基于水下無線傳感器網絡路由協議的仿真

靳曉珂 李莉 路晨賀 魏宗博 李進

摘要：水下環境的復雜特性是水下傳感器網絡（UWSN）設計路由協議時面臨的挑戰。為了在源節點和目的節點之間建立高效、可靠的傳輸路徑，分別對基于壓力的路由協議、節能型路由協議及基于矢量轉發的路由協議進行論述和分析，對各種路由協議性能進行了評述。并采用Aqua-Sim仿真軟件對基于矢量轉發的VBF協議和HH-VBF協議進行了仿真分析。結果表明，HH-VBF協議在數據包傳遞率和平均剩余能量方面要優于VBF協議，該仿真驗證了理論分析的正確性。

關鍵詞：水下傳感器網絡；路由協議；VBF協議；HH- VBF協議；仿真；Aqua- Sim

中圖分類號：TP393文獻標志碼：A文章編號：1008-1739（2022）01-60-5

0引言

水下傳感器網絡（UWSN）被認為是探索和開發海洋的重要途徑，和陸地傳感器網絡一樣，其路由技術是保證數據傳輸的重要機制，選擇怎樣的路徑將數據包從源節點傳送到目的節點（路由）是構建水下傳感器網絡協議棧的關鍵問題之一。但是由于海洋環境復雜多變、噪聲高、多普勒頻移和多徑效應嚴重等問題影響水下傳感器網絡的通信性能。因此，在水下傳感器網絡中提供一種可靠、可擴展的路由協議對水下網絡的通信起著至關重要的作用。

目前，已經提出的部分水下傳感器網絡路由協議改善了能量消耗大、數據傳輸率低和節點空洞等問題。本文對此進行了相關的論述，并對其中的VBF和HH-VBF協議的能耗和數據傳遞率等性能進行了仿真分析。

1水下傳感器網絡路由協議

水下傳感器網絡路由協議可以分為基于壓力的路由協議、節能型路由協議和基于矢量轉發的路由協議。

基于壓力的路由協議的特點是使用水壓以及節點深度信息作為評判標準，通常為每個節點配置壓力傳感器，并結合水壓和深度信息生成一個候選列表。在列表中，越靠近水面的節點其優先級越高。

節能型路由協議主要考慮能量優先，在選擇最優路徑時需要考慮節點的能量消耗以及網絡能量均衡使用的問題，從而延長整個網絡的生存周期。

基于矢量轉發的路由協議進行路由選擇時主要依據節點的位置信息。數據包從源節點轉發到Sink節點（目的節點）的過程中，轉發節點根據不同節點所處位置進行選擇。轉發節點的選擇基于源節點和目的節點之間設計的特殊形狀區域（如虛擬管道、圓錐和帶狀等），只有位于設計區域內的節點才能參與數據包的轉發。所以，區域范圍的設定對于網絡的性能產生直接影響，區域范圍設定越大，網絡中參與轉發數據包的節點越多，數據包的成功傳遞率也就越大，反之則小。

1.1基于壓力的路由協議

2008年YanH提出的基于深度的DBR協議[1]是第一個基于壓力的路由協議。DBR協議無需知道節點的位置信息，只需在傳感器上安裝一個壓力傳感器，就可以獲得各個節點的深度信息。根據傳感器節點的深度信息選擇傳輸路徑，將數據傳輸給目的節點。DBR協議可以有效減少節點能量消耗、延長網絡的生命周期，但是存在冗余包和節點空洞問題。

為了避免節點空洞問題，2013年Noh，Youngtae等提出了基于信標的空洞感知壓力路由協議（VAPR）[2]。該協議是一種地理和機會路由協議，通過信標機制從而避免網絡空洞問題。該協議使用信標消息來共享網絡中節點的深度和方向信息，每個節點在信標進程開始之前初始化其信標信息。每個信標包含發送者的深度、跳數、數據轉發方向和序列號信標信息。VAPR協議對動態拓撲具有魯棒性，但是增加了過多的開銷。

Nasir等人[3]為水下傳感器網絡提出了一種基于深度合作的路由協議（CoDBR），主要目的是提高網絡的可靠性和吞吐量。CoDBR協議和DBR協議一樣無需定位，只需知道傳感器節點的深度信息，每個節點都有其相鄰節點的深度信息。CoDBR可靠性高于DBR，但能源消耗大、網絡壽命短。

Uichin等人[4]提出Hydrocast協議，是一種基于水壓的選播機會路由協議，該協議的所有節點都配備了一個壓力傳感器。為了減少數據包重復傳輸，Hydrocast協議采用了貪婪的啟發式算法，以確保下一跳候選集沒有隱藏終端問題。其次引入空洞處理機制來處理局部極大值問題。Hydrocast能夠處理網絡中的通信漏洞，然而協議的算法復雜、網絡能耗大，從而縮短了網絡壽命。

