尹 鵬，葉 玲

(1.湖北工程學(xué)院，湖北 孝感 432000;2.湖北工程學(xué)院，湖北 孝感 432000)

0 引 言

近期，水下傳感網(wǎng)絡(luò)(Underwater Sensor Networks, USNs)被廣泛應(yīng)用于潛艇跟蹤、港口監(jiān)控等水面應(yīng)用[1-2]。USNs由部署于水下的傳感節(jié)點(diǎn)和飄浮于水面的聲納浮標(biāo)組成。傳感節(jié)點(diǎn)感測水下環(huán)境數(shù)據(jù)，然后以聲信號傳輸至水面上的浮標(biāo)(信宿)。收集感測數(shù)據(jù)后，浮標(biāo)再以無線方式傳輸至控制中心。

水域通信對無線射頻信號有嚴(yán)重的衰落影響。因此，需要利用無線射頻通信和聲通信兩種方式完成數(shù)據(jù)傳輸。此外，考慮到水域通信的嚴(yán)厲傳輸環(huán)境，只有單一節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包難以成功傳輸數(shù)據(jù)包。而由多個節(jié)點(diǎn)協(xié)作轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)能夠提高數(shù)據(jù)包傳輸?shù)某晒β?。將由多個節(jié)點(diǎn)協(xié)作轉(zhuǎn)發(fā)的路由，也稱為協(xié)作路由。

在協(xié)作路由中，接收節(jié)點(diǎn)能夠從兩個不同的節(jié)點(diǎn)接收到同一個數(shù)據(jù)包，一個為數(shù)據(jù)包本身，另一個數(shù)據(jù)包為數(shù)據(jù)包的復(fù)本。但是傳統(tǒng)的UWNs路由并沒有引用協(xié)作概念[4-7]。

文獻(xiàn)[8-10]針對USNs環(huán)境，提出了通過轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)協(xié)作傳輸數(shù)據(jù)包。但是這些策略在決策路由時，需要節(jié)點(diǎn)的位置信息，并且要求節(jié)點(diǎn)同步。這增加了路由開銷，特別在是水域環(huán)境獲取節(jié)點(diǎn)位置是非常困難的。

此外，Wahid等[12]提出了能量效率和水壓 (Energy-Efficient Depth-based Routing, EED) 路由。EED路由通過節(jié)點(diǎn)的水壓值選擇轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)。水壓越大，表明離水面越遠(yuǎn)，數(shù)據(jù)傳輸路徑就越長，這不利于數(shù)據(jù)包的傳輸。因此，可將節(jié)點(diǎn)水壓值作為決策路由的參數(shù)。

然而，EED路由只考慮了節(jié)點(diǎn)的水壓值。只依據(jù)節(jié)點(diǎn)水壓值選擇轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)，并不能最優(yōu)性能。類似地，Khan等[13]提出能效的最優(yōu)轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn) (Energy-Efficient Optimal Relay Selection, EOS) 路由。EOS路由從傳感節(jié)點(diǎn)的能量信息，選擇轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)，避免選擇能量過低的節(jié)點(diǎn)作為轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)。但是，EED和EOS并沒有引用協(xié)作路由概念。

為此，結(jié)合EED和EOS路由的優(yōu)勢，提出基于轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)協(xié)作的數(shù)據(jù)傳輸策略FCT。FCT策略先利用傳感節(jié)點(diǎn)的水壓和距離信息，選擇下一跳轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)，然后從依據(jù)所選擇的轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)，尋找它的協(xié)作轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)，再由這兩個轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)共同完成數(shù)據(jù)包的傳輸，進(jìn)而克服水域環(huán)境中低的數(shù)據(jù)包傳輸成功率的困境。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，提出的FCT策略能夠有效地提高數(shù)據(jù)包傳輸成功率。

1 系統(tǒng)模型

1.1 網(wǎng)絡(luò)模型

考慮如圖1所示的網(wǎng)絡(luò)模型，在水域環(huán)境Ω內(nèi)隨機(jī)部署m個傳感節(jié)點(diǎn)s={s1,s2,…,sm}。這些傳感節(jié)點(diǎn)以聲通信方式傳輸數(shù)據(jù)。它們實(shí)時地感測數(shù)據(jù)，并向位于水位的信宿傳輸。當(dāng)信宿接收了數(shù)據(jù)后，就向控制中心傳輸。

圖1 網(wǎng)絡(luò)模型

1.2 傳播模型

引用聲頻調(diào)制解調(diào)器[13]分析水域環(huán)境的數(shù)據(jù)傳輸，如式(1)所示：

ρSNR=λSL-λTL-λNL+λDI

(1)

其中ρSNR表示接收端所接收的聲波的信噪比，且單位為dBreμPa(1μPa=0.67×10-18Watts/m2)。λSL、λTL、λNL和λDI分別表示聲源等級、傳輸損耗、噪聲和方向指數(shù)。如果是全向傳輸信號，則λDI等于1，否則為零。

