韓多亮杜秀娟柳秀秀王麗娟張智學(xué)

(1.青海師范大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院，青海省物聯(lián)網(wǎng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，青海 西寧 810008；2.藏語(yǔ)智能信息處理及應(yīng)用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，青海 西寧 810008；3.高原科學(xué)與可持續(xù)發(fā)展研究院，青海 西寧 810008)

水聲網(wǎng)絡(luò)(underwater acoustic networks，UANs)作為人類研究海洋等水下環(huán)境的主要手段，成為了各高校和科研院所的研究熱點(diǎn)[1-5]。 UANs 應(yīng)用的多樣性包括環(huán)境監(jiān)測(cè)、污染控制、自然災(zāi)害的預(yù)測(cè)和反應(yīng)、生態(tài)系統(tǒng)分析、防御應(yīng)用監(jiān)測(cè)等。 目前，這些應(yīng)用大多通過(guò)架設(shè)少量電纜或光纜提供網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施服務(wù)并采用單跳傳輸?shù)臒o(wú)線通信技術(shù)。 水下鋪設(shè)電/光纜成本高昂，單跳無(wú)線傳輸難以提供靈活快捷部署和大范圍監(jiān)測(cè)，但是，UANs 能夠?qū)崿F(xiàn)在水下快速、大范圍部署的自組多跳網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用。 此外，UANs固有的長(zhǎng)傳播延遲、低帶寬、通信能耗大、多徑效應(yīng)以及時(shí)空變化等特性給UANs 路由協(xié)議的設(shè)計(jì)帶來(lái)了很大的挑戰(zhàn)，UANs 路由受鏈路變化的影響很大，比陸地?zé)o線電信號(hào)鏈路的變化更不可預(yù)測(cè)和管理[6-9]。 設(shè)計(jì)可靠的UANs 路由機(jī)制至關(guān)重要，基于連通的UANs 節(jié)點(diǎn)路由分層方案是UANs 可靠路由設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，因此，本文提出了基于連通的節(jié)點(diǎn)路由分層方案。

1 分層路由

UANs 路由協(xié)議通?？苫赟ink 節(jié)點(diǎn)的數(shù)量、是否需要節(jié)點(diǎn)地理位置、是否分簇、按需或主動(dòng)等進(jìn)行分類。 UANs 具有定向通信特點(diǎn)，上行流量目的地為Sink 節(jié)點(diǎn)，下行流量源自Sink 節(jié)點(diǎn)，Sink 節(jié)點(diǎn)是UANs 的樞紐[10]。 那些靠近Sink 節(jié)點(diǎn)的水下節(jié)點(diǎn)，除了感知和產(chǎn)生數(shù)據(jù)之外，還負(fù)責(zé)中繼和轉(zhuǎn)發(fā)報(bào)文。 因此，Sink 節(jié)點(diǎn)及其附近的節(jié)點(diǎn)對(duì)整個(gè)UANs具有重要的影響。 為了表示節(jié)點(diǎn)的重要程度，提高數(shù)據(jù)交付率和傳輸可靠性，近年來(lái)UANs 逐漸出現(xiàn)了基于分層的路由機(jī)制。 因此，本文根據(jù)是否采用分層機(jī)制，將路由協(xié)議分為無(wú)層級(jí)路由協(xié)議和分層路由協(xié)議。

無(wú)層級(jí)路由協(xié)議是指通信過(guò)程中，所有節(jié)點(diǎn)均不配置層級(jí)，也不將層級(jí)作為節(jié)點(diǎn)的候選轉(zhuǎn)發(fā)資格的條件。 無(wú)層級(jí)的路由協(xié)議有Vector-Based Forwarding(VBF)[11]、Depth based Routing(DBR)[12]、Position based Forwarding ( PBF )[13]、 Annular Compass Routing(ACR)[14]等。 分層路由協(xié)議中，一般分為兩個(gè)階段:分層階段和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)階段。 分層階段每個(gè)節(jié)點(diǎn)根據(jù)相應(yīng)信息和分層算法配置自身的層級(jí)。 通常來(lái)說(shuō)，越靠近Sink 節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)層級(jí)越小，數(shù)據(jù)報(bào)文由層級(jí)大的節(jié)點(diǎn)傳輸至層級(jí)小的節(jié)點(diǎn)，轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)在選擇下一跳接收節(jié)點(diǎn)時(shí)，會(huì)將層級(jí)作為指標(biāo)，選擇層級(jí)比自身層級(jí)小1 的節(jié)點(diǎn)作為候選轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)，逐層將數(shù)據(jù)傳輸至Sink 節(jié)點(diǎn)。