1.2節能型路由協議

為了減少網絡的能量消耗，Jorne等人提出了聚焦束路由協議（FBR）[5]，該協議采用不同的傳輸功率水平來降低能耗。在FBR中，源節點只需知道自身位置和目的節點位置，并且FBR不需要時間同步。協議構建了一個從源節點指向目的節點角度為的圓錐體，并規定位于圓錐體內的節點具有轉發數據包的資格。在初始階段，源節點首先以最低的能量尋找下一跳節點，若沒有找到則增加能量直至找到下一跳節點。FBR協議可以避免不必要的泛洪，但是它不適用于稀疏網絡。

Wahid A等人提出了基于深度能量的高效路由協議（EEDBR）[6]。在EEDBR中，每個傳感器節點與其相鄰節點共享其剩余能量和深度。EEDBR利用傳感器節點的剩余能量信息進行能量平衡，每個轉發節點收到數據后并不是馬上轉發，而是保留一段時間再進行轉發。保持時間與節點的剩余能量成反比，與具有低能量的節點相比，具有高剩余能量的節點具有較短的保持時間。因此，高能量節點先轉發分組數據，低能量節點在收到等效分組數據的傳輸時取消轉發。EEDBR實現了傳感器節點能量消耗的平衡，但是大量發送Hello數據包也造成了額外的能量浪費。

針對水下網絡拓撲結構動態變化和節點分布不均勻的特性，2016年劉曉龍提出了基于距離的能量均衡動態自適應路由協議（DEAR）[7]。在DEAR中，每個節點在接收信息的同時，記錄其鄰居節點的信息并維護一個鄰居節點表，在發送數據前，根據鄰居節點的分布情況，只選擇特定區域的鄰居節點接收其發送的消息，每次只有少量且綜合性能優越的節點轉發消息。DEAR協議有效降低了能量消耗，而且針對區域節點密度的不同，DEAR能夠自適應地調整接收區域的大小，動態適應網絡拓撲的變化。DEAR具有較高的性能優勢，尤其是在應對網絡拓撲結構動態變化方面具有明顯的能耗優勢。

2018年秦灝提出了一種基于水下無線傳感器網絡的能量平衡和深度控制路由協議（EBDCR）[8]，主要針對網絡節點能量消耗不均衡問題進行研究。離匯聚節點近的節點將要轉發更多的數據，所以它的能耗比離匯聚節點遠的節點更大，由于這種能耗不均勻，降低了網絡生存的時間。因此，EBDCR協議通過調整節點的深度，使用節點替換策略，用高能量的節點替換低能量的節點，從而在整個網絡中實現均衡的能量消耗以達到網絡生存時間的延長。

2018年Khasawneh等人[9]提出基于壓力的可靠節能路由協議（RE-PBR），以提高路由的能效性。RE-PBR協議的主要特點是在轉發過程中用三角形度量來精確測量鏈路質量，它考慮了鏈路質量和深度以及可靠傳輸的剩余能量。該協議和EEDBR協議相比，具有更好的數據包投遞率，同時更節省能量，但是隨著節點數目的增多，RE-PBR協議能量開銷更大。

由于傳統DBR協議采用了洪泛傳播機制，增加了水下傳感器網絡的冗余數據包，導致能量消耗過多且分布不均衡。因此，張美燕[10]提出了基于水下傳感器節點能量均衡與延時優化的DBR優化改進策略，根據水下傳感器節點的深度值以及剩余能量來計算中繼節點的轉發概率。改進后的深度路由協議在數據傳輸成功率和能耗均衡性能等方面均優于傳統的DBR協議，但該協議由于搜索范圍過小導致局部容易優化，然而全局不能達到最優。

1.3基于矢量轉發的路由協議

2006年Xie P等人[11]提出了VBF協議，就是典型的基于地理位置的UWSN路由協議，該算法采用了虛擬管道技術實現數據包的定向傳輸，VBF在源節點和Sink節點（目的節點）之間建立虛擬管道，數據分組沿著管道進行傳輸，只有在管道內的節點才能轉發數據包。VBF協議利用虛擬管道減少了網絡的通信量，提高分組投遞率并能有效地節約能量，但該協議通信開銷較大，且在稀疏網絡中性能較差，易于出現空洞問題。2007年Nicolaou提出了基于逐跳矢量轉發的路由協議（HH-VBF）[12]，該協議也采用了虛擬管道技術，但在數據從源節點傳輸到目的節點的過程中，HH-VBF協議的每個節點在轉發信息時會重新計算管道的大小并實時更新管道的方向。與VBF協議相比，HH-VBF具有較高的數據包傳遞率，并且能夠很好地適應網絡節點稀疏的情況，但該協議增加了額外的計算量，因此它比VBF需要花費更大的開銷。

