閆 磊 何天愷 王易因 張榕鑫 李鑫濱

①(東北大學(xué)秦皇島分校計(jì)算機(jī)與通信工程學(xué)院 秦皇島 066004)

②(系統(tǒng)控制與信息處理教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 上海 200240)

③(燕山大學(xué)電氣工程學(xué)院 秦皇島 066004)

④(上海交通大學(xué)自動(dòng)化系 上海 200240)

⑤(上海工業(yè)智能管控工程技術(shù)研究中心 上海 200240)

⑥(廈門(mén)大學(xué)水聲通信與海洋信息技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 廈門(mén) 361005)

1 引言

近年來(lái)水下物聯(lián)網(wǎng)(Internet of Underwater Things, IoUT)受到了廣泛的關(guān)注[1-4]。相對(duì)陸基的物聯(lián)網(wǎng)，IoUT要更為復(fù)雜，存在造價(jià)昂貴、能量受限以及更為稀疏的布置[5]等挑戰(zhàn)。同時(shí)，嚴(yán)苛的水下環(huán)境造成的不可忽視的高時(shí)延、節(jié)點(diǎn)移動(dòng)性、低帶寬等降低通信可靠性的挑戰(zhàn)[6,7]也同樣給IoUT節(jié)點(diǎn)間的通信造成不小的困擾。因此，IoUT需要更加高效的路由協(xié)議通過(guò)聲學(xué)或光學(xué)的方式完成數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)[8,9]。

IoUT中的通信和數(shù)據(jù)傳輸主要可分為依靠節(jié)點(diǎn)間的多跳傳遞和借助AUV的數(shù)據(jù)收集兩種方法。本文主要討論依靠節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)自身的多跳路由，其關(guān)鍵在于保障收發(fā)節(jié)點(diǎn)和中繼節(jié)點(diǎn)之間端到端的可靠鏈路以及在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中的可靠路徑[10]。其中可靠鏈路在于克服水聲信道嚴(yán)苛的信道狀態(tài)完成鄰居節(jié)點(diǎn)之間的有效數(shù)據(jù)傳輸，而可靠路徑則是應(yīng)對(duì)水下復(fù)雜環(huán)境和死亡節(jié)點(diǎn)等因素造成的中繼無(wú)以為繼的路由虛空區(qū)，保證收發(fā)節(jié)點(diǎn)之間的有效路由。

水下物聯(lián)網(wǎng)中的路由方法大致可分為表格驅(qū)動(dòng)路由、按需路由、機(jī)會(huì)路由、基于多播樹(shù)的路由和地理路由方法[11]。前4種方法分別存在著高能量開(kāi)銷(xiāo)、高路由時(shí)延、高數(shù)據(jù)包沖突和在移動(dòng)節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)中低穩(wěn)定性等較為突出的劣勢(shì)。地理路由方法是一種能夠以低通信、低存儲(chǔ)開(kāi)銷(xiāo)完成數(shù)據(jù)傳輸，并保證路徑可靠性的有效方案。它只需求掌握目標(biāo)節(jié)點(diǎn)與相鄰節(jié)點(diǎn)的位置信息，無(wú)需維持全局信息或者對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行泛洪，具有很強(qiáng)的實(shí)際可操作性。地理路由采用貪婪轉(zhuǎn)發(fā)策略獲取次優(yōu)的傳輸路徑，這條路徑在大多數(shù)情景中為最短路徑。地理路由一般還包含某種迂回模式。GPSR協(xié)議通過(guò)右手法則繞過(guò)貪婪轉(zhuǎn)發(fā)無(wú)以為繼的局部最小值[12]。GOFAR+協(xié)議將數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)限制在一個(gè)可探索區(qū)域內(nèi)以更快地從迂回模式中回歸到貪婪轉(zhuǎn)發(fā)模式[13]。然而當(dāng)應(yīng)用場(chǎng)景變換到諸如水下網(wǎng)絡(luò)或空天地一體網(wǎng)絡(luò)的3維空間時(shí)，基于兩種模式的路由協(xié)議的可用性被嚴(yán)重削弱[14,15]。為解決3維路由問(wèn)題，近年出現(xiàn)了許多基于深度或壓力的定向路由協(xié)議[16-18]。隨著IoUT應(yīng)用范圍的擴(kuò)張，相較于以往的只用于某種特定應(yīng)用的水下傳感器網(wǎng)絡(luò)，這些定向路由協(xié)議并不能很好地適應(yīng)大規(guī)模且多AUV、水下滑翔機(jī)異構(gòu)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)參與的多功能應(yīng)用情景。簡(jiǎn)而言之，IoUT對(duì)能夠連接網(wǎng)絡(luò)中的任意兩個(gè)節(jié)點(diǎn)并完成數(shù)據(jù)傳輸?shù)穆酚煞椒ㄌ岢隽诵枨蟆?/p>