1.1 傳統(tǒng)分層方案

近幾年提出的路由分層方案有基于超級(jí)節(jié)點(diǎn)配置的分層方案、基于距離或深度的分層方案、基于能量探測(cè)的分層方案等。

基于超級(jí)節(jié)點(diǎn)配置的分層方案:水面的超級(jí)節(jié)點(diǎn)以不同的發(fā)送功率廣播控制報(bào)文，其中包含與功率對(duì)應(yīng)的層級(jí)信息、超級(jí)節(jié)點(diǎn)ID 等，直到發(fā)送功率(層級(jí))達(dá)到最大，普通節(jié)點(diǎn)根據(jù)廣播包中的層級(jí)信息確定自身的層級(jí)[15]。 基于距離或深度的分層方案:通過(guò)計(jì)算Sink 節(jié)點(diǎn)與普通節(jié)點(diǎn)的距離(或節(jié)點(diǎn)深度)和層間距將網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)劃分為N 層[16]?；谀芰刻綔y(cè)的分層方案:通過(guò)廣播能量探測(cè)包將網(wǎng)絡(luò)劃分為L(zhǎng) 層[17]。

基于轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)傳輸范圍的分層方案:根據(jù)網(wǎng)絡(luò)中轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)的傳輸范圍將傳輸區(qū)域分為三層[18]。

基于超級(jí)節(jié)點(diǎn)配置分層的方案和基于距離或深度的分層方案均要求Sink 節(jié)點(diǎn)或超級(jí)節(jié)點(diǎn)不斷調(diào)整發(fā)送功率發(fā)送控制報(bào)文。 這是因?yàn)楦鶕?jù)水聲信號(hào)衰減模型，當(dāng)控制信號(hào)的強(qiáng)度在距離較遠(yuǎn)的接收節(jié)點(diǎn)處小于節(jié)點(diǎn)的最小接收功率時(shí)，節(jié)點(diǎn)無(wú)法正確接收該報(bào)文，此時(shí)Sink 節(jié)點(diǎn)或超級(jí)節(jié)點(diǎn)需要以更大的發(fā)送功率發(fā)送控制報(bào)文，從而擴(kuò)大廣播包的傳輸范圍，但發(fā)送功率的不斷增大會(huì)增加額外的能耗。 基于超級(jí)節(jié)點(diǎn)配置分層的方案，水下節(jié)點(diǎn)只要收到超級(jí)節(jié)點(diǎn)發(fā)出的廣播信息，按照廣播包中的層級(jí)信息即可確定自身的層級(jí)。 基于距離或深度的分層方案中，節(jié)點(diǎn)根據(jù)自身到Sink 節(jié)點(diǎn)的距離和層間距計(jì)算并更新自身的層級(jí)信息。 基于能量探測(cè)的分層方案中節(jié)點(diǎn)根據(jù)接收到的廣播包中的能量信息更新自身的層級(jí)。 以上三種分層方案中，水下節(jié)點(diǎn)不必轉(zhuǎn)發(fā)收到的廣播報(bào)文，分層方案簡(jiǎn)單，分層過(guò)程無(wú)需消耗普通節(jié)點(diǎn)的能量，但對(duì)Sink 節(jié)點(diǎn)或超級(jí)節(jié)點(diǎn)的發(fā)送功率要求較高，不適用大規(guī)模UANs 部署。 此外，從三種分層方案中可以看出，水下節(jié)點(diǎn)的層級(jí)配置與到超級(jí)節(jié)點(diǎn)的距離密切相關(guān)，凡超級(jí)節(jié)點(diǎn)(以大的發(fā)送功率)一跳傳輸范圍內(nèi)的所有水下節(jié)點(diǎn)都能獲取自身的層級(jí)，但該層級(jí)與自節(jié)點(diǎn)自身到Sink 節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸方向的連通性和跳數(shù)無(wú)關(guān)，因此容易形成上行路由“通信空區(qū)”問(wèn)題，降低了該分層方案的上行路由的數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

1.2 “通信空區(qū)”問(wèn)題

Yanhai 等提出了一種基于深度的路由協(xié)議DBR。 該協(xié)議是一種典型的多Sink 節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)的路由協(xié)議，節(jié)點(diǎn)不需要知道自身的全方位位置信息，只需獲取自己的深度信息[11]。 DBR 是UANs 中的典型路由協(xié)議，在此基礎(chǔ)上，出現(xiàn)了許多改進(jìn)版本。 傳統(tǒng)分層路由協(xié)議與DBR 及其眾多改進(jìn)版協(xié)議在候選轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)的選取方面采用類似的機(jī)制，因此我們以DBR 或傳統(tǒng)分層路由為例分析“通信空區(qū)”問(wèn)題。

在DBR 協(xié)議(或傳統(tǒng)分層路由)中，當(dāng)一個(gè)節(jié)點(diǎn)收到數(shù)據(jù)包時(shí)，將從數(shù)據(jù)包中查看上一跳節(jié)點(diǎn)的深度(或分層)信息，并與自己的深度(或分層)信息作對(duì)比，如果自身深度(或分層)小于上一跳節(jié)點(diǎn)的深度(或分層)，則說(shuō)明其可以作為轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)，否則，直接將數(shù)據(jù)包丟棄。 協(xié)議中根據(jù)深度(或分層)差選擇轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)，因此會(huì)出現(xiàn)多個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)，即會(huì)有冗余數(shù)據(jù)包產(chǎn)生。

