業(yè)系統(tǒng)工程研究院，北京 100094; 3.北京外國語大學(xué) 信息技術(shù)中心，北京 100089)

水下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(underwater wireless sensor network, UWSN)綜合能力受到傳感器能量消耗、探測半徑以及網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞葟?fù)雜因素影響，為了應(yīng)對UWSN綜合能力評估的挑戰(zhàn)性難題，分析了UWSN綜合能力與影響參數(shù)之間的關(guān)系。將UWSN綜合能力劃分為覆蓋能力、連通能力、耐久能力和快速反應(yīng)能力4個方面，將影響參數(shù)劃分為約束參數(shù)、設(shè)備參數(shù)和組網(wǎng)參數(shù)，提出了覆蓋能力、連通能力、耐久能力和快速反應(yīng)能力的度量模型及UWSN綜合能力評估過程模型，實(shí)現(xiàn)通過優(yōu)化調(diào)整組網(wǎng)參數(shù)，使網(wǎng)絡(luò)在不同任務(wù)和環(huán)境下具有優(yōu)越的整體性能通過仿真平臺和仿真試驗(yàn)，結(jié)果表明提出模型能較客觀計(jì)算UWSN的綜合能力。

水下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)； 覆蓋； 連通； 耐久； 快速反應(yīng)； 評估； 約束參數(shù)； 設(shè)備參數(shù)； 組網(wǎng)

目前水下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(UWSN)逐漸成為一個新的研究熱點(diǎn)[1-2]。深遠(yuǎn)海海洋探測、水下監(jiān)測的傳感器網(wǎng)絡(luò)由漂浮或潛浮傳感器節(jié)點(diǎn)、可自移動(如UUV, unmanned underwater vehicle)節(jié)點(diǎn)和匯聚節(jié)點(diǎn)(艦艇)組成網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，傳感器節(jié)點(diǎn)實(shí)時監(jiān)測、采集區(qū)域內(nèi)的各種環(huán)境和目標(biāo)等信息，并通過水聲或無線通信將信息傳輸?shù)揭苿庸?jié)點(diǎn)或匯聚節(jié)點(diǎn)。自移動節(jié)點(diǎn)可重新部署、配置傳感器節(jié)點(diǎn)，并具有監(jiān)測、通信等功能。匯聚節(jié)點(diǎn)將匯聚的數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合處理，并對UWSN進(jìn)行控制[3-4]。為了完成相應(yīng)任務(wù)，首先UWSN具有廣闊的監(jiān)測范圍；其次，UWSN要求具備短時延、高可靠、高帶寬的數(shù)據(jù)傳輸能力；然后，盡可能延長網(wǎng)絡(luò)壽命。UWSN處于動態(tài)復(fù)雜環(huán)境，水下通信帶寬較低、誤碼率高等因素，為網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍、節(jié)點(diǎn)連通、網(wǎng)絡(luò)壽命等綜合能力的分析評估帶來了不確定。另外不同能力項(xiàng)之間存在復(fù)雜的關(guān)聯(lián)。因此，UWSN的組網(wǎng)和能力評估，具有挑戰(zhàn)性[1-2,5-7]。

UWSN組網(wǎng)和能力評估的研究，文獻(xiàn)[8]提出改進(jìn)ETG(expansion topology generation)算法進(jìn)行水下傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的部署。文獻(xiàn)[9]通過構(gòu)建K-連通-K-支配集(K-connectedK-dominating set,K-CDS)作為網(wǎng)絡(luò)虛擬傳輸骨干，提出無線傳感器網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)方法。文獻(xiàn)[10-11]對特定應(yīng)用的UWSN部署方法進(jìn)行了研究。在文獻(xiàn)[12]中，Nazrul提出了3維UWSN部署方法，并分析了該網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍和連通情況。 Andrej 等在研究UWSN存在區(qū)域空洞的多播路由中，分析了它的連通能力和可靠性等[13-14]。另外許多網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議、體系結(jié)構(gòu)和拓?fù)淇刂蒲芯恐校瑢WSN的能力進(jìn)行分析和評估，如連通性、網(wǎng)絡(luò)可靠性和能耗功效等[15-19]。當(dāng)前的研究缺乏基于合適的組網(wǎng)模型，來全面評價(jià)網(wǎng)絡(luò)綜合能力的方法。

在對UWSN的設(shè)備組成、工作方式等分析基礎(chǔ)上，基于改進(jìn)ETG的部署和K-CDS的組網(wǎng)，建立了綜合能力與約束參數(shù)、設(shè)備參數(shù)和組網(wǎng)參數(shù)之間的關(guān)聯(lián)映射模型。提出了覆蓋能力、連通能力、耐久能力和快速反應(yīng)能力的度量計(jì)算模型，提煉出組網(wǎng)參數(shù)集合，提出通過優(yōu)化調(diào)整組網(wǎng)參數(shù)，使網(wǎng)絡(luò)在不同任務(wù)和環(huán)境下具有優(yōu)越的整體性能。建立了UWSN綜合能力評估過程模型，開發(fā)評估仿真平臺，支持UWSN綜合能力評估和網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化調(diào)整。

