趙德騰，王 敏，2+，劉 淳

(1.云南師范大學(xué) 信息學(xué)院，云南 昆明 650500；2.云南師范大學(xué) 民族教育信息化教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，云南 昆明 650500)

0 引 言

近些年，隨著人類社會對海洋資源勘探和開發(fā)的興趣越來越大，水下傳感器網(wǎng)絡(luò)(underwater sensor networks，UWSNs)作為一種新型的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，在諸多水下應(yīng)用中發(fā)揮重要作用[1，2]。UWSNs是由大量傳感器節(jié)點(diǎn)，包括普通節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)(又稱sink節(jié)點(diǎn))組成的無線自組網(wǎng)絡(luò)，主要通過聲波傳輸數(shù)據(jù)。相比于陸地環(huán)境，水下條件惡劣[3，4]，更換節(jié)點(diǎn)電池的難度很大[5，6]，均衡和降低節(jié)點(diǎn)能耗[7，8]以延長網(wǎng)絡(luò)壽命[9]尤為重要。

為了降低網(wǎng)絡(luò)能耗，Xie P等提出了VBF，該協(xié)議采用源節(jié)點(diǎn)到sink節(jié)點(diǎn)的路由管道限制可轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包的節(jié)點(diǎn)，有效減少了網(wǎng)絡(luò)中的重復(fù)數(shù)據(jù)包，從而降低了網(wǎng)絡(luò)能耗，但是提前預(yù)定的路由管道半徑，不能很好地適應(yīng)不同規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)。為了均衡節(jié)點(diǎn)能耗，Xiao X等提出了LE-VBF，通過感知相鄰節(jié)點(diǎn)的能量信息，根據(jù)節(jié)點(diǎn)的剩余能量來決定是否參與傳輸，如果該節(jié)點(diǎn)的剩余能量超過其鄰居節(jié)點(diǎn)的平均剩余能量，則轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包，否則，丟棄數(shù)據(jù)包，但是相鄰節(jié)點(diǎn)間的頻繁通信會產(chǎn)生較高的能耗和數(shù)據(jù)碰撞。Wei B等提出了ES-VBF，該協(xié)議按照節(jié)點(diǎn)剩余能量與原始能量的比值采用不同函數(shù)設(shè)置發(fā)包等待時(shí)間，比值較高的節(jié)點(diǎn)優(yōu)先發(fā)包，以均衡節(jié)點(diǎn)能耗，但無法均衡采用同一函數(shù)設(shè)置發(fā)包等待時(shí)間的節(jié)點(diǎn)之間的能耗。為了降低能耗和提高投遞率，文獻(xiàn)[10]提出了依賴于環(huán)境大小、節(jié)點(diǎn)傳輸范圍和節(jié)點(diǎn)總數(shù)的可變管道，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)密度按比例改變路由管道半徑，從而在節(jié)點(diǎn)密集的網(wǎng)絡(luò)中降低能耗，在節(jié)點(diǎn)稀疏的網(wǎng)絡(luò)中提高投遞率，但由于網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)分布是不均勻的，可能無法達(dá)到較好的效果。Yu H等提出了AHH-VBF，通過逐跳改變路由管道的方向和半徑，保證節(jié)點(diǎn)稀疏區(qū)域的傳輸可靠性，減少節(jié)點(diǎn)密集區(qū)域的重復(fù)數(shù)據(jù)包，但每一跳的計(jì)算量較大。ALRP[11]將節(jié)點(diǎn)通信范圍內(nèi)面向sink節(jié)點(diǎn)方向的區(qū)域作為候選轉(zhuǎn)發(fā)區(qū)域，在候選轉(zhuǎn)發(fā)區(qū)域內(nèi)，越靠近sink節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)，被選為下一跳轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)的可能性越大，ALRP不需要尋找最優(yōu)管道半徑，但是候選轉(zhuǎn)發(fā)區(qū)域的大小固定，難以適應(yīng)不同規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)。