DBR(或傳統(tǒng)分層路由)協(xié)議根據(jù)深度(或分層)信息執(zhí)行路由轉(zhuǎn)發(fā)，在網(wǎng)絡(luò)稀疏的情況下，會(huì)造成“通信空區(qū)”，如圖1 所示。 根據(jù)DBR 協(xié)議，源節(jié)點(diǎn)S 將數(shù)據(jù)發(fā)送出去后，節(jié)點(diǎn)F 和節(jié)點(diǎn)N1將會(huì)收到該數(shù)據(jù)包，但是N1的深度(或分層)大于S，不能作為候選轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)；只有節(jié)點(diǎn)F 會(huì)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，但是在F的傳輸范圍內(nèi)沒有比F 深度(或分層)更小的節(jié)點(diǎn)，所以本次數(shù)據(jù)將無(wú)法傳輸至Sink 節(jié)點(diǎn)，形成了“通信空區(qū)”，降低了包的交付率和傳輸可靠性。

圖1 “通信空區(qū)”與有效分層問(wèn)題示意圖

在基于分層的路由機(jī)制中，數(shù)據(jù)的流向總是沿著從高層級(jí)節(jié)點(diǎn)向低層級(jí)節(jié)點(diǎn)傳輸，最終將數(shù)據(jù)傳輸至Sink 節(jié)點(diǎn)。 針對(duì)UANs 傳統(tǒng)(分層)路由協(xié)議的“通信空區(qū)”問(wèn)題，如果我們能夠設(shè)計(jì)出有效的分層算法，給那些與Sink 節(jié)點(diǎn)連通的水下節(jié)點(diǎn)配置一個(gè)有限的層級(jí)，將會(huì)解決“通信空區(qū)”路由問(wèn)題。 如圖1，假設(shè)源節(jié)點(diǎn)S 的層級(jí)為L(zhǎng)，N1的層級(jí)為L(zhǎng)-1，則節(jié)點(diǎn)S 可將N1作為下一跳接收節(jié)點(diǎn)，直接將數(shù)據(jù)發(fā)送給N1，數(shù)據(jù)將沿著N1-N2-N3-N4-N5傳輸至Sink 節(jié)點(diǎn)，而不會(huì)將數(shù)據(jù)傳輸至F，如此，即解決了“通信空區(qū)”問(wèn)題。

2 基于連通和最小跳數(shù)的路由分層

2.1 分層方案

為了解決傳統(tǒng)分層路由的“通信空區(qū)”問(wèn)題，我們提出一種基于節(jié)點(diǎn)與Sink 節(jié)點(diǎn)連通的最小跳數(shù)的路由分層方案，即:將距離Sink 節(jié)點(diǎn)的最小跳數(shù)定義為節(jié)點(diǎn)的層級(jí)。 在基于最小跳數(shù)的分層算法中，Sink節(jié)點(diǎn)以與水下節(jié)點(diǎn)相同的發(fā)送功率定期向網(wǎng)絡(luò)泛洪包含其ID、層級(jí)(被Sink 節(jié)點(diǎn)初始化為0)和剩余能量等信息的Hello 報(bào)文，當(dāng)水下節(jié)點(diǎn)第一次收到Hello報(bào)文時(shí)，提取報(bào)文頭部的層級(jí)信息，即上一跳節(jié)點(diǎn)的層級(jí)Lpre，將Lpre+1 作為自己的層級(jí)。 之后節(jié)點(diǎn)用自己的ID、層級(jí)、剩余能量等更新并繼續(xù)廣播更新后的Hello 報(bào)文。 經(jīng)過(guò)一段時(shí)間，收到Hello 報(bào)文的水下節(jié)點(diǎn)都能獲取或更新自己的層級(jí)信息，獲取了層級(jí)的節(jié)點(diǎn)會(huì)繼續(xù)更新廣播Hello 報(bào)文。

當(dāng)一個(gè)已經(jīng)獲取了層級(jí)的接收節(jié)點(diǎn)收到Hello報(bào)文時(shí)，接收節(jié)點(diǎn)需要判斷是否更新層級(jí)，具體規(guī)則如下:當(dāng)一個(gè)已經(jīng)獲取自身層級(jí)且該層級(jí)信息老化時(shí)間未到期的水下傳感器節(jié)點(diǎn)接收到一個(gè)Hello 報(bào)文時(shí)，它將比較自身層級(jí)L＿Rec 和報(bào)文中層級(jí)L＿Snd 的大小。 若L＿Rec＞L＿Snd+1 時(shí)，則更新自身層級(jí)為L(zhǎng)＿Rec＝L＿Snd+1，并用節(jié)點(diǎn)自身層級(jí)信息和節(jié)點(diǎn)ID 來(lái)替換Hello 報(bào)文中的層級(jí)和發(fā)送節(jié)點(diǎn)ID 字段信息后，進(jìn)而廣播新的Hello 報(bào)文；否則丟棄該報(bào)文，將不會(huì)轉(zhuǎn)發(fā)該報(bào)文。 當(dāng)一個(gè)已經(jīng)獲取自身層級(jí)，但該層級(jí)信息老化時(shí)間已到期的水下傳感器節(jié)點(diǎn)接收到一個(gè)Hello報(bào)文時(shí)，將直接更新自身層級(jí)為L(zhǎng)＿Rec ＝L＿Snd+1，重新建立該節(jié)點(diǎn)的連通性。 如果節(jié)點(diǎn)始終收不到控制報(bào)文，則該節(jié)點(diǎn)與Sink 節(jié)點(diǎn)未連通，該節(jié)點(diǎn)為孤立節(jié)點(diǎn)，不能用于轉(zhuǎn)發(fā)報(bào)文。 分層算法偽代碼如算法1。

