水下無線傳感網絡路由性能參數研究

劉小明

摘 要：水下無線傳感網絡通信不同與基于電磁波通信的無線傳感網絡；文章分析了水下通信信號的特征，并與陸地無線傳感網絡進行比較，并詳細描述在水下無線傳感網絡路由傳輸中，評價路由通信性能的參數，并對這些參數進行了詳細的解釋。

關鍵詞：水下無線傳感網絡 通信性能 跳數

中圖分類號：TP393 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）09（b）-0006-02

在水下無線傳感網絡中，由于在不同的場景和應用對不同參數，如能耗、時延等參數不同的要求，因此，首先要分析水下水下無線傳感網絡是利用聲信號建立起來的無線自組織網絡，它一般是使用飛行器、潛艇或水面艦艇將大量廉價的微型傳感器節點隨機布放在海底或海中指定的感興趣水域，節點通過水聲無線通信形成的一個多跳的自組織、分布式、多節點、大面積覆蓋的水下網絡，協作對信息進行采集、處理、分類和壓縮，并可通過水聲無線傳感網絡節點直接或中繼方式發送到陸基或船基的信息控制中心的綜合網絡系統。這樣建立起來的交互式網絡環境中，岸上的用戶能夠實時地存取水下傳感器節點的數據，并把控制信息傳送給水下傳感節點。水下無線傳感網絡被認為具有廣泛的應用前景，如實時或者延時的空間連續水生監控系統在海洋學資料收集，水生環境監控，海洋科學考察，水下考古探險和近海岸保護，污染監控，海上勘探，地震圖像傳輸、海洋環境檢測、災難預防和輔助導航等領域的應用有著極為重要的價值[1，2，3，4]。

1 水聲通信特點

水下傳感網絡采用聲波作為傳播手段[7]，水聲通信是一種典型的水下通信網絡的物理層技術，基于聲通信的水下傳感網絡易于布設，是由大量分布式的水下傳感器節點，水下儀器等節點組成的多跳網絡。由于水聲信號的傳播速度只有1500m/s，使得網絡的吞吐量很低。傳輸時延和傳播損耗是水聲信道主要面臨兩個問題。

電磁波在空氣中的傳播速度是3×10 m/s，聲波在水中的傳播速度是1500 m/s，二者的速度相差5個數量級，每公里約延遲0.67 s，因此傳播時延較大。對于水聲通信的收發設備來說，傳播時延也成為主要的影響因素[4]。水聲通信的傳播損耗與通信距離和發射頻率有關。根據文獻[9]Urick提出的傳播模型，傳播損失是擴展、衰減以及散射損失之和。擴展損失是聲波波陣面在傳播過程中不斷擴展引起的聲波衰減，主要分為點源球面擴展傳播損失和潛水環境下水平面上的柱面擴展傳播損失兩種。兩種傳播損失都隨著距離的增加而增加。吸收損失隨頻率和距離的增加而增加；散射損失由是于均勻介質的粘滯性、熱傳導性引起聲強衰減和介質的不均勻性引起的聲波散射。介質的不均勻性包括海洋中泥沙、氣泡、浮游生物等懸浮介的不均勻性和海水界面對聲波的散射[6，7]。

相比較于陸基無線傳感網絡，水下無線傳感網絡由于其粗糙的水環境、有限帶寬、高可變的傳播延遲、高錯誤率、多徑與衰減引起的鏈路臨時性丟失等，而水下通信的性能要求則不同地面電磁波通信，因為電磁波在水中的吸收和衰減很大，能夠在海水中傳播的無線電波頻率在30～300 Hz的范圍，需要很大功率的天線，不適于長距離通信；光波雖然不使用天線，但會受到散射的影響，確定水下傳輸光信號的精確值也很困難；相比電磁波和光波，聲音在水中具有更好的傳播特性，因此水下通信網絡的鏈路是基于聲無線傳輸的，水下無線傳感網絡采用聲波作為傳播手段[8]。水聲通信是一種典型的水下通信網絡的物理層技術，基于聲通信的水下無線傳感網絡易于布設，是由大量分布式的水下傳感器節點，水下儀器等節點組成的多跳網絡；因此本文以水聲通信為基礎，對涉及水下傳感網絡的路由性能參數進行研究。