1 UWSN設(shè)定與組網(wǎng)方法

UWSN的構(gòu)建首先將傳感器節(jié)點(diǎn)部署到相應(yīng)位置，并將節(jié)點(diǎn)組織成網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)部署是在指定區(qū)域布置傳感器節(jié)點(diǎn)，設(shè)定UUV航路等，構(gòu)成UWSN的物理結(jié)構(gòu)；組網(wǎng)主要將已部署的節(jié)點(diǎn)組織成一個邏輯上連通的整體，建立網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，確定網(wǎng)絡(luò)路由和數(shù)據(jù)傳輸策略。因此，UWSN綜合能力不僅取決于節(jié)點(diǎn)單項(xiàng)性能，更取決于這些節(jié)點(diǎn)如何進(jìn)行組織和聯(lián)合使用。為了便于對UWSN的綜合能力進(jìn)行分析，這里對UWSN作以下約束：

1)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)分為3類，傳感器節(jié)點(diǎn)、自移動(UUV、AUV)節(jié)點(diǎn)和匯聚節(jié)點(diǎn)(艦船或潛艇)。

2)傳感器節(jié)點(diǎn)初始時隨機(jī)部署在海面上，工作時可以浮在海面上，也懸浮在任何深度。它水下感知范圍是一個均勻球體，對球體內(nèi)部的環(huán)境和目標(biāo)能夠精準(zhǔn)探測，在球體外部的環(huán)境和目標(biāo)無法感知，傳感器節(jié)點(diǎn)具有活動、啟動和休眠3種狀態(tài)。

3)自移動節(jié)點(diǎn)可以攜帶少量傳感器節(jié)點(diǎn)，以便重新部署與配置網(wǎng)絡(luò)，并具有監(jiān)測、通信等功能。

4)匯聚節(jié)點(diǎn)匯聚全網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)并進(jìn)行綜合處理，對整個UWSN進(jìn)行部署和控制。

基于以上假設(shè)，采用改進(jìn)ETG算法進(jìn)行水下傳感器網(wǎng)絡(luò)的部署[8]。改進(jìn)ETG 算法的基本思想是利用傳感器節(jié)點(diǎn)在垂直方向上的移動，由平面正方形格結(jié)構(gòu)生成一個近似的空間體心立方格結(jié)構(gòu)(如圖1)。將平面上隨機(jī)分布的節(jié)點(diǎn)劃分到不同正方形格單元，同一單元內(nèi)的節(jié)點(diǎn)根據(jù)其他節(jié)點(diǎn)的信息，決定是否進(jìn)入活動狀態(tài)。按照體心立方格單元劃分監(jiān)測空間，活動節(jié)點(diǎn)根據(jù)體心立方格的覆蓋半徑?jīng)Q定傳感器節(jié)點(diǎn)的深度，以分層的方式向體心立方格單元部署節(jié)點(diǎn)。

圖1 體心立方格結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of body-centered cubic lattice

改進(jìn)ETG算法的傳感器節(jié)點(diǎn)部署分為3步。1)在海面上隨機(jī)投放傳感器節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)獲得自身坐標(biāo)(通過GPS等)并計(jì)算出所屬正方形格單元，進(jìn)入休眠狀態(tài)；2)按照指定概率密度啟動傳感器節(jié)點(diǎn)，進(jìn)入啟動狀態(tài)，節(jié)點(diǎn)在一定范圍內(nèi)發(fā)送啟動消息，收到啟動消息的活動節(jié)點(diǎn)，如果和啟動節(jié)點(diǎn)屬于同一單元，發(fā)送應(yīng)答消息；3)如果啟動節(jié)點(diǎn)在一定時間內(nèi)沒有收到應(yīng)答消息，則從水面移動到水下監(jiān)視空間的任意一層，進(jìn)入活動狀態(tài)。如果啟動節(jié)點(diǎn)收到應(yīng)答消息，先判斷本單元內(nèi)各活動節(jié)點(diǎn)所在的層數(shù)。如果所有層都有節(jié)點(diǎn)處于活動狀態(tài)，則重新進(jìn)入休眠狀態(tài)；否則，節(jié)點(diǎn)移動到任意一個沒有被監(jiān)視的層，進(jìn)入活動狀態(tài)。