算法1 基于最小跳數(shù)的分層算法

如圖2 所示，根據(jù)基于連通和最小跳數(shù)的路由分層方案，Sink 節(jié)點(diǎn)的層級(jí)為0，轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)F1、F2、F的層級(jí)均為1，F(xiàn) 收到F1、F2轉(zhuǎn)發(fā)的控制報(bào)文后也不再更新自身的層級(jí)，也即三個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)均為Sink 節(jié)點(diǎn)的一跳鄰居。 通信時(shí)，數(shù)據(jù)由高層級(jí)節(jié)點(diǎn)往低層級(jí)自下往上傳輸。

圖2 基于連通和最小跳數(shù)分層方案

在基于連通和最小跳數(shù)的分層方案中，如果水下節(jié)點(diǎn)與Sink 節(jié)點(diǎn)連通，無(wú)論經(jīng)過(guò)多少跳的轉(zhuǎn)發(fā)，總能收到控制報(bào)文并確定自身的層級(jí)。

2.2 “通信空區(qū)”問(wèn)題避免

當(dāng)水下節(jié)點(diǎn)向Sink 節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)報(bào)文時(shí)，根據(jù)基于連通和最小跳數(shù)的路由分層方案，在分層階段，由于節(jié)點(diǎn)層級(jí)的更新與上一跳節(jié)點(diǎn)的層級(jí)有關(guān)且每個(gè)節(jié)點(diǎn)均需轉(zhuǎn)發(fā)Hello 報(bào)文，因此在分層階段已經(jīng)形成了到達(dá)Sink 節(jié)點(diǎn)的一條或者多條路徑，即水下節(jié)點(diǎn)在更新層級(jí)后已與Sink 節(jié)點(diǎn)連通。 只要數(shù)據(jù)的源節(jié)點(diǎn)有一個(gè)有效的層級(jí)，則數(shù)據(jù)在轉(zhuǎn)發(fā)的每一跳都會(huì)找到至少一個(gè)上層的鄰居節(jié)點(diǎn)，因此數(shù)據(jù)不會(huì)被路由到“通信空區(qū)”，進(jìn)而不會(huì)出現(xiàn)路由“通信空區(qū)”問(wèn)題。 如圖3 所示，圖中L1表示層級(jí)1，L2表示層級(jí)2，N8表示節(jié)點(diǎn)8，N8的層級(jí)與N12層級(jí)均為L(zhǎng)5，源節(jié)點(diǎn)N19發(fā)出的數(shù)據(jù)傳輸至節(jié)點(diǎn)N12時(shí)，N12不會(huì)將數(shù)據(jù)傳輸至N8，數(shù)據(jù)將沿著N12→N10→N7→N4→N1→Sink 節(jié)點(diǎn)的路徑，成功將數(shù)據(jù)傳輸至Sink 節(jié)點(diǎn)。 因此采用基于連通和最小跳數(shù)的路由分層方案成功避免了傳統(tǒng)分層(路由)節(jié)點(diǎn)N8的路由“通信空區(qū)”問(wèn)題。

圖3 路由“通信空區(qū)”避免

3 能耗模型

UANs 能量供應(yīng)受限且通信能耗大，節(jié)能是UANs 設(shè)計(jì)的重要目標(biāo)。 UANs 中除岸上基站中心外，普通節(jié)點(diǎn)處于水中且采用電池供電，一旦電量耗盡難以充電或更換。 UANs 通信中能量的消耗主要體現(xiàn)在發(fā)送數(shù)據(jù)和接收數(shù)據(jù)等通信狀態(tài)。 2000 年Sozer 等人提出了UANs 中的能耗衰減模型[19]。

假設(shè)Pr(常量)是網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的接收功率，則網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的發(fā)送功率為PrA(d)，A(d)為衰減因子。

式中:d為兩個(gè)節(jié)點(diǎn)間的通信距離，k是能量擴(kuò)散因子，其取值由環(huán)境決定，圓柱體中取k＝1，長(zhǎng)方體中是k＝1.5，球體中是k＝2，從吸收系數(shù)α(f)中得到的相關(guān)項(xiàng)為?，

假設(shè)一次UANs 通信中，發(fā)送節(jié)點(diǎn)與下一跳接收節(jié)點(diǎn)之間的距離(由發(fā)送節(jié)點(diǎn)在轉(zhuǎn)發(fā)之前計(jì)算自身至下一跳接收節(jié)點(diǎn)的距離)為r，則一跳轉(zhuǎn)發(fā)中消耗的能量為:

式中:Ps為發(fā)送功率，Ps＝PrA(r)，Tp是源節(jié)點(diǎn)或轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)發(fā)送一個(gè)數(shù)據(jù)包的傳輸時(shí)延，Pr為接收功率。