2 路由參數描述

假設水下無線傳感網絡中有N個節點，那么路由算法的鏈路代價函數，其中i和j為相鄰鄰居節點，路由算法需要網絡中所有相連的節點之間的連接代價，從源節點到目標節點通過N節點（N-1跳）的路由選擇代價的綜合為：

2.1 跳數

在源節點和目的節點之間，最簡單和普通的路由標準為考慮節點間跳數的最小化。最小的跳數可以減少網絡擁塞和包的沖突，而且可以數據包在網絡中的最小化傳送的過程，節點i和j之間的鏈路代價跳數表示為，根據這個公式，考慮到所有鏈路都有相同的權值，最優的路由選擇將會產生路徑的最小跳數，根據此公式可能不止唯一解，所以有可能存在其他相同跳數的路徑，在這些可能的路徑中，路由算法將選擇其中一個輸出數據。

2.2 路徑長度

因為聲音的在水下傳播的復雜和挑戰性，因此我們在考慮路由選擇標準時通過聲學編碼信息傳送的要盡量最小化物理距離，連接節點的路徑長度鏈路代價公式為：

2.3 消息傳送延遲

在一些應用中，對于指定的目的地傳送通信的消息接收很緊迫或者對時間有嚴格要求的。假如發生一系列的危險行動，信息要求被快速融合處理，提示其他的節點或者提供警告給操作人員，在水下完成這樣的任務，非常具有挑戰性，因為水聲傳播速率小于電磁波在空氣中的速率5個數量級，因此一個很重要的潛在指標就是最小化數據包的傳送延遲。延遲是由傳播時間（與路徑長度成正比）和數據包的長度所決定，下水通信利用鏈路握手協議來減少數據包的沖突和提高可靠性，發送節點發送請求空指幀（），接收節點用發送清除發送控制幀（）來響應，最后發送節點發送數據/通信包。雖然控制幀很短，他們也必須經過鏈路的距離，更而增加了延遲，延遲的鏈路代價為：

b表示傳送字節的位數（RTS handshake，CTS handshake 和實際的數據信息），Bd表示通信鏈路的有效波特率（比如handshake 和數據表示bits/s），表示節點和的距離，c表示聲音在水中的速度，參數“3”表示水聲傳送的三次握手（兩次handshake，一次傳送數據）。代價公式假設是在每次的嘗試通信時都是可靠和成功的傳送，沒有重傳或者再次請求等，當然延遲會因為網絡的可靠性降低和重傳發生而增加。endprint

2.4 傳輸安全

傳輸安全是指水聲網絡隱秘傳輸操作的能力，而不被鄰近的潛伏敵人所發現；傳輸安全可以通過減少水聲網絡節點產生的輻射功率以防被探測，這種方法是對已確定的目標節點使調制解調器對其提供充分的而不超量的發送功率，從而潛在的降低了信號探測或被攔截的危險。這種方法要求網絡節點根據特定的目標節點距離，調制解調器具有自適應調節自我調節電源及發射功率；降低發送功率的另外一個好處可以減少較遠節點監聽到數據包而產生的競爭和collusion。被動聲納公式給出了接收器的信噪比：

SL是發送解調器的聲源強度，TL是發送解調器到接收解調器的單向傳輸損耗，NL是接收節點的環境噪音強度，假設接收端只要求最低的SNR強度適當地接收和處理通信信號，就可以把源端解調器的功率調至低于要求的SNR，這樣就可以獲得節點到的SL：

