基于矢量轉發的節能型水聲傳感器網絡路由協議

摘要：近年來，水下物聯網和海洋物聯網已經成為一個熱門的研究方向，水聲傳感器網絡路由協議作為海洋物聯網的重要組成部分也得到研究人員的廣泛重視。因此在HH-VBF協議的基礎上，提出一種基于矢量轉發的節能型水聲傳感器網絡路由協議——ES-HH-VBF協議。ES-HH-VBF協議在保留了將下一跳節點的位置信息作為計算節點轉發因子的參考值的基礎上，引入了節點剩余能量改進節點轉發因子的計算方式，以此來均衡網絡中的能量消耗；并且還將預設的距離閾值由HH-VBF協議中的固定值改為根據節點剩余能量變化的動態值，從而可以動態地控制數據冗余。為了驗證ES-HH-VBF協議的性能，在水下傳感器網絡仿真器Aqua-Sim上對HH-VBF協議和ES-HH-VBF協議的性能進行了對比分析。仿真結果表明，隨著節點發包間隔的增加，ES-HH-VBF協議的包傳遞率比HH-VBF協議的包傳遞率高4.2%左右，網絡平均時延比HH-VBF協議低11.3%左右，網絡平均能耗比HH-VBF協議低8.2%左右。通過對ES-HH-VBF協議和HH-VBF協議的仿真實驗分析可知，ES-HH-VBF協議在提高數據包傳遞率、降低平均能耗和降低平均延時方面具有較大優勢。

關鍵詞：水聲傳感器網絡；路由協議；能量消耗；剩余能量；HH-VBF協議

中圖分類號：TN929.3文獻標志碼：A

文章編號：1001-3695（2023）05-031-1486-05

0引言

水聲傳感器網絡［1，2］的網絡結構十分復雜，由種類繁多的網絡設備組成。此外，水聲傳感器網絡的環境復雜多變，水下信道具有的多徑效應、多普勒頻移嚴重問題以及高衰減高誤碼率問題一直以來都是設計水聲傳感器網絡路由協議所需要解決的問題。并且聲信號在水下傳播的速度僅為1500m/s，因此水聲傳感器網絡還面臨著傳輸時延高的問題。另外復雜的水下環境使得水聲傳感器網絡的節點能量一直都十分有限，因此水聲傳感器網絡迫切需要一種性能較好的路由協議來實現數據的可靠傳輸。目前水聲傳感器網絡路由協議［3～7］大致分為三種：a）扁平路由協議，主要有DBR協議和DDD協議等；b）分簇路由協議主要有LCAD協議和TCBR協議等;c）基于矢量轉發的路由協議，包括VBF（vector-basedforwarding）協議、HH-VBF協議和FBR（focusedbeamrouting）協議和DFR（directionalfloodingrouting）協議等。其中研究較多的是文獻[8]所提出的基于矢量轉發的路由協議VBF協議，該協議的數據轉發過程只在源節點和Sink節點（目標節點）之間形成的虛擬管道進行。VBF協議在節點較為密集的網絡中可以起到較好的節能作用，但是在稀疏網絡中容易出現路由空洞。為了解決VBF協議在稀疏網絡中的路由空洞問題，在VBF協議的基礎上，文獻[9]又提出了HH-VBF協議，該協議保留了數據在虛擬管道內傳輸的特點，但HH-VBF協議的虛擬管道并不是唯一的，每次的數據傳輸完成之后HH-VBF協議都會在最新的轉發節點及目標節點之間再建立一個新的進行數據傳輸的虛擬管道，從而避免了在稀疏網絡中的路由空洞問題。雖然HH-VBF協議解決了VBF協議在稀疏網絡中的不足，但由于HH-VBF協議每次節點轉發之后都會建立一個新的傳輸管道，而且協議的轉發因子僅將節點的地理位置作為轉發數據包的參考條件，未考慮到能量因素對于節點轉發數據包的影響，這樣必然會造成能量的浪費及傳輸時延的增加。

