水下無線傳感網絡路由協議研究

劉春秋 劉小明

摘要：水下無線傳感網絡不同于依靠電磁波等介質傳播的地面無線傳感網絡，在水下場景中，由于水聲通信的特殊性，因此對水下通信及傳輸有著不同的要求，尤其是水下組網的路由協議，不同應用和需求有不同的性能要求，因此本文就水下傳感網絡的路由協議進行研究，分析各種不同需求的路由協議特點。

關鍵詞：泛洪 時延 協議 鏈路 路由 廣播

中圖分類號：TP393文獻標識碼：A 文章編號1672-3791（2015）06（b）-0000-00

1概述

水下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]。而水下無線傳感網絡的路由協議不同于Ad Hoc網路和電磁波無線傳感網絡，比如比較典型的路由協議如DSDV、DSR和AODV等，這一類路由協議的特點是需要維護節點間的路由信息，通過不斷更新路由表來保持路由信息的完整性，這類協議的開銷較大，不適合水聲環境；由于水下傳感網絡對不同應用要求的參數質量不同，不同的網絡協議方法也不同，因此對水下傳感網絡做統一的分類比較困難，以下對水下傳感網絡路由協議的研究情況做簡單的分析和介紹。

2 水下無線傳感網絡路由協議

2.1基于廣播的路由協議

文獻[2]描述DSR有模糊邏輯推理系統和廣播樹的等級限制機制，模糊邏輯推理系統使用三個參數和選擇至多兩個候選傳感節點基于模糊規則基礎來轉發數據包，三個參數包括距離、兩個鄰接傳感節點的角度和傳感節點的剩余能量。廣播樹等級約束機制阻止數據包的快速蔓延而防止節點引起不必要的能量消耗；但是未對廣播樹的等級數約束進行討論。文獻[3]DFR提出了基于定向廣播路由協議，它依賴包泛洪技術來提高可靠性，然而進行泛洪的節點數量要被控制來防止包泛洪到整個網絡，根據鏈路質量來決定轉發的節點，而且DFR為了防止明顯的節點空閑，它允許至少一個節點來參與轉發數據包；但是鏈路質量的度量仍是個問題。文獻[4]提出了一種構架在水下移動傳感網絡，位置和路由在兩個連續的循環中交替，位置數據包抓取或傳遞的轉發算法是一種貪婪的地理信息轉發機制，它益于水下節點的非控制行為。文獻[5]提出了一種新穎的生成樹，叫感知流量路由樹，它完全是由流量負載自底向上風格的建立樹，然后逐級轉發數據。文獻[6]本文是在AUV輔助條件下限制泛洪來提高網絡的擴展性，它是在COFSNET+的基礎上，提出了可控制數據包重傳機制來將數據包傳送至目標節點，從而減少整個節點的數據包轉發數量而且克服了網絡中數據包丟失的情況。文獻[7]是基于多sink體系結構下的路由協議，每個收集到數據的節點采用貪婪算法將數據全力交于上層節點，以此方式傳至節點附近的sink。

2.2 基于深度感知方法的路由協議

文獻[8]陰影區延遲感知的機制（SZODAR）是實用的分布式協議，能夠在陰影周圍發現路由，其中傳感節點可以上升或者下降它的聲接收器到一定的深度，這樣鄰接節點的陰影就會避免陰影區域覆蓋。文獻[9]提出了使用球體能量感知損耗模型來分析水下傳感網絡的節點能耗，而且越靠近SINK的節點越容易死亡，因此為了權衡包的轉送和能量有效性，而設計了適應性機制來設置數據聚合范圍從而達到平衡整個網絡的能耗；文獻[10]一種在密集的3D水下傳感網絡中，提出了一種上行鏈路傳輸，一組水下傳感節點報告事件到靜態SINK節點。它包括兩個階段，在第一個階段，分層圍繞SINK節點形成同中心的球體，球體半徑及每層節點的傳輸能量由成功發送包的機率和最小能耗代價來決定；第二階段也叫通信階段，提出了一種選擇中間中繼節點和空閑路由算法，從源節點到SINK節點通過標記的中繼節點進行包傳遞。Pompili提出了是基于3D結構和聲音信道的利用率模型，這種模型可以根據傳感網絡節點的密度，應用要求和被監控量來設置包的尺寸，而且考慮到路由功能和水聲信道的特點在網絡層數據聚合的問題，兩種分布式的路由協議是為敏感延遲和非敏感延遲而應用。Yan 提出了DBR利用深度傳感器得到節點的深度，每個數據包在發送時候都帶有自己的深度信息。其基本思想是，當節點接收到一個數據包，如果數據包中的深度比自己的小，那么轉發，否則就丟棄。如果有多個SINK節點，那么DBR就會充分的利用它們，數據可能到達任意的SINK點。它的優點是不要求全網的位置信息，能夠處理動態網絡而且有很好的能效利用多個SINK節點的網絡結構而沒有額外的開銷。文獻[11]是基于DBR的基礎上提出的多跳路由協議，通過在水面部署多個sink節點，在深度條件下水下傳感節點通過多跳向水面方向將數據包傳送至最近的sink節點，以此來減少網絡過多消耗。