為了增加協(xié)議的動(dòng)態(tài)適應(yīng)性，部分研究人員將強(qiáng)化學(xué)習(xí)(reinforcement learning，RL)應(yīng)用到UWSNs[12-14]，利用Q學(xué)習(xí)算法，將網(wǎng)絡(luò)中的狀態(tài)與采取的行為構(gòu)建成一張Q表來存儲Q值，然后根據(jù)Q值來選取能夠獲得最大收益的動(dòng)作，具有較強(qiáng)的適應(yīng)性，但每次都需要更新和存儲Q值，增加了復(fù)雜性，能耗較大[15]，這對計(jì)算能力和能量有限且難以更換電池的UWSNs來說是一個(gè)挑戰(zhàn)。

為了進(jìn)一步均衡和降低UWSNs的能耗，以延長網(wǎng)絡(luò)壽命。本文提出能耗均衡與節(jié)能的自適應(yīng)水下路由協(xié)議(energy consumption balanced and energy saving adaptive underwater routing protocol，ECBES)。首先，構(gòu)建雙區(qū)非均勻分層拓?fù)?。其次，基于能耗均衡因子，利用拓?fù)浜凸?jié)點(diǎn)剩余能量計(jì)算出節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)優(yōu)先級，實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)選擇。與此同時(shí)，利用策略迭代思想逐步確定最優(yōu)候選轉(zhuǎn)發(fā)區(qū)域。

1 網(wǎng)絡(luò)模型

本文UWSNs由多個(gè)普通節(jié)點(diǎn)和單個(gè)sink節(jié)點(diǎn)組成。普通節(jié)點(diǎn)分為兩種，一種固定在水底，另一種在監(jiān)測區(qū)域中隨機(jī)移動(dòng)。普通節(jié)點(diǎn)具有唯一的ID號，可以感知自己的位置以及進(jìn)行簡單的信息處理。普通節(jié)點(diǎn)的計(jì)算能力、數(shù)據(jù)傳輸能力、原始能量大小完全相同。sink節(jié)點(diǎn)的能量看作無限，其位于水面，用來接收水下傳來的數(shù)據(jù)包，并最終將數(shù)據(jù)包傳遞到陸地基站。sink節(jié)點(diǎn)配備了聲學(xué)調(diào)制解調(diào)器和無線電調(diào)制解調(diào)器，聲學(xué)鏈路用于水下通信，無線電鏈路用于地面通信。網(wǎng)絡(luò)模型如圖1所示。

圖1 網(wǎng)絡(luò)模型

2 ECBES的設(shè)計(jì)

2.1 問題描述

傳統(tǒng)路由協(xié)議一般通過比較節(jié)點(diǎn)剩余能量的大小，選擇高剩余能量的節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包，以此來均衡能耗，但是容易陷入局部最優(yōu)，從而導(dǎo)致不同區(qū)域間節(jié)點(diǎn)的剩余能量相差較大。同時(shí)，節(jié)點(diǎn)的候選轉(zhuǎn)發(fā)區(qū)域大小固定，難以適應(yīng)不同規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)，若候選轉(zhuǎn)發(fā)區(qū)域太大，不斷運(yùn)動(dòng)的低優(yōu)先級節(jié)點(diǎn)可能無法收到抑制發(fā)包的消息，從而產(chǎn)生大量的重復(fù)數(shù)據(jù)包，導(dǎo)致高能耗。

本文針對傳統(tǒng)水下路由協(xié)議能耗不均衡和能量有限的問題，提出能耗均衡與節(jié)能的自適應(yīng)水下路由協(xié)議ECBES。

2.2 數(shù)據(jù)包包頭

ECBES的數(shù)據(jù)包包頭包括數(shù)據(jù)包唯一標(biāo)識(ID)、節(jié)點(diǎn)三維位置(position)、節(jié)點(diǎn)所處層次(layers)、節(jié)點(diǎn)剩余能量(residual energy)以及統(tǒng)計(jì)變量range(i)_count字段(僅存在于首輪數(shù)據(jù)包，在2.5.1節(jié)中具體介紹)。包頭格式如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)包包頭

