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        有限馬爾可夫鏈的水聲傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)作中繼算法

        2018-05-21 06:20:38潘志宏萬智萍謝海明
        關(guān)鍵詞:誤碼率中繼協(xié)作

        潘志宏,萬智萍,謝海明

        1.中山大學(xué) 新華學(xué)院,廣州 510520

        2.廣東移動(dòng)通信有限責(zé)任公司 茂名分公司,廣東 茂名 525000

        水下傳感器網(wǎng)絡(luò)(Underwater Wireless Sensor Network,UWSN)是一種針對水下傳播特性,采用水聲傳感器節(jié)點(diǎn)所組成的水下環(huán)境多跳自組織網(wǎng)絡(luò)[1-3],由于水下復(fù)雜的環(huán)境使得電磁波在水下的應(yīng)用得到限制,因此在水下采用聲波進(jìn)行數(shù)據(jù)傳播是目前廣泛應(yīng)用的水下通訊方法[4-5]。水下傳感器網(wǎng)絡(luò)在海洋資源開發(fā)、海洋生態(tài)環(huán)境保護(hù)、航線探索等方面都具有重要應(yīng)用,早在20世紀(jì)90年代,DSP(Digital Signal Processing)芯片及數(shù)字通信技術(shù)的問世,為水下傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)[6]。經(jīng)過多年的發(fā)展,水下傳感器網(wǎng)絡(luò)在節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)和通信算法上得到了更多的改良,然而噪聲高、傳輸速率低、帶寬窄等水下信道特性使得水下通信存在誤碼率高、延遲嚴(yán)重等諸多問題。而且由于水下復(fù)雜的傳播環(huán)境使得水聲節(jié)點(diǎn)更換電池設(shè)備的難度大,成本高,因此如何有效延長水聲節(jié)點(diǎn)有限的工作壽命也成為研究水下傳感器網(wǎng)絡(luò)的重要難題[7-8]。

        為了解決水下傳感器網(wǎng)絡(luò)誤碼率高及能耗大等問題,國內(nèi)外的專家學(xué)者通過開展研究提出了不同的解決方法。張穎等[9]提出一種基于深度和能量的水下三維傳感器網(wǎng)絡(luò)分簇路由算法,該算法中繼節(jié)點(diǎn)的選擇考慮了水下傳輸特性和能量問題,有效地均衡網(wǎng)絡(luò)能耗,延長網(wǎng)絡(luò)正常工作輪數(shù)。蔣鵬等[10]提出一種基于分簇的水下傳感器網(wǎng)絡(luò)覆蓋保持路由算法,簇首間通信時(shí)父節(jié)點(diǎn)中覆蓋冗余度最高的簇首作為其下一跳路由,對簇內(nèi)成員采集的數(shù)據(jù)融合處理后通過時(shí)分多址技術(shù)多跳路由至Sink節(jié)點(diǎn),能降低網(wǎng)絡(luò)能耗,延長網(wǎng)絡(luò)生命周期。水下分簇路由雖然減少了節(jié)點(diǎn)的平均傳輸能耗,但無法降低節(jié)點(diǎn)傳輸數(shù)據(jù)的平均誤碼率。王慶文等[11]提出一種水下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議,采用自適應(yīng)概率的方法,傾向于轉(zhuǎn)發(fā)區(qū)域內(nèi)與上一跳節(jié)點(diǎn)距離遠(yuǎn)和與源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)方向矢量距離近的節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)分組,從而提高了轉(zhuǎn)發(fā)效率。Yu等[12]提出一種水下傳感器網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)路由協(xié)議,該協(xié)議通過逐漸改變節(jié)點(diǎn)的跳距離來保證傳輸?shù)目煽啃裕⒆赃m應(yīng)調(diào)整節(jié)點(diǎn)的發(fā)射功率來提高網(wǎng)絡(luò)的能量效率。但基于最短距離的自適應(yīng)傳輸協(xié)議沒有考慮傳輸誤碼率的問題。Javaid等[13]提出一種水下傳感器網(wǎng)絡(luò)增強(qiáng)型能源平衡數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議,該協(xié)議采用能量級來提升節(jié)點(diǎn)能量負(fù)載均衡性能,通過采用閾值的方法減少匯聚節(jié)點(diǎn)數(shù)量并消除重復(fù)傳輸數(shù)據(jù)的節(jié)點(diǎn),延長網(wǎng)絡(luò)的生命周期。該方法雖然通過減少重傳節(jié)點(diǎn)來節(jié)省能量,但由于水下傳輸特性的影響,節(jié)點(diǎn)存在一定的誤碼率,需要通過重傳來確保終端正確接收數(shù)據(jù),盲目減少重傳節(jié)點(diǎn)會(huì)影響傳輸質(zhì)量。

