劉 淳,王 敏,2*

(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

水聲傳感器網(wǎng)絡(luò)(Underwater Acoustic Wireless Sensor Networks,UWSNs)是一種用于實(shí)現(xiàn)水下信息收集和數(shù)據(jù)傳輸?shù)募夹g(shù)[1],在海洋探索、環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域中發(fā)揮著重要作用[2]。然而,UWSNs面臨著多種困難。如多徑效應(yīng)造成信號(hào)衰減,影響到信號(hào)質(zhì)量;水流導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)移動(dòng),增加維持穩(wěn)定通信的復(fù)雜性;節(jié)點(diǎn)依賴電池供電,能源管理成為網(wǎng)絡(luò)長期運(yùn)行的關(guān)鍵。因此,提高UWSNs數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃院托市猿蔀楸疚难芯康闹饕獎(jiǎng)訖C(jī)。

VBF在規(guī)劃路由路徑和可擴(kuò)展性方面表現(xiàn)出色[3],但由于固定的管道設(shè)計(jì),使得其在高動(dòng)態(tài)水下環(huán)境中的適應(yīng)性和能效仍存在局限。Nicolaou等[4]提出的HH-VBF(Hop-by-Hop Vector-Based Forwarding),通過每跳創(chuàng)建虛擬管道,為每個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)使用單獨(dú)的矢量,克服了VBF對(duì)管道半徑閾值敏感的問題。但在節(jié)點(diǎn)密集情況下,HH-VBF由于恒定的管道半徑,導(dǎo)致出現(xiàn)重復(fù)數(shù)據(jù)包和增加能耗問題。Yu等[5]提出的自適應(yīng)逐跳向量轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議AHH-VBF,通過動(dòng)態(tài)調(diào)整管道半徑和傳輸功率,降低了網(wǎng)絡(luò)能耗,并改進(jìn)包的持有時(shí)間,降低了傳播延遲。但是,AHH-VBF在密集環(huán)境中產(chǎn)生大量重復(fù)數(shù)據(jù)包,并且在稀疏環(huán)境中傳輸連續(xù)性和可靠性存在不穩(wěn)定。Khan等[6]提出的自適應(yīng)逐跳錐形向量轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議AHHC-VBF,通過構(gòu)建錐形轉(zhuǎn)發(fā)結(jié)構(gòu),根據(jù)節(jié)點(diǎn)的分布自適應(yīng)調(diào)整錐形的高度和開口,減少網(wǎng)絡(luò)中的冗余包數(shù)量。但AHHC-VBF在稀疏網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下會(huì)面臨著下一跳轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)的傳輸距離范圍之內(nèi)沒有符合轉(zhuǎn)發(fā)的空洞情況。

本文提出自適應(yīng)錐體矢量路由協(xié)議(Adaptive Cone Vector Routing Protocol,ACVRP),在VBF的管道中引入錐體候選區(qū)域,根據(jù)節(jié)點(diǎn)密度來自適應(yīng)調(diào)整錐體區(qū)域大小和方向,減少冗余分組的傳輸,避免空洞情況。在選擇候選節(jié)點(diǎn)中,優(yōu)先選擇剩余能量高和距離較遠(yuǎn)的節(jié)點(diǎn)作為下一跳,以提高投遞率,減少傳輸跳數(shù)。

1 自適應(yīng)錐體矢量(ACVRP)路由協(xié)議

1.1 ACVRP設(shè)計(jì)思想

為了減少網(wǎng)絡(luò)中冗余數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā),降低網(wǎng)絡(luò)整體能耗以及保證數(shù)據(jù)投遞率的同時(shí)避免出現(xiàn)空洞,ACVRP采用動(dòng)態(tài)錐體區(qū)域作為下一跳候選區(qū)域,如圖1所示。ACVRP根據(jù)區(qū)域中節(jié)點(diǎn)的密度自適應(yīng)調(diào)整錐體的方向和大小;為減少發(fā)送方到Sink節(jié)點(diǎn)傳輸?shù)目偺鴶?shù),實(shí)現(xiàn)降低能耗和減少傳輸時(shí)延的目的,ACVRP通過綜合考慮節(jié)點(diǎn)的剩余能量、區(qū)域內(nèi)鄰居節(jié)點(diǎn)到錐體頂角節(jié)點(diǎn)的距離和鄰居節(jié)點(diǎn)到錐體中軸線的距離3個(gè)因素,來確定下一跳節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)的優(yōu)先級(jí)。

圖1 ACVRP模型

1.2 基于密度的自適應(yīng)錐體候選區(qū)域劃分

1.2.1 錐體區(qū)域內(nèi)鄰居節(jié)點(diǎn)數(shù)量計(jì)算

錐體區(qū)域內(nèi)節(jié)點(diǎn)應(yīng)同時(shí)位于錐體區(qū)域和管道區(qū)域內(nèi),即:(1)錐體頂點(diǎn)到鄰居節(jié)點(diǎn)的向量與錐體中軸線的夾角小于或等于錐體頂角的一半;(2)鄰居節(jié)點(diǎn)到管道中軸線的距離小于或等于管道寬度的一半。具體如下。

同時(shí)滿足以上2點(diǎn),即可計(jì)入錐體候選區(qū)域內(nèi)的節(jié)點(diǎn)數(shù)N。

1.2.2 錐體內(nèi)節(jié)點(diǎn)密度計(jì)算

錐體內(nèi)節(jié)點(diǎn)密度Ddensity為:

(1)

1.2.3 錐體區(qū)域動(dòng)態(tài)調(diào)整設(shè)計(jì)

