張 馳

(河南財(cái)經(jīng)政法大學(xué) 計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院，河南 鄭州 450046)

0 引 言

水下傳感網(wǎng)絡(luò)(underwater sensor networks，USNs)通過預(yù)先部署的傳感節(jié)點(diǎn)收集水域環(huán)境數(shù)據(jù)，再將數(shù)據(jù)傳輸至飄浮于水面的聲納浮標(biāo)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)水域環(huán)境的監(jiān)測(cè)[1,2]。

然而，嚴(yán)苛的傳輸環(huán)境，增加了水域環(huán)境中的數(shù)據(jù)傳輸難度，給路由設(shè)計(jì)提出了挑戰(zhàn)。因此，僅依靠單個(gè)傳感節(jié)點(diǎn)難以完成數(shù)據(jù)的傳輸，需多個(gè)節(jié)點(diǎn)間協(xié)作，共同完成數(shù)據(jù)的傳輸。協(xié)作路由就是遵循多節(jié)點(diǎn)協(xié)作，共同完成數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃枷搿?/p>

協(xié)作路由利用從一個(gè)或多個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)完成數(shù)據(jù)的傳輸。因此，目的節(jié)點(diǎn)可能會(huì)接收同一個(gè)數(shù)據(jù)包的一個(gè)或兩個(gè)復(fù)本，其中，一個(gè)復(fù)本是直接來自源節(jié)點(diǎn)，而其它的復(fù)本來自轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)的。目的節(jié)點(diǎn)融合所接收的數(shù)據(jù)包，然后依據(jù)特定算法處理這些數(shù)據(jù)包，進(jìn)而提取所需的信息，最終保證數(shù)據(jù)包能夠可靠地傳輸至目的節(jié)點(diǎn)[3]。

協(xié)作路由的獨(dú)特特性能夠緩解嚴(yán)苛的傳輸環(huán)境。由于目的節(jié)點(diǎn)融合了兩個(gè)或多個(gè)數(shù)據(jù)包復(fù)本，這就提高了目的節(jié)點(diǎn)成功接收數(shù)據(jù)包的概率，增加了數(shù)據(jù)包傳輸?shù)目煽啃?。然而，UWNs的傳統(tǒng)路由[4-7]協(xié)議在傳輸數(shù)據(jù)包過程中，并沒有引用協(xié)作路由概念。因此，這種策略無法保證數(shù)據(jù)包傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

文獻(xiàn)[8-10]提出協(xié)作路由策略。然而，這些策略要求傳感節(jié)點(diǎn)的地理位置、傳感節(jié)點(diǎn)間的時(shí)間同步。在水域環(huán)境估算傳感節(jié)點(diǎn)的位置是非常困難的。

作為典型的基于節(jié)點(diǎn)深度值選擇的路由，能效-深度的路由(energy-efficient depth-based routing，EEDBR)[11]依據(jù)節(jié)點(diǎn)深度值決策路由。深度值越大表明節(jié)點(diǎn)離水面距離越大，將數(shù)據(jù)傳輸至位于水面的信宿的路徑越長(zhǎng)。但是，節(jié)點(diǎn)往往需要通過多跳轉(zhuǎn)發(fā)才能將數(shù)據(jù)傳輸至信宿。若只依據(jù)節(jié)點(diǎn)深度值難以選擇最優(yōu)的數(shù)據(jù)傳輸性能。而文獻(xiàn)[12]提出基于能效的最優(yōu)轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)路由(energy-efficient optimal relay selection，EEORS)，其是從能效角度選擇最優(yōu)轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)，其立足點(diǎn)是選擇轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)。但轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)的選擇與數(shù)據(jù)包的目的節(jié)點(diǎn)密集相關(guān)。