        由于水下網(wǎng)絡(luò)多跳自組織的傳輸特性,某些節(jié)點(diǎn)既需要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集任務(wù),同時(shí)又負(fù)擔(dān)起了中繼轉(zhuǎn)發(fā)的職責(zé),具有較重的能量負(fù)擔(dān)。為了優(yōu)先確保采集的數(shù)據(jù)能夠成功傳輸至目的節(jié)點(diǎn),本文基于能量策略提出了中轉(zhuǎn)節(jié)點(diǎn)的概念,使得中轉(zhuǎn)節(jié)點(diǎn)在剩余能量不足的情況下優(yōu)先承擔(dān)起中繼職責(zé),從而提升網(wǎng)絡(luò)的傳輸效率。為了降低誤碼率及提升網(wǎng)絡(luò)的生命周期,本文基于馬爾可夫鏈進(jìn)行協(xié)作節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)分析,并以協(xié)作節(jié)點(diǎn)狀態(tài)評價(jià)函數(shù)來選擇最佳中繼。

        1 基于馬爾可夫鏈狀態(tài)空間的協(xié)作節(jié)點(diǎn)狀態(tài)分析

        對于水下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)場景,本文假設(shè)水下環(huán)境是一個(gè)三維的監(jiān)測區(qū)域,水聲節(jié)點(diǎn)隨機(jī)分布于監(jiān)測區(qū)域中。由于受到水下浮游生物等環(huán)境介質(zhì)的影響,水聲節(jié)點(diǎn)發(fā)送的信號只能傳播一段距離,這里表示為節(jié)點(diǎn)的通信半徑,水聲節(jié)點(diǎn)采用多跳的方式互相傳遞數(shù)據(jù),節(jié)點(diǎn)都具有收發(fā)數(shù)據(jù)的功能[5,14]。水下監(jiān)測區(qū)域設(shè)有一個(gè)基站,水聲節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)采集數(shù)據(jù)并發(fā)送到目標(biāo)基站。由于水下傳感器網(wǎng)絡(luò)的多跳特性決定了某些節(jié)點(diǎn)會(huì)充當(dāng)中繼節(jié)點(diǎn),對其他節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行協(xié)作傳輸,同時(shí)這些中繼節(jié)點(diǎn)可能還承擔(dān)著數(shù)據(jù)采集任務(wù),具有較重的能量負(fù)擔(dān)。因此根據(jù)能量負(fù)載情況,本文將水聲節(jié)點(diǎn)分為三類,分別為數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)、中繼節(jié)點(diǎn)和中轉(zhuǎn)節(jié)點(diǎn),如圖1所示。數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)只負(fù)責(zé)采集數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)發(fā)送給鄰居節(jié)點(diǎn),該類節(jié)點(diǎn)遠(yuǎn)離基站,中繼節(jié)點(diǎn)包含了數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)的任務(wù),同時(shí)還需要協(xié)作其他節(jié)點(diǎn)傳輸數(shù)據(jù),而中轉(zhuǎn)節(jié)點(diǎn)不采集數(shù)據(jù),只負(fù)責(zé)協(xié)助其他節(jié)點(diǎn)傳輸數(shù)據(jù),這是由于該類節(jié)點(diǎn)能量較低,需要優(yōu)先保證鏈路暢通,延長網(wǎng)絡(luò)的工作壽命,哪些節(jié)點(diǎn)作為中轉(zhuǎn)節(jié)點(diǎn)將在本文的能量策略中進(jìn)行討論。其中,為了便于文中討論,根據(jù)中繼節(jié)點(diǎn)和中轉(zhuǎn)節(jié)點(diǎn)的協(xié)作特性,將這兩類節(jié)點(diǎn)歸于協(xié)作節(jié)點(diǎn)這個(gè)大類,水下傳感器網(wǎng)絡(luò)中的所有協(xié)作節(jié)點(diǎn)采用集合χ={ }x1,x2,…,xm表示。