2007年孫桂芝、桑恩方提出了一個基于矢量距離的轉發協議（PVBF）[13]，PVBF協議只需要提出關于矢量距離的計算方式，無需指定管道半徑。此協議不會增加額外的能耗，適用于缺乏運算能力的水下傳感器網絡中。

為了解決能量問題，2013年Bo Wei等人在VBF協議的基礎上提出了節能路由協議ES-VBF[14]。該協議在計算轉發因子時充分考慮剩余能量和位置信息，根據節點的位置信息優先考慮剩余能量多的節點轉發數據包，提高了剩余能量，降低了均方誤差，延長了網絡壽命。

2014年魏博提出了基于矢量轉發的能量路由協議（E-VBF）[15]，該協議不僅考慮了節點的位置信息和剩余能量來選擇轉發節點，而且通過節點的位置信息選擇具有較高剩余能量的節點轉發數據包，避免因能量不足而造成節點的消亡。該協議與VBF協議相比平衡了整個網絡的能量開銷，使得網絡生存時間延長。該協議適用于靜態網絡，對于動態變化的網絡也有較好的適應性。

2018年Mazinani等人在VBF協議的基礎上，引入了一種算法，該算法將管道半徑作為環境尺寸、范圍和節點數量的函數，根據網絡的傳輸范圍和節點數量等因素確定通信管道半徑。該算法可以根據網絡密度相應地改變路由管道的寬度來減少能量消耗，從而有效避免了空洞問題。

2020年Imran Ullah Khan等人[16]提出了基于矢量的逐跳自適應轉發協議（AHH-VBF），該協議的新穎之處在于采用錐形管道進行轉發，錐形參數根據網絡結構來確定，從而提高傳輸的可靠性。該路由協議根據網絡結構自適應地調整圓錐的高度和開口，通過減少重復分組和平衡節點之間的能量有效地提高了網絡的性能。這種方法降低了能量消耗，減少了端到端的時延并提高了數據包投遞率。

綜上所述，基于壓力的路由協議主要考慮節點的深度信息進行路徑選擇，節能型路由協議考慮節點的能量進行路徑選擇，基于矢量轉發的路由協議根據節點的地理位置信息進行下一跳節點的選擇。基于矢量轉發的路由協議可擴展性好、數據包沖突概率低、網絡能耗小，因此，本文主要對基于矢量轉發路由協議中的VBF協議和HH-VBF協議進行研究，從數據包投遞率和平均剩余能量這2個方面進行分析。

2水下傳感器網絡路由協議仿真

2.1仿真平臺

為了對VBF和HH-VBF兩種協議性能進行研究，基于Aqua-Sim仿真平臺對采用2種協議的水下傳感器網絡進行仿真。Aqua-Sim是由美國康涅狄格大學水下傳感器網絡實驗室在NS2的基礎上開發而成，是一個專門模擬水下傳感器網絡的仿真軟件。Aqua-Sim獨立于NS2的其他模擬程序模塊，易于擴展和完善，并且延續了NS2面向對象的特點，使用C++語言實現，通過編寫OTCL腳本文件建立實驗仿真環境。

2.2仿真參數設置與性能指標

實驗設置的模擬時間分組共分為10組，各組模擬時間分別從50～500 s不等。協議采用100個節點的多跳拓撲結構，通信系統模型采用BPSK，數據鏈路層采用Broadcast Mac協議，基本參數設置如表1所示。

為了減少實驗誤差，該實驗對10組不同的模擬時間分別進行10次仿真實驗，并選取結果均值進行統計。

2.3仿真結果與分析

實驗分別對VBF和HH-VBF兩種不同的協議在多跳拓撲結構下進行仿真，通過計算得到的2種協議的數據包投遞率和平均剩余能量的性能參數，如圖1和圖2所示。

從1圖中可以看出，隨著模擬時間的增加，HH-VBF數據包的傳遞率始終高于VBF。在圖2中，隨著模擬時間的增加，VBF和HH-VBF協議中節點的平均剩余能量隨著時間的增加呈現較穩定的下降，VBF與HH-VBF相比，HH-VBF協議的平均剩余能量高于VBF協議的平均剩余能量，因此，HH-VBF協議更加節能，然而VBF協議的能量消耗更多。

