一種可調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)發(fā)區(qū)域的水下傳感器路由

王 鑫,張文森,覃 琴

(1.桂林電子科技大學(xué) 計(jì)算機(jī)與信息安全學(xué)院，廣西 桂林 541004;2.桂林電子科技大學(xué) 海洋信息工程學(xué)院，廣西 北海 536000)

0 引言

當(dāng)前水下無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由主要挑戰(zhàn)依舊是傳感器節(jié)點(diǎn)攜帶能量有限，且充能難度大。水下無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)部署在水環(huán)境中，采用水聲通信，聲波信號(hào)衰減快、通信時(shí)延高[1]，節(jié)點(diǎn)在水下充能困難[2]，給無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用帶來(lái)極大的挑戰(zhàn)。近年來(lái)，越來(lái)越多的機(jī)構(gòu)[3-5]和高校[6-10]研究者們致力于設(shè)計(jì)可靠、高效、負(fù)載均衡的節(jié)能路由協(xié)議[11]。文獻(xiàn)[12]提出經(jīng)典的DBR路由協(xié)議，節(jié)點(diǎn)通過(guò)深度信息轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)。文獻(xiàn)[13]在DBR基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，提出基于分層的路由協(xié)議Layered-DBR，節(jié)點(diǎn)進(jìn)行一次信息廣播后，只允許指定深度范圍內(nèi)的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行信息接收，以達(dá)到控制網(wǎng)絡(luò)副本的目的[14]。為了延長(zhǎng)DBR協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)生存周期并平衡能量消耗，文獻(xiàn)[15]提出一種考慮剩余能量水平的能量有效路由協(xié)議EEDBR，在EEDBR協(xié)議中，通過(guò)比較節(jié)點(diǎn)深度信息和剩余能量的加權(quán)權(quán)重決定每個(gè)節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)的優(yōu)先級(jí)。當(dāng)節(jié)點(diǎn)接收到廣播的數(shù)據(jù)包后，考慮深度和能量計(jì)算自身的權(quán)重值。文獻(xiàn)[16]和文獻(xiàn)[17]基于分簇對(duì)路由進(jìn)行研究。文獻(xiàn)[18]將強(qiáng)化學(xué)習(xí)應(yīng)用到路由算法中，提出了一種基于深度的Q-Learning機(jī)會(huì)路由協(xié)議EDORQ。文獻(xiàn)[19]提出一種基于蟻群優(yōu)化算法的水下無(wú)線創(chuàng)拿起網(wǎng)絡(luò)分簇路由算法，通過(guò)蟻群算法提高尋找最優(yōu)路徑效果。

上述這些路由協(xié)議都是基于DBR思想進(jìn)行改進(jìn)，在路由過(guò)程中，所有的數(shù)據(jù)包都是從深度較深的節(jié)點(diǎn)向上轉(zhuǎn)發(fā)給深度較淺的節(jié)點(diǎn)，沿著匯聚節(jié)點(diǎn)的方向發(fā)送數(shù)據(jù)，很容易導(dǎo)致負(fù)載不均衡和能量消耗不均衡。本章針對(duì)水下無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)能量消耗不均衡和路由過(guò)程中過(guò)多冗余節(jié)點(diǎn)參與轉(zhuǎn)發(fā)增加能耗的問(wèn)題，提出一種可調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)發(fā)區(qū)域的水下傳感器路由協(xié)議(ESAFDBR, an energy-saving underwater opportunistic routing protocol with adjustable forwarding area)。該算法可以實(shí)現(xiàn)能量平衡和減少冗余節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)產(chǎn)生的能耗。在ESAFDBR中，通過(guò)劃分轉(zhuǎn)發(fā)區(qū)域，并根據(jù)鄰居節(jié)點(diǎn)密集程度自適應(yīng)調(diào)整轉(zhuǎn)發(fā)區(qū)域，有效抑制冗余節(jié)點(diǎn)參與轉(zhuǎn)發(fā)。其次，考慮節(jié)點(diǎn)的深度、剩余能量和節(jié)點(diǎn)兩跳鄰域內(nèi)節(jié)點(diǎn)數(shù)計(jì)算加權(quán)值控制轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)發(fā)優(yōu)先級(jí)。整體上實(shí)現(xiàn)負(fù)載均衡，均衡網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)能量消耗，從而提高整體網(wǎng)絡(luò)的生存周期。