為此，本文提出基于深度和位置的協(xié)作路由(depth and location-based cooperative routing，DLCR)。DLCR路由依據(jù)節(jié)點(diǎn)的深度和位置信息決策路由。同時(shí)，目的節(jié)點(diǎn)通過檢測(cè)信號(hào)的信噪比判斷是否能成功接收數(shù)據(jù)包，進(jìn)而保證數(shù)據(jù)包傳輸?shù)目煽柯?。仿真?shù)據(jù)表明，提出的DLCR路由有效地提高了數(shù)據(jù)包傳遞率。

1 能量模型及網(wǎng)絡(luò)模型

1.1 能量消耗模型

對(duì)于水下通信數(shù)據(jù)包傳輸和數(shù)據(jù)包接收，引用典型的聲頻調(diào)制解調(diào)器。為此，引用文獻(xiàn)[13]的等式

SNR=SL-TL-NL+DI≥DT

(1)

其中，SNR表示接收端所接收的聲波的信號(hào)強(qiáng)度，單位為dBre μPa。而1 μPa=0.67×10-18Watts/m2。而SL、TL、NL和DI分別表示所發(fā)射聲波的等級(jí)(聲源等級(jí))、傳輸損耗、噪聲和方向指數(shù)。若聲源是全向時(shí)，DI=0。

為了保證接收端的聲頻調(diào)制解調(diào)器能正常檢測(cè)聲波信號(hào)，信號(hào)的SNR應(yīng)該高于或等于解調(diào)器的檢測(cè)閾值。聲源等級(jí)反映了聲源波的強(qiáng)度。傳輸距離越遠(yuǎn)，傳輸損耗、噪聲就越能消弱聲波強(qiáng)度。

SL與信號(hào)強(qiáng)度IT相關(guān)，其中IT表示離聲源1 m處的信號(hào)功率值。SL與IT的關(guān)系如式(2)所示

(2)

其中，IT的單位為1 μPa。若單位轉(zhuǎn)換成Watts/m2，而IT可表述為

IT=10SL/10×0.67×10-18

(3)

若傳輸單比特、且傳輸距離為d、聲源水深為H所消耗的功率PT(d)為

PT(d)=4π×d2×H×IT

(4)

因此，若傳輸k比特所消耗的能量ETX(k,d)

ETX(k,d)=PTX(d)×TTX

(5)

其中，TTX表示傳輸k比特?cái)?shù)據(jù)所需的時(shí)間，單位為s。

1.2 網(wǎng)絡(luò)模型

考慮三維立體化的網(wǎng)絡(luò)。節(jié)點(diǎn)以隨機(jī)方式部署于網(wǎng)絡(luò)。信宿位于網(wǎng)絡(luò)區(qū)域的頂部。傳感節(jié)點(diǎn)實(shí)時(shí)地感測(cè)數(shù)據(jù)，然后傳輸至信宿，信宿再將數(shù)據(jù)傳輸至控制中心，如圖1所示。

圖1 網(wǎng)絡(luò)模型

傳感節(jié)點(diǎn)以聲波通信。而信宿既可利用聲波通信，又可利用無線射頻通信。而信宿以無線射頻通信方式向控制中心傳輸數(shù)據(jù)。

2 DLCR路由

2.1 網(wǎng)絡(luò)初始化

最初，信宿廣播HELLO包，其包含信宿的節(jié)點(diǎn)位置。一旦接收了HELLO包，節(jié)點(diǎn)就利用到達(dá)時(shí)間差(time of arrival，ToA)估計(jì)離信宿的距離。然后，節(jié)點(diǎn)利用自身壓力傳感器計(jì)算深度。最后，節(jié)點(diǎn)將自己的ID、深度和距離插入HELLO包，并轉(zhuǎn)播HELLO包，如圖2所示。

圖2 HELLO包格式

當(dāng)節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)播HELLO包后，它就等待一段時(shí)間t0，并且在這個(gè)等待時(shí)間，監(jiān)聽是否有節(jié)點(diǎn)重播此HELLO包。若在這時(shí)間內(nèi)，沒有收到HELLO包，說明自己無鄰居節(jié)點(diǎn)。