值得一提的是無(wú)狀態(tài)幾何路由(Geometric STAteless Routing, G-STAR)[14]為地理路由協(xié)議在3維空間中的應(yīng)用提供了一個(gè)新的思路。由于無(wú)需切換到某個(gè)特定的迂回路徑，G-STAR不需要對(duì)轉(zhuǎn)發(fā)模式進(jìn)行切換或?qū)W(wǎng)絡(luò)拓?fù)溥M(jìn)行平面化處理，由此顯著地降低了路由復(fù)雜度。但是，此協(xié)議在IoUT中的應(yīng)用仍存在以下問(wèn)題。

(1) 位置信息的獲取。網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)的絕對(duì)或相對(duì)位置信息的先驗(yàn)獲取是完成地理路由的關(guān)鍵。全球定位系統(tǒng)(Global Positioning System, GPS)在水下環(huán)境中無(wú)法運(yùn)作。而由于水下聲速剖面(Sound Speed Profile, SSP)隨水深呈非線性變化[19]，基于到達(dá)時(shí)間(Time of Flight, ToF)的測(cè)量方法有可能獲得不準(zhǔn)確的測(cè)量結(jié)果。此外，通過(guò)傳統(tǒng)水下測(cè)距或定位方法難以同時(shí)大規(guī)模地獲取節(jié)點(diǎn)的準(zhǔn)確位置信息[16]。

(2) 水下信道和網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)。聲學(xué)與光學(xué)的無(wú)線信道存在傳輸?shù)摹瓣幱皡^(qū)”[20,21]或“虛空區(qū)”[18]。此外，受限于有限的能源，大部分節(jié)點(diǎn)一般處于睡眠模式中，在某時(shí)刻的路由中，網(wǎng)絡(luò)中可進(jìn)行路由的節(jié)點(diǎn)數(shù)目是受限的。由此，一個(gè)直線的直達(dá)路徑在大多數(shù)情況下是不可能的，需繞行其余可用節(jié)點(diǎn)進(jìn)行路由，因此在路由過(guò)程中網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣?jīng)常顯示為一種顯著的C型拓?fù)洹５玫酱蝺?yōu)路徑的地理路由協(xié)議在這種情況下會(huì)帶來(lái)大量的無(wú)效轉(zhuǎn)發(fā)。

(3) 探索與利用之間的折中。G-STAR協(xié)議的主導(dǎo)思想是建立一個(gè)基于位置信息的樹(shù)，動(dòng)態(tài)地搜索路由路徑。對(duì)樹(shù)搜索而言，尤其是在IoUT網(wǎng)絡(luò)中，探索和利用的折中是不可忽略的。對(duì)樹(shù)廣度的搜索，可以視為網(wǎng)絡(luò)中對(duì)最優(yōu)路由的探索，探索的增加能夠不斷優(yōu)化路由路徑的選擇，直至尋找到存在的最優(yōu)路徑，但同時(shí)也帶了更大的能耗和更長(zhǎng)的時(shí)延。對(duì)于網(wǎng)絡(luò)的利用則是指樹(shù)深度的發(fā)掘，使數(shù)據(jù)盡可能早地抵達(dá)目標(biāo)位置，但路由所尋到的路徑在大多數(shù)情況下并非最優(yōu)。例如，在提高網(wǎng)絡(luò)的整體性能時(shí)，我們也需考慮數(shù)據(jù)傳輸所占用的開(kāi)銷(xiāo)。而在復(fù)雜的物理層環(huán)境中，我們需要考慮在利用盡可能少的跳數(shù)的情況下，保持較低的誤碼情況。