本文在HH-VBF協議的基礎上，引入了節點剩余能量值改進節點轉發因子的計算方式，并將預設的距離閾值由原來的固定值變為根據節點剩余能量變化的動態值，設計了一種新的基于矢量轉發的節能型水聲傳感器網絡路由協議——ES-HH-VBF協議。該協議在轉發數據包時同時考慮了節點位置及節點能量因素，并且使最小距離閾值根據節點的剩余能量動態變化，起到了節約網絡能量開銷、動態控制數據冗余的作用。

1HH-VBF協議基本原理

1.1HH-VBF協議多跳虛擬管道原理

在VBF協議中，其數據轉發過程只在源節點和Sink節點之間形成的虛擬管道中進行，但是VBF協議在節點稀疏的網絡環境中可能很難在源節點和Sink節點之間建立起適合數據傳輸的虛擬管道，并可能會出現路由空洞問題，因此人們在VBF協議的基礎上，提出了多種改進的矢量轉發路由協議［10～12］，其中包括HH-VBF路由協議。在HH-VBF協議中數據轉發過程同樣是在虛擬管道內進行，同時在每次轉發數據包時都會建立一個新的虛擬管道，從而既保留了VBF協議節約能量和提高數據包傳遞率的優點，也保證了協議在稀疏網絡中進行數據傳輸的可靠性。

圖1為HH-VBF協議的數據轉發流程，D、E、F為網絡中的源節點，H為Sink節點，圖中的黑色虛線圓圈表示的是源節點的數據傳輸范圍。HH-VBF協議在每次轉發數據包時都會建立一個新的虛擬管道，以此來保證網絡中有盡可能多的節點參與轉發數據包，最終數據包將會通過多個虛擬管道到達Sink節點，從而保證了協議在稀疏網絡中的網絡性能。

1.2HH-VBF協議轉發因子計算方法

通過1.1節的分析可知，在HH-VBF協議中，只要節點位于協議所形成的虛擬管道中就可以參與數據轉發。但是如果網絡中的節點過于密集，可能會出現過多節點轉發同一數據包的問題，這樣就會增加網絡的能量開銷并出現數據沖突的情況。為了減少這種情況對網絡性能的影響，轉發因子的概念被引入，由轉發因子的大小來確定數據包轉發的優先級。

圖2顯示的是HH-VBF協議轉發因子計算原理，其中節點A為當前節點，節點H為向節點A轉發數據包的節點，節點A到H的距離為d，Sink節點（即目標節點）為S1，源節點為S，其中，HA和HS1形成的角度為θ，節點H的數據傳輸半徑為R，虛擬管道的半徑為w。因為在HH-VBF協議的數據轉發過程中，其轉發的數據包中均含有轉發節點、當前節點、源節點及目標節點的位置信息，所以易得轉發因子公式中所需要的當前節點到轉發節點的距離d值，轉發因子α計算公式為

由式（1）可知，如果當前節點距離上一跳節點的距離d越小，轉發因子α的值就會越大，則其轉發數據包的優先級就越低；反之，如果當前節點距離上一跳節點的距離d越大時，轉發因子的值就越小，則其轉發數據包的優先級就越高。同時如果轉發因子α的值為0時，說明該節點正好處于向其轉發數據包的節點的數據傳輸范圍邊緣，此時該節點轉發數據包優先級最高。

1.3HH-VBF協議的自適應算法及數據冗余控制原理

HH-VBF協議的自適應算法建立在轉發因子的基礎之上，其目的是為了選擇比較適合進行數據轉發的節點，同時HH-VBF協議在其自適應過程中引入了冗余策略。在HH-VBF中，節點收到一個數據包時首先會根據式（1）計算出當前節點的轉發因子的值，然后根據轉發因子的值等待相應的時間Twait，Twait的計算方式如式（2）所示，其中，Td為預設的最大傳輸時延，d為當前節點與向其發送數據包的節點間的距離，Va表示聲信號在水下的傳播速度，取值1500m/s。轉發因子α越小，其轉發數據包的優先級越高，等待時間Twait也越短。只有當數據包在節點中的保持時間大于Twait后，節點才會開始數據轉發過程，同時由于轉發因子越小等待時間越短，所以其數據包轉發的先后順序由轉發因子的大小決定。HH-VBF協議的這種控制數據包轉發的方式會使得節點收到多個重復的數據包。