由于水聲通信具有低帶寬、高誤碼的特點(diǎn)，為了提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃院筒⑿袀鬏數(shù)哪芰?，通過構(gòu)建K-CDS作為虛擬傳輸骨干，骨干上的節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)路由和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，并通過訪問傳輸骨干上的節(jié)點(diǎn)來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)查詢獲取。

在K-CDS中，一個點(diǎn)集V是K-連通的，當(dāng)且僅當(dāng)在這個集合中任意去除K-1個點(diǎn)后，網(wǎng)絡(luò)仍是連通的；一個點(diǎn)集V′?V是K-支配的，當(dāng)且僅當(dāng)點(diǎn)集V中的點(diǎn)或者在支配集V′中，或者存在K個在支配集中的鄰居；一個點(diǎn)集V′?V是K-連通-K-支配的，如果V′是K-支配的且V′的導(dǎo)出子圖是K-連通的。 由8個點(diǎn)組成的K-CDS如圖2所示。圖中當(dāng)K=1，2，3時，同心雙圓圈的點(diǎn)被選入了K-CDS作為傳輸骨干點(diǎn)集，單圓圈的點(diǎn)作為普通節(jié)點(diǎn)。

圖2 K-CDS的示例(K=1，2，3)Fig.2 The examples of K-CDS (K=1， 2， 3)

在部署過程中節(jié)點(diǎn)之間的鄰居關(guān)系是隨機(jī)生成，因此在K-CDS構(gòu)建過程中采用隨機(jī)概率的方式，即讓每一個點(diǎn)有pk的概率作為骨干網(wǎng)節(jié)點(diǎn)，其中pk是K的函數(shù)，且與傳感器個數(shù)有關(guān)。這種方式下不需要與周圍節(jié)點(diǎn)的交互即可進(jìn)行K-CDS的構(gòu)建，適用于水下環(huán)境。當(dāng)K-CDS構(gòu)建完成以后，可以采用經(jīng)典靜態(tài)路由生成協(xié)議來建立網(wǎng)絡(luò)路由表，從而完成UWSN的組網(wǎng)。在完成組網(wǎng)后可以對網(wǎng)絡(luò)整體性能和能力進(jìn)行分析和評估。

2 UWSN綜合能力分析

由于傳感器節(jié)點(diǎn)能量有限，為了節(jié)省能量，節(jié)點(diǎn)平時處于睡眠狀態(tài)，只有收到喚醒啟動信號要求工作時，進(jìn)入活動狀態(tài)，完成環(huán)境監(jiān)測和目標(biāo)探測等任務(wù)。在此過程中，UWSN不僅需要監(jiān)測大范圍海域和較高的信息傳輸能力，同時要求盡可能延長網(wǎng)絡(luò)壽命，在一些特殊的應(yīng)用場景下，比如在軍事應(yīng)用過程中，要求具有快速的反應(yīng)能力。因此，UWSN需要具備以下的基本能力：

1)覆蓋能力：即網(wǎng)絡(luò)的有效監(jiān)測范圍。覆蓋能力越強(qiáng)，意味著網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍越廣，并且在覆蓋范圍內(nèi)的任意位置都有節(jié)點(diǎn)能夠進(jìn)行監(jiān)測。

2)連通能力：即網(wǎng)絡(luò)的連通性和數(shù)據(jù)傳輸能力。連通能力越強(qiáng)，意味著網(wǎng)絡(luò)中端到端的傳輸路徑越多，傳輸帶寬大，延時短，可靠性高。

3)耐久能力：即網(wǎng)絡(luò)能夠正常工作的最長時間。持續(xù)工作能力越強(qiáng)，網(wǎng)絡(luò)能夠進(jìn)行探測、監(jiān)測的時間越持久。

4)快速反應(yīng)能力：即在節(jié)點(diǎn)加入、節(jié)點(diǎn)失效時，或者切換工作模式時，網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)正常工作的能力。

UWSN由傳感器節(jié)點(diǎn)(B)、自移動節(jié)點(diǎn)(U)和匯聚節(jié)點(diǎn)(S)組成，UWSN的能力不僅依賴于節(jié)點(diǎn)性能參數(shù)，還與水下監(jiān)測的約束以及網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)有關(guān)，因此，需要建立這些參數(shù)與綜合能力間的關(guān)系。影響UWSN能力的參數(shù)可以分為3大類：約束參數(shù)、設(shè)備參數(shù)和組網(wǎng)參數(shù)(如表1)。

表1 UWSN相關(guān)性能參數(shù)