1 系統(tǒng)模型

1.1 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

ESAFDBR采用多匯聚節(jié)點(diǎn)(Sink)的水下無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)模型，如圖1所示。

圖1 水下無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

水下無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)由可部署在水面和水下的節(jié)點(diǎn)組成。部署在水下的節(jié)點(diǎn)可分為錨定節(jié)點(diǎn)和中繼節(jié)點(diǎn)，其中錨定節(jié)點(diǎn)固定在海洋等水底部，位于網(wǎng)絡(luò)最底層的用于采集數(shù)據(jù)的節(jié)點(diǎn)，錨定節(jié)點(diǎn)一般發(fā)送數(shù)據(jù)不接受數(shù)據(jù)。中繼節(jié)點(diǎn)隨機(jī)分布在水中不同位置，配置有聲學(xué)調(diào)制解調(diào)器，既可以發(fā)送數(shù)據(jù)也可以接收數(shù)據(jù)，通常擔(dān)任源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)間通信的中繼者身份。部署在水面的節(jié)點(diǎn)通常稱為匯聚節(jié)點(diǎn)，配置有聲學(xué)調(diào)制解調(diào)器和無(wú)線電調(diào)制解調(diào)器。匯聚節(jié)點(diǎn)可以控制從水下節(jié)點(diǎn)收發(fā)聲學(xué)信息，也可以發(fā)射和接收遠(yuǎn)程射頻信號(hào)，以便與岸上基站進(jìn)行通信。匯聚節(jié)點(diǎn)是水下傳感器節(jié)點(diǎn)和陸地上基站中通信間的一個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)，收集到的數(shù)據(jù)可用于本地或者連接到另一個(gè)網(wǎng)絡(luò)用于某種特定目的[20]。由于信號(hào)在水中的衰減特性，在水下，聲學(xué)通信是最流行和使用最廣泛的通信介質(zhì)。匯聚節(jié)點(diǎn)可通過(guò)無(wú)線電等介質(zhì)與岸上基站通信。基站通過(guò)Internet或衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)將處理好的信息發(fā)送給終端用戶使用。假設(shè)錨定節(jié)點(diǎn)采集到數(shù)據(jù)后，向匯聚節(jié)點(diǎn)發(fā)送消息，只要消息順利到達(dá)匯聚節(jié)點(diǎn)后，都會(huì)成功傳送陸地基站。ESAFDBR只專注于將消息從錨定節(jié)點(diǎn)成功發(fā)送到匯聚節(jié)點(diǎn)的過(guò)程。

1.2 能耗模型

水下環(huán)境影響能量消耗和聲信號(hào)的傳播速度，本章節(jié)采用的是Stojanovic提出的典型水下信道傳播模型[21]。水聲信道在水下傳感器網(wǎng)絡(luò)中衰減模型可以表示為：

10logA(d,f)=k×10logd+d×logα(f)

(1)

其中：k是擴(kuò)散系數(shù)，k的值可能是1,1.5和2，當(dāng)k=1時(shí)表示淺水區(qū)的圓柱性擴(kuò)展，當(dāng)k=1.5時(shí)為實(shí)際擴(kuò)展，當(dāng)k=2時(shí)意味著深水區(qū)域的球形擴(kuò)展。f為信號(hào)頻率，α(f)表示水環(huán)境的吸收系數(shù)，其與信號(hào)頻率f的關(guān)系可以表示為：

(2)

由公式(2)可以得出，吸收系數(shù)α(f)隨著信號(hào)頻率f增加而增加，也就是說(shuō)，頻率越高將會(huì)造成信號(hào)的衰減越嚴(yán)重，這也是為什么水聲信號(hào)在水中可用的帶寬有限的原因。公式(2)適用于高頻信號(hào)，當(dāng)信號(hào)頻率是低頻信號(hào)時(shí)，吸收α(f)與f可以使用如下公式表示：

(3)