2.3 雙區(qū)非均勻分層拓?fù)錁?gòu)建

為了從全局角度緩解能耗不均，減少部分節(jié)點(diǎn)因能量耗盡而提前死亡的情況，ECBES構(gòu)建水下雙區(qū)非均勻分層拓?fù)?。圖3是以sink節(jié)點(diǎn)為中心的拓?fù)淇v向剖面圖，圖中的監(jiān)測區(qū)域被縱向劃分為主區(qū)和副區(qū)，水平方向上采用非均勻分層，其中主區(qū)用以sink節(jié)點(diǎn)為球心的若干球面進(jìn)行劃分，副區(qū)采用平行分層。

圖3 拓?fù)淇v向剖面

如圖3所示，為避免數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)集中于某些路徑和區(qū)域，造成能耗不均，主區(qū)和副區(qū)節(jié)點(diǎn)采用不同的轉(zhuǎn)發(fā)方向，主區(qū)節(jié)點(diǎn)優(yōu)先朝sink節(jié)點(diǎn)方向轉(zhuǎn)發(fā)，副區(qū)節(jié)點(diǎn)優(yōu)先向副區(qū)的上層轉(zhuǎn)發(fā)，并在接近水面時(shí)，改朝sink節(jié)點(diǎn)方向轉(zhuǎn)發(fā)，以緩解縱向上的節(jié)點(diǎn)能耗不均。此外，靠近水面的層中參與轉(zhuǎn)發(fā)的節(jié)點(diǎn)更易集中于sink節(jié)點(diǎn)附近，需要有更多節(jié)點(diǎn)參與數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，以緩解橫向上的節(jié)點(diǎn)能耗不均，因此靠近水面的層，體積較大，則候選轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)數(shù)多。同時(shí)考慮到主區(qū)和副區(qū)節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)方向的特點(diǎn)，主區(qū)用以sink節(jié)點(diǎn)為球心的若干球面進(jìn)行劃分，副區(qū)采用平行分層。

2.4 基于能耗均衡因子的自適應(yīng)轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)選擇

為了均衡網(wǎng)絡(luò)能耗，ECBES從全局拓?fù)浜凸?jié)點(diǎn)剩余能量兩方面計(jì)算節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)優(yōu)先級，并根據(jù)優(yōu)先級和隨機(jī)小數(shù)設(shè)置動(dòng)態(tài)等待時(shí)間，以抑制低優(yōu)先級節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包，并降低同等優(yōu)先級節(jié)點(diǎn)的重復(fù)數(shù)據(jù)包。

2.4.1 節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)優(yōu)先級

ECBES的節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)優(yōu)先級取決于：①層次大小，使數(shù)據(jù)包往sink節(jié)點(diǎn)方向或較淺方向傳輸；②是否與上一跳節(jié)點(diǎn)同區(qū)，避免數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)集中于某些路徑和區(qū)域；③剩余能量大小，均衡局部節(jié)點(diǎn)間的能耗。在同一剩余能量情況下，所屬分層的層次越小，轉(zhuǎn)發(fā)優(yōu)先級越高，在同一分層情況下，與上一跳節(jié)點(diǎn)同區(qū)的節(jié)點(diǎn)，轉(zhuǎn)發(fā)優(yōu)先級較高。

ECBES將節(jié)點(diǎn)通信范圍內(nèi)，面向sink節(jié)點(diǎn)的上半球區(qū)域作為節(jié)點(diǎn)的候選轉(zhuǎn)發(fā)區(qū)域。如圖4所示，節(jié)點(diǎn)A1和A2的候選轉(zhuǎn)發(fā)區(qū)域?yàn)樘摼€半球區(qū)域，其被雙區(qū)非均勻分層拓?fù)浞指?，其中的阿拉伯?dāng)?shù)字是不考慮節(jié)點(diǎn)剩余能量情況下，各區(qū)域節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)發(fā)優(yōu)先程度，數(shù)字越小，轉(zhuǎn)發(fā)優(yōu)先級越高。