一旦收到來自鄰居節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)播的HEELO包，節(jié)點(diǎn)就從此HELLO包中提取信息，包括鄰居節(jié)點(diǎn)的ID、深度和距離。并將這些信息存在自己的路由表(routing table)。此過程一直重復(fù)，直到每個(gè)節(jié)點(diǎn)知曉自己的鄰居節(jié)點(diǎn)信息。

2.2 目的節(jié)點(diǎn)和轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)的選擇

一旦準(zhǔn)備傳輸數(shù)據(jù)包，源節(jié)點(diǎn)首先判斷信宿是否位于自己的通信范圍。如果是，則直接向信宿傳輸；否則的話，源節(jié)點(diǎn)就以多跳方式向信宿傳輸數(shù)據(jù)包。

假定源節(jié)點(diǎn)為i，它的鄰居集為Ni。首先，源節(jié)點(diǎn)i選擇一個(gè)目的節(jié)點(diǎn)。選擇原則：選擇具有低深度、短距離的節(jié)點(diǎn)作為目的節(jié)點(diǎn)，并且被選擇的節(jié)點(diǎn)的剩余能量大于零。假定節(jié)點(diǎn)j∈Ni，它的剩余能量為Ej。只有Ej大于零的節(jié)點(diǎn)才可能被選擇為目的節(jié)點(diǎn)和轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)。

此外，選擇低深度、短距離的節(jié)點(diǎn)作為目的節(jié)點(diǎn)和轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)，原因在于：距離反映了離源節(jié)點(diǎn)的物理距離。離信宿越近，距離越短。除了考慮距離之后，還考慮了深度是因?yàn)榈途嚯x值不足以表明離信宿的距離。當(dāng)然，距離值包含了節(jié)點(diǎn)的深度信息。但兩節(jié)點(diǎn)間的距離與兩節(jié)點(diǎn)的深度值并不呈比例關(guān)系。本文所指的深度是指節(jié)點(diǎn)離水面的垂直距離。

可能存在這種情況：兩個(gè)或多個(gè)節(jié)點(diǎn)具有相同的深度，但可能它們離信宿距離并不相同。因此，同時(shí)考慮距離和深度值，能選擇最靠近信宿的節(jié)點(diǎn)作為目的節(jié)點(diǎn)。

令Depth(j)、Distance(j)分別表示節(jié)點(diǎn)j∈Ni的深度、離源節(jié)點(diǎn)距離。為此，先依據(jù)深度值對(duì)Ni按升序排序，并保留前5個(gè)節(jié)點(diǎn)，假定這5個(gè)節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的節(jié)點(diǎn)集為N′i。然后，再?gòu)腘′i中選擇選擇離源節(jié)點(diǎn)最近的節(jié)點(diǎn)作為源節(jié)點(diǎn)i的目的節(jié)點(diǎn)Di。

完成目的節(jié)點(diǎn)Di的選擇之后。接下來，選擇轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)Fi。由于轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)是為了給目的節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包，進(jìn)而完成協(xié)作路由。因此，將從Ni中選擇離目的節(jié)點(diǎn)Di最近的節(jié)點(diǎn)作為轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)。離目的節(jié)點(diǎn)越近，數(shù)據(jù)包到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)的時(shí)間越短，這就能降低協(xié)作路由時(shí)延。

一旦完成了目的節(jié)點(diǎn)Di、轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)Fi的選擇后，源節(jié)點(diǎn)i就將目的節(jié)點(diǎn)Di和轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)Fi的ID號(hào)裝入HELLO包，并向鄰居節(jié)點(diǎn)廣播。一旦收到來自源節(jié)點(diǎn)的HELLO包，節(jié)點(diǎn)就檢測(cè)自己的ID號(hào)，如果自己既不是轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)，也不是目的節(jié)點(diǎn)，就不參與路由。反之，若自己成為轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)或目的節(jié)點(diǎn)，就參與路由，并轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包。