約束參數(shù)主要根據(jù)任務(wù)對能力的需求而決定，如UUV及傳感器節(jié)點(diǎn)對各種能力的貢獻(xiàn)率、各種能力的調(diào)節(jié)系數(shù)等。約束參數(shù)只與評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)有關(guān)，因此一旦評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)確定，這些參數(shù)就隨之確定。而設(shè)備參數(shù)則是節(jié)點(diǎn)的性能參數(shù)，其中自移動節(jié)點(diǎn)的移動速度、傳感器節(jié)點(diǎn)的探測范圍和通信距離等都影響網(wǎng)絡(luò)的綜合能力；而傳感器活動節(jié)點(diǎn)數(shù)量、網(wǎng)絡(luò)傳輸路徑等則會影響到網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，?dǎo)致網(wǎng)絡(luò)路由和數(shù)據(jù)傳輸?shù)母淖?，這類參數(shù)稱為組網(wǎng)參數(shù)。

傳感器節(jié)點(diǎn)平均連通度kb，表示周圍節(jié)點(diǎn)接受到報(bào)文后，記錄一個周期內(nèi)活動的不同節(jié)點(diǎn)個數(shù)，作為其鄰居節(jié)點(diǎn)個數(shù)，取鄰居個數(shù)的最小值作為kb；傳感器節(jié)點(diǎn)平均覆蓋度cb，將所有節(jié)點(diǎn)的最小格內(nèi)鄰居數(shù)作為網(wǎng)絡(luò)當(dāng)前平均覆蓋度cb。在UWSN中，網(wǎng)絡(luò)的覆蓋度cb受節(jié)點(diǎn)的探測半徑db及節(jié)點(diǎn)數(shù)量nb的影響，而網(wǎng)絡(luò)的連通度kb受節(jié)點(diǎn)的通信半徑rb及節(jié)點(diǎn)數(shù)量nb的影響，節(jié)點(diǎn)的能耗pb由rb和db決定。一定監(jiān)測區(qū)域內(nèi)，網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的數(shù)量至少要能夠覆蓋整個區(qū)域時，節(jié)點(diǎn)數(shù)量nb又受到db的影響。所以主要關(guān)鍵的影響因素是通信半徑rb和探測半徑db，探測半徑增加，會導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)數(shù)量減少，進(jìn)而使連通度kb減小，而且節(jié)點(diǎn)功耗也增加。節(jié)點(diǎn)通信半徑越大，則能量消耗越大，網(wǎng)絡(luò)的背景噪聲越大，但網(wǎng)絡(luò)連通度有所提高。

UWSN的能力不僅僅依賴于傳感器節(jié)點(diǎn)的性能參數(shù)，還與匯聚節(jié)點(diǎn)和自移動節(jié)點(diǎn)的工作模式相關(guān)。為了對UWSN的各項(xiàng)能力進(jìn)行定量評估，要求從UWSN的約束參數(shù)、設(shè)備參數(shù)和組網(wǎng)參數(shù)以及相互關(guān)系出發(fā)建立各項(xiàng)能力度量模型。

3 UWSN能力度量模型

UWSN的覆蓋能力、連通能力、耐久能力和快速反應(yīng)能力共同決定了它的整體性能。

3.1覆蓋能力

覆蓋能力記為Θ，它由網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍和在覆蓋區(qū)域內(nèi)網(wǎng)絡(luò)的探測能力共同決定。

式中：θ≥ 0，表示UUV對網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍的平均貢獻(xiàn)率，與UUV航路在網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部和外部的比例有關(guān)。

網(wǎng)絡(luò)的探測能力主要受到網(wǎng)絡(luò)的平均覆蓋度和節(jié)點(diǎn)的探測精度決定，網(wǎng)絡(luò)的平均覆蓋度越高、節(jié)點(diǎn)探測精度越高，則網(wǎng)絡(luò)的探測能力也越強(qiáng)。其中，網(wǎng)絡(luò)平均覆蓋度主要受到傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)量的影響，同時，UUV在巡航期間也能對附近的區(qū)域進(jìn)行探測，因此網(wǎng)絡(luò)探測能力TN可表示為

TN=[1-(1-hb)cb]+φhu

式中：φ≥ 0，表示UUV對探測能力的平均貢獻(xiàn)率，與UUV航路在網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部和外部的比例有關(guān)。

結(jié)合覆蓋范圍和網(wǎng)絡(luò)探測能力，網(wǎng)絡(luò)的覆蓋能力為

(1)

式中：α、β≥0表示傳感器與UUV的相對貢獻(xiàn)系數(shù)。

3.2連通能力

連通能力記為φ，它由網(wǎng)絡(luò)的連通性和單條鏈路的質(zhì)量決定。

網(wǎng)絡(luò)連通性除了受到傳感器節(jié)點(diǎn)的連通度影響，還會因?yàn)閁UV作為動態(tài)中繼而能力增強(qiáng)，并且UUV可以看成是分布在網(wǎng)內(nèi)的一個傳感器節(jié)點(diǎn)，概率的大小與UUV航路的分布有關(guān)。因此網(wǎng)絡(luò)連通性CoN為