        圖1 水下數(shù)據(jù)傳輸二維平面分析圖

        對于通信過程中協(xié)作節(jié)點(diǎn)的信道狀態(tài)變化,假設(shè)數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)從收集數(shù)據(jù),再通過協(xié)作節(jié)點(diǎn)的幫助傳輸數(shù)據(jù)至目的節(jié)點(diǎn)的這個(gè)通信過程可以劃分為T個(gè)時(shí)隙。其中這T個(gè)時(shí)隙中包含了中繼通信(數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)與協(xié)作節(jié)點(diǎn)通信)時(shí)隙及中繼協(xié)作(協(xié)作節(jié)點(diǎn)與基站通信)時(shí)隙。在中繼通信時(shí)隙中,數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)將收集到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給協(xié)作節(jié)點(diǎn)。對于該過程中數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)與協(xié)作節(jié)點(diǎn)之間的無線信道質(zhì)量,可以根據(jù)協(xié)作節(jié)點(diǎn)的誤碼率(Symbol Error Rate,SER)進(jìn)行衡量,因此本文采用有限狀態(tài)馬爾科夫鏈(Markov Chain,MC)分析協(xié)作節(jié)點(diǎn)的SER狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率。假設(shè)數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)與協(xié)作節(jié)點(diǎn)之間的無線信道有V個(gè)狀態(tài),采用H={h1,h2,…,hV}來表示協(xié)作節(jié)點(diǎn)誤碼率的馬爾可夫鏈狀態(tài)空間,協(xié)作節(jié)點(diǎn)xi(xi∈χ)在時(shí)隙tw(tw∈t)中的接收誤碼率用SERxi(tw)表示,假設(shè)協(xié)作節(jié)點(diǎn)的誤碼率從狀態(tài)C1向狀態(tài)C2轉(zhuǎn)移,則協(xié)作節(jié)點(diǎn)SER的狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率表示為:

        而在中繼協(xié)作時(shí)隙,協(xié)作節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)至目的基站,此時(shí)協(xié)作節(jié)點(diǎn)狀態(tài)發(fā)生變化的主要是自身的剩余能量。這是由于水下復(fù)雜的傳播環(huán)境加快了水聲協(xié)作節(jié)點(diǎn)的能量損耗,協(xié)作節(jié)點(diǎn)的剩余能量狀態(tài)會(huì)不斷發(fā)生變化,直至耗盡能源。對于協(xié)作節(jié)點(diǎn)剩余能量狀態(tài)的分析,本文假設(shè)協(xié)作節(jié)點(diǎn)的剩余能量有P個(gè)狀態(tài),采用En={E1,E2,…,EP}表示,在時(shí)隙tq(tq∈t)協(xié)作節(jié)點(diǎn)的剩余能量本文采用Exi(tq)表示,采用ζa,b(t)表示Exi(tq)從狀態(tài)a向狀態(tài)b轉(zhuǎn)移的概率:

        2 協(xié)作中繼算法

        本文提出的中繼協(xié)作算法,首先采用一種能量策略的方法來進(jìn)行中轉(zhuǎn)節(jié)點(diǎn)判定,使剩余能量較少的中轉(zhuǎn)節(jié)點(diǎn)優(yōu)先負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)協(xié)作轉(zhuǎn)發(fā)任務(wù),確保網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸路由的正常運(yùn)作。在確定節(jié)點(diǎn)所承擔(dān)的任務(wù)之后,根據(jù)馬爾可夫鏈狀態(tài)空間所分析的協(xié)作節(jié)點(diǎn)信道狀態(tài)和能量狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率,提出協(xié)作節(jié)點(diǎn)狀態(tài)評價(jià)函數(shù),節(jié)點(diǎn)會(huì)將傳播半徑內(nèi)具有最大評價(jià)值的鄰居節(jié)點(diǎn)作為下一跳節(jié)點(diǎn)。

        在t個(gè)時(shí)隙內(nèi)對水下傳感器網(wǎng)絡(luò)采用基于馬爾可夫模型進(jìn)行協(xié)作節(jié)點(diǎn)狀態(tài)分析,可以得到中繼通信時(shí)的協(xié)作節(jié)點(diǎn)信道狀態(tài)SERxm()t和協(xié)作通信時(shí)的剩余能量狀態(tài)Exi()

        t,通過協(xié)作節(jié)點(diǎn)的這二大狀態(tài),本文可以采取一種協(xié)作節(jié)點(diǎn)狀態(tài)評價(jià)函數(shù)來為數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)選擇最佳中繼。在提出該方法之前,考慮到協(xié)作節(jié)點(diǎn)的剩余能量情況,為了保證水下監(jiān)測范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)所收集到的信息能夠被順利傳輸?shù)交荆S嗄芰坎蛔愕膮f(xié)作節(jié)點(diǎn)需要放棄數(shù)據(jù)采集任務(wù),充當(dāng)中轉(zhuǎn)節(jié)點(diǎn)的角色。因此,本文在提出最佳中繼的選擇策略之前,先提出了一種基于能量策略的中轉(zhuǎn)節(jié)點(diǎn)判定方法。

        2.1 基于能量策略的中轉(zhuǎn)節(jié)點(diǎn)判定方法

        假設(shè)協(xié)作節(jié)點(diǎn)xi與基站xBS的距離為d(xi,xBS),本文采用三維空間的極坐標(biāo)(ρ,φ,θ)計(jì)算xi與xBS的歐幾里德距離:

        協(xié)作節(jié)點(diǎn) xi在to時(shí)刻采集到的數(shù)據(jù)量假設(shè)為Ωxi(to),需要協(xié)作轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)量為(to),則節(jié)點(diǎn) xi成功將數(shù)據(jù)傳輸至基站所需要消耗的能量為:

        其中ex表示單位數(shù)據(jù)每米的傳輸能耗,(1 -SERxi(t))是考慮到水下傳輸環(huán)境存在較高的誤碼率,因此包含了較多的重傳能耗。令Exi(to)表示在to時(shí)刻節(jié)點(diǎn)xi的剩余能量,決定協(xié)作節(jié)點(diǎn)是否作為中轉(zhuǎn)節(jié)點(diǎn)取決于Exi(to)與Ec(xi)的比較關(guān)系,當(dāng)Exi(to)≤Ec(xi),則該協(xié)作節(jié)點(diǎn)xi放棄采集數(shù)據(jù),充當(dāng)中轉(zhuǎn)節(jié)點(diǎn)。通過該能量策略,防止協(xié)作節(jié)點(diǎn)xi在將數(shù)據(jù)傳輸至基站前耗盡自身能量,至少保障了數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)能夠成功到達(dá)基站。

        2.2 基于最佳中繼選擇的協(xié)作節(jié)點(diǎn)狀態(tài)評價(jià)函數(shù)