當(dāng)ρSNR大于TSNR，則接收端能正常解調(diào)信號，獲取原始信號，其中TSNR表示信號檢測閾值。

用單位信號強(qiáng)度IT表示λSL，如式(2)所示。其中IT表示離發(fā)送端(聲源)為1 m時的信號強(qiáng)度，且單位為1 μPa。

(2)

如果引用Watts/m2單位，結(jié)合式(2)可得：

IT=10SL/10×0.67×10-18

(3)

接下來，分析節(jié)點(diǎn)的能耗。令H表示聲源的深度。若聲信號(單比特數(shù)據(jù))從聲源開始，傳輸了d米后，消耗了功率PT(d)可表示為：

PT(d)=4π×d2×H×IT

(4)

PT(d)表示傳輸單比特數(shù)據(jù)，所消耗的能量?？捎檬?5)計算傳輸k比特所消耗的能量ETX(k,d)：

ETX(k,d)=PTX(d)×t

(5)

其中t表示傳輸時間。

2 FCT路由

2.1 鄰居節(jié)點(diǎn)信息的獲取

最初，信宿周期地廣播Hello包，其包含信宿ID(Sink_ID)和位置(Sink_P)。傳感節(jié)點(diǎn)(假定為傳感節(jié)點(diǎn)si)一旦接收了Hello包，就利用信號的強(qiáng)度RSSI值估計離信宿距離(di)，其中i=1,2,…,m。

隨后，傳感節(jié)點(diǎn)si依據(jù)壓力傳感節(jié)點(diǎn)獲取水壓值pi，并將水壓值pi插入到Hello包。同時，也將距離di插入到Hello包。再轉(zhuǎn)播此Hello包，其格式如表1所示。其中ID_S表示傳感節(jié)點(diǎn)ID號、Depth表示傳感節(jié)點(diǎn)的水壓(深度)。而Distance表示離信宿距離。

表1 Hello包格式

轉(zhuǎn)播Hello包有兩個目的：(1)獲取信宿信息；(2)獲取周邊鄰居節(jié)點(diǎn)的信息。傳感節(jié)點(diǎn)si轉(zhuǎn)播了Hello包，就進(jìn)入監(jiān)聽狀態(tài)。若收到其他節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)播的Hello包，就記錄該節(jié)點(diǎn)的ID_S、Depth，并將它們存在于鄰居表中，并將相應(yīng)的鄰居節(jié)點(diǎn)加入鄰居集Ni中。其中Ni表示傳感節(jié)點(diǎn)si的鄰居集。

2.2 下一跳轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)的選擇

當(dāng)傳感節(jié)點(diǎn)有數(shù)據(jù)Data要傳輸時，首先判斷自己是否位于信宿一跳通信范圍內(nèi)。仍以傳感節(jié)點(diǎn)si為例。令Datai表示傳感節(jié)點(diǎn)si需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。首先，傳感節(jié)點(diǎn)si判斷式(6)，若滿足式(6)就直接向信宿傳輸，不需要再尋找下一跳轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)。

di

(6)

若不滿足式(6)，則表明需要通過多跳通信方式傳輸數(shù)據(jù)。因此，需要尋找下一跳轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)。

(7)

一旦選擇了下一跳轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)sf、協(xié)作節(jié)點(diǎn)sc，傳感節(jié)點(diǎn)si就將sf和sc載入數(shù)據(jù)包的首部，如表2所示。然后，傳感節(jié)點(diǎn)si就轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)Datai。

表2 數(shù)據(jù)包格式

2.3 協(xié)作轉(zhuǎn)發(fā)

一旦給數(shù)據(jù)包指定了轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)和協(xié)作節(jié)點(diǎn)，該數(shù)據(jù)包只能由這兩個節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)。即只能由這兩個節(jié)點(diǎn)參與該數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā)，如圖2所示。

圖2 協(xié)作轉(zhuǎn)發(fā)示意圖

從圖2可知，下一跳轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)從兩條路徑收到數(shù)據(jù)包Datai。接下來，從信號角度分析這兩條路徑的信道增益。首先，令yd表示轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)sf從傳感節(jié)點(diǎn)si直接接收的信號，如式(8)所示[14]：

(8)

其中Pi表示傳感節(jié)點(diǎn)si傳輸數(shù)據(jù)包的的功率。hif表示直接傳輸通道的沖激響應(yīng)。而x、nd分別表示信號、噪聲。

相應(yīng)地，令yc表示協(xié)作節(jié)點(diǎn)sc從傳感節(jié)點(diǎn)si所接收的信號，其定義如式(9)所示[15]：

(9)

類似地，hic、nc分別表示協(xié)作傳輸通道的信道增益和噪聲。協(xié)作節(jié)點(diǎn)再將信號yc傳輸?shù)较乱惶D(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)sf。因此，下一跳轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)從協(xié)作節(jié)點(diǎn)所接收的信號ycf：

(10)

其中Pc、hcf分別表示協(xié)作節(jié)點(diǎn)sc的轉(zhuǎn)發(fā)功率、從協(xié)作節(jié)點(diǎn)至下一跳轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)的通道增益，且ncf為通道噪聲。而β為放大系數(shù)，可通過式(11)計算：