根據(jù)上述能耗衰減模型，數(shù)據(jù)傳輸中的能量消耗與傳輸距離有關(guān)，長(zhǎng)距離傳輸會(huì)導(dǎo)致能量損耗較大，因此采用2.1 節(jié)的分層機(jī)制轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)F 的能量損耗較快，其壽命會(huì)縮短，進(jìn)而縮短了網(wǎng)絡(luò)的整體壽命。

4 基于連通的節(jié)能路由分層方案

在基于連通和最小跳數(shù)的路由分層方案中，Sink 節(jié)點(diǎn)的層級(jí)為0，轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)F1、F2、F 的層級(jí)均為1，F(xiàn) 收到F1、F2轉(zhuǎn)發(fā)的控制報(bào)文后也不再更新自身的層級(jí)，也即三個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)均為Sink 節(jié)點(diǎn)的一跳鄰居。 當(dāng)F 收到來(lái)自于第二層節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)后，會(huì)直接將數(shù)據(jù)傳輸至Sink 節(jié)點(diǎn)，根據(jù)節(jié)3 的能耗衰減模型，數(shù)據(jù)傳輸中的能量消耗與傳輸距離有關(guān)，長(zhǎng)距離傳輸會(huì)導(dǎo)致能量損耗較大，因此轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)F 的能量損耗較快，其壽命會(huì)縮短，進(jìn)而縮短了網(wǎng)絡(luò)的整體壽命。

為了減小能量消耗，延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)生存期，本節(jié)對(duì)2.1 節(jié)的分層方案進(jìn)一步優(yōu)化，提出一種基于連通的節(jié)能路由分層方案。

Sink 節(jié)點(diǎn)定期向網(wǎng)絡(luò)泛洪包含其ID、層級(jí)(被Sink 節(jié)點(diǎn)初始化為0)和地理位置等信息的Hello 報(bào)文。 節(jié)點(diǎn)收到控制報(bào)文后，按以下步驟更新層級(jí)。

步驟1:提取報(bào)文頭部發(fā)送節(jié)點(diǎn)的層級(jí)字段L＿Snd，判斷層級(jí)老化時(shí)間是否已到，若老化時(shí)間已到，則自身層級(jí)L＿Rec 更新為L(zhǎng)＿Snd+1，并立即轉(zhuǎn)發(fā)更新后的控制報(bào)文；否則，執(zhí)行步驟2；

步驟2:判斷發(fā)送者層級(jí)L＿Snd 是否大于L＿Rec，若L＿Snd＞L＿Rec，說(shuō)明報(bào)文來(lái)自下游節(jié)點(diǎn)，L＿Rec 保持不變；否則，執(zhí)行步驟3；

步驟3:判斷L＿Rec 是否等于255，若是，則L＿Rec ＝L＿Snd+1；否則，執(zhí)行步驟4；

步驟4:判斷L＿Rec 是否等于L＿Snd，若不是，則執(zhí)行步驟6；否則，計(jì)算當(dāng)前節(jié)點(diǎn)與當(dāng)前發(fā)送節(jié)點(diǎn)和上一次更新層級(jí)時(shí)發(fā)送節(jié)點(diǎn)的距離Dc、Dp和夾角a，執(zhí)行步驟5；

步驟5:判斷a的大小、Dc和Dp的關(guān)系，若a＜30°(a閾值的得出在第4 節(jié)中給出)且Dc＜Dp，則L＿Rec ＝L＿Snd+1，否則，L＿Rec 保持不變。

步驟6:判斷L＿Snd 是否等于L＿Rec-1，若是，則更新層級(jí)老化時(shí)間；否則，執(zhí)行步驟7；

步驟7:判斷L＿Snd 是否等于L＿Rec-2，若不是，則執(zhí)行步驟9；否則，計(jì)算當(dāng)前節(jié)點(diǎn)與當(dāng)前發(fā)送節(jié)點(diǎn)和上一次更新層級(jí)時(shí)發(fā)送節(jié)點(diǎn)的距離Dc、Dp和夾角a，執(zhí)行步驟8；

步驟8:判斷a的大小、Dc和Dp的關(guān)系，若a＜30°且Dc＞Dp，則L＿Rec 保持不變；否則，L＿Rec ＝L＿Snd+1。

步驟9:判斷L＿Snd 是否小于L＿Rec-2，若是，L＿Rec 保持不變；否則，層級(jí)保持不變。

如圖4 所示，網(wǎng)絡(luò)初始化完成后，Sink 節(jié)點(diǎn)周期性廣播Hello 報(bào)文后，轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)F1、F2、F 均將首次收到Hello 報(bào)文，提取Hello 報(bào)文頭部Sink 節(jié)點(diǎn)的層級(jí)0，將自身的層級(jí)更新為1，將Hello 報(bào)文進(jìn)行更新并立即轉(zhuǎn)發(fā)。 轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)F 將會(huì)收到F1、F2轉(zhuǎn)發(fā)的Hello 報(bào)文(由于轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)F1、F2的層級(jí)均是1，下面將不再區(qū)分收到由轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)F1、F2轉(zhuǎn)發(fā)Hello 報(bào)文的先后順序)，由于轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)F、F1和F2的層級(jí)均為1，發(fā)送節(jié)點(diǎn)的層級(jí)大于當(dāng)前節(jié)點(diǎn)層級(jí)的條件不成立，因此，轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)F 將計(jì)算自身到Sink 節(jié)點(diǎn)的距離和自身到轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)F1、F2的距離并計(jì)算兩者之間的夾角a，從圖4 中可以看出，轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)F 到F1、F2的距離較近且夾角a較小，因此，轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)F 將提取Hello 報(bào)文頭部F1、F2的層級(jí)1，加1 后作為自身的層級(jí)。