圖4 轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)選擇

計(jì)算出節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)優(yōu)先級Pselect之后，與一個(gè)隨機(jī)數(shù)RN∈[β，1) 進(jìn)行比較，β的最小取值為0，Pselect大則成為候選轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)，否則丟棄。因此Pselect越大，成為轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)的可能性越大，其值考慮能耗均衡，在ECBES中通過能耗均衡因子α1和α2來綜合設(shè)置。Pselect的計(jì)算如式(1)所示

(1)

其中，α1考慮全局拓?fù)鋵用娴哪芎木猓渲等缡?2)所示，α2考慮局部節(jié)點(diǎn)間的能耗均衡，其值如式(3)所示。α1的取值考慮節(jié)點(diǎn)所屬分層層次、與上一跳節(jié)點(diǎn)是否同區(qū)，α2的取值考慮上下兩跳節(jié)點(diǎn)的剩余能量

(2)

其中，layer為候選轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)所屬的分層層次，layerlast為上一跳節(jié)點(diǎn)所屬的分層層次，K為非負(fù)實(shí)數(shù)。特別地，當(dāng)處于主區(qū)一層的節(jié)點(diǎn)收到來自副區(qū)二層節(jié)點(diǎn)傳來的數(shù)據(jù)包時(shí)α1為1.0

(3)

其中，E為候選轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)的剩余能量，Elast為上一跳節(jié)點(diǎn)的剩余能量，λ1和λ2為候選轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)與上一跳節(jié)點(diǎn)剩余能量之比的閾值，剩余能量之比大于λ1的節(jié)點(diǎn)在局部區(qū)域相對于其它節(jié)點(diǎn)能量充足，小于λ2的節(jié)點(diǎn)則能量不足，放棄轉(zhuǎn)發(fā)資格。

2.4.2 動(dòng)態(tài)等待時(shí)間

為了抑制低優(yōu)先級節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包，并降低同等優(yōu)先級節(jié)點(diǎn)的重復(fù)數(shù)據(jù)包，ECBES根據(jù)節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)優(yōu)先級和隨機(jī)小數(shù)設(shè)置動(dòng)態(tài)等待時(shí)間T。優(yōu)先級Pselect越大，動(dòng)態(tài)等待時(shí)間T越小，同等優(yōu)先級的節(jié)點(diǎn)通過隨機(jī)小數(shù)Trn來區(qū)分。在動(dòng)態(tài)等待時(shí)間T內(nèi)，如果收到其它節(jié)點(diǎn)傳來相同的數(shù)據(jù)包，則取消等待時(shí)間并丟棄該包，否則，時(shí)間T到期發(fā)包。動(dòng)態(tài)等待時(shí)間T的計(jì)算如式(4)所示

(4)

此外，每一個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)建立已發(fā)送列表，將發(fā)送過的數(shù)據(jù)包ID寫入已發(fā)送列表，每次收到數(shù)據(jù)包后進(jìn)行對比，如果已發(fā)送過此包，則直接丟棄，以防止節(jié)點(diǎn)循環(huán)轉(zhuǎn)發(fā)此包。

2.5 基于策略迭代思想的候選轉(zhuǎn)發(fā)區(qū)域優(yōu)化

候選轉(zhuǎn)發(fā)區(qū)域的大小與網(wǎng)絡(luò)規(guī)模以及網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的分布情況有關(guān)，需要根據(jù)網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)設(shè)置。ECBES基于策略迭代思想，通過有限次迭代確定最優(yōu)候選轉(zhuǎn)發(fā)區(qū)域。

ECBES將節(jié)點(diǎn)通信范圍內(nèi)，面向sink節(jié)點(diǎn)的上半球區(qū)域作為節(jié)點(diǎn)原始候選轉(zhuǎn)發(fā)區(qū)域，如圖5中平面S以上的半球區(qū)域，平面S稱為原始候選轉(zhuǎn)發(fā)平面。為了能夠盡快找到最優(yōu)候選轉(zhuǎn)發(fā)區(qū)域，加速收斂，ECBES通過分析首輪數(shù)據(jù)包傳遞期間節(jié)點(diǎn)候選轉(zhuǎn)發(fā)區(qū)域各分區(qū)域中節(jié)點(diǎn)參與轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包的比例，確定次優(yōu)候選轉(zhuǎn)發(fā)區(qū)域，并將其作為初始策略，通過多次迭代，確定最優(yōu)候選轉(zhuǎn)發(fā)區(qū)域，以較低的實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度減少不同網(wǎng)絡(luò)規(guī)模中重復(fù)轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)包，降低網(wǎng)絡(luò)的整體能耗。