        在水下傳感器網(wǎng)絡(luò)中,由于節(jié)點(diǎn)的傳播半徑有限,不僅是遠(yuǎn)離基站的數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)需要選擇協(xié)作節(jié)點(diǎn)助其轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù),與基站的距離間隔大于傳播半徑的協(xié)作節(jié)點(diǎn)同樣需要其他協(xié)作節(jié)點(diǎn)的協(xié)助??紤]到中繼信道的誤碼率及中繼點(diǎn)的剩余能量決定了數(shù)據(jù)能否成功轉(zhuǎn)發(fā)至基站,因此,在為節(jié)點(diǎn)選擇最佳的下一跳協(xié)作點(diǎn)時(shí),誤碼率及傳輸能耗成為了重要的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

        假設(shè)水下網(wǎng)絡(luò)中有一節(jié)點(diǎn)xi,需要轉(zhuǎn)發(fā)Ωxi(t)的數(shù)據(jù)量至目的節(jié)點(diǎn),xj是xi傳播半徑內(nèi)的鄰居節(jié)點(diǎn),因此是候選的中繼點(diǎn)。如果在t時(shí)刻xj被確定當(dāng)選為最佳中繼點(diǎn),則此時(shí)xj的信道狀態(tài)為SERxj(t),剩余能量狀態(tài)為Exj(t)。在t+1時(shí)刻協(xié)作節(jié)點(diǎn)xj將數(shù)據(jù)傳輸出去,此時(shí)的信道狀態(tài)為SERxj(t +1),剩余能量狀態(tài)為Exj(t +1)。則對于候選節(jié)點(diǎn)xj,本文所提出的協(xié)作節(jié)點(diǎn)狀態(tài)評價(jià)函數(shù)為:

        其中

        根據(jù)公式(5),節(jié)點(diǎn)xi會(huì)對傳播半徑內(nèi)協(xié)作節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)評價(jià)函數(shù)結(jié)果進(jìn)行比較,選擇函數(shù)值最大的協(xié)作節(jié)點(diǎn)作為最佳的下一跳節(jié)點(diǎn)。該協(xié)作中繼算法的主要流程如下:

        (1)基于馬爾可夫鏈狀態(tài)空間進(jìn)行協(xié)作節(jié)點(diǎn)狀態(tài)分析,根據(jù)公式(1)和公式(2)計(jì)算能量狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率。

        (2)根據(jù)公式(4)計(jì)算中轉(zhuǎn)節(jié)點(diǎn)的能量判定閾值Ec(xi),比較協(xié)作節(jié)點(diǎn)的剩余能量與Ec(xi)之間的大小,當(dāng)小于Ec(xi)時(shí),該協(xié)作節(jié)點(diǎn)充當(dāng)中轉(zhuǎn)節(jié)點(diǎn)。

        (3)根據(jù)公式(5)計(jì)算節(jié)點(diǎn)傳播半徑內(nèi)協(xié)作節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)評價(jià)函數(shù),評價(jià)值最大的節(jié)點(diǎn)將被作為下一跳節(jié)點(diǎn)。

        2.3 計(jì)算復(fù)雜度分析

        在本文算法中,首先進(jìn)行中轉(zhuǎn)節(jié)點(diǎn)判定,根據(jù)公式(4),假設(shè)計(jì)算一個(gè)節(jié)點(diǎn)傳輸能耗所需要的計(jì)算時(shí)間為t1,需要判定網(wǎng)絡(luò)中的n個(gè)節(jié)點(diǎn),因此所需的計(jì)算時(shí)間為n×t1。接著根據(jù)公式(5)計(jì)算一個(gè)協(xié)作節(jié)點(diǎn)的評價(jià)值,假設(shè)計(jì)算時(shí)間為t2,某一節(jié)點(diǎn)的鄰居節(jié)點(diǎn)有m個(gè),則所需的計(jì)算時(shí)間為m×t2,進(jìn)行評價(jià)值最大值比較所需的時(shí)間假設(shè)為t3。則算法計(jì)算時(shí)間總開銷為:n×t1+m×t2+t3,計(jì)算復(fù)雜度則為O()N。