綜上，為解決以上所提出的問(wèn)題，本文基于GSTAR協(xié)議與無(wú)協(xié)作轉(zhuǎn)發(fā)方法，設(shè)計(jì)一種可適用于IoUT情景的可靠傳輸?shù)幕旌下酚蓞f(xié)議。文章其余部分結(jié)構(gòu)如下：第2節(jié)陳述與本文研究相關(guān)的技術(shù)；第3節(jié)描述所提出的H-G-STAR協(xié)議；第4節(jié)給出實(shí)驗(yàn)仿真結(jié)果與分析；第5節(jié)得出結(jié)論；第6節(jié)對(duì)H-G-STAR的未來(lái)研究進(jìn)行探討。

2 相關(guān)技術(shù)

本節(jié)討論H-G-STAR協(xié)議的相關(guān)技術(shù)。首先對(duì)水下無(wú)線路由器的混合解決方法以及IoUT的通信、定位和導(dǎo)航一體化(Integration of Communication, Positioning, Navigation, ICPN)進(jìn)行分析。接著給出設(shè)計(jì)協(xié)議時(shí)所采用的無(wú)線信道傳輸模型。

2.1 水下無(wú)線路由器的混合解決方法以及ICPN

由于IoUT同時(shí)對(duì)遠(yuǎn)距離網(wǎng)絡(luò)覆蓋和高速數(shù)據(jù)傳輸提出了需求，許多水下無(wú)線通信機(jī)的混合方案應(yīng)運(yùn)而生。文獻(xiàn)[9]為IoUT引入了光學(xué)-聲學(xué)的混合通信方案。文獻(xiàn)[22]所提出的采用兩種不同頻段的聲學(xué)混合通信機(jī)能達(dá)到近似于CDMA-IoT LTE系統(tǒng)的性能[23]。這些混合架構(gòu)的提出，令I(lǐng)oUT網(wǎng)絡(luò)能夠輕松地執(zhí)行圖1所示的ICPN[24,25]。此類(lèi)輕量化的海洋協(xié)作導(dǎo)航系統(tǒng)相比于超短基線、海面無(wú)人艦艇協(xié)作導(dǎo)航等較高復(fù)雜度的定位系統(tǒng)而言，能夠以稍低的定位精度的代價(jià)，取得有限錯(cuò)誤率、低開(kāi)銷(xiāo)和高續(xù)航的定位與導(dǎo)航能力，更為適用于水下傳感器、AUV等能源受限的輕型設(shè)備。由此可以采用低復(fù)雜度的測(cè)距方法[4,26]獲得網(wǎng)絡(luò)中各個(gè)節(jié)點(diǎn)的準(zhǔn)確位置信息。

圖1 圖l l2-AUV-MN-2.0網(wǎng)絡(luò)模型的 ICPN[4]

2.2 信道模型

其中，μξ和σξ分別為l nx的均值和方差。作為大尺度衰落，陰影效應(yīng)ξm和距離衰減dm在一個(gè)相對(duì)較長(zhǎng)的時(shí)間尺度上不發(fā)生變化，假定其為常數(shù)。

3 H-G-STAR地理路由協(xié)議

3.1 G-STAR協(xié)議[14]和無(wú)協(xié)作轉(zhuǎn)發(fā)[27]

對(duì)于G-STAR協(xié)議，數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)總是通過(guò)貪婪轉(zhuǎn)發(fā)策略完成，即便是進(jìn)入了一個(gè)局部最小值也不會(huì)切換到某個(gè)迂回路由策略上。相應(yīng)地，G-STAR協(xié)議的數(shù)據(jù)幀需對(duì)其已探索的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行記錄以應(yīng)對(duì)局部最小值。

當(dāng)某個(gè)節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生數(shù)據(jù)幀時(shí)，幀內(nèi)將初始化一個(gè)空白的路由表。路由過(guò)程中，每當(dāng)一個(gè)節(jié)點(diǎn)接收到此數(shù)據(jù)幀時(shí)，路由表會(huì)登記此節(jié)點(diǎn)并且查詢(xún)?cè)摴?jié)點(diǎn)是否重復(fù)登記。若重復(fù)，則路由表保留最早的記錄并移除此次登記。由此，路由過(guò)程中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)僅在路由表上出現(xiàn)1次。對(duì)于當(dāng)前節(jié)點(diǎn)，路由表中記錄的上一個(gè)相鄰節(jié)點(diǎn)即為其上一跳節(jié)點(diǎn)，標(biāo)注為當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的父節(jié)點(diǎn)。