圖5 節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)模型

本節(jié)共有兩個(gè)算法，分別為：次優(yōu)候選轉(zhuǎn)發(fā)區(qū)域確定算法和最優(yōu)候選轉(zhuǎn)發(fā)區(qū)域確定算法。表1對本節(jié)算法所用到的部分參數(shù)進(jìn)行介紹。

表1 算法參數(shù)

2.5.1 次優(yōu)候選轉(zhuǎn)發(fā)區(qū)域確定

在原始候選轉(zhuǎn)發(fā)區(qū)域的基礎(chǔ)上，ECBES進(jìn)一步確定次優(yōu)候選轉(zhuǎn)發(fā)區(qū)域。對于首輪數(shù)據(jù)包的傳遞，節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)發(fā)優(yōu)先級設(shè)定參考文獻(xiàn)[11]，即在候選轉(zhuǎn)發(fā)區(qū)域內(nèi)越靠近sink節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)優(yōu)先級越高(僅限首輪，其余輪次采用2.4.1節(jié)所計(jì)算的優(yōu)先級)。

首輪數(shù)據(jù)包傳遞期間，range(i)_count字段用來統(tǒng)計(jì)原始候選轉(zhuǎn)發(fā)區(qū)域各個(gè)分區(qū)域(range(i)區(qū)域)中的節(jié)點(diǎn)參與轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包的次數(shù)。range(i)區(qū)域劃分如圖5所示，每個(gè)range(i)代表一個(gè)區(qū)域范圍，候選轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)收到數(shù)據(jù)包后根據(jù)距離上一跳節(jié)點(diǎn)原始候選轉(zhuǎn)發(fā)平面的距離d_initial確定自己處于哪一區(qū)域，并對數(shù)據(jù)包包頭中對應(yīng)的range(i)_count字段值加1。

首輪數(shù)據(jù)包傳遞結(jié)束后，sink節(jié)點(diǎn)利用收到的數(shù)據(jù)包中的range(i)_count信息，計(jì)算各個(gè)range(i)區(qū)域中節(jié)點(diǎn)參與轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包的比例，并與閾值TH∈[0，1) 進(jìn)行比較，最終確定次優(yōu)候選轉(zhuǎn)發(fā)區(qū)域。range(i)區(qū)域節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)比例的計(jì)算如式(5)所示

(5)

從range(n)_ratio開始向下對每個(gè)區(qū)域轉(zhuǎn)發(fā)比例逐一進(jìn)行累加，當(dāng)累加值大于閾值TH時(shí)，參與累加的區(qū)域即為次優(yōu)候選轉(zhuǎn)發(fā)區(qū)域，如圖5所示，以平面S’為底面的球冠區(qū)域即為次優(yōu)候選轉(zhuǎn)發(fā)區(qū)域。確定次優(yōu)候選轉(zhuǎn)發(fā)區(qū)域后，sink節(jié)點(diǎn)將此信息廣播到網(wǎng)絡(luò)中。算法1以圖5為示例，給出次優(yōu)候選轉(zhuǎn)發(fā)區(qū)域確定的主要步驟。

算法1：次優(yōu)候選轉(zhuǎn)發(fā)區(qū)域確定

輸入：(原始候選轉(zhuǎn)發(fā)區(qū)域)

輸出：(次優(yōu)候選轉(zhuǎn)發(fā)區(qū)域)

范圍：(首輪數(shù)據(jù)包傳遞期間)

(1)/*候選轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)收到數(shù)據(jù)包后的處理方案*/

(2)若候選轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)C收到A發(fā)來的數(shù)據(jù)包, 如圖5所示, 則計(jì)算節(jié)點(diǎn)C到節(jié)點(diǎn)A的原始候選轉(zhuǎn)發(fā)平面的距離