水下信道噪聲由各種噪聲疊加，在水環(huán)境中影響比較嚴(yán)重的噪聲有湍流噪聲Nt(f)、船舶航運(yùn)噪聲Ns(f)、海浪噪聲Nw(f)和熱噪聲Nth(f)，可以表示為：

N(f)=Nt(f)+Ns(f)+Nw(f)+Nth(f)

(4)

在水聲信道中，當(dāng)聲信號(hào)頻率為f，傳播距離為d出的接收器處信噪比可表示為：

SNR(f,d)=P(f)-A(d,f)-N(f)+DI

(5)

其中:P(f)表示發(fā)射器頻率為f的發(fā)射功率，A(d,f)為衰減，N(f)為噪聲，DI是方向性指數(shù)，通過(guò)重定向水聽(tīng)器來(lái)避免噪聲的節(jié)點(diǎn)質(zhì)量。除此外，聲音調(diào)制解調(diào)器也會(huì)對(duì)水聲通信有影響，因?yàn)樗彩锹曇敉ǖ乐械慕M成部分。

2 問(wèn)題描述

傳統(tǒng)DBR路由協(xié)議路由過(guò)程中，所有的數(shù)據(jù)包都是從深度較深的節(jié)點(diǎn)向上轉(zhuǎn)發(fā)給深度較淺的節(jié)點(diǎn)，沿著匯聚節(jié)點(diǎn)的方向發(fā)送數(shù)據(jù)。每個(gè)數(shù)據(jù)包都攜帶記錄發(fā)送該數(shù)據(jù)包節(jié)點(diǎn)的深度信息的字段，并且在每次發(fā)送信息的時(shí)候更新。接收節(jié)點(diǎn)計(jì)算與上一節(jié)點(diǎn)深度差，深度差越大該節(jié)點(diǎn)獲得的轉(zhuǎn)發(fā)權(quán)限優(yōu)先級(jí)越高。這很容易導(dǎo)致負(fù)載不均衡和能量消耗不均衡，因?yàn)樘幱谳^好位置的節(jié)點(diǎn)會(huì)被頻繁選為轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)，容易陷入局部最優(yōu)。如圖2所示，接收到節(jié)點(diǎn)S1和S2轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)的節(jié)點(diǎn)中，A點(diǎn)都處于最佳轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)的位置，因此A節(jié)點(diǎn)會(huì)被頻繁選為轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)過(guò)度消耗能量。

圖2 傳統(tǒng)DBR路由策略

此外，在圖2中可以觀察到，當(dāng)A選做轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包時(shí)，R1，R2，R3區(qū)域的節(jié)點(diǎn)都可以收到節(jié)點(diǎn)A的抑制作用，不會(huì)繼續(xù)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包。而R4和R5區(qū)域內(nèi)的節(jié)點(diǎn)在等待時(shí)間結(jié)束后會(huì)繼續(xù)轉(zhuǎn)發(fā)接收到的數(shù)據(jù)包，因?yàn)樗鼈儾⒉辉诠?jié)點(diǎn)A的轉(zhuǎn)發(fā)范圍內(nèi)，無(wú)法接收到節(jié)點(diǎn)A發(fā)送的抑制信號(hào)。這樣，造成冗余轉(zhuǎn)發(fā)而浪費(fèi)能量，若在節(jié)點(diǎn)分布稀疏區(qū)域，冗余轉(zhuǎn)發(fā)可以提高通信的可靠性，但是如果在密集區(qū)域內(nèi)就會(huì)造成多余的能量消耗。

本章提出一種可調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)發(fā)區(qū)域的水下傳感器路由協(xié)議ESAFDBR，ESAFDBR不僅考慮了節(jié)點(diǎn)的深度信息和剩余能量信息，在傳輸過(guò)程中使網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)負(fù)載均衡。同時(shí)還考慮了兩跳節(jié)點(diǎn)鄰域信息，以此避免節(jié)點(diǎn)陷入局部最優(yōu)。為了減少冗余轉(zhuǎn)發(fā)增加能耗，ESAFDBR設(shè)計(jì)劃分轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)區(qū)域策略，將初始轉(zhuǎn)發(fā)區(qū)域劃分為Reuleaux三角形，利用Reuleaux三角形特性抑制冗余節(jié)點(diǎn)，并且設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)發(fā)區(qū)域可根據(jù)節(jié)點(diǎn)鄰域內(nèi)的節(jié)點(diǎn)密集程度自適應(yīng)調(diào)整，增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)的魯棒性和自適應(yīng)性。以下結(jié)構(gòu)介紹ESAFDBR的設(shè)計(jì)。