當(dāng)遇到局部最小值時(shí)，數(shù)據(jù)幀將被回退轉(zhuǎn)發(fā)至其父節(jié)點(diǎn)處。父節(jié)點(diǎn)使用貪婪轉(zhuǎn)發(fā)策略將數(shù)據(jù)幀轉(zhuǎn)發(fā)給它其余未被路由表登記的相鄰節(jié)點(diǎn)。若父節(jié)點(diǎn)的所有相鄰節(jié)點(diǎn)均被路由表登記，父節(jié)點(diǎn)便將數(shù)據(jù)幀繼續(xù)回退至它的父節(jié)點(diǎn)。由此循環(huán)往復(fù)直到跳出局部最小值或回退至發(fā)送節(jié)點(diǎn)處，后者標(biāo)志G-STAR路由的失敗。

3.2 改進(jìn)協(xié)議流程

本協(xié)議默認(rèn)使用G-STAR協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，當(dāng)節(jié)點(diǎn)的環(huán)境符合條件時(shí)，在使用G-STAR協(xié)議的同時(shí)也啟用無(wú)協(xié)作轉(zhuǎn)發(fā)方法進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送。H-G-STAR協(xié)議的流程框圖如圖2所示。

圖2 H-G-STAR 協(xié)議工作流程圖

各個(gè)節(jié)點(diǎn)通過(guò)式(4)計(jì)算其與各節(jié)點(diǎn)的位置，并以此位置信息作為地理路由的先驗(yàn)知識(shí)。由此位置信息以及預(yù)設(shè)的相鄰節(jié)點(diǎn)范圍，劃定各節(jié)點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的相鄰節(jié)點(diǎn)。

為H-G-STAR協(xié)議設(shè)定一個(gè)相鄰節(jié)點(diǎn)閾值，只有當(dāng)相鄰節(jié)點(diǎn)的數(shù)量到達(dá)此閾值時(shí)，當(dāng)前節(jié)點(diǎn)才同時(shí)嘗試使用無(wú)協(xié)作轉(zhuǎn)發(fā)方法進(jìn)行發(fā)送。啟用無(wú)協(xié)作轉(zhuǎn)發(fā)方法時(shí)，根據(jù)當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的相鄰環(huán)境，主要存在以下幾種判決情況：

(1) 無(wú)協(xié)作轉(zhuǎn)發(fā)方法首先在相鄰節(jié)點(diǎn)中搜索存在于轉(zhuǎn)發(fā)圓錐范圍內(nèi)的備選節(jié)點(diǎn)。利用路由中各節(jié)點(diǎn)與目標(biāo)節(jié)點(diǎn)及其相鄰節(jié)點(diǎn)的距離已知，通過(guò)余弦函數(shù)計(jì)算相鄰節(jié)點(diǎn)相對(duì)于當(dāng)前節(jié)點(diǎn)與目標(biāo)節(jié)點(diǎn)相連的軸線的角度，將處在擴(kuò)散角內(nèi)的節(jié)點(diǎn)列為備選節(jié)點(diǎn)。若無(wú)備選節(jié)點(diǎn)存在，無(wú)協(xié)作轉(zhuǎn)發(fā)不生效，僅進(jìn)行依據(jù)G-STAR協(xié)議的轉(zhuǎn)發(fā)。