HH-VBF協議對于重復數據包的處理方式如下：當前節點根據接收到的所有重復數據包的位置信息，計算出所有發送重復數據包的節點與目標節點形成的路由矢量與當前節點的垂直距離，只有當這些垂直距離中的最小值大于預設的最小距離閾值（w/4，即管道半徑的四分之一），節點才會轉發該數據包；否則，節點將丟棄該數據包。因此，閾值的選取十分重要。如果距離閾值過大將會造成網絡中較多節點轉發數據包，因而造成能量的浪費，閾值過小會造成過低的數據包傳遞率，所以HH-VBF協議通過調整預設的距離閾值的大小來控制數據的冗余問題。

2ES-HH-VBF協議基本原理

2.1ES-HH-VBF協議轉發因子計算方法

能量問題、傳輸時延問題一直以來都是水聲傳感器網絡所亟待解決的關鍵問題，因此如何盡可能多地減少網絡中數據轉發過程所產生的能量消耗、均衡網絡中的整體能耗并降低網絡傳輸時延是路由協議所要著重解決的問題。ES-HH-VBF協議在保留了HH-VBF協議將下一跳節點的位置信息作為計算節點轉發因子的參考值的基礎上，引入了節點剩余能量來改進節點轉發因子的計算方式，以此來均衡網絡中的能量消耗。同HH-VBF協議一致，候選節點轉發因子的值越小表明該節點作為下一跳節點的優先級越高。在ES-HH-VBF協議中，計算節點的轉發因子的方法如式（3）所示。

其中：等式右邊第一項同HH-VBF協議計算轉發因子的公式一致;等式右邊第二項為引入的節點剩余能量項，其大小代表了節點的剩余能量對轉發因子影響力;Erem為候選節點的剩余能量值;Eini為候選節點的初始能量;μ為ES-HH-VBF的能量系數。由式（3）可知，μ取值越大，則節點剩余能量項μ×（1－tan（π/4×Erem/Eini））β的值就會越大，則節點剩余能量對轉發因子α的值的影響就越大，β為能量級數，其大小同樣代表了節點的剩余能量對轉發因子的影響力，由于（1－tan（π/4×Erem/Eini）的值始終小于1，所以β的取值越大，節點剩余能量項μ×（1－tan（π/4×Erem/Eini））β的值就越小，則其對轉發因子的影響就越小。隨著節點剩余能量的逐漸減少，式（3）中tan（π/4×Erem/Eini）的值也會逐漸減少，因此節點剩余能量項μ×（1－tan（π/4×Erem/Eini））β的值則會逐漸增大，節點剩余能量對轉發因子的影響逐漸增加。

2.2ES-HH-VBF協議距離閾值設置

HH-VBF協議正是通過控制預設的距離閾值的大小來控制數據的冗余問題，但是過大的距離閾值會使得較多的節點轉發數據包，造成能量浪費和數據冗余，過小的距離閾值則會導致數據包傳遞率過低。ES-HH-VBF協議不但改進了HH-VBF協議的轉發因子，均衡了節點在轉發數據包時的能量消耗，同時將預設的距離閾值由原來的固定值變為根據節點剩余能量變化的動態值，從而可以動態地控制數據冗余，以此來降低網絡中的能量消耗，減少轉發數據包時的傳輸時延。在ES-HH-VBF協議中的距離閾值公式為

其中：γ為ES-HH-VBF協議所預設的距離閾值;w為預設的管道半徑;Eini為節點的初始能量;Erem為候選節點的剩余能量值。由式（4）可知隨著節點剩余能量的減少，ES-HH-VBF協議中的節點的距離閾值γ也會隨之減小，節點剩余能量較多時，距離閾值會相應增大，此時在虛擬管道內參與數據轉發的節點也會隨之增加，從而可以在一定范圍內提高網絡中的數據包傳遞率；節點剩余能量較少時，距離閾值會相應減小，在虛擬管道內參與數據轉發的節點也會變少，導致此時的數據包傳遞率略微下降，但是這樣也減少了網絡中的能量開銷，同時避免因節點能量不足而導致的數據包傳遞失敗的情況。由式（4）可以看出，距離閾值的取值在w/6～w/3變化，當節點剩余能量為0時，距離閾值γ取最小值w/6，當節點剩余能量等于節點初始能量時，距離閾值γ取最大值w/3。ES-HH-VBF協議通過這種方式可以根據節點的剩余能量動態地改變距離閾值的取值來實現網絡性能的總體優化。