3 ESAFDBR路由算法設(shè)計(jì)

3.1 ESAFDBR數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu)

ESAFDBR包含3種數(shù)據(jù)的消息，分別為鄰居請(qǐng)求消息(NEIGHBOR INVITE)，應(yīng)答消息(ACK)以及數(shù)據(jù)信息消息(DATA)，每種消息類型通過(guò)數(shù)據(jù)包攜帶的數(shù)據(jù)類型ID字段區(qū)分，分別為00,01,10。在同一個(gè)水下傳感器網(wǎng)絡(luò)中，每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)都有自身獨(dú)立的ID編號(hào)，且不會(huì)有重復(fù)的ID編號(hào)。

鄰居請(qǐng)求信息用來(lái)查找鄰域信息，統(tǒng)計(jì)自身可用路由數(shù)量，其包括4個(gè)域，如圖3所示，數(shù)據(jù)類型ID為“00”，源節(jié)點(diǎn)ID表示發(fā)送鄰居請(qǐng)求消息的傳感器節(jié)點(diǎn)ID，該節(jié)點(diǎn)的深度和能量存放數(shù)據(jù)包節(jié)點(diǎn)深度和剩余能量字段中。包序號(hào)用來(lái)區(qū)別不同數(shù)據(jù)包，數(shù)據(jù)包的編號(hào)可由”數(shù)據(jù)類型ID+源節(jié)點(diǎn)ID+發(fā)送序號(hào)”組成。

圖3 鄰居請(qǐng)求和回應(yīng)數(shù)據(jù)包格式

應(yīng)答信息用來(lái)回應(yīng)鄰居請(qǐng)求信息。數(shù)據(jù)包格式與鄰居請(qǐng)求消息格式一樣，如圖3所示，其數(shù)據(jù)類型ID為“01”，源節(jié)點(diǎn)ID、節(jié)點(diǎn)深度和剩余能量字段的信息分別為自身節(jié)點(diǎn)ID、當(dāng)前深度和當(dāng)前剩余能量。包序號(hào)保留接收到請(qǐng)求的包序號(hào)，表示此消息是回應(yīng)鄰居請(qǐng)求的消息。

數(shù)據(jù)信息格式包括7個(gè)域，如圖4所示。其數(shù)據(jù)類型ID為“10”，源節(jié)點(diǎn)ID為轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)ID，包序號(hào)為錨定節(jié)點(diǎn)首次發(fā)送時(shí)組成的序號(hào)，中間轉(zhuǎn)發(fā)不能修改包序號(hào)，以免同一節(jié)點(diǎn)重復(fù)多次轉(zhuǎn)發(fā)相同的數(shù)據(jù)包。源節(jié)點(diǎn)ID、深度和能量分別為發(fā)送數(shù)據(jù)包節(jié)點(diǎn)的ID，當(dāng)前深度和當(dāng)前剩余能量。轉(zhuǎn)發(fā)角是控制劃分轉(zhuǎn)發(fā)區(qū)域，有60,120和180三個(gè)值，當(dāng)為60值選擇使用Reuleaux三角形轉(zhuǎn)發(fā)區(qū)域，當(dāng)值為120時(shí)選擇使用張角為120度的錐形轉(zhuǎn)發(fā)區(qū)域，當(dāng)值為180時(shí)，與DBR路由協(xié)議一樣所有接收到數(shù)據(jù)的節(jié)點(diǎn)都是潛在轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)。

圖4 數(shù)據(jù)信息格式

3.2 轉(zhuǎn)發(fā)區(qū)域

ESAFDBR劃分轉(zhuǎn)發(fā)區(qū)域是為了更好地抑制冗余節(jié)點(diǎn)，ESAFDBR將轉(zhuǎn)發(fā)區(qū)域節(jié)點(diǎn)盡量限制在S0區(qū)域，區(qū)域S0是一個(gè)Reuleaux三角形形狀的區(qū)域。如圖5所示，假設(shè)水下無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)的通信范圍半徑為R。

