一種基于認知包的機會主義路由

張 琳 郭世俊

（上海海事大學傳感與數據傳輸實驗室，中國 上海 201306）

0 引言

海上交通運輸一直是各國與世界經濟溝通的重要樞紐。海上搜救是國家履行國際義務，保障海洋運輸安全以及維護國家聲譽的一項重要社會職責[1]。利用現代科技手段提高海上搜救效率，最大程度的減少海難帶來的損失對整個航運業乃至國民經濟的發展有著重要的推動作用。由于無線傳感網絡技術能為海上工作帶來諸多便捷，因此在海事領域的應用也開始逐漸普及，如海上溢油檢測、海事監控等。無線傳感網絡的優勢在于低成本，低能耗，體積小，并能自組織成一個通信網絡來收集有用信息，因此非常適合于應用在海上搜救領域[2]。本文將在搜救目標處配備傳感器節點，在海上惡劣環境中節點可以自組織成一個無線多跳通信網絡，將搜救目標信息傳輸給基站。相對其他技術，無線傳感網絡能更好的將各節點處信息傳輸給網絡中心，實現搜救目標的主動示位。但將無線傳感網絡技術應用在海上搜救時，搜救目標多是落水人員，要解決的一個重要問題就是盡可能保證路由的數據傳輸成功率。

海上搜救無線傳感網絡包含船舶終端，設置于船舶，通過外接的衛星與互聯網建立通信連接；匯聚節點，設置于救生艇筏，該匯聚節點與搜救終端（船舶）無線通訊連接；傳感器節點設置于救生衣，該傳感器節點實時探測匯聚節點并與匯聚節點無線通訊連接。

落水后，傳感器節點可以由穿著救生衣的人員或遇水打開，通過ZigBee 協議自組織形成一個無線多跳網，在海上風浪等的影響下造成貨物或落水人員與其攜帶的傳感器節點位置相對不穩定，相對較穩定的是母船，搜救船舶以及搜救直升機，為了保證搜救目標盡可能被網絡覆蓋到，搜救方將加入人工拋撒的一些節點[3]。

無線傳感網絡形成后，節點收集自身信息，如生命體征，地理位置等，再將其信息傳輸至匯聚節點，匯聚節點再通過網絡或衛星等方式將有效信息傳輸至搜救終端。

1 基于認知包的機會主義路由

1.1 基于MEMS 的搜救節點

海上搜救無線傳感網絡的節點配置在救生衣或救生圈等個體求生者所用設備上，通常每個船員固定一個救生衣，每個設備擁有自己的唯一編號。節點有四大模塊，分別是電源、傳感器、微處理器、無線收發模塊，其中傳感器部分除了常規的溫度、定位、體征監測等，本文還加入了基于MEMS 的加速度傳感器。節點在海面上隨著風、浪等呈現動態的起伏流動，通過MEMS 可以監測到節點的運行狀態[4]。

1.2 機會主義路由

機會主義路由的基本思想是源節點向目的節點發送數據時，路由協議并不是按一條固定的最佳路徑傳輸，而是利用無線網絡的廣播特性，得到中轉的候選節點組，根據某一測度，再從該節點組中選出最優節點進行轉發。

1.3 基于認知包的機會主義路由

機會路由很重要的一方面是潛在的中繼節點之間進行協調的能力。本文通過改進機會主義路由測度，來提高候選節點對海上環境的適應能力。基本模式如下，一個有向圖G＝{N，L}，N 為WSN 中節點個數，L 為鏈路。所有節點組成一個集合。S 為源節點，D 為目的節點，節點a、b、c、d 是節點S 的鄰居節點，且能夠和S 進行有效的通信，這些節點即為源節點S 的潛在中繼節點。當S 有數據要發送的時候，向周圍廣播“hello”包，節點a、b、c、d 監聽到了數據包后，它們建立轉發節點集列表并根據與源節點通信質量及離目的節點的距離等確立優先級，然后由最高優先級的節點發送數據包。若最高級節點發送失敗，則按順序由下一個優先級的節點發送直至數據發送成功。

與其他應用環境不同，海上搜救的主要任務是將信息發送給搜救者，而海上節點移動性也較強。對于機會主義路由，數據傳輸成功率是保障QoS 的決定性因素。因此，為了能選擇出可靠的鏈路，本文將節點的移動性考慮進去。

對于機會路由，當有節點要發送數據時，它會計算出自己相應的路由測度權值，然后列出帶有優先級的轉發節點列表。本研究中的認知包包含通信鏈路質量分數，在ACK 應答中傳給源節點，源節點可以根據認知包中的通信鏈路質量分數判斷潛在的轉發節點是靠近自己還是遠離自己，對于靠近的中繼節點，提高相應的權值；對于遠離的中繼節點，則相應的降低權值。源節點通過對變化的網絡拓撲進行學習，了解實際環境后選擇相對可靠的鏈路傳輸數據，可以有效的提高數據的傳輸成功率。

2 分析

本研究利用EXata 平臺進行仿真平臺進行計算機仿真。其中參數設置如下：在2000m×2000m 的正方形傳感區域內，隨機分散著200個節點。每個節點的帶寬為1MB。仿真中將本文提出的路由協議簡稱為M-OR，并將其與ExOR[5]和CORP[6]比較。仿真實驗中能量模型取：

數據包大小為500byte，廣播數據包大小為25byte，節點初始能量為0.5J，每輪數據收集次數n＝10。

總體來說，網絡節點數量較多時，數據轉發率較高，因為當轉發率較低時，機會路由允許多個節點參與轉發提高其傳輸率，整體數據傳輸成功率會隨著節點數目增加而上升。而在相同節點數的情況下，由于M-OR 引入了認知包，可以不斷學習網絡的拓撲變化，每一跳均選出合適轉發節點，因此數據傳輸成功率要高于另外兩者。

3 結論

本研究以海上搜救為應用背景，重點提高海上無線傳感網絡數據傳輸成功率，提出了基于認知包的機會主義路由。源節點有對變化的網絡拓撲進行學習的能力，熟悉環境后選擇相對可靠的鏈路傳輸數據。通過仿真分析，本研究的路由算法數據傳輸成功率平均比另兩種路由平均高出15%。

［1］潘旭東.物聯網技術在水上人命搜尋救助中的應用[J].中國水運，2010，7：38-39.

［2］Wu，Huafeng，et al.An energy distribution and optimization algorithm in wireless sensor networks for maritime search and rescue[J].International Journal of Distributed Sensor Networks，2013.

［3］戴超.基于無線自組織網絡的智能路由協議研究[D].北京郵電大學，2012.

［4］李少龍.GMDSS 模擬器系統性能的完善及1nmarsat--F 船站的仿真研究[D].大連：大連海事大學，2007.

［5］S.Biswas，R.Morris，ExOR：Opportunistic Multi-Hop Routing for Wireless Networks[C]//Conference of the Special Interest Group on Data Communication(SIGCOMM)，2005，35(4)：133-143.

［6］Anitha，R.U.，Enhanced cluster based routing protocol for mobile nodes in wireless sensor network[C]//Pattern Recognition，Informatics and Mobile Engineering(PRIME)，2013：187-193.doi：10.1109/ICPRIME.2013.6496470.