2.3 協(xié)作路由

在源節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包時(shí)，盡管鄰居節(jié)點(diǎn)未參與路由，但是它們可能也會(huì)監(jiān)聽到數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā)。但DLCR路由所選擇的轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)參與路由。令ysd表示目的節(jié)點(diǎn)Di從源節(jié)點(diǎn)接收的信號(hào)[14]

(6)

其中，Ps表示源節(jié)點(diǎn)的發(fā)射功率，而x表示所傳輸?shù)男盘?hào)。hsd表示從源節(jié)點(diǎn)至目的節(jié)點(diǎn)的信道增益。nsd為噪聲。

而轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)Fi從源節(jié)點(diǎn)所接收的信號(hào)表示為ysr，其定義如式(7)所示[12]

(7)

相應(yīng)地，hsr、nsr分別表示從源節(jié)點(diǎn)至轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)信道的增益、噪聲。

只要接收到來自源節(jié)點(diǎn)發(fā)送的信號(hào)，轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)Fi先對(duì)信號(hào)處理，再向目的節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)。因此，目的節(jié)點(diǎn)將源節(jié)點(diǎn)和轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)的信號(hào)進(jìn)行整合

(8)

其中，yrd表示目的節(jié)點(diǎn)從轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)所接收的信號(hào)。Pr為轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)所發(fā)射的功率，hrd為信道增益，nrd為噪聲。如圖3所示，圖3描述了源節(jié)點(diǎn)、轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)三者之間的信號(hào)傳輸關(guān)系。

圖3 源節(jié)點(diǎn)、轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)間的信號(hào)傳輸

hsd、hsr和hrd均反映無線鏈路的特性，它們?yōu)榱憔档母咚闺S機(jī)變量，且方差為σ2，如式(9)所示[13]

σ2=ηd-α

(9)

其中，d為傳輸距離、α為路徑損耗，而η為信號(hào)傳輸指數(shù)。

此外，式(8)中β為放大系數(shù)，其定義如式(10)所示

(10)

目的節(jié)點(diǎn)依據(jù)最大融合技術(shù)(maximum-ratio-combining，MRC)[15]，將它直接從源節(jié)點(diǎn)接收的信號(hào)和從轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)的信號(hào)進(jìn)行融合。因此，MRC的輸出SNRγAF，如式(11)所示

(11)

然后，目的節(jié)點(diǎn)將γAF與閾值γth進(jìn)行比較。如果γAF大于γth，則表明目的節(jié)點(diǎn)已成功接收了數(shù)據(jù)包，再向源節(jié)點(diǎn)發(fā)送確認(rèn)包ACK。

2.4 數(shù)據(jù)包的傳輸

首先，進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)初始化。完成后，源節(jié)點(diǎn)感測(cè)數(shù)據(jù)，然后源節(jié)點(diǎn)發(fā)送HELLO包。再進(jìn)入鄰居節(jié)點(diǎn)發(fā)現(xiàn)階段。隨后，進(jìn)行目的節(jié)點(diǎn)的搜索過程。一旦找到目的節(jié)點(diǎn)，就發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)。

一旦確認(rèn)了轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)，轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)也向目的節(jié)點(diǎn)傳輸數(shù)據(jù)。最后，目的節(jié)點(diǎn)檢測(cè)信噪比，是否大于閾值。如果大于閾值，表明目的節(jié)點(diǎn)能夠正常接收數(shù)據(jù)包，在這種情況下，目的節(jié)點(diǎn)就向信宿傳輸數(shù)據(jù)包，否則的話，源節(jié)點(diǎn)繼續(xù)向目的節(jié)點(diǎn)傳輸數(shù)據(jù)包。數(shù)據(jù)包傳輸?shù)恼麄€(gè)過程如圖4所示。

圖4 DLCR路由數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)流程

3 性能分析

3.1 仿真環(huán)境

利用MATLAB軟件分析DLCR路由性能?？紤]500 m×500 m×500 m三維立體區(qū)域，250個(gè)傳感節(jié)點(diǎn)大耳機(jī)分布于監(jiān)測(cè)區(qū)域。每個(gè)節(jié)點(diǎn)引用UWM2000解調(diào)器[14]進(jìn)行通信，且數(shù)據(jù)率為10 kpbs，傳輸模式、接收模式和空閑模式下的功率消耗分別為2 W、0.8 W和8 mW。