圖5 ESAFDBR轉(zhuǎn)發(fā)區(qū)域的劃分

S0區(qū)域是由3個(gè)半徑為R的圓環(huán)相交得到的Reuleaux三角形。根據(jù)Reuleaux三角形的性質(zhì)[22]，所劃分出來(lái)的萊洛三角形內(nèi)任意兩點(diǎn)的距離最大為R。所以，在圖中當(dāng)節(jié)點(diǎn)S發(fā)送數(shù)據(jù)是，區(qū)域內(nèi)節(jié)點(diǎn)A、B、C、D、E、F、G、H都可以接收到數(shù)據(jù)包，D、E因?yàn)樯疃刃∮赟的深度，判斷為沒(méi)有轉(zhuǎn)發(fā)權(quán)限丟棄數(shù)據(jù)包。C、F計(jì)算自身的位置并不在S0轉(zhuǎn)發(fā)區(qū)域內(nèi)，不具備轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)的權(quán)限也丟棄數(shù)據(jù)包。A、B、G、H節(jié)點(diǎn)通過(guò)計(jì)算優(yōu)先級(jí)，節(jié)點(diǎn)A優(yōu)先級(jí)較高，最先發(fā)送轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包，當(dāng)節(jié)點(diǎn)A轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包時(shí)，B、G、H節(jié)點(diǎn)都能接收到數(shù)據(jù)包，因?yàn)锳、B、G、H都位于同一個(gè)半徑為R的Reuleaux三角形中，在這區(qū)域中任何節(jié)點(diǎn)都能接收到節(jié)點(diǎn)A發(fā)送的數(shù)據(jù)信息，因此都能收到節(jié)點(diǎn)A的抑制作用，從而也達(dá)到了限制冗余節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)的效果。

3.3 確定所屬區(qū)域

如圖6所示，主轉(zhuǎn)發(fā)區(qū)域是由3個(gè)半徑為R的圓組成的Reuleaux三角形，L1,L2,L3三條弧線可以使用式(6)表示：

圖6 Reuleaux轉(zhuǎn)發(fā)區(qū)域的數(shù)學(xué)模型

(6)

轉(zhuǎn)發(fā)區(qū)域內(nèi)節(jié)點(diǎn)都在這3條弧線圍成的區(qū)域內(nèi)，可以通過(guò)如下式子表示:

(7)

當(dāng)鄰域內(nèi)水下傳感器節(jié)點(diǎn)密度大的時(shí)候，以控制冗余轉(zhuǎn)發(fā)為主要目的，可以使用式(7)確定Reuleaux三角形區(qū)域選擇轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)。當(dāng)鄰域內(nèi)水下傳感器節(jié)點(diǎn)比較稀疏時(shí)，冗余節(jié)點(diǎn)參與轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)有利于增強(qiáng)水下傳感器網(wǎng)絡(luò)的可靠性，此時(shí)，ESAFDBR自適應(yīng)調(diào)整夾角，擴(kuò)大轉(zhuǎn)發(fā)區(qū)域，轉(zhuǎn)換為錐形轉(zhuǎn)發(fā)區(qū)域，如圖7所示，依次擴(kuò)大轉(zhuǎn)發(fā)區(qū)域夾角，分別為120°和180°。當(dāng)夾角變?yōu)?80°時(shí)，則是DBR路由協(xié)議的路由策略。

圖7 錐形轉(zhuǎn)發(fā)區(qū)域

通過(guò)以下式子確定節(jié)點(diǎn)是否屬于錐形轉(zhuǎn)發(fā)區(qū)域內(nèi)的節(jié)點(diǎn)，設(shè)H節(jié)點(diǎn)位置為(Hx,Hy)，S節(jié)點(diǎn)位置為(Sx,Sy)，三維坐標(biāo)同樣的計(jì)算方式，θ是存放在數(shù)據(jù)包中的數(shù)據(jù)，通過(guò)鄰居信息收集時(shí)得到的鄰居節(jié)點(diǎn)數(shù)判斷鄰居節(jié)點(diǎn)的數(shù)量決定θ的值。當(dāng)θ=180時(shí)，其實(shí)就變成DBR路由協(xié)議。