(2) 存在備選節(jié)點(diǎn)，無(wú)協(xié)作轉(zhuǎn)發(fā)通過(guò)廣播方式發(fā)送數(shù)據(jù)。各備選節(jié)點(diǎn)通過(guò)廣播數(shù)據(jù)中的導(dǎo)頻信息，對(duì)其與發(fā)送節(jié)點(diǎn)之間信道的物理層CSI進(jìn)行信道估計(jì)。節(jié)點(diǎn)調(diào)用數(shù)據(jù)鏈路層計(jì)時(shí)器T(hm)，函數(shù)設(shè)定的計(jì)時(shí)長(zhǎng)度與物理層所反饋的CSI優(yōu)劣呈負(fù)相關(guān)趨勢(shì)。開(kāi)始計(jì)時(shí)并進(jìn)行信道監(jiān)聽(tīng)。若其備選節(jié)點(diǎn)中計(jì)時(shí)器函數(shù)T(hm)數(shù)值最小，即CSI最佳的節(jié)點(diǎn)與GSTAR協(xié)議所選節(jié)點(diǎn)相同，那么此跳轉(zhuǎn)發(fā)視為僅進(jìn)行了依據(jù)G-STAR協(xié)議的轉(zhuǎn)發(fā)，不產(chǎn)生新分支。

(3) G-STAR協(xié)議轉(zhuǎn)發(fā)的節(jié)點(diǎn)和無(wú)協(xié)作方法選擇的下一個(gè)發(fā)送節(jié)點(diǎn)不同，路徑產(chǎn)生新分支。原分支的下一跳選擇記錄為G-STAR協(xié)議所選擇的節(jié)點(diǎn)，無(wú)協(xié)作轉(zhuǎn)發(fā)所選擇的下一跳則記錄在新分支中。

每個(gè)路由分支根據(jù)H-G-STAR協(xié)議獨(dú)立地執(zhí)行路由步驟直到完成路由或抵達(dá)生存時(shí)間值(Timeto-Leave, TTL)所容許的轉(zhuǎn)發(fā)跳數(shù)上限。成功完成路由的分支將被標(biāo)記為有效分支，而后者為無(wú)效分支并舍棄。

完成路由后，為進(jìn)一步精簡(jiǎn)路徑，通過(guò)信道監(jiān)聽(tīng)技術(shù)對(duì)G-STAR協(xié)議產(chǎn)生的路徑進(jìn)行剪枝[28]，消除G-STAR協(xié)議本身無(wú)法除去的回路。由此得到一棵路由樹(shù)，其首個(gè)分支為G-STAR主導(dǎo)而末尾分支擁有最高的無(wú)協(xié)作轉(zhuǎn)發(fā)比例。

H-G-STAR協(xié)議通過(guò)使用G-STAR協(xié)議和無(wú)協(xié)作轉(zhuǎn)發(fā)方法分別拓展了它的路由樹(shù)的深度和廣度。G-STAR協(xié)議所遵循的貪婪轉(zhuǎn)發(fā)模式能夠盡可能快速地完成信息傳輸所需要的路由。而相較于G-STAR協(xié)議的單一路徑，運(yùn)用H-G-STAR協(xié)議進(jìn)行路由的節(jié)點(diǎn)通過(guò)產(chǎn)生的多個(gè)分支在目標(biāo)節(jié)點(diǎn)處實(shí)現(xiàn)協(xié)作分集，并在后續(xù)的傳輸中選擇已探索的路由樹(shù)中CSI最佳的信道進(jìn)行使用，減少后續(xù)的通信開(kāi)銷(xiāo)。

4 仿真分析

本節(jié)首先討論H-G-STAR協(xié)議在路由中的樹(shù)搜索過(guò)程。H-G-STAR協(xié)議在C型拓?fù)涞穆酚陕窂饺鐖D3所示?？梢?jiàn)其利用G-STAR的特性，對(duì)樹(shù)的深度進(jìn)行了充分的發(fā)掘，為此次數(shù)據(jù)傳輸保證了路由可能。同時(shí)在鄰居節(jié)點(diǎn)數(shù)量允許時(shí)，選擇了信道狀況最佳的鄰居節(jié)點(diǎn)進(jìn)行路由，優(yōu)化了路由路徑的選擇，實(shí)現(xiàn)了對(duì)樹(shù)的廣度的搜索。