β=(Pc|hcf|2+σ2)-1/2

(11)

其中σ為噪聲變量的方差。回顧到式(8)、(9)和(10)，它們式中的增益(hif、hic、hcf)反映信道特性。假定它們?yōu)楦咚闺S機(jī)變量，且服從零均值、方差為σ2的分布。

最后，下一跳轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)將從兩路所接收的信號進(jìn)行融合。引用最大融合技術(shù)(Maximum-ratio-combining, MRC)原則[16]，將兩路信號SNR進(jìn)行融合。令ρMRC表示融合后的SNR:

(12)

其中ρif、ρic和ρcf分別表示傳感節(jié)點(diǎn)si至轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)sf、傳感節(jié)點(diǎn)si至協(xié)作節(jié)點(diǎn)sc和協(xié)作節(jié)點(diǎn)sc至轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)sf的信噪比，它們的定義如式(13)所示：

(13)

轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)sf就將ρMRC與閾值TMRC進(jìn)行。如果ρMRC大于TMRC，則說明轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)成功接收了數(shù)據(jù)包。否則，要求重傳。

3 性能分析

3.1 仿真環(huán)境

為了更好地分析FCT路由，利用Matlab建立仿真平臺。在Ω=5003m3區(qū)域內(nèi)隨機(jī)部署N=250個傳感節(jié)點(diǎn)。具體的仿真參數(shù)如表3所示。

表3 仿真參數(shù)

選擇EED路由和EOS路由作為參考，并進(jìn)行同步仿真。分析EED、EOS和FCT路由的路由性能和能耗。

將時間劃分不同輪(Round)。所謂Round是指一個或多個節(jié)點(diǎn)向信宿傳輸數(shù)據(jù)包的時間。因此，接下來，分析總體能量消耗、端到端傳輸時和數(shù)據(jù)包傳遞率隨輪的變化情況。

3.2 端到端傳輸時延

首先，分析FCT路由的數(shù)據(jù)包傳輸時延。從圖3可知，數(shù)據(jù)包傳輸時延隨輪數(shù)的增加而上升，當(dāng)運(yùn)行了100輪后，F(xiàn)CT路由的傳輸時延趨于穩(wěn)定，接近于3500 s。相比于EOS和EED路由，F(xiàn)CT路由的傳輸時延有一定幅度地增加。例如，在運(yùn)行至150輪時，F(xiàn)CT路由的傳輸時延為3500 s，而EOS和EED路由的傳輸時延分別約2750 s和約3100 s。造成FCT路由時延增加大的原因在于：FCT路由引用協(xié)作轉(zhuǎn)發(fā)概念，每個數(shù)據(jù)包都需要兩路傳輸，這增加了一定的傳輸時延。

圖3 端到端傳輸時延

3.3 數(shù)據(jù)包傳遞率

接下來，分析三個路由的數(shù)據(jù)包傳遞率。從圖4可知，相比EOS和EED路由，F(xiàn)CT路由的數(shù)據(jù)包傳遞率得到有效提高。當(dāng)運(yùn)行了100輪后，三個路由的數(shù)據(jù)包傳遞率趨于穩(wěn)定。EOS路由、EED路由和FCT路由的數(shù)據(jù)包傳遞率分別趨于約0.43、約0.375和約0.558。數(shù)據(jù)包傳遞率的提高，這要?dú)w功于FCT路由采用了協(xié)作路由。通過協(xié)作節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)發(fā)，提高了數(shù)據(jù)包傳遞率。

圖4 數(shù)據(jù)包傳遞率

3.4 能耗

最后，分析各路由中傳感節(jié)點(diǎn)的能量消耗。從圖5可知，隨著運(yùn)行輪數(shù)的增加，能耗逐漸增加，特別是在初期(前100輪)，能耗增加迅速。但運(yùn)行了150輪后，三個路由協(xié)議的能量消耗趨于平衡。相比EOS和EED路由的能耗，F(xiàn)CT路由的能耗略有增加。原因在于：FCT路由采用了重傳機(jī)制，當(dāng)數(shù)據(jù)包傳輸不成功時，就需重傳數(shù)據(jù)包。這加大了能量消耗。

4 結(jié)束語

針對USNs的數(shù)據(jù)傳輸問題，提出基于轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)的協(xié)作路由FCT。FCT路由利用鄰居節(jié)點(diǎn)的水壓值和位置值擇優(yōu)選擇下一跳轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)，再依據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)選擇協(xié)作節(jié)點(diǎn)。通過協(xié)作節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包，提高數(shù)據(jù)包的傳輸成功率。仿真數(shù)據(jù)表明，相比于同類路由，F(xiàn)CT的數(shù)據(jù)包傳遞率得到有效提高。

此外，觀察仿真數(shù)據(jù)不難發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)CT路由的數(shù)據(jù)傳輸時延、能耗性能并沒有得到提升。后期，將優(yōu)化路由，控制數(shù)據(jù)傳輸時延及能耗，這將是后期的工作方向。