(8)

3.4 ESAFDBR計(jì)算加權(quán)策略

為了更好地選擇轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)，ESAFDBR路由協(xié)議中，既考慮了節(jié)點(diǎn)的能量效率，還將節(jié)點(diǎn)信息的計(jì)算擴(kuò)展到了兩跳鄰域。計(jì)算當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的深度、剩余能量以及擁有下一跳潛在轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)的數(shù)量，通過(guò)這樣既可以平均能量消耗，實(shí)現(xiàn)負(fù)載均衡，還能提前預(yù)測(cè)空洞，避免節(jié)點(diǎn)遇到空洞信息。數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)優(yōu)先級(jí)通過(guò)計(jì)算轉(zhuǎn)發(fā)等待時(shí)間HT(holding time)來(lái)實(shí)現(xiàn)，節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)間HT越小則越先轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包。每個(gè)節(jié)點(diǎn)接收到數(shù)據(jù)包后，要先計(jì)算自己轉(zhuǎn)發(fā)等待時(shí)間HT，計(jì)算HT可以使用以下公式:

(9)

(10)

R為水下傳感器節(jié)點(diǎn)的傳輸范圍，Δd為當(dāng)前節(jié)點(diǎn)與上一跳節(jié)點(diǎn)的深度差，Ecur和Einit分別表示節(jié)點(diǎn)當(dāng)前剩余能量和節(jié)點(diǎn)初始能量，b表示當(dāng)前節(jié)點(diǎn)存在下一跳的節(jié)點(diǎn)數(shù)，該數(shù)據(jù)在發(fā)出鄰居信息請(qǐng)求時(shí)，統(tǒng)計(jì)收到的回應(yīng)消息，選擇并統(tǒng)計(jì)合適的節(jié)點(diǎn)數(shù)，并存放在節(jié)點(diǎn)存儲(chǔ)器中，保持實(shí)時(shí)更新。λ1、λ2、λ3分別為深度差加權(quán)系數(shù)、剩余能量加權(quán)系數(shù)和下一跳鄰域節(jié)點(diǎn)數(shù)量加權(quán)系數(shù)。δ隨具體環(huán)境變化需要取值，如果選擇較小的δ，數(shù)據(jù)包的HT會(huì)增長(zhǎng)，參與轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)包能夠得到更好的抑制，能耗也會(huì)減少，但是節(jié)點(diǎn)間端到端的延時(shí)則會(huì)增加。τ的計(jì)算(10)，c為聲音在水中的傳播速度，約等于1 500 m/s。

3.5 ESAFDBR算法處理介紹

ESAFDBR路由協(xié)議具體實(shí)現(xiàn)步驟如下，分為鄰居節(jié)點(diǎn)請(qǐng)求信息處理流程和節(jié)點(diǎn)收到數(shù)據(jù)信息時(shí)的處理流程。

鄰居請(qǐng)求消息處理流程：

Step1：水下傳感器節(jié)點(diǎn)定期向鄰居廣播鄰居請(qǐng)求消息，數(shù)據(jù)類型ID+源節(jié)點(diǎn)ID+發(fā)送序號(hào)”組成的包序號(hào)，以此區(qū)分?jǐn)?shù)據(jù)包。

Step2：收到鄰居請(qǐng)求消息的節(jié)點(diǎn)，判斷數(shù)據(jù)包時(shí)鄰居請(qǐng)求類型數(shù)據(jù)包，然后對(duì)比自身深度如果小于數(shù)據(jù)包中深度，發(fā)送回應(yīng)消息，字段攜帶有原序列號(hào)。

Step3：發(fā)送節(jié)點(diǎn)收到回應(yīng)消息，更新鄰居潛在轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)的個(gè)數(shù)。