CoN=kb+μvunu

式中：μ≥ 0，表示UUV對網(wǎng)絡(luò)連通性的貢獻(xiàn)，該參數(shù)的取值需要根據(jù)UUV的航路來確定。

鏈路包括水下鏈路和水上鏈路。其中，在水下主要通過水聲通信，水下鏈路的質(zhì)量主要受到傳感器節(jié)點(diǎn)的通信質(zhì)量影響。另外UUV可以通過近距離有線傳輸方式與匯聚節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信，具有很高的通信速率和可靠性；水上通信主要通過電磁波，它的帶寬主要取決于發(fā)送和接收的功率。因此鏈路質(zhì)量LQos為

式中：ω、η為系數(shù)，0 <η< 1表示水聲通信的誤碼率；0 <ω< 1表示水下通信量與水上通信量之比。

由于相關(guān)的數(shù)據(jù)最終需要傳輸?shù)絽R聚節(jié)點(diǎn)上，因此匯聚節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸能力也會影響到網(wǎng)絡(luò)的連通能力，只有當(dāng)匯聚節(jié)點(diǎn)的傳輸帶寬足夠大，網(wǎng)絡(luò)的帶寬才能充分利用；當(dāng)匯聚節(jié)點(diǎn)的移動速度足夠快，則即使部分?jǐn)?shù)據(jù)無法通過水下傳感器網(wǎng)絡(luò)傳輸，匯聚節(jié)點(diǎn)也可以移動過去進(jìn)行直接數(shù)據(jù)收集。匯聚節(jié)點(diǎn)對水下網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠绊憺?/p>

式中：B為水下最大所需傳輸帶寬。

因此，網(wǎng)絡(luò)的連通能力為

(2)

式中：x、δ≥0為連通能力調(diào)節(jié)系數(shù)。

3.3耐久能力

耐久能力記為Ψ，它由各個節(jié)點(diǎn)生命期決定。從傳感器網(wǎng)絡(luò)開始工作，到其中m個節(jié)點(diǎn)由于能量耗盡而停止工作的時間作為網(wǎng)絡(luò)的生命期，即網(wǎng)絡(luò)的生命期是由能耗最快的前m個節(jié)點(diǎn)決定，m與網(wǎng)絡(luò)冗余度有關(guān)的參數(shù)。單個節(jié)點(diǎn)的生命期由其總能量和工作功耗決定，同時UUV可以為附近能量比較低或者已經(jīng)耗盡的傳感器節(jié)點(diǎn)分擔(dān)部分的監(jiān)測與數(shù)據(jù)傳輸功能，因此節(jié)點(diǎn)的生命期被等效的延長了。網(wǎng)絡(luò)的耐久能力可以由式 (3) 來度量：

(3)

式中：minm表示返回集合中第m小的元素，δ≥ 0表示UUV對節(jié)點(diǎn)生命期的貢獻(xiàn)，它與UUV的航路有關(guān)，ε為能力調(diào)節(jié)系數(shù)；pu為UUV的功耗，主要包括移動功耗、通信功耗和感知功耗，移動功耗又是其中的主要成分；pb為傳感器節(jié)點(diǎn)的功耗，主要包括通信功耗和感知功耗，其中通信功耗與通信半徑的立方成正比例關(guān)系，感知功耗與探測半徑的立方成正比例關(guān)系，即

(4)

3.4快速反應(yīng)能力

快速反應(yīng)能力記為Ω，它主要由網(wǎng)絡(luò)時延和網(wǎng)絡(luò)冗余度決定。

在具體網(wǎng)絡(luò)協(xié)議中，設(shè)標(biāo)準(zhǔn)的超時重傳等待時間為網(wǎng)絡(luò)直徑上往返時間的s倍，重傳等待次數(shù)為l，處理時間相對于水聲通信的延時可以忽略不計(jì)，則網(wǎng)絡(luò)直徑方向的平均等待時間為

網(wǎng)絡(luò)冗余度由kb來表征，則快速反應(yīng)能力為

(5)

式中：ξ≥ 0 表示網(wǎng)絡(luò)冗余度的影響因子。

3.5能力與參數(shù)映射關(guān)系

由4個能力度量模型看出，4種基本能力之間存在一定的關(guān)聯(lián)性，它們共同受到底層參數(shù)的作用，其中db以立方關(guān)系影響了覆蓋和耐久能力；rb以立方關(guān)系影響了耐久能力，同時影響了快速反應(yīng)能力；因此db和rb是2個主要的關(guān)鍵參數(shù)。覆蓋能力和連通能力都受到UUV數(shù)量的影響；快速反應(yīng)能力和覆蓋能力都受到傳感器數(shù)量和覆蓋度的影響；快速反應(yīng)能力和連通能力都受到傳感器通信半徑和連通度的影響。因此，可以建立如圖3的能力與參數(shù)的映射關(guān)系，同時按照參數(shù)對能力的影響方式分為不同類型，如表2所示。