圖4 基于連通的的節(jié)能分層方案拓?fù)?/p>

基于連通的節(jié)能路由分層方案繼承了基于最小跳數(shù)的路由分層方案的優(yōu)勢(shì)，通過(guò)Hello 報(bào)文在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的泛洪，形成水下節(jié)點(diǎn)到Sink 節(jié)點(diǎn)的有效路徑，在數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)總能找到有效的下一跳轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)，解決了“通信空區(qū)”問(wèn)題。 基于連通的節(jié)能分層方案也有其自身的優(yōu)點(diǎn)，通信中，轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)F收到數(shù)據(jù)后，先將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)至F1或F2，再轉(zhuǎn)發(fā)至Sink 節(jié)點(diǎn)，構(gòu)成了兩跳傳輸，由于轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)F 到F1或F2的距離較近，轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)F 消耗的能量小于其直接將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)至Sink 節(jié)點(diǎn)的能量，即使F1或F2有能量消耗，但在一定條件下，兩跳轉(zhuǎn)發(fā)消耗的能量仍然會(huì)小于直接將數(shù)據(jù)傳輸至Sink 節(jié)點(diǎn)消耗的能量。如果采用基于最小跳數(shù)的分層方案，轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)F 收到數(shù)據(jù)后，會(huì)直接將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)至至Sink 節(jié)點(diǎn)，一跳傳輸消耗的能量可能大于兩跳傳輸消耗的能量。

節(jié)5 將利用能耗模型和MATLAB 仿真對(duì)基于最小跳數(shù)和基于連通節(jié)能的兩種路由分層方案的能量消耗進(jìn)行分析。

5 能耗分析

本節(jié)以圖4 拓?fù)錇槔媚芎哪Ｐ蛯?duì)基于最小跳數(shù)的路由分層方案與基于連通的節(jié)能路由分層方案進(jìn)行對(duì)比分析。

假設(shè)轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)F 至Sink 節(jié)點(diǎn)的距離是d，轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)F 至F1、F1至Sink 節(jié)點(diǎn)的距離分別是d1、d2；數(shù)據(jù)由轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)F 直接轉(zhuǎn)發(fā)至Sink 節(jié)點(diǎn)消耗的能量為E，由轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)F 轉(zhuǎn)發(fā)至F1或F2再轉(zhuǎn)發(fā)至Sink 節(jié)點(diǎn)消耗的能量為E′，則根據(jù)式(4)得

式中:A(d)＝dk?d，Ps＝PrA(d)，k＝1.5。 由于傳輸時(shí)延Tp相同、所有節(jié)點(diǎn)的接收功率Pr均一致，因此，E和E′的計(jì)算公式如下:

假設(shè)d1與d之間的夾角是a，則根據(jù)余弦定理即得:

當(dāng)a＝0°時(shí)，則:

用MATLAB 仿真比較分析了E和E′的大小關(guān)系，將E和E′稱為相對(duì)能耗，仿真中，假設(shè)d的取值范圍是(0，5)，單位:km，d1的取值在d的取值范圍內(nèi)取值，取值分別為:d/20、d/10、d/5、d/4、d/3、d/2、2d/3、3d/4、4d/5、5d/6，a的角度在(0°，90°)范圍內(nèi)變化，信道的中心頻率為10 kHz，仿真結(jié)果如圖5。

圖5 a＝0°，d＝10 時(shí)，d1 與相對(duì)能耗的關(guān)系

如圖5，當(dāng)a＝0°，d＝10 時(shí)，從圖中可以看到，一跳傳輸至Sink 節(jié)點(diǎn)的相對(duì)能耗保持不變，但是，隨著d1的逐漸增大，兩跳傳輸至Sink 節(jié)點(diǎn)的相對(duì)能耗逐漸減小。 當(dāng)d1＝d2＝d/2 時(shí)，兩跳傳輸至Sink節(jié)點(diǎn)的相對(duì)能耗達(dá)到最小值；由于a＝0°，d＝10 且d1的值一直小于d，一跳傳輸至Sink 節(jié)點(diǎn)的相對(duì)能耗總大于兩跳傳輸至Sink 節(jié)點(diǎn)的相對(duì)能耗。

如圖5～圖10，當(dāng)a逐漸增大時(shí)，通過(guò)兩跳傳輸至Sink 節(jié)點(diǎn)的相對(duì)能耗逐漸大于通過(guò)一跳傳輸至Sink 節(jié)點(diǎn)的相對(duì)能耗。 當(dāng)a＝90°時(shí)，d1的長(zhǎng)度大于d，因此，通過(guò)兩跳傳輸至Sink 節(jié)點(diǎn)的相對(duì)能耗完全大于通過(guò)一跳傳輸至Sink 節(jié)點(diǎn)的相對(duì)能耗。