(3)根據(jù)計(jì)算出的d_initialCA確定節(jié)點(diǎn)C所屬的區(qū)域range(i)之后, 將數(shù)據(jù)包包頭中對應(yīng)的range(i)_count字段值加1

(4)/*sink節(jié)點(diǎn)收到數(shù)據(jù)包后的處理方案*/

(5)IF (condition1)

(6) 讀取包中的range(i)_count信息并存儲

(7)ELSE

(8) 丟棄數(shù)據(jù)包

(9)IF (condition2)

(10) 計(jì)算各range(i)區(qū)域中節(jié)點(diǎn)參與轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包的比例

(11) IF (range(n)_ratio>TH)

(12) range(n)為次優(yōu)候選轉(zhuǎn)發(fā)區(qū)域

(13) ELSE IF (range(n)_ratio+range(n-1)_ratio>TH)

(14) range(n)+range(n-1)為次優(yōu)候選轉(zhuǎn)發(fā)區(qū)域

(15) ……

(16) ELSE IF(range(n)_ratio+…+range(2)_ratio>TH)

(17) range(n)+…+range(2)為次優(yōu)候選轉(zhuǎn)發(fā)區(qū)域

(18) ELSE

(19)原始候選轉(zhuǎn)發(fā)區(qū)域?yàn)榇蝺?yōu)候選轉(zhuǎn)發(fā)區(qū)域

2.5.2 最優(yōu)候選轉(zhuǎn)發(fā)區(qū)域確定

策略迭代思想是通過不斷迭代獲得最優(yōu)策略的一種思想。為了加快收斂，ECBES將上一節(jié)中確定的次優(yōu)候選轉(zhuǎn)發(fā)區(qū)域作為初始策略。

算法2：最優(yōu)候選轉(zhuǎn)發(fā)區(qū)域確定

輸入：(次優(yōu)候選轉(zhuǎn)發(fā)區(qū)域)

輸出：(最優(yōu)候選轉(zhuǎn)發(fā)區(qū)域)

范圍：(第2輪及以后數(shù)據(jù)包傳遞期間)

(1) /*節(jié)點(diǎn)的候選轉(zhuǎn)發(fā)區(qū)域設(shè)置方案*/

(3) /*sink節(jié)點(diǎn)收到數(shù)據(jù)包后的處理方案*/

(4)IF (condition1)

(5)pk_count本輪++

(6)ELSE

(7) 丟棄數(shù)據(jù)包

(8)IF (condition2)

(9) IF (pk_count本輪!

(10)pk_count上輪=pk_count本輪

(11)pk_count本輪=0

(12) ELSE

(13) 結(jié)束, 上一輪候選轉(zhuǎn)發(fā)區(qū)域確定為最優(yōu)候選轉(zhuǎn)發(fā)區(qū)域

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 仿真設(shè)置

本文通過仿真軟件OPNET 14.5對VBF、ES-VBF、ALRP和ECBES的節(jié)點(diǎn)死亡率、數(shù)據(jù)包投遞率、網(wǎng)絡(luò)能耗以及端到端時(shí)延進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析。仿真物理層采用水聲信道。發(fā)包節(jié)點(diǎn)固定在水底，每輪發(fā)包間隔15 s，總共發(fā)包15輪。移動(dòng)節(jié)點(diǎn)分布在240m×240m×120m的監(jiān)測區(qū)域內(nèi)，隨水流進(jìn)行0～3 m/s的隨機(jī)水平移動(dòng)。主要實(shí)驗(yàn)參數(shù)見表2。

表2 仿真參數(shù)

本實(shí)驗(yàn)設(shè)置主區(qū)為一個(gè)底面半徑60 m，高120 m的圓柱區(qū)域，監(jiān)測區(qū)域其余部分為副區(qū)，主區(qū)分為4層，分別用半徑60 m，90 m和120 m的同心球隔開。副區(qū)分層為以主區(qū)同心球分層與主副區(qū)邊界交點(diǎn)為界限的平行分層，拓?fù)淇v向剖面圖如圖3所示。候選轉(zhuǎn)發(fā)區(qū)域分區(qū)數(shù)n=4， 分別為range(1)、range(2)、range(3)、range(4)，每個(gè)區(qū)域厚度為10 m，迭代步長H為2 m，最多迭代次數(shù)為4。