        3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

        為了驗(yàn)證本文提出的基于有限馬爾可夫鏈的水聲傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)作中繼算法的有效性,在仿真實(shí)驗(yàn)部分,本文采用NS2仿真工具,在硬件配置為Intel酷睿i7 6700,主頻3.4 GHz,內(nèi)存4 GB,操作系統(tǒng)為Windows7的PC機(jī)上對算法進(jìn)行了編程仿真。為了更好地說明本文算法的性能,在實(shí)驗(yàn)過程中本文采用文獻(xiàn)[13]提出的水下傳感器網(wǎng)絡(luò)增強(qiáng)型能源平衡數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議與文獻(xiàn)[12]提出的水下傳感器網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)路由協(xié)議作為對比算法,與本文算法在同一環(huán)境下進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn),并對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較分析。

        模擬水下監(jiān)測環(huán)境的范圍為1 000 m×1 000 m×1 000 m,水下設(shè)定一個(gè)固定基站,其他傳感器節(jié)點(diǎn)在監(jiān)測環(huán)境內(nèi)隨機(jī)分布,并且節(jié)點(diǎn)數(shù)量的取值范圍設(shè)定為[1 0 0,400]。傳感器節(jié)點(diǎn)采用聲波進(jìn)行通信,節(jié)點(diǎn)都具有采集環(huán)境數(shù)據(jù),以及收發(fā)數(shù)據(jù)的功能。水下網(wǎng)絡(luò)的其他實(shí)驗(yàn)參數(shù)如表1所示。

        表1 水下傳感器網(wǎng)絡(luò)參數(shù)表

        數(shù)據(jù)包成功投遞率指目的基站最終收到的數(shù)據(jù)包數(shù)量與源節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)包數(shù)量之間的比值,數(shù)據(jù)包成功投遞率越大,意味著傳輸過程中出現(xiàn)丟包的概率越小,網(wǎng)絡(luò)的傳輸性能越好。為了驗(yàn)證本文算法在提升水下傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包成功投遞率上的有效性,在逐漸增加節(jié)點(diǎn)數(shù)量的情況下,本文記錄了實(shí)驗(yàn)過程中各算法的數(shù)據(jù)包成功投遞率,得到了圖2的結(jié)果。從圖2可以看出,本文算法的數(shù)據(jù)包成功投遞率高于文獻(xiàn)[12]和文獻(xiàn)[13]的算法,文獻(xiàn)[13]提出的增強(qiáng)型能源平衡數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議對誤碼率并沒有起到較好的控制效果,而文獻(xiàn)[12]提出的自適應(yīng)路由協(xié)議雖然通過控制節(jié)點(diǎn)的跳距離來確保數(shù)據(jù)得到及時(shí)轉(zhuǎn)發(fā),但是該協(xié)議并沒有專注于無線信道質(zhì)量。而本文算法將誤碼率作為最佳中繼選擇的一個(gè)重要的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn),因此選擇的中繼節(jié)點(diǎn)在傳輸數(shù)據(jù)包時(shí)具有較高的成功率。

        圖2 數(shù)據(jù)包成功投遞率

        圖3顯示了在逐漸增加節(jié)點(diǎn)數(shù)量的條件下網(wǎng)絡(luò)的能量消耗情況,從圖中可以看出,當(dāng)節(jié)點(diǎn)數(shù)量逐漸增加時(shí),網(wǎng)絡(luò)的能量消耗量隨之逐漸增大。其中,當(dāng)節(jié)點(diǎn)數(shù)量達(dá)到400時(shí),能源平衡數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議所消耗的總能量最多,為182.3 J,而自適應(yīng)路由協(xié)議所消耗的總能量為166.8 J,本文算法為158.5 J。雖然能源平衡數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議和自適應(yīng)路由協(xié)議都采取了一定的節(jié)能策略,但是這兩個(gè)算法在成功傳遞數(shù)據(jù)上比本文算法付出了更多的能量代價(jià)。從圖中可以看出,本文算法的網(wǎng)絡(luò)平均總能耗分別為文獻(xiàn)[13]和文獻(xiàn)[12]算法的89.4%和94.2%。