每個(gè)節(jié)點(diǎn)的通信半徑為200 m，節(jié)點(diǎn)發(fā)送的HELLO包大小為10字節(jié)。數(shù)據(jù)包尺寸為50字節(jié)。同時(shí)，引用802.11-DYNAV作為MAC層協(xié)議。

選擇EEDBR和EEORS路由作為參照，并對(duì)比分析它們的路由性能及能耗。此外，引用基于簇結(jié)構(gòu)的無線傳感網(wǎng)絡(luò)中的輪(Round)概念，將時(shí)間劃分同樣長(zhǎng)的時(shí)段，每一段稱為一輪(Round)，每一輪由1000個(gè)時(shí)隙構(gòu)成，每個(gè)時(shí)隙為0.18 s。因此，接下來，分析總體能量消耗、端到端傳輸延時(shí)和數(shù)據(jù)包傳遞率隨輪的變化情況。

3.2 數(shù)據(jù)分析

3.2.1 端到端傳輸時(shí)延

圖5顯示了DLCR、EECOR和EEDBR路由的端到端傳輸時(shí)延。從圖5可知，當(dāng)進(jìn)行了100輪后，3個(gè)協(xié)議的端到端傳輸時(shí)延趨于穩(wěn)定。相比于EECOR和EEDBR路由，DLCR路由的端到端時(shí)延較高，在運(yùn)行250輪后，DLCR路由的端到端傳輸時(shí)延為3500 s，比EEDBR路由的時(shí)延增加了約400 s。原因在于：DLCR路由屬于協(xié)作路由。協(xié)作路由引用確認(rèn)包機(jī)制，提供了可靠的數(shù)據(jù)包傳輸，這必須增加傳輸時(shí)延。

圖5 端到端傳輸時(shí)延

3.2.2 數(shù)據(jù)包傳遞率

圖6顯示了DLCR協(xié)議的數(shù)據(jù)包傳遞率。從圖6可知，DLCR路由的數(shù)據(jù)包傳遞率最高。原因在于：DLCR路由引用數(shù)據(jù)包傳輸?shù)目煽繖C(jī)制，提高了數(shù)據(jù)包傳輸?shù)目煽柯?。此外，從圖6可知，最初3個(gè)協(xié)議的數(shù)據(jù)包傳遞率較高，當(dāng)運(yùn)時(shí)至50輪后，數(shù)據(jù)包傳遞率快速下降。這主要是因?yàn)椋弘S著時(shí)間的輪移，節(jié)點(diǎn)能耗逐步增加，導(dǎo)致部分節(jié)點(diǎn)能量消耗殆盡。

圖6 數(shù)據(jù)包傳遞率

3.2.3 能量消耗

最后，分析了路由的能量消耗。從圖7可知，DLCR協(xié)議的能耗略高于EEORS和EEDBR路由。結(jié)合圖6可知，DLCR路由以高的能耗換取高的數(shù)據(jù)包傳遞率。此外，注意到，當(dāng)經(jīng)歷了250輪后，3個(gè)協(xié)議的能量消耗一致。

圖7 能量消耗

4 結(jié)束語

針對(duì)水下傳感網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸問題，提出DCLR的協(xié)作路由。通過協(xié)作數(shù)據(jù)傳輸，緩解水域的嚴(yán)苛信道環(huán)境。DCLR路由利用傳感節(jié)點(diǎn)的位置信息、距離以及能量信息，擇優(yōu)選擇轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)，進(jìn)而提高協(xié)作通信的性能。相比于EEDBR和EEORS路由，提出的DCLR路由的數(shù)據(jù)包傳遞率得到有效提高。然而，從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，DCLR路由的能耗和時(shí)延較高，這將是后期研究的重點(diǎn)。