3.2 性能評估

在本小節(jié)中，將對UWSNs路由協(xié)議VBF、ES-VBF、ALRP和ECBES進(jìn)行性能評估。評估指標(biāo)包括節(jié)點(diǎn)死亡率、數(shù)據(jù)包投遞率、網(wǎng)絡(luò)能耗以及端到端時(shí)延。

3.2.1 節(jié)點(diǎn)死亡率

圖6為VBF、ES-VBF、ALRP和ECBES仿真完成后的節(jié)點(diǎn)死亡率隨節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)增加的變化曲線。結(jié)果表明，ECBES在不同節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)下均沒有出現(xiàn)節(jié)點(diǎn)死亡。當(dāng)節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)低于500時(shí)，VBF、ES-VBF、ALRP的節(jié)點(diǎn)死亡率為0，當(dāng)節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)增加到500時(shí)，出現(xiàn)節(jié)點(diǎn)死亡，且隨著節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)的增加，節(jié)點(diǎn)死亡率也在增加。原因是節(jié)點(diǎn)的廣播特性導(dǎo)致隨著節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)的增加，節(jié)點(diǎn)間通信的機(jī)會和次數(shù)也大大增加，從而導(dǎo)致部分節(jié)點(diǎn)因能量耗盡而死亡。

圖6 不同節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)下的節(jié)點(diǎn)死亡率

VBF和ES-VBF均采用源節(jié)點(diǎn)到sink節(jié)點(diǎn)的路由管道限制可轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包的節(jié)點(diǎn)，這導(dǎo)致管道內(nèi)外節(jié)點(diǎn)能耗不均，管道內(nèi)的節(jié)點(diǎn)能耗較大。雖然ES-VBF按照節(jié)點(diǎn)剩余能量與原始能量的比值采用兩種不同函數(shù)設(shè)置發(fā)包等待時(shí)間，剩余能量超過原始能量60%的節(jié)點(diǎn)優(yōu)先發(fā)包，但是無法均衡采用同一函數(shù)設(shè)置發(fā)包等待時(shí)間的節(jié)點(diǎn)間的能耗，而且剩余能量很低的節(jié)點(diǎn)雖然轉(zhuǎn)發(fā)優(yōu)先級低，但在動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)中，可能無法抑制其轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包。ALRP中的節(jié)點(diǎn)根據(jù)其當(dāng)前位置決定轉(zhuǎn)發(fā)方向，始終面向sink節(jié)點(diǎn)方向傳遞數(shù)據(jù)包，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)各區(qū)域間能耗不均。

ECBES在不同節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)下的節(jié)點(diǎn)死亡率均為0。主要原因是ECBES在全局利用雙區(qū)非均勻分層拓?fù)渚饽芎?，在局部?jié)點(diǎn)間通過上下兩跳節(jié)點(diǎn)剩余能量的大小關(guān)系均衡能耗，且為了緩解動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)中可能無法抑制低能量節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包的情況，設(shè)定當(dāng)候選轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)與上一跳節(jié)點(diǎn)剩余能量的比值低于0.3時(shí)，主動(dòng)放棄數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā)。

3.2.2 數(shù)據(jù)包投遞率

圖7為VBF、ES-VBF、ALRP和ECBES的數(shù)據(jù)包投遞率隨節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)增加的變化曲線。結(jié)果表明，當(dāng)節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)增加時(shí)，4個(gè)協(xié)議的數(shù)據(jù)包投遞率逐漸增加。從圖7可知，節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)在700～800時(shí)，ECBES的數(shù)據(jù)包投遞率明顯高于其它3個(gè)協(xié)議，主要是因?yàn)镋CBES在數(shù)據(jù)包傳遞期間沒有節(jié)點(diǎn)死亡，因此，所有節(jié)點(diǎn)都處于正常工作狀態(tài)。