圖3 能力與參數(shù)的映射關(guān)系Fig.3 Map relationship between capability and parameters

能力項(xiàng)約束參數(shù)性能參數(shù)組網(wǎng)參數(shù)覆蓋α、βhb、nu、du、hudb、nb、cb連通ψ、ω、δvs、ns、bs、bb、b'b、bu、vu、nukb耐久θ、ε、meu、eb、pupb快速反應(yīng)ξ、s、lbbrb、kb

表2中組網(wǎng)參數(shù)包括kb、db、nb、cb、rb、pb，平均覆蓋度cb受節(jié)點(diǎn)的探測范圍db及節(jié)點(diǎn)數(shù)量nb的影響，而平均連通度kb受節(jié)點(diǎn)的水下通信半徑rb及節(jié)點(diǎn)數(shù)量nb的影響。組網(wǎng)參數(shù)變化導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)能力的變化，如果對當(dāng)前組網(wǎng)方案進(jìn)行評估后認(rèn)為網(wǎng)絡(luò)的能力不足以應(yīng)對任務(wù)需要，由于節(jié)點(diǎn)的部署方案已經(jīng)確定，因此可以通過調(diào)整組網(wǎng)參數(shù)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化，讓網(wǎng)絡(luò)在不同任務(wù)要求和環(huán)境下具有優(yōu)越的整體性能，或者在達(dá)到能力要求的情況下付出最小的代價(jià)。

4 評估過程模型與仿真實(shí)驗(yàn)

為了從系統(tǒng)上對UWSN的綜合能力進(jìn)行仿真與評估，針對UWSN缺乏有效的仿真平臺的現(xiàn)狀[5]，在建立UWSN綜合能力評估過程模型的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了仿真平臺并進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。

4.1評估過程模型

在UWSN論證、方案設(shè)計(jì)和相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)研究過程中，需要建立UWSN綜合能力評估過程模型，并在仿真平臺上實(shí)現(xiàn)。仿真平臺應(yīng)該具備如下功能：1)支持從覆蓋能力、連通能力、耐久能力和快速反應(yīng)能力對UWSN的綜合能力進(jìn)行較全面計(jì)算和評估；2)支持單項(xiàng)性能對各項(xiàng)能力值的影響程度進(jìn)行量化計(jì)算與分析，支持各項(xiàng)能力之間相互影響關(guān)系的分析；3)根據(jù)任務(wù)需求對網(wǎng)絡(luò)的約束，支持通過調(diào)整UWSN的各項(xiàng)能力數(shù)值，反向計(jì)算得到一組優(yōu)化的組網(wǎng)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對UWSN的優(yōu)化調(diào)整。UWSN仿真平臺的評估過程模型如圖4所示。

圖4 能力評估過程模型Fig.4 Capability evaluation process model

在評估過程中，首先根據(jù)初始參數(shù)設(shè)定和參數(shù)變化設(shè)定，對UWSN綜合能力(整體性能)進(jìn)行評估計(jì)算，顯示相關(guān)的評估計(jì)算結(jié)果。其次，對于不同參數(shù)輸入組合和變化關(guān)系，計(jì)算單項(xiàng)性能參數(shù)對各項(xiàng)能力值影響關(guān)系。同時，在綜合能力評估結(jié)果的基礎(chǔ)上，根據(jù)具體的任務(wù)需求，對各個能力項(xiàng)的評估值進(jìn)行調(diào)整，根據(jù)能力度量模型，反向計(jì)算得到一組優(yōu)化的組網(wǎng)參數(shù)，并作為組網(wǎng)的輸入，實(shí)現(xiàn)對UWSN的優(yōu)化調(diào)整。

仿真平臺參數(shù)設(shè)置模塊不僅提供方便快捷的性能參數(shù)設(shè)置，同時還要能夠改變UWSN的能力值。評價(jià)計(jì)算模塊根據(jù)初始參數(shù)計(jì)算評估UWSN的覆蓋能力、連通能力、耐久能力、快速反應(yīng)能力值。參數(shù)優(yōu)化模塊是要根據(jù)用戶調(diào)整的各項(xiàng)能力值，反向計(jì)算獲得優(yōu)化的組網(wǎng)參數(shù)值。圖形顯示提供友好直觀的顯示界面。

4.2仿真實(shí)驗(yàn)