根據發送解調器的輻射聲功率要求提供必須的信號強度，可以根據得出傳輸安全的鏈路代價為：

代價公式以線性額定功率單位做定義，從聲源級到輻射聲功率的影響因子170.77是必須的，用于能量適應度和路由消耗的參數TL和NL 可以通過水下網絡中的CTS，ACK和ECHO控制幀來自動的預測。

如果假設在網絡中的所有節點中最小的SNR和NL為常量，代價公式就成為傳輸損耗函數，因此短距離多跳可以降低TL從而減少消耗。這個指標將產生包含大量短距離多跳的路由選擇同路，由此與跳數，路徑長度和延遲所產生的路由選擇方案有相當的不同。

2.5 網絡能量功耗

由于水下聲納解調器自帶電池供電的能量有限性，能量功耗成為水下網絡中最重要參數之一。考慮不同的應用，需要保存網絡的能量來滿足通信場景的要求，如改變不同的發射功率就會減少網絡能量的消耗，因此用此種方法，我們可以降低從源端到目的端傳送通信包的能量，在傳輸安全中已經提到的數據包能量傳遞鏈路代價公式，這里我們描述的是電池功率而不是聲功率，電能消耗和聲能消耗，兩個是不同的有效參數：

結合前面的消息傳遞能耗，可以獲得：

可以看出，此表達式與傳輸安全的鏈路代價很相似，在此可以忽略公式中接收節點處理的能耗，在水下其想比較于信號傳輸能耗非常小。

2.6 網絡壽命

用最小能耗對數據包進行路由選擇并不意味著網絡的生命周期是最大的。假如有數據包進行路由過度消耗了節點能量，那么最小能耗路徑當然最佳的，網路路徑不在沿著此路徑發送數據；如果網絡中存在其他的可用路徑，甚至路徑代價更高，那么利用此路徑來進行可靠通信是有益的。網絡壽命的鏈路代價指標目的是為了更長的可能持續中保持連接，因此一旦在路由中的一個節點能量耗盡，候選路由將發現無法通過它，依照電壓或者當前利用率，兩個鏈路代價指標的提出是基于節點的能量資源保持的。

假如解調器的電壓可以確定，網絡壽命的公式如下：

是源節點所剩電池容量（），剩余容量可以通過解調器的電池電壓和相關的電池放電曲線來測量，既然能耗是不成比例高損耗，也就是非線性能耗，而且對于給定連接的兩個節點能耗是非對稱的，它僅僅依賴于發送解調器的電池容量（而不是接收節點），水下解調器允許被要求來報告電池電壓級別。

剩余電池容量也可以通過對當前消耗的記錄來估算，設是新電池的電池容量，假設一個節點能夠記錄（一種計數器）在運作的過程中當前所有積累的能量消耗，設為，那么基于當前測量的網絡壽命鏈路代價為：

對于水下網絡，能量計數器為：

是沒數據包的所有位數（包括控制幀），是電流（Amps）節點的傳輸功率級，是波特率（bits/sec），對于接收處理和空閑狀態，解調器能量消耗是遠低于傳送所要求的能耗，可以忽略不計。

2.7 消息傳遞可靠性

在網絡中一些鏈路不可能有高的可靠性，在路由選擇中包括這些鏈路都會影響通信能力，如果鏈路的質量可確定的話，消息傳遞的可靠性指標可以用于路由選擇中。我們假設鏈路故障概率可以被網絡計算，同樣的是先前提到的能量計數器。每個節點可以從接收的控制幀中的信息得到鏈路故障概率并保存其統計。兩個節點和間的鏈路故障積累概率可計算為：

3 結語

本文通過對水下無線傳感網絡和水聲信號特征的分析和比較，詳細描述了水下無線傳感網絡路由傳輸通信性能的參數要求和數學表達；當然由于不同場景和水下探測應用的需求，還會有更多的參數來描述和表達，是我們下一步進一步研究的內容。

參考文獻

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