圖7 不同節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)下的數(shù)據(jù)包投遞率

3.2.3 網(wǎng)絡(luò)能耗

圖8為VBF、ES-VBF、ALRP和ECBES的網(wǎng)絡(luò)能耗隨節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)增加的變化曲線。結(jié)果表明，當(dāng)節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)增加時(shí)，4個(gè)協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)能耗逐漸增加。原因是節(jié)點(diǎn)的廣播特性導(dǎo)致隨著節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)的增加，節(jié)點(diǎn)間通信的機(jī)會和次數(shù)也大大增加，從而導(dǎo)致能耗增加。

圖8 不同節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)下的網(wǎng)絡(luò)能耗

VBF和ES-VBF均采用冗余傳輸，即允許有限多個(gè)節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包，這會產(chǎn)生不必要的能耗。ALRP雖然采用單個(gè)節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包，但每一跳節(jié)點(diǎn)的候選轉(zhuǎn)發(fā)區(qū)域太大，占到了節(jié)點(diǎn)通信范圍的一半，在動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)中難以抑制部分重復(fù)數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā)，從而造成較高的能耗。

從圖8可知，ECBES在不同節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)下的網(wǎng)絡(luò)能耗基本都低于其它3個(gè)協(xié)議。由圖7與圖8對比可知，ECBES在投遞率基本不低于其它3個(gè)協(xié)議的同時(shí)，能耗大大降低。主要原因是ECBES利用策略迭代思想確定最優(yōu)候選轉(zhuǎn)發(fā)區(qū)域，保證投遞率的同時(shí)減少了不同網(wǎng)絡(luò)規(guī)模中重復(fù)數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā)，降低了網(wǎng)絡(luò)的整體能耗。

3.2.4 端到端時(shí)延

圖9是不同節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)下4個(gè)協(xié)議的端到端時(shí)延。VBF、ES-VBF、ALRP和ECBES在節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)為100～300時(shí)，sink節(jié)點(diǎn)未收到數(shù)據(jù)包，因此沒有端到端時(shí)延數(shù)據(jù)。從圖中可知，ECBES在4個(gè)協(xié)議中保持了不錯(cuò)的端到端時(shí)延。主要是因?yàn)镋CBES將網(wǎng)絡(luò)劃分為雙區(qū)非均勻分層拓?fù)?，使得各個(gè)節(jié)點(diǎn)的負(fù)載相對均衡，從而降低了排隊(duì)的可能性以及根據(jù)不同的情況對發(fā)包等待時(shí)間進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整，去除了多余的等待時(shí)間。

圖9 不同節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)下的端到端時(shí)延

4 結(jié)束語

本文針對水下傳感器網(wǎng)絡(luò)(UWSNs)中節(jié)點(diǎn)能耗不均衡和能量有限的問題，提出了能耗均衡與節(jié)能的自適應(yīng)水下路由協(xié)議ECBES。在雙區(qū)非均勻分層拓?fù)涞幕A(chǔ)上，基于能耗均衡因子計(jì)算出節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)優(yōu)先級，實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)選擇，均衡網(wǎng)絡(luò)能耗。同時(shí)，利用策略迭代思想逐步確定最優(yōu)候選轉(zhuǎn)發(fā)區(qū)域，減少了重復(fù)數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā)，降低了網(wǎng)絡(luò)的整體能耗。

本文基于OPNET分析對比了4個(gè)協(xié)議在不同節(jié)點(diǎn)數(shù)量下的節(jié)點(diǎn)死亡率、數(shù)據(jù)包投遞率、網(wǎng)絡(luò)能耗以及端到端時(shí)延。仿真結(jié)果表明，ECBES相比于VBF、ES-VBF和ALRP，在不同節(jié)點(diǎn)數(shù)量下，節(jié)點(diǎn)死亡率均最低，在保證數(shù)據(jù)包投遞率的同時(shí)，能耗最少。

在未來的研究中，將嘗試多sink節(jié)點(diǎn)的架構(gòu)來進(jìn)一步擴(kuò)展和研究本文所提出的方案，以擴(kuò)展使用場景。