節(jié)點(diǎn)收到數(shù)據(jù)包信息時(shí)處理流程如下：

Step1：判斷接收到的數(shù)據(jù)包文類型是否是數(shù)據(jù)包類型“10”，判斷自身是否是潛在轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)，如果不是潛在轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)則不參與轉(zhuǎn)發(fā)并丟棄該數(shù)據(jù)包。如果是潛在轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)則查看鄰居潛在轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)的個(gè)數(shù)，如果為0則不參與轉(zhuǎn)發(fā)并丟棄該數(shù)據(jù)包，通過(guò)這種方式可以避免下一跳遇到空洞，如果鄰居潛在轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)不為0，則繼續(xù)下面步驟。

Step2：判斷節(jié)點(diǎn)是否在轉(zhuǎn)發(fā)區(qū)域內(nèi)，如果節(jié)點(diǎn)不在轉(zhuǎn)發(fā)區(qū)域內(nèi)，則不具備轉(zhuǎn)發(fā)權(quán)限并丟棄該數(shù)據(jù)包，繼續(xù)等待下一個(gè)數(shù)據(jù)包。

Step3：如果節(jié)點(diǎn)位于轉(zhuǎn)發(fā)區(qū)域中，計(jì)算保活時(shí)間，然后等待發(fā)送。

Step4：等待期間內(nèi)如果收到該數(shù)據(jù)包的抑制信號(hào)，該節(jié)點(diǎn)將放棄轉(zhuǎn)發(fā)該數(shù)據(jù)包，否則，等待時(shí)間結(jié)束后，將繼續(xù)轉(zhuǎn)發(fā)該數(shù)據(jù)包。

4 實(shí)驗(yàn)仿真與結(jié)果分析

本實(shí)驗(yàn)將對(duì)ESAFDBR路由協(xié)議與現(xiàn)有路由協(xié)議DBR和EEDBR進(jìn)行性能比較和分析。

4.1 仿真環(huán)境

實(shí)驗(yàn)的仿真使用Matlab建立水下無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)仿真平臺(tái)進(jìn)行路由仿真。在實(shí)驗(yàn)仿真過(guò)程中，使用不同數(shù)量的傳感器節(jié)點(diǎn)(50～600個(gè))進(jìn)行實(shí)驗(yàn)仿真。每一次比較的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涠际请S機(jī)生布局的，3種路由策略作用于同樣拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行仿真模擬。因?yàn)閷?shí)驗(yàn)可能會(huì)產(chǎn)生誤差，為了減少實(shí)驗(yàn)結(jié)果收誤差的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果取30次仿真運(yùn)行的平均值。部分仿真參數(shù)如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置

4.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

4.2.1 網(wǎng)絡(luò)生命周期

實(shí)驗(yàn)中定義的生命周期為第一個(gè)節(jié)點(diǎn)的能量消耗完時(shí)，源節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)包的輪次。如圖8所示，由于DBR深度較小的節(jié)點(diǎn)經(jīng)常被用于轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包，因此這些節(jié)點(diǎn)的能量會(huì)很快就被耗盡了。本文定義第一個(gè)節(jié)點(diǎn)的能量完全耗盡時(shí)，即在網(wǎng)絡(luò)中出現(xiàn)第一個(gè)節(jié)點(diǎn)死亡時(shí)，源節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)包的輪次數(shù)作為網(wǎng)絡(luò)的生命周期。如圖8所示，由于DBR選擇具有較小深度的節(jié)點(diǎn)來(lái)頻繁地傳輸數(shù)據(jù)，導(dǎo)致這些節(jié)點(diǎn)能量被迅速耗盡而死亡。EEDBR和ESAFDBR采用了深度和能量加權(quán)的方式，在深度與能量共同加權(quán)的策略下，傳感器節(jié)點(diǎn)能夠有效地平衡網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的能量消耗。因此，在傳感器節(jié)點(diǎn)將能更長(zhǎng)時(shí)間保持活動(dòng)狀態(tài)。此外，較低的冗余能耗是提高網(wǎng)絡(luò)壽命的另一個(gè)因素。DBR無(wú)法避免冗余的分組傳輸，具有相似深度的節(jié)點(diǎn)也具有相似的保持時(shí)間。因?yàn)檗D(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)通信范圍外的節(jié)點(diǎn)無(wú)法接收到抑制消息，在DBR和EEDBR中這些相同的分組被相繼發(fā)送。在ESAFDBR中，能夠大量限制這類傳感器節(jié)點(diǎn)參與轉(zhuǎn)發(fā)，因?yàn)檗D(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)受到節(jié)點(diǎn)的深度和剩余能量限制外，通過(guò)轉(zhuǎn)發(fā)區(qū)域的劃分，能夠避免轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)傳輸范圍之外的節(jié)點(diǎn)繼續(xù)發(fā)送，隨著節(jié)點(diǎn)數(shù)量的增多，抑制冗余節(jié)點(diǎn)的效果優(yōu)于EEDBR和DBR。ESAFDBR轉(zhuǎn)發(fā)區(qū)域可隨著節(jié)點(diǎn)密度自適應(yīng)調(diào)整，能增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)的魯棒性。ESAFDBR考慮了兩跳的節(jié)點(diǎn)信息，有效避免遇到空洞情況，因此，總體上ESAFDBR比DBR和EEDBR的性能更優(yōu)。

