基于深度與可靠鏈路的水下無線傳感器網絡機會路由

南書坡,馮乃勤

(1.河南師范大學 新聯學院,鄭州 451464;2.河南師范大學 計算機與信息工程學院,河南 新鄉 453007)

0 概述

近期,水下無線傳感器網絡(Underwater Wireless Sensor Network,UWSN)被廣泛應用于潛艇跟蹤、港口監控等水面應用[1-3]。在這些應用中,多個移動傳感節點部署于水下,形成(Sensor Equipped Aquatic,SEA)。這些水下傳感節點具有聲通信能力,而浮于水面的聲納浮標具有視頻和聲通信能力[4-5]。水下傳感節點通過聲信號向位于水面的聲納浮標傳輸,聲納浮標接收后,再通過無線射頻信號向控制中心傳遞,進而完成對水域信息的采集[6-8]。

由于水域特殊環境,水下通信只能采用聲信號。然而,由于聲通信的有限帶寬、高比特誤碼率和高傳輸速率(達到1 500 m/s),實現水域的聲通信仍存在巨大挑戰。此外,替換電池或補充節點電量也是一項非常麻煩的工作[9]。考慮這些水域聲通信的特性,基于陸地的傳感網絡的數據路由協議不再適用于水下無線傳感器網絡。因此,針對UWSN設計有效的數據傳輸路由成為研究熱點[10-12]。

典型的UWSN路由有VARP[13]和HydroCast[14]。VAPR路由利用序列號、跳數以及深度信息,選擇下一跳的方向,并采用有方向機會轉發避免路由空洞問題。而HydroCast屬混合組播路由。HydroCast路由結合了地理位置路由和機會路由特性,依據節點深度調整,進而最大化地理位置路由的優勢,這些路由協議具有機會路由特性。

為此,本文先分析機會路由的不足,然后再提出基于深度和鏈路可靠的水下無線傳感器網絡的機會路由(Depth and Reliable Link Opportunistic,DRLO)協議。

1 傳統機會路由問題描述和DRLO介紹

1.1 問題描述

首先,水域環境的高傳輸時延給時延-敏感性應用提出了挑戰,如災難預防、海底勘測以及污染監管。為了縮短時延,文獻[15]提出一機會路由協議UWOR。UWOR通過考慮可靠鏈路,縮減時延,進而滿足時延敏感路由的性能要求。為此,UWOR協議引用了新的路由指標:期望端到端傳輸時延(Expected End to End Latency,EEEL)。EEEL考慮了3類時延,即源節點到信宿節點、源節點到轉發節點傳播時延和轉發節點的協調時延。

盡管UWOR協議引用了EEEL指標,其充分考慮傳輸時延,但是仍存在不足:

1)低的網絡吞吐量:UWOR協議通過協調轉發,增加了EEEL,但這降低了網絡吞吐量。因為網絡吞吐量是由目的節點在最后時刻所接收的數據包數所決定的。

2)高的能耗:UWOR協議在選擇轉發節點時,沒有充分考慮距離信息,增加了傳輸跳數,必然提升了能耗。

如圖1所示,源節點的傳輸距離為3.6 km。在它傳輸范圍內的具有5個可選擇的節點。若只從鏈路的可靠性考慮,而忽視傳輸跳數,這必然增加能量消耗,也降低網絡生存時間。

圖1 UWOR協議的單跳傳輸

1.2 DRLO介紹

在提出的DRLO協議中,首先對EEEL指標進行修改,進而增加網絡吞吐量。然后,將可靠鏈路特性的基礎上引入深度門限變量,進而減少跳數。通過引入深度閾值,減少傳輸跳數,進而減少能量消耗。簡之,DRLO協議通過合理選擇下一跳轉發節點,優化路由,最終提高吞吐量,減少能耗。