在實(shí)驗(yàn)中UUV隨機(jī)部署，如果UUV所在的位置需要監(jiān)測，而該位置沒有傳感器節(jié)點(diǎn)監(jiān)測，UUV充當(dāng)監(jiān)測節(jié)點(diǎn)角色。同時如果UUV所在的位置需要與網(wǎng)絡(luò)連通通信，而該位置沒有傳感器節(jié)點(diǎn)承擔(dān)該功能，則UUV節(jié)點(diǎn)承擔(dān)連通通信功能。此時UUV對覆蓋能力相對貢獻(xiàn)系數(shù)、對連通能力調(diào)節(jié)系數(shù)等，根據(jù)試驗(yàn)實(shí)施過程，在仿真平臺中實(shí)時計(jì)算。

在水下監(jiān)測任務(wù)中，UWSN的完全覆蓋至關(guān)重要。因此這里只考慮覆蓋度為1的情況。采用改進(jìn)的ETG算法對網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行部署，可以計(jì)算出當(dāng)傳感器節(jié)點(diǎn)探測范圍為0.67、1、2 km時，網(wǎng)絡(luò)所需最少節(jié)點(diǎn)數(shù)、外層節(jié)點(diǎn)數(shù)和體心節(jié)點(diǎn)數(shù)，如表3所示。

表3節(jié)點(diǎn)探測范圍與最少所需節(jié)點(diǎn)數(shù)關(guān)系

Table3Relationshipbetweendetectedradiuswiththelestnodenumber

探測范圍db/km節(jié)點(diǎn)數(shù)nb覆蓋度cb外層節(jié)點(diǎn)數(shù)體心節(jié)點(diǎn)數(shù)0.67643110×10×49×9×3121917×7×36×6×224114×4×23×3×1

可以看出，當(dāng)節(jié)點(diǎn)的探測半徑增加時，所需節(jié)點(diǎn)數(shù)量迅速減少，這是由于節(jié)點(diǎn)在水下三維部署，因此所需節(jié)點(diǎn)數(shù)量與探測半徑的立方成反比關(guān)系。此外，節(jié)點(diǎn)的探測半徑與通信半徑共同決定節(jié)點(diǎn)的功率。根據(jù)探測半徑與通信半徑的不同關(guān)系，可以得出不同的節(jié)點(diǎn)功耗，同時網(wǎng)絡(luò)的連通度與節(jié)點(diǎn)數(shù)量、通信半徑與探測半徑的比值有關(guān)(如表4)。

表4節(jié)點(diǎn)通信半徑與節(jié)點(diǎn)功耗、連通度關(guān)系

Table4Relationshipbetweencommunicationradiuswithenergyconsumptionandconnectivity

探測范圍db/km通信半徑rb/km節(jié)點(diǎn)功耗pb/W連通度kb0.671.150.05860.671.330.086110.671.890.232190.672.310.4223811.730.0725120.1912.830.2461613.460.4363123.460.2123240.24725.660.3861126.930.57618

從表4可以看出，節(jié)點(diǎn)通信半徑越大，相應(yīng)的連通度也越高。由于網(wǎng)絡(luò)規(guī)模較小，因此網(wǎng)絡(luò)受到邊界條件影響較大，即受總節(jié)點(diǎn)數(shù)的影響較大。通過仿真計(jì)算，得出各項(xiàng)能力與不同通信半徑和探測半徑的關(guān)系，如圖5所示。

由圖5(a)可知，覆蓋能力隨著節(jié)點(diǎn)探測半徑的增加而增大，這是因?yàn)楫?dāng)水下達(dá)到1-覆蓋時(即網(wǎng)絡(luò)所在海域被完全覆蓋)，網(wǎng)絡(luò)的覆蓋能力只與節(jié)點(diǎn)的探測半徑有關(guān)，而與節(jié)點(diǎn)的數(shù)量、通信半徑等因素?zé)o關(guān)。

由圖5(b)可知，連通能力隨著通信半徑的增大而增大，這是因?yàn)楣?jié)點(diǎn)通信半徑增加時，可以與之連通的節(jié)點(diǎn)數(shù)也增加；連通能力隨著探測半徑的增大而減小，這主要受到節(jié)點(diǎn)數(shù)量的影響，在滿足1-覆蓋的情況下，節(jié)點(diǎn)的探測半徑越大，節(jié)點(diǎn)數(shù)量越少，因此在通信半徑不變的情況下減少節(jié)點(diǎn)的數(shù)量會導(dǎo)致鄰居節(jié)點(diǎn)數(shù)量減少，從而使連通能力降低。

圖5 各項(xiàng)能力與關(guān)鍵參數(shù)的關(guān)系Fig.5 Relationship capability between with key parameters