        圖3 不同節(jié)點(diǎn)數(shù)量下的網(wǎng)絡(luò)能耗

        圖4顯示了在不同通信半徑下的網(wǎng)絡(luò)能耗情況,從圖中可以看出,隨著節(jié)點(diǎn)的通信半徑逐漸增大,網(wǎng)絡(luò)的能耗會(huì)逐漸減少。這是由于通信半徑的增大使得參與協(xié)作傳輸?shù)穆酚晒?jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)減少,因此網(wǎng)絡(luò)總的能耗降低。從圖4的數(shù)據(jù)分布情況來看,三種算法受到通信半徑變化的影響,網(wǎng)絡(luò)能耗都有明顯的變化趨勢。并且在不同通信半徑下本文算法的網(wǎng)絡(luò)能耗都低于能量平衡數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議和自適應(yīng)路由協(xié)議。對于在基站位置不同的情況下的網(wǎng)絡(luò)能耗情況,本文設(shè)置其他實(shí)驗(yàn)條件不變,基站位置在網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi)隨機(jī)生成的條件下進(jìn)行了200組實(shí)驗(yàn),并且隨機(jī)抽取五個(gè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果得到了圖5所顯示的結(jié)果。從圖中可以看出,五次實(shí)驗(yàn)的基站坐標(biāo)都不相同,得到的網(wǎng)絡(luò)能耗結(jié)果也不相同,這是由于基站坐標(biāo)變化使得源-目的節(jié)點(diǎn)間的傳輸距離也發(fā)生了變化,不同傳輸距離所消耗的網(wǎng)絡(luò)傳輸能耗不同。從三種算法的對比情況可以看出,即使基站坐標(biāo)變化,本文算法的網(wǎng)絡(luò)能耗量仍然低于對比算法。

        圖4 不同通信半徑下的網(wǎng)絡(luò)能耗

        圖5 不同坐標(biāo)下的網(wǎng)絡(luò)能耗

        圖6為算法的網(wǎng)絡(luò)生命周期的比較情況,本文以第一個(gè)節(jié)點(diǎn)的死亡時(shí)間作為網(wǎng)絡(luò)的生命周期。根據(jù)圖中的結(jié)果,隨著網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)量的增多,網(wǎng)絡(luò)生命周期相應(yīng)延長,這是由于節(jié)點(diǎn)數(shù)量的增多使得每個(gè)節(jié)點(diǎn)的能量負(fù)載開始減小,節(jié)點(diǎn)壽命逐漸延長。從數(shù)據(jù)結(jié)果可以看出,本文算法所采用的中轉(zhuǎn)節(jié)點(diǎn)判定方法以及協(xié)作節(jié)點(diǎn)狀態(tài)評價(jià)函數(shù)對延長節(jié)點(diǎn)平均壽命起到了較好的效果,其中本文算法的平均網(wǎng)絡(luò)生命周期相比文獻(xiàn)[13]和文獻(xiàn)[12]算法分別增加了16.3%和7.1%。

        圖6 網(wǎng)絡(luò)生命周期

        4 結(jié)束語

        為了減少水下傳感器網(wǎng)絡(luò)的誤碼率,提升網(wǎng)絡(luò)的能量效率,本文基于有限馬爾可夫鏈對協(xié)作節(jié)點(diǎn)狀態(tài)進(jìn)行了分析,得到了協(xié)作節(jié)點(diǎn)的無線信道狀態(tài)及剩余能量狀態(tài)。為了確保數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)能夠成功傳輸,本文根據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)任務(wù)優(yōu)先的能量策略對中轉(zhuǎn)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了判定。為了選擇最佳的中繼節(jié)點(diǎn),本文提出了一種協(xié)作節(jié)點(diǎn)狀態(tài)評價(jià)函數(shù),將誤碼率及傳輸能耗作為評價(jià)標(biāo)準(zhǔn),從而提升網(wǎng)絡(luò)的信道傳輸質(zhì)量并延長網(wǎng)絡(luò)的生命周期。

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