具體而言,當源節點需要選擇轉發節點時,就首先利用距離信息對其通信范圍內的節點進行分類。當深度(距離)大于閾值的節點作為候選轉發節點,然后再在候選轉發節點里利用鏈路可靠特性篩選出最佳轉發節點。如圖2所示,在源節點一跳范圍內,有5個節點,其中節點3、4、5的深度小于閾值,只有節點1、3的深度大于閾值。因此,只有節點1、3作為其候選轉發節點。

圖2 DRLO協議的轉發策略

2 DRLO協議設計

2.1 網絡結構

假定整個網絡的節點集為N,每個節點的通信半徑為rc=3.6 km,其中傳感節點集表示為Nn={n1,n2,…,n|Nn|}、聲納浮標集表示為Ns={s1,s2,…,s|Ns|},即N=Nn∪Ns。

在DRLO協議中,考慮面積為50 km2的網絡區域,靜態信宿節點位于水面,并且信宿節點具有聲通信和射頻通信能力。其中,聲通信是為了與水下傳感節點進行通信,而射頻通信是為了水面上的控制中心通信。位于水下的傳感節點先感測環境數據,然后再通過多跳轉發。每個傳感節點的傳輸范圍為3.6 km,傳輸閾值為1 km。

2.2 數據包格式

一旦在網絡區域內部署了傳感節點,傳感節點就能通過其深度感測功能,決定它們的深度,然后向其傳輸范圍內的節點廣播控制消息。控制信息格式如圖3所示。控制消息包含了節點的ID號、深度以及候選節點集。候選節點集內包含了節點的ID號、深度以及它們的轉發優先級。

圖3 控制包格式

如圖4所示,在傳輸范圍內有5個傳感節點,其中傳感節點3和節點5的深度低于閾值,因此,不在候選轉發節點集內。相反,只有節點1、節點2和節點4在候選轉發節點集內。

圖4 候選轉發節點集

而節點1、節點2和節點4作為候選轉發節點,它們的EEEL指標各不相同。依據它們的EEEL指標設置優先級,EEEL值越高,其優先級最高,且為1。例如,節點1的EEEL最高,因此其優先級為1,最終,也被選擇為轉發節點。

2.3 路由指標

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

2.4 改進的EEEL

(6)

然后,引入數據包接收成功率。最終定義的路由指標如下:

(7)

最后,依據路由指標對集ψi的節點進行排序,Path_I值越高,優先級λ越高。優先級最高的節點λ=0。

2.5 定時器設置

在構建了候選轉發集ψi后,源節點i將ψi的ID和位置信息嵌入數據包,并廣播。當接收到該數據包,節點就從中提取信息,并驗證自己是否屬于ψi。如果是,再依據設置定時器。

在DRLO協議中,k∈ψi接收了數據包,其設置的定時時間為Tk,當定時完畢后,就立即廣播數據包。

Tk=λ(rmax-d(k,i))

(8)

其中,rmax表示節點的最大傳輸距離。λ為節點的優先級。

如圖5所示,當前數據包攜帶節點i,ψi內有兩個節點na、nb。由于na離節點i遠,換而言之,它離水面上的聲納浮標更近,反之,nb離聲納浮標更遠。因此,na的定時時間Ta比nb的定時時間Tb短,即Ta

圖5 設置定時器模型分析

2.6 DRLO協議的數據包轉發流程

當節點i需要傳輸數據包,首先計算候選轉發集ψi,再計算集內所有節點的路由指標,并設置各節點的優先級。ψi將這些信息嵌入數據包,再廣播。接收了該數據包,節點首先判斷自己是否是ψi內節點,如果不是,就丟棄,否則,依據自己的優先級,設置定時器,進行計時,并監聽是否有其他節點轉發該數據包。若有,則放棄競爭本次轉發數據包的機會;反之,就待計時完畢,就立即轉發數據包,具體流程如圖6所示。