2.3ES-HH-VBF協議工作流程

ES-HH-VBF協議引入了節點剩余能量來改進轉發因子的計算方式，并根據節點剩余能量動態調整其距離閾值的大小，其具體工作流程如圖3所示。并可將其簡化成以下步驟：

a）當節點收到數據包時，首先檢查節點是否失效或數據包是否損壞，若均無異常則進行下一流程，否則結束。

b）計算當前節點與下一跳轉發節點的相對距離，同時若下一跳轉發節點在管道內則進行下一流程，否則丟棄數據包。

c）根據式（3）計算出轉發因子α的值，并根據α的值等待相應時間。

d）監聽網絡，等待期間若未收到相同數據包則轉發數據包，否則計算出所有發送數據包的節點與目標節點形成的路由向量到當前節點的距離。

e）若步驟d）中所計算出的所有距離中的最小距離大于式（4）中的距離閾值γ，則轉發數據包，否則丟棄數據包。

f）數據包轉發完成后，初始節點位置將更新為最新完成數據轉發的節點位置，然后根據該節點與目標節點位置形成新的路由管道準備進行下一次的數據轉發。

ES-HH-VBF協議通過引入節點剩余能量作為數據轉發的決定因素之一及根據節點剩余能量調整距離閾值來達到優化網絡性能的效果。在網絡通信初始階段節點剩余能量較多，因此其對轉發因子的影響較小，此時轉發因子的大小受節點的位置因素影響較大，因此將會選擇地理位置合適的節點作為下一跳轉發節點；而隨著網絡中數據傳輸過程的進行，節點剩余能量會因為持續消耗而減少，轉發因子受剩余能量項的影響逐漸變大，節點剩余能量成為影響轉發因子取值的主要因素。同時根據節點的剩余能量動態調整距離閾值，既避免了過大的距離閾值導致的數據冗余和能量浪費問題，又避免了網絡中的數據包傳遞率低的問題。因此，綜上所述ES-HH-VBF協議相較于HH-VBF協議的改進可以使網絡能耗更加均衡，并使網絡生存周期延長。

3協議仿真及結果分析

為了驗證ES-HH-VBF協議的性能，本文基于水下傳感器網絡仿真器Aqua-Sim［13，14］對ES-HH-VBF協議和HH-VBF協議進行仿真分析，并且對于ES-HH-VBF協議的轉發因子中的能量系數μ和能量級數β的取值進行了選擇分析。在實際水下網絡部署中由于需求的不同拓撲結構、規模及節點數量不盡相同，本文選取了較為典型的實驗參數進行仿真，基本可以代表實際的水下傳感器網絡狀況。本文實驗選取的通信模型為BPSK模型，數據鏈路層采用BroadcastMac協議，其他仿真參數如表1所示。

本文選取了數據包傳遞率、平均能耗及平均延時這三種網絡性能指標對兩種協議的性能進行了比較分析。數據包傳遞率是目標節點成功接收的數據包總量與源節點發送的數據包總量的比率，式（5）為其計算公式，數據包傳遞率由Dr表示，目標節點成功接收的數據包總量由Nr表示，源節點發送的數據包總量由Ns表示；平均能耗為目標節點成功接收一個數據包的所產生的能量消耗，式（6）為其計算公式，平均能耗由Ea表示，網絡中數據包傳輸所產生的總能量消耗由Ec表示；平均延時是指目標節點成功接收一個由源節點發送的數據包所耗費的時間，式（7）為其計算公式，平均延時由Ta表示，網絡中所有的數據傳輸過程所耗費的總時間由Td表示。

3.1ES-HH-VBF協議轉發因子參數選擇分析

3.1.1能量系數取值對網絡性能影響分析

為了測試ES-HH-VBF協議中轉發因子公式的能量系數μ的不同取值對ES-HH-VBF協議的網絡性能的影響，因此固定能量級數β的取值，使β=1，只改變能量系數μ的值，將能量系數取值為（0.2、0.4、0.6、0.8、1.0、1.2、1.4、1.6、1.8、2.0），其他仿真參數如表1所示。圖4～6分別顯示的是ES-HH-VBF協議的數據包傳遞率、平均時延以及平均能耗隨著能量系數μ的增大的性能變化折線。