2.3基于容錯延遲矢量網絡協議

如文獻[12]水下延遲中斷容忍的傳感網絡適應路由協議，由于對水下環境的不利因素，也對這個系統有了很多限制，水下傳感網絡通常被認為是間歇連接網絡（ICN）或者是延遲＼中斷容忍網絡，它要求指定的專門協議。而且不同的應用要求不同的數據包類型。Hu以馬爾科夫理論為基礎的采用機器學習技術即Q-learning方法在能耗和端到端的延遲之間獲得均衡來提高兩者的有效性。Xie 將路徑指定為一個矢量，靠近路由矢量的節點將轉發數據包。算法具有開銷少、能量有效、傳輸成功率高、和端到端傳輸延時低等特點。但是算法需要事先確定一個路由“管道”半徑.這使得算法在具體的應用中，要求由用戶來設置路由“管道”半徑，很不方便。Nicolaou吸取了基于矢量的路由轉發協議上述缺點，提出了在稀疏型網絡中節點擁有獨立矢量的轉發算法HH-VBF。它是分別給每個轉發節點建立其到目標節點的路由矢量，在由當前轉發節點的路由矢量決定的路由管道中選擇下一個轉發節點，而不是VBF中的單一的矢量管道。Xie提出在節點分布不均的情況下，采用轉移矢量和強制回退機制提高空閑節點有效通信的方法；前者用于沿著空閑邊緣來進行數據包的路由；后者采用后退迂回空閑節點來進行數據轉發機制。

2.4基于能效均衡的網絡協議

文獻[13]采用了前向轉發器來決定合適的節點去轉發數據包到目標節點，以及轉發樹修剪機制來阻止過多的被轉發數據包擴散。文獻[14]是基于壓力的anycast路由，允許對時延要求嚴格的節點通過多跳網絡匯報數據包到水面的節點，提出了一種新穎的機會路由機制來選擇轉發節點的子網來減少貪婪轉播進程，有效解決了限制同步干擾和睡眠恢復機制所帶來的問題。文獻[15]是單sink節點的水下傳感網絡中，距離sink節點越近的節點能量消耗較大，因此死亡較快，所以文章針對這個問題提出了數據包傳輸率和能量有效之間的折中，設計了以多跳方式滿足節點的冗余來保證節點的傳輸可靠性。

3 總結

以上介紹了已有的水下無線傳感網絡路由協議的特點，雖然每一種路由協議都有其特色，但是面對不同的場景、應用需求和體系構架，則需要采用不同的通信協議；對于不同體系結構、不同的應用需求，尤其對時延的要求的敏感，水下無線傳感網絡則采用不同的算法。

參考文獻

[1] 李建中，高宏.無線傳感器網絡的研究進展.計算機研究與發展[J]，2008，45（1）：1-15.

[2] Chen-Jung etc.，A Direction-Sensitive Routing Protocol for Underwater Wireless Sensor Networks[C].IEA/AIE，2009：419-428..

[3] Daeyoup Hwang，Dongkyun Kim.Directional Flooding-Based Routing Protocol for underwater sensor networks[C].OCEANS，2008：1-7.

[4] Erol，M.，Oktug.s.A Localization and Routing Framework for Mobile underwater sensor networks[C]. IEEE Conference on computer communications workshop，2008：1-3.

[5] Lei Zhangetc.. Traffic-Aware Routing Tree for underwater 3-D geographic routing Geographic Routing Intelligent Sensors[C].ISSNIP 2008：487-492.

[6] Aditi Goel， Aiswariya G. Kannan，etc.Improving Efficiency of a Flooding-based Routing Protocol for Underwater Networks[C].WUWNet， 2008：91-94.

[7] Ayaz， M.，Abdullah， A. Hop-by-Hop Dynamic Addressing Based （H2 -DAB） Routing Protocol for Underwater Wireless Sensor Networks[C]. ICIMT 2009：436-441.

[8] Son Nguyen，Cayirci，E.，Liang Yan，Rong C.A Shadow Zone Aware Routing Protocol for Acoustic Underwater Sensor Networks[J].IEEE Communications Letters，2009.5（12）：366-368.

[9] Heungwoo Nam， Sunshin An.Energy-Efficient Routing Protocol in Underwater Acoustic Sensor Networks[C].EUC，2008.2： 663-669.

[10] Gopi， S.， Kannan， G.， Desai， U.B.， Merchant and S.N. Energy Optimized Path Unaware Layered Routing protocol for underwater sensor networks[C]. IEEE GLOBECOM，2008：1-6.

[11] Liu Guang. Depth-Based Multi-hop Routing Protocol for Underwater Sensor Network. ICIMA2010：268-270.

[12] Zheng Guo etc.，. Adaptive Routing in Underwater Delay Disruption Tolerant Sensor Networks[C]. Fifth Annual Conference on Wireless on Demand Network Systems and Services，2008：31-39.

[13] P.Xie etc.， Voidance Avoid in Three-Dimensional Mobile Underwater Sensor Networks[C].IEEE Proceedings of Wireless Algorithms Systems， and Applications，2009：305-314.

[14] Chenn-Jung Huanga，Yu-WuWang.A power-efficient routing protocol for underwater wireless sensor networks[C]. Elsevier Journal of Applied Soft Computing，2011（11）：2348-2355.

[15] Uichin Lee etc.Pressure Routing for Underwater Sensor Networks[C]. IEEE INFOCOM，2010：1-9.