圖3 H-G-STAR 協(xié)議樹(shù)搜索的探索和利用

如圖4、圖5所示，網(wǎng)絡(luò)以隨機(jī)拓?fù)洳贾?，總?jié)點(diǎn)數(shù)分別為75, 150個(gè)節(jié)點(diǎn)，對(duì)應(yīng)為平均相鄰節(jié)點(diǎn)數(shù)分別為6和12的網(wǎng)絡(luò)密度。圖4的數(shù)據(jù)幀在兩條分支路徑中均經(jīng)歷4跳轉(zhuǎn)發(fā)，其中僅有1跳產(chǎn)生了分支并在下一跳重新融合。無(wú)協(xié)作路由避開(kāi)了劣化的信道，由僅僅1跳的區(qū)別便取得優(yōu)于僅使用G-STAR的性能。使用無(wú)協(xié)作路由進(jìn)行分支的機(jī)會(huì)隨著網(wǎng)絡(luò)密度的提升而升高。如圖5所示，當(dāng)節(jié)點(diǎn)總數(shù)達(dá)到150個(gè)時(shí)，G-STAR協(xié)議主導(dǎo)的路徑經(jīng)歷4跳傳輸而無(wú)協(xié)作主導(dǎo)的路徑經(jīng)歷5跳。盡管增加了跳數(shù)，使傳輸路徑延長(zhǎng)，將信道狀況納入轉(zhuǎn)發(fā)條件的無(wú)協(xié)作路由的誤比特率仍顯著低于G-STAR協(xié)議。

圖4 隨機(jī)拓?fù)涞恼`比特率，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)為 75

圖5 隨機(jī)拓?fù)涞恼`比特率，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)為 150

在C型拓?fù)渲械穆酚梢话銜?huì)在發(fā)送節(jié)點(diǎn)附近形成數(shù)個(gè)回路，這是由于貪婪轉(zhuǎn)發(fā)策略嘗試直接向目標(biāo)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行發(fā)送而遇到中心虛空區(qū)域造成的。這些回路會(huì)通過(guò)后續(xù)的剪枝進(jìn)行去除。此拓?fù)渲袩o(wú)協(xié)作路由產(chǎn)生的分支主要發(fā)生在發(fā)送源位置以及當(dāng)路徑越過(guò)C型彎以后指向目標(biāo)節(jié)點(diǎn)時(shí)，前者由回路所激活的多個(gè)節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生，后者是因?yàn)槟切┠軌蛟赥TL內(nèi)完成數(shù)據(jù)幀傳輸?shù)墓?jié)點(diǎn)進(jìn)入了轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)的備選錐體范圍內(nèi)。

H-G-STAR協(xié)議在C型拓?fù)渲械谋憩F(xiàn)與隨機(jī)拓?fù)涞慕Y(jié)論相似。如圖6所示，在稀疏網(wǎng)絡(luò)中混合協(xié)議的誤比特率僅有較小的優(yōu)勢(shì)。這個(gè)優(yōu)勢(shì)隨著網(wǎng)絡(luò)密度的提升而逐漸顯著，如圖7所示，在150個(gè)節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)中H-G-STAR的誤比特率相較G-STAR低了約5 dB。

圖6 C 型拓?fù)涞恼`比特率，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)為 75

圖7 C 型拓?fù)涞恼`比特率，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)為 150

圖8、圖9展示了H-G-STAR協(xié)議的送達(dá)率。圖中將H-G-STAR協(xié)議的送達(dá)率與僅使用G-STAR協(xié)議、基于深度的GCORP的送達(dá)率進(jìn)行比較。圖8為在隨機(jī)拓?fù)渲新酚傻乃瓦_(dá)率，網(wǎng)絡(luò)密度從3提升到12。每個(gè)密度值生成1000個(gè)不同的拓?fù)?，TTL閾值設(shè)定為10跳?？梢?jiàn)H-G-STAR協(xié)議與G-STAR協(xié)議的性能相似。在可能存在水平傳輸?shù)碾S機(jī)拓?fù)渲?，基于深度由深向淺路由的GCORP有著較低的送達(dá)率。圖9為C型拓?fù)涞乃瓦_(dá)率，網(wǎng)絡(luò)密度從3提升到13。由于在此類(lèi)拓?fù)湎?，所需路由跳?shù)較多，因此將TTL閾值設(shè)定為40跳。從圖中可見(jiàn)H-G-STAR協(xié)議利用分支傳輸，在較高網(wǎng)絡(luò)密度中的送達(dá)率比G-STAR高了約10%。此外，可以觀察到圖中產(chǎn)生了一個(gè)送達(dá)率峰值。這是由于隨著節(jié)點(diǎn)數(shù)的增加，浪費(fèi)在回路中的跳數(shù)也不可避免地增多，使數(shù)據(jù)幀在路由完成前便已經(jīng)耗盡了TTL。而在為繞過(guò)虛空區(qū)而必然存在水平傳輸?shù)腃型拓?fù)渲?，GCORP幾乎無(wú)法送達(dá)。表1、表2分別為3種傳輸協(xié)議在數(shù)量為150個(gè)節(jié)點(diǎn)，比特能量Eb/No為20 dB的隨機(jī)和C型拓?fù)渲姓`碼率隨網(wǎng)絡(luò)密度的變化趨勢(shì)。在隨機(jī)拓?fù)渲?，G-STAR和H-G-STAR表現(xiàn)相似且誤碼率隨著網(wǎng)絡(luò)密度的提升顯著下降?；谏疃鹊腉CORP則有著一定的送達(dá)能力，但是可靠性不佳。而C型拓?fù)渲?，H-G-STAR能夠取得優(yōu)于G-STAR的誤碼表現(xiàn)，而GCORP幾乎無(wú)法送達(dá)。只有在網(wǎng)絡(luò)密度擴(kuò)大到16個(gè)鄰居節(jié)點(diǎn)以上時(shí)，GCORP才能夠勉強(qiáng)完成送達(dá)而且誤碼嚴(yán)重。