圖6 DRLO協議數據包轉發流程

3 性能分析

利用Matlab R2012b建立仿真平臺。考慮50 m×50 m區域。傳感節點|Nn|=600～2 400變化。具體的仿真參數如表1所示。每次實驗重復50次,取平均值作為最終數據。運行時間為3 600 s。當時間結束后,就通過程序停止運行。為了更充分地分析路由性能,選擇經典的UWOR協議作為參照。之所以選擇UWOR協議,原因在于:UWOR協議是引用EEEL指標決策路由。而DRLO協議在決策路由時,也引用了EEEL指標,并對其進行修改。因此,它們兩者具有可比性。主要分析它們的網絡吞吐量和能耗性能,其中網絡吞吐量是指在有效的時間內所接收的數據包數;而能耗是指在傳輸數據包期間所消耗的能量。此外,考慮2個仿真場景:考慮變化的數據包尺寸和變化的網絡密度對網絡吞吐量和能耗的影響。

表1 本文實驗仿真參數

3.1 數據包大小對路由性能的影響

在本實驗中,假定網絡節點數為1 600,數據包尺寸從32、64、128、256、512以及1 024變化,實驗數據如圖7所示。

圖7 吞吐量隨數據包尺寸的變化曲線

圖7顯示了UWOR和DRLO協議的吞吐量隨數據包尺寸的變化曲線。從圖7可知,數據包尺寸的增加降低了吞吐量。當數據包尺寸達到128 Byte后,由于數據包尺寸增加,增加了傳輸時延,擴大了端到端傳輸時延,最終降低了吞吐量。與UWOR協議相比,提出的DRLO協議的吞吐量得到提升。但是當數據尺寸大于128 Byte后,DRLO協議在吞吐量方面的優勢逐漸減弱。這些數據表明,數據包尺寸應小于128 Byte。

UWOR和DRLO協議的能耗隨數據包尺寸變化情況如圖8所示。從圖8可知,與UWOR協議相比,DRLO協議的能耗得到有效控制,能耗降低了8%～10%。原因在于:DRLO協議利用深度產生候選轉發節點集,減少傳輸跳數,降低了網絡能量消耗。而UWOR協議未考慮鄰居節點的深度,僅從鏈路質量選擇轉發節點。如果它找到緊靠自己、鏈路質量很好的節點,它將數據傳輸至該節點,這就增加了傳輸跳數。然而,DRLO協議設置了深度閾值,并產生候選轉發節點集。

圖8 能耗隨數據包尺寸的變化曲線

3.2 節點密度對協議的性能影響

本實驗分析節點密度對網絡吞吐量和能耗性能影響。節點數從600～2 400至變化,其中數據包尺寸為128 Byte。實驗數據如圖9、圖10所示。

從圖9可知,與UWOR協議相比,DRLO協議的吞吐量平均提高了6%～7%。此外,在節點數密度較高時,UWOR協議具有較好的吞吐量。原因在于:對于機會路由的UWOR協議,當節點數較多時,具有更多的鄰居節點參與轉發數據包。盡管DRLO協議也屬機會路由,但是它在選擇轉發節點時,既考慮了深度和鏈路質量。結合圖8可知,節點數的增加,提高了網絡吞吐量,這主要是因為更多節點參與數據包轉發。由于DRLO協議減少了傳輸跳數,降低了時延,它提高了網絡吞吐量。

圖10顯示了節點數對能耗的影響。從圖10可知,當網絡密度較低時,能耗較小。原因在于節點數越小,相應地數據包數也少,進而降低了能耗。與UWOR協議相比,提出的DRLO協議的能耗得到有效控制,降低了近7%。

圖9 吞吐量隨節點數變化曲線

圖10 能耗隨節點數的變化曲線

4 結束語

本文針對水下無線傳感器網絡的路由問題,分析機會路由的不足,提出深度和鏈路可靠的水下無線傳感器網絡的機會路由DRLO協議。實驗結果表明,DRLO協議通過節點深度篩選部分節點,降低了傳輸跳數以及能耗。今后將結合水域環境下的鏈路特性,進一步研究水下無線傳感器網絡路由算法。

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