圖6 a＝0°，d、d1 與相對(duì)能耗的關(guān)系

圖7 a＝30°，d、d1 與相對(duì)能耗的關(guān)系

圖8 a＝45°，d、d1 與相對(duì)能耗的關(guān)系

圖9 a＝60°，d、d1 與相對(duì)能耗的關(guān)系

圖10 a＝90°，d、d1 與相對(duì)能耗的關(guān)系

綜合圖5 ～圖10，當(dāng)d1＞d時(shí)，通過(guò)兩跳傳輸至Sink 節(jié)點(diǎn)的相對(duì)能耗大于通過(guò)一跳傳輸至Sink 節(jié)點(diǎn)的相對(duì)能耗；當(dāng)d1＜d時(shí)，通過(guò)兩跳傳輸至Sink 節(jié)點(diǎn)的相對(duì)能耗小于通過(guò)一跳傳輸至Sink 節(jié)點(diǎn)的相對(duì)能耗；且當(dāng)d1＝d/2 時(shí)，通過(guò)兩跳傳輸至Sink 節(jié)點(diǎn)的相對(duì)能耗達(dá)到最小值。

綜合模型數(shù)學(xué)分析和MATLAB 仿真分析的結(jié)果，當(dāng)d1＜d且a＜＝30°時(shí)，通過(guò)兩跳傳輸至Sink 節(jié)點(diǎn)的相對(duì)能耗小于通過(guò)一跳傳輸至Sink 節(jié)點(diǎn)的相對(duì)能耗，因此，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)采用基于連通的節(jié)能路由分層方案?jìng)鬏?，有效減小了節(jié)點(diǎn)的能量消耗，從而提高了整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的壽命。

6 仿真實(shí)驗(yàn)

NS3 是一款由華盛頓大學(xué)設(shè)計(jì)開發(fā)的全新的網(wǎng)絡(luò)模擬器，廣泛汲取了NS2、GTNetS 等優(yōu)秀模擬器的成功技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)，其性能更佳、擴(kuò)展性更好，更加接近真實(shí)網(wǎng)絡(luò)[20]。 因此，本節(jié)將用NS-3 仿真工具對(duì)分層方案進(jìn)行性能評(píng)估。 仿真中，利用文獻(xiàn)[6]中基于層級(jí)的自適應(yīng)地理路由協(xié)議，分別采用基于最小跳數(shù)的路由分層方案和基于連通的節(jié)能路由分層方案進(jìn)行路由傳輸仿真實(shí)驗(yàn)，并從數(shù)據(jù)包交付率、端到端的平均延時(shí)和平均能耗三個(gè)方面進(jìn)行了對(duì)比分析，此外，還增加了和基于分層的能量均衡的路由協(xié)議(layerbased and energy-efficient routing，LEER)[21]的對(duì)比實(shí)驗(yàn)。 實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景設(shè)置如下:15 個(gè)～45 個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)隨機(jī)部署在6 000 m×6 000 m×3 000 m 的長(zhǎng)方體中，將一個(gè)Sink 節(jié)點(diǎn)部署在水面(長(zhǎng)方體上表面中心)，一個(gè)源節(jié)點(diǎn)部署在水底(長(zhǎng)方體下表面中心)，實(shí)驗(yàn)中的其他實(shí)驗(yàn)仿真參數(shù)如表1 所示。

表1 仿真參數(shù)表

本文進(jìn)行性能評(píng)估指標(biāo)的定義如下:

包交付率(packet delivery ratio，PDR):是指Sink 節(jié)點(diǎn)成功接收的數(shù)據(jù)包數(shù)量與源節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)包數(shù)量之比，PDR 計(jì)算公式如下:

式中:n是仿真實(shí)驗(yàn)的次數(shù)，Psend是源節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生發(fā)送的數(shù)據(jù)包的數(shù)量，Prece為Sink 節(jié)點(diǎn)成功接收的數(shù)據(jù)包的數(shù)量。

平均能耗(average energy consumption，AEC):是指一次仿真實(shí)驗(yàn)中網(wǎng)絡(luò)的總能耗與Sink 節(jié)點(diǎn)成功接收的數(shù)據(jù)包數(shù)量之比，計(jì)算公式如下:

式中:Etotal表示網(wǎng)絡(luò)的總能耗；Psuccess表示Sink 節(jié)點(diǎn)成功接收的數(shù)據(jù)包的數(shù)量。

平均端到端的延時(shí)(average end-to-end delay，AEED):是指在一次仿真實(shí)驗(yàn)中，Sink 節(jié)點(diǎn)成功接收數(shù)據(jù)包的時(shí)刻與源節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)刻的差的總和和傳輸數(shù)據(jù)包次數(shù)的比值，AEED 的計(jì)算公式如下:

式中:Ntrans是一次仿真實(shí)驗(yàn)中傳輸數(shù)據(jù)包的次數(shù)，TSink和Tsource分別是Sink 節(jié)點(diǎn)成功接收數(shù)據(jù)包的時(shí)刻和源節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)的時(shí)刻。

實(shí)驗(yàn)中，分別仿真測(cè)試了節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)與數(shù)據(jù)包交付率、平均能耗和網(wǎng)絡(luò)的平均端到端延時(shí)的關(guān)系，數(shù)據(jù)關(guān)系圖分別如圖11～圖13 所示。

圖11 節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)與交付率

圖13 節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)與延時(shí)

如圖11 中，隨著節(jié)點(diǎn)數(shù)量的逐漸增多，兩種分層方案的數(shù)據(jù)包交付率均保持在90%以上。 基于連通的節(jié)能路由分層方案的數(shù)據(jù)包交付率略低于基于最小跳數(shù)的路由分層方案，但是，交付率差值均保持在1%～3%之間。 同時(shí)，LEER 協(xié)議屬于泛洪的路由協(xié)議，隨著節(jié)點(diǎn)數(shù)的增加，會(huì)提高數(shù)據(jù)包的交付率，但同時(shí)會(huì)造成沖突，所以，交付率低于利用了兩種路由分層方案的交付率。

如圖12 中，隨著部署的節(jié)點(diǎn)數(shù)量的增多，由于基于連通的節(jié)能路由分層方案實(shí)現(xiàn)了短距離多跳傳輸，因此，它的平均能耗明顯小于基于最小跳數(shù)的路由分層方案的平均能耗。 文獻(xiàn)[6]中的路由協(xié)議在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)前已確定了最佳下一跳轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)，每一跳參與數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的節(jié)點(diǎn)只有一個(gè)，且只有最佳下一跳轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)接收數(shù)據(jù)包；然而，LEER 協(xié)議屬于泛洪的路由協(xié)議，隨著節(jié)點(diǎn)數(shù)的增加，參與接收數(shù)據(jù)包的節(jié)點(diǎn)會(huì)增多，因此，提出的兩種路由分層方案的平均能耗低于LEER 協(xié)議。

圖12 節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)和平均能耗

圖13 中，隨著部署的節(jié)點(diǎn)數(shù)量的增多，兩種路由分層方案的平均端到端的延時(shí)基本保持不變，然而，由于基于連通的節(jié)能路由分層方案中，傳輸跳數(shù)的增加，其平均端到端的延時(shí)稍大于基于最小跳數(shù)的路由分層方案的平均端到端的延時(shí)。 同時(shí)，從圖中可以看出，采用兩種路由分層方案的路由協(xié)議的端到端的平均延時(shí)低于LEER 協(xié)議。

基于連通的節(jié)能路由分層方案中，為了均衡Sink 節(jié)點(diǎn)附近的節(jié)點(diǎn)的能量消耗，其附近節(jié)點(diǎn)的層級(jí)大于Sink 節(jié)點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)多跳傳輸且其單跳傳輸?shù)木嚯x較短，通信中，可以利用較小的發(fā)送功率，因此附近節(jié)點(diǎn)的能量會(huì)有效減少。 同時(shí)，水下其他節(jié)點(diǎn)根據(jù)距離確定層級(jí)，層與層之間的距離可以縮短，即可以實(shí)現(xiàn)短距離多跳傳輸。 綜合圖11 ～圖13，雖然基于連通的節(jié)能路由分層方案的延時(shí)稍有增加，但是其數(shù)據(jù)包交付率基本與基于最小跳數(shù)的路由分層方案的交付率保持一致且其能耗有效減少。 因此，基于連通的節(jié)能路由分層方案的性能優(yōu)于基于最小跳數(shù)的路由分層方案。

7 結(jié)論

本文提出了兩種基于連通的水下節(jié)點(diǎn)路由分層方案:基于最小跳數(shù)的節(jié)點(diǎn)路由分層方案和基于連通的節(jié)能路由分層方案，實(shí)現(xiàn)了分層多跳傳輸，通過(guò)數(shù)學(xué)模型、MATLAB 分析了基于連通的節(jié)能路由分層方案?jìng)鬏數(shù)膬?yōu)勢(shì)，并用NS3 仿真對(duì)比分析了兩種基于連通的路由分層方案，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:①基于連通的節(jié)能路由分層方案能夠有效節(jié)省能耗，從而能夠提高網(wǎng)絡(luò)的整體壽命；②兩種基于連通的路由分層方案可以有效解決“通信空區(qū)”問(wèn)題；③本文提出的節(jié)點(diǎn)路由分層方案可以及時(shí)更新層級(jí)、實(shí)現(xiàn)短距離多跳傳輸，交付率較高且平均能耗低于LEER 協(xié)議。

UANs 的應(yīng)用環(huán)境為水中，能量供應(yīng)困難，因此設(shè)計(jì)合適的傳輸機(jī)制至關(guān)重要，基于連通的節(jié)能路由分層方案雖然在交付率和能耗方面有很大優(yōu)勢(shì)，但在減小延時(shí)方面仍然存在不足，本文下一步的工作將全面考慮，提出性能更加優(yōu)越的路由分層方案。