圖8 隨機(jī)拓?fù)涞乃瓦_(dá)率，TTL=10

圖9 C 型拓?fù)涞乃瓦_(dá)率，TTL=40

表1 隨機(jī)拓?fù)涞恼`碼率

表2 C型拓?fù)涞恼`碼率

5 結(jié)束語(yǔ)

本文提出了一個(gè)適用于IoUT的混合地理路由協(xié)議。通過(guò)利用ICPN，地理路由所使用的先驗(yàn)位置信息能夠以較低復(fù)雜度的方法獲取。為進(jìn)一步提升水下路由在不同拓?fù)?，尤其是有限能量?或)嚴(yán)苛信道環(huán)境造成的C型拓?fù)渲械目捎眯?，本文使用無(wú)協(xié)作轉(zhuǎn)發(fā)延伸動(dòng)態(tài)樹(shù)搜索的寬度。同時(shí)，通過(guò)將計(jì)時(shí)器的設(shè)定與CSI掛鉤，路徑探索的過(guò)程中仍能保證一個(gè)較低的誤比特率。

通過(guò)對(duì)兩種不同網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞姆抡妫梢?jiàn)稀疏網(wǎng)絡(luò)中可產(chǎn)生分支的可選路徑較少，并且G-STAR協(xié)議本身便已經(jīng)能夠較好地完成路由過(guò)程，H-G-STAR協(xié)議的優(yōu)越性隨網(wǎng)絡(luò)密度的提升而顯現(xiàn)。該混合協(xié)議帶來(lái)的低誤比特率彌補(bǔ)了其對(duì)通信開(kāi)銷(xiāo)和存儲(chǔ)需求的更高要求，同時(shí)相較于需要全局信息或網(wǎng)絡(luò)泛洪的傳統(tǒng)協(xié)議，H-G-STAR仍屬于輕量化協(xié)議。

本文展現(xiàn)了H-G-STAR的基礎(chǔ)研究工作，作者認(rèn)為此工作還能在以下方向進(jìn)行延伸。從理論角度而言，路由的目標(biāo)節(jié)點(diǎn)可通過(guò)無(wú)協(xié)作轉(zhuǎn)發(fā)實(shí)現(xiàn)協(xié)作分集，以此取得優(yōu)于僅使用G-STAR協(xié)議的物理層性能。后續(xù)將進(jìn)行協(xié)作分集的理論分析，以?xún)?yōu)化物理層性能和網(wǎng)絡(luò)送達(dá)能力之間的折中。在此文中，每個(gè)時(shí)隙中的信道狀況參數(shù)被假定為恒定值，從實(shí)際應(yīng)用角度出發(fā)，路由過(guò)程中需求較為準(zhǔn)確的信道追蹤或信道預(yù)測(cè)，通過(guò)機(jī)器學(xué)習(xí)進(jìn)行輔助是解決該問(wèn)題的一個(gè)有效方案[29]。