圖8 網(wǎng)絡(luò)生命周期

4.2.2 能量消耗

本實(shí)驗(yàn)定義能量消耗通過(guò)數(shù)據(jù)包從源節(jié)點(diǎn)成功發(fā)送達(dá)到目標(biāo)節(jié)點(diǎn)期間，水下傳感器網(wǎng)路消耗的能量總量來(lái)估算。如前所述，DBR能量消耗比EEDBR和ESAFDBR更高，主要是因?yàn)樵谝惠喅晒D(zhuǎn)發(fā)過(guò)程中，DBR有過(guò)多的冗余節(jié)點(diǎn)參與了轉(zhuǎn)發(fā)，ESAFDBR通過(guò)制定轉(zhuǎn)發(fā)區(qū)域有更好的抑制冗余節(jié)點(diǎn)的作用，所以圖中ESAFDBR能耗比DBR和EEDBR更少。3種方案能耗都隨著節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)的增加而增加，這是因?yàn)殡S著網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的增加，更多處于相同深度，擁有相近保活時(shí)間的節(jié)點(diǎn)無(wú)法被抑制。相比之下，ESAFDBR通過(guò)設(shè)置轉(zhuǎn)發(fā)區(qū)域、深度和剩余能量加權(quán)、考慮兩跳節(jié)點(diǎn)避免空洞等方面更好地抑制冗余及轉(zhuǎn)發(fā)。如圖9所示，隨著網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的增加，ESAFDBR能量消耗小于DBR和EEDBR的能量消耗。

圖9 能效消耗曲線

5 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)水下無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)能量消耗不均衡和路由過(guò)程中過(guò)多冗余節(jié)點(diǎn)參與轉(zhuǎn)發(fā)增加能耗的問(wèn)題，提出提出一種可調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)發(fā)區(qū)域的水下傳感器路由協(xié)議ESAFDBR。ESAFDBR不僅考慮了節(jié)點(diǎn)的深度信息和剩余能量信息，在傳輸過(guò)程中使網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)負(fù)載均衡。同時(shí)還考慮了下一跳可用鄰居節(jié)點(diǎn)數(shù)，通過(guò)這樣避免節(jié)點(diǎn)陷入局部最優(yōu)。此外，為了在密集區(qū)域中減少冗余轉(zhuǎn)發(fā)減少能耗，ESAFDBR設(shè)計(jì)劃分轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)區(qū)域策略，將初始轉(zhuǎn)發(fā)區(qū)域劃分為Reuleaux三角形，利用Reuleaux三角形特性有效抑制冗余節(jié)點(diǎn)，并且設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)發(fā)區(qū)域可根據(jù)節(jié)點(diǎn)鄰域內(nèi)的節(jié)點(diǎn)密集程度自適應(yīng)調(diào)整，增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)的魯棒性和自適應(yīng)性。通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)可以驗(yàn)證，ESAFDBR協(xié)議能夠有效地減少冗余節(jié)點(diǎn)參與轉(zhuǎn)發(fā)，整體上提高網(wǎng)絡(luò)的生存周期。