3結束語

近幾年，水下傳感器網絡的研究得到了很大的發展，但仍面臨許多問題，例如在節點定位技術、網絡節能問題以及數據傳輸可靠性等方面還遠遠落后于陸上無線傳感器網絡。本文重點研究了水下傳感器網絡的路由協議，綜述了目前水下傳感器網絡路由協議的主要分類、各類路由協議的工作原理及優缺點。其次，利用Aqua-Sim仿真平臺在100個節點的多跳拓撲結構下模擬了VBF和HH-VBF協議的傳輸過程，分析比較了2種協議在數據包投遞率和平均剩余能量方面的差異。在數據包投遞率方面，HH-VBF協議明顯優于VBF，而通過平均剩余能量的比較，HH-VBF耗能更少，所以HH-VBF協議也更加節能。因此，對于本文研究的多跳拓撲結構的水下傳感器網絡來看，HH-VBF協議適合于對節能要求較高的應用場景，而VBF協議適用于可靠性要求高的應用場景。

參考文獻

[1] YAN H，SHI Z J，CUI J H.DBR： Depth-based Routing for Underwater Sensor Networks. International Conference on Research in Networking[J].Springer： Berlin/Heidelberg， Germany，2008：72-86.

[2] NOH Y， LEE U， WANG P，et al. VAPR： Void-aware Pressure Routing for Underwater Sensor Networks[J]. IEEE Transactions on Mobile Computing，2013，12（5）：：895-908.

[3] NASIR H，JAVAID N，ASHRAF H，et al. CoDBR： Cooperative Depth Based Routing for Underwater Wireless Sensor Networks[C]//In Proceedings of the 2014 Ninth International Conference on Broadband and Wireless Computing， Communication and Applications. Guangdong， China， November 8-10，2014.IEEE： Piscataway， NJ， USA， 2014： 52-57.

[4] NOH Y，LEE U， LEE S，et al.Hydrocast： Pressure Routing for Underwater Sensor Networks[J]. IEEE Trans. Vehicular Technology，2016，65（1）：333-347.

[5] JORNET J M， MEMBER S， STOJANOVIC M， et al. Focused Beam Protocol for Underwater Acoustic Networks[C]// Proceedings of the Third ACM International Workshop on Underwater Networks. [S.l.]： ACM，2008：75-82.

[6] WAHID A，LEE S，JEONG JH，et al. EEDBR： Energy-efficient Depth-based Routing Protocol for Underwater Wireless Sensor Networks[C]// International Conference on Advanced Computer Science and Information Technology. Seoul： Springer， 2011：223-234.

[7]劉曉龍.水下傳感器網絡中基于距離的能量均衡動態地理路由協議研究[D].天津：天津大學，2017.

[8]秦灝.能量平衡與深度控制的UWSN路由協議的研究[D].濟南：山東大學，2018.

[9] KHASAWNEH A， LATIFFMSBA， KAIWARTYA O，et al. A Reliable Energy-efficient Pressure-based Routing Protocol for Underwater Wireless Sensor Network[J]. WirelNetw， 2018，24：2061-2075.

[10]張美燕，蔡文郁，鄭曉丹，等.水下傳感網絡能量均衡與時延優化深度路由協議[J].傳感技術學報，2019，32（8）： 1239-1244.

[11] XIE P，CUI J H，LAO L.VBF：Vector-based Forwarding Protocol for Underwater Sensor Networks[C]//In Proceedings of the International Conference on Research in Networking. Coimbra， Portugal， May15-19，2006； Springer： BerlinHeidelberg，Germany，2006：1216-1221.

[12] NICOLAOU N， SEE A， XIEP，et al. Improving the Robustness of Location-based Routing for Underwater Sensor Networks[C]//In Proceedings of the OCEANS 2007-Europe，Aberdeen， UK，June18-21，2007； IEEE，2007：1-6.

[13]孫桂芝，桑恩方.一種能量高效的水下傳感器網絡路由協議[J].聲學技術，2007（1）：134-136.

[14] BO W， LUO Y， JIN Z， et al.ES-VBF ：An Energy Saving Routing Protocol[C]// Proceedings of the 2012 International Conference on Information Technology and Software Engineering. Beijing： Springer， 2012： 89-97.

[15]魏博.水下無線傳感器網絡基于地理位置的節能路由協議研究[D].天津：天津大學，2014.

[16] IMRAN U K， MAZHAR I， MUHAMMAD I. Adaptive Hop-by-hop Cone Vector-based forwarding Protocol for Underwater Wireless Sensor Networks[J]. International Journal of Distributed Sensor Networks，2020，16（9）： 1-5.