初始化錐體頂角θi=60°,其母線長為傳輸半徑R。為確定錐體方向的調(diào)整,將節(jié)點(diǎn)的上半球形傳輸區(qū)域劃分為左右2個(gè)半?yún)^(qū),計(jì)算并比較2個(gè)半?yún)^(qū)的密度大小,若Leftdensity≥Rightdensity,則錐體方向逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)α°;若Leftdensity

錐體方向確定后,調(diào)整錐體大小以滿足角度閾值Tangel。將當(dāng)前錐體區(qū)域內(nèi)的密度Ddensity與角度閾值Tangel進(jìn)行比較,來決定增加還是減小錐體頂角θ,最終調(diào)整方向和大小后的錐體區(qū)域見圖1中陰影錐形部分。

錐體頂角θ調(diào)整設(shè)定如下。

當(dāng)網(wǎng)絡(luò)密度Ddensity>Tangel時(shí),錐體頂角θ應(yīng)減小,即:

θ=θinitial×(1-k×(Ddensity-Tangel))

(2)

當(dāng)網(wǎng)絡(luò)密度Ddensity≤Tangel時(shí),錐體頂角θ應(yīng)增大,即:

θ=θinitial×(1+k×(Tangel-Ddensity))

(3)

其中,k是一個(gè)調(diào)整系數(shù),用于確定錐體內(nèi)節(jié)點(diǎn)的密度變化對(duì)θ的影響程度。

1.3 下一跳節(jié)點(diǎn)的優(yōu)先級(jí)設(shè)計(jì)

綜合考慮3個(gè)屬性來設(shè)置節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)發(fā)優(yōu)先級(jí)。

Ej:鄰居節(jié)點(diǎn)j的剩余能量,剩余能量越大,優(yōu)先級(jí)越高;

Sij:鄰居節(jié)點(diǎn)到該節(jié)點(diǎn)的距離,距離短的跳數(shù)更少;

Sic:鄰居節(jié)點(diǎn)到錐體中軸線的距離,距離短傳輸更加集。

綜上,對(duì)于鄰居節(jié)點(diǎn)的HoldingTime設(shè)計(jì)如式(4):

(4)

其中,Emax表示節(jié)點(diǎn)的初始能量;α、β、γ是調(diào)整因素的權(quán)重。

2 性能評(píng)估

為評(píng)估ACVRP,采用了仿真實(shí)驗(yàn)方法。使用NS-3仿真平臺(tái)和Aqua-Sim NG軟件比較ACVRP與VBF、AHH-VBF及AHHC-VBF的投遞率、平均能耗和傳輸時(shí)延[7-8]。

如圖2所示,顯示了ACVRP與VBF、AHH-VBF及AHHC-VBF在100—1000個(gè)節(jié)點(diǎn)數(shù)下的包投遞率。ACVRP和AHHC-VBF具有較高的投遞率,ACVRP在節(jié)點(diǎn)規(guī)模達(dá)到300之后投遞率基本穩(wěn)定在0.95左右。在不同網(wǎng)絡(luò)規(guī)模下,ACVRP的平均投遞率與VBF、AHH-VBF和AHHC-VBF相比分別提高48.4%、18.7%和2.1%。

圖2 不同規(guī)模下的投遞率

在平均能耗方面,如圖3所示,由于ACVRP和AHHC-VBF使用范圍更小的錐形作為候選區(qū)域,進(jìn)一步減少了冗余通信,所以能耗相比最低。在不同網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)規(guī)模下,ACVRP的平均能耗與VBF、AHH-VBF和AHHC-VBF相比分別降低76.88%、43.25%和7.71%。

圖3 不同規(guī)模下的平均能耗

如圖4所示,ACVRP、AHH-VBF和AHHC-VBF相較于VBF表現(xiàn)出較好的延遲性能。在不同網(wǎng)絡(luò)規(guī)模下,ACVRP的傳輸時(shí)延與VBF、AHH-VBF和AHHC-VBF相比分別降低40.91%、14.18%和7.79%。ACVRP通過自適應(yīng)調(diào)整數(shù)據(jù)傳輸路徑,減少了傳輸跳數(shù),從而降低了傳輸時(shí)延。

圖4 不同規(guī)模下的傳輸時(shí)延

綜上所述,ACVRP在投遞率、平均能耗和傳輸時(shí)延方面均優(yōu)于VBF及其典型的改進(jìn)協(xié)議,說明ACVRP能夠更好地適應(yīng)UWSNs中大規(guī)模動(dòng)態(tài)性的特點(diǎn)。

3 結(jié)語

本文針對(duì)UWSNs的高動(dòng)態(tài)性提出自適應(yīng)錐體矢量(ACVRP)路由協(xié)議。采用錐體候選區(qū)域,根據(jù)節(jié)點(diǎn)的密度進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整錐體區(qū)域的方向和大小,保證足夠的候選節(jié)點(diǎn),減少冗余分組的傳輸,降低總體能耗。此外,綜合考慮鄰居節(jié)點(diǎn)的剩余能量、鄰居節(jié)點(diǎn)到錐體中軸線的距離以及鄰居節(jié)點(diǎn)到當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的距離,設(shè)置下一跳節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)發(fā)優(yōu)先級(jí),提高包投遞率的同時(shí),減少傳輸跳數(shù),降低傳輸時(shí)延,提高網(wǎng)絡(luò)的整體能效。仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,與VBF、AHH-VBF以及AHHC-VBF相比,ACVRP在數(shù)據(jù)包投遞率、能效和端到端延遲方面均表現(xiàn)出較好的性能。未來工作將專注于進(jìn)一步優(yōu)化ACVRP的算法性能,以提高其在不同網(wǎng)絡(luò)規(guī)模和復(fù)雜水域環(huán)境中的適應(yīng)性和穩(wěn)定性。此外,考慮在實(shí)際水下環(huán)境中對(duì)協(xié)議進(jìn)行進(jìn)一步的測試和優(yōu)化。