不同的任務(wù)要求網(wǎng)絡(luò)具有不同能力，如環(huán)境監(jiān)測任務(wù)需要在確保基本的覆蓋性和聯(lián)通性情況下，耐久性達(dá)到最大，此時組網(wǎng)參數(shù)中db、cb、kb、pb、rb適當(dāng)變小，nb適當(dāng)變大。而目標(biāo)跟蹤任務(wù)則要求快速性和覆蓋性達(dá)到最大，同時確?；镜穆?lián)通性和耐久性，此時組網(wǎng)參數(shù)中cb=1、db、rb取最大值，kb、pb取最小值。在現(xiàn)實(shí)情況中，探測半徑和通信半徑變大覆蓋范圍會變大，傳感器節(jié)點(diǎn)的能耗變高，耐久性變小。因此文章提出的網(wǎng)絡(luò)能力的度量與現(xiàn)實(shí)情況基本一致。

5 結(jié)論

1)在分析深遠(yuǎn)海海洋探測、水下監(jiān)測的傳感器網(wǎng)絡(luò)組成與特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，利用改進(jìn)ETG進(jìn)行傳感器節(jié)點(diǎn)部署和K-CDS實(shí)現(xiàn) UWSN組網(wǎng)的方式，適合于傳感器節(jié)點(diǎn)能量有限、通信帶寬低、誤碼率高等的水下環(huán)境。

2)根據(jù)UWSN的任務(wù)要求，將綜合能力劃分為覆蓋能力、連通能力、耐久能力和快速反應(yīng)能力，分析UWSN綜合能力與影響參數(shù)(因素)之間的關(guān)系，研究提出了覆蓋能力、連通能力、耐久能力和快速反應(yīng)能力4個度量計(jì)算模型，提煉出組網(wǎng)參數(shù)集合，從系統(tǒng)的視角建立了客觀量化評價(jià)UWSN綜合能力的方法，能夠支持UWSN綜合能力評估以及單項(xiàng)性能對綜合能力影響的量化分析，同時支持通過改變各項(xiàng)能力值，反向計(jì)算獲得優(yōu)化的組網(wǎng)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化調(diào)整，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)在不同任務(wù)和環(huán)境下具有優(yōu)越的整體性能。

3)建立UWSN組網(wǎng)能力評估過程模型，開發(fā)UWSN能力評估仿真平臺，通過仿真實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明提出模型能較客觀計(jì)算UWSN的綜合能力。

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本文引用格式：韋正現(xiàn)，宋敏，印桂生，等. 水下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能力分析與評估方法[J]. 哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報(bào)， 2017， 38(10): 1526 -1538.

WEI Zhengxian, SONG Min, YIN Guisheng, et al. Capability evaluation models of underwater wireless sensor network[J]. Journal of Harbin Engineering University， 2017， 38(10): 1526 -1538.

Capabilityanalysisandevaluationmethodsofunderwaterwirelesssensornetwork

WEI Zhengxian1,2, SONG Min3, YIN Guisheng1, WANG Hongbin1

(1.College of Computer Science and Technology, Harbin Engineering University, Harbin 150001, China; 2.CSSC System Engineering Research Institute, Beijing 100094, China; 3.Information Technology Center, Beijing Foreign Studies University, Beijing 100089, China)

The comprehensive network capacity of an underwater wireless sensor network (UWSN) is affected by complicated factors such as energy consumption, detection radius, and network topology. Thus, networking capability evaluation of UWSN is a challenging issue. To deal with this issue, through an analysis of the relationship between these impact parameters and capability, the capability of UWSN was divided into four items, namely, coverage, connectivity, durability, and rapid reactivity. The parameters that affect the capability items are constraint parameters, device performance, and networking parameters. Measurement models of the abovementioned four capability items were established originally, and the networking capability evaluation process model was presented. Then, an optimal combination of networking parameters can be achieved. The network can achieve advantageous systematic performance under different tasks and environments. Simulation results show that the approach evaluates the capability of UWSN in an objective and efficient manner.

underwater wireless sensor network; coverage; connectivity; durability; rapid-reactivity; evaluation; constraint parameters; device performance parameters; networking

10.11990/jheu.201605084

http://www.cnki.net/kcms/detail/23.1390.U.20170816.1445.014.html

TP182

A

1006-7043(2017)10-1531-08

2016-05-25. < class="emphasis_bold">網(wǎng)絡(luò)出版日期

日期：2017-08-16.

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目 (61502037, 61272185)；國防基礎(chǔ)科研項(xiàng)目(JCKY2016206B001, JCKY2014206C002)；黑龍江省自然科學(xué)基金項(xiàng)目 (F201340).

韋正現(xiàn)(1977-),男,高級工程師,博士研究生;印桂生(1964-)，男，教授，博士生導(dǎo)師；王紅濱(1979-)，男，副教授.

王紅濱，E-mail：wanghongbin@hrbeu.edu.cn.