由圖4可知，當能量系數μ在0.2～1時，節點的數據包傳遞率變化不大，基本在55%左右變化，當μ=1.2和1.4時，節點的數據包傳遞率達到了最大值57.5%左右，隨著μ的繼續增大，節點的數據包傳遞率開始下降。

圖5是節點的平均時延變化圖，隨著能量系數μ的增加，節點的平均時延呈現出先增加后減小再增加的趨勢，μ取值在0.2～0.8時，節點的平均時延逐漸增大，隨著μ的繼續增加，節點的平均時延開始下降，當μ為1.4時，節點的平均時延達到了最小值1.47s，隨后節點的平均時延便開始逐漸增大。

圖6顯示的是節點的平均能耗隨著能量系數的增加的性能變化，從圖中可以看出隨著能量系數μ的增加，節點的平均能耗呈現出先增大后減小再增大的趨勢，μ=1.2和1.4時節點平均能耗達到了最小值27.5J左右，且μ=1.4時的平均能耗略低于μ=1.2時的平均能耗。

通過上面的分析可知，隨著能量系數μ的增加，協議的網絡性能呈現出不規律的變化，當μ=1.2和1.4時，節點的數據包傳遞率達到最大值，同時節點的平均能耗在μ=1.2和1.4時達到了最小值，又因為在μ=1.4時節點達到最小時延，所以當μ=1.4時，ES-HH-VBF協議的網絡性能達到最優。

3.1.2能量級數取值對網絡性能影響分析

通過上一節的分析可知，當μ=1.4時，協議的網絡性能最好，同樣為了測試能量級數β對網絡性能的影響，因此固定能量系數μ的取值，使μ=1.4，只改變能量級數β的取值，使能量級數β分別取值1、2、3、4，其他仿真參數同樣如表1所示。表2顯示的是ES-HH-VBF協議的數據包傳遞率、平均時延以及平均能耗隨著能量系數β增大的性能變化情況。

如表2所示，節點的數據包傳遞率在β=1時最大，在β=2和4時略低于當β=1時的數據包傳遞率，當β=3時，節點數據包傳遞率最低，但都相差不大；而協議的平均時延和平均能耗均在β=1時最小，而當β=2、3及4時的平均時延以及平均能耗均相差不大。這是因為轉發因子中的能量項底數的值始終小于1，隨著β值增加會越來越小，當β=2時，能量項的值已經很小，當β繼續增大時，相較于β=2時的剩余能量項，能量項減小的值極小幾乎可以略去，所以當β=2、3及4時的平均時延以及平均能耗均相差不大，節點包傳遞率隨著能量級數的增加略有減小但變化不大。

由上可知，隨著能量級數的增加，使得能量項在轉發因子式（3）中的比重變小，因此在轉發數據包的過程中節點的位置信息起主要作用，而節點剩余能量對節點轉發數據包的影響力變小，導致了協議的節能性能下降。因此，在本實驗中當β=1時網絡性能最好。

3.2ES-HH-VBF協議與HH-VBF協議仿真對比分析

通過上節的實驗分析可知，當轉發因子中的能量系數μ=1.4、能量級數β=1時，ES-HH-VBF協議的網絡性能最好，因此在與HH-VBF協議對比的仿真實驗中，μ=1.4，β=1，本實驗的變量為節點發包間隔，取值分別為0.8、0.9、1.0、1.1、1.2、1.3、1.4、1.5、1.6、1.7，ES-HH-VBF協議與HH-VBF協議的其他仿真參數均與表1一致，兩個協議具體的性能對比情況如圖7～9所示。由圖7可知，隨著節點發包間隔的增加，兩個協議的數據包傳遞率呈現出起伏不定的狀態，但從整體上看節點的數據包傳遞率均呈現出上升的趨勢，這是由于隨著節點發包間隔的增加，網絡中數據包數減少，所以數據包之間的碰撞也會減少，使得節點的包傳遞率整體呈現出上升的趨勢。當節點發包間隔為1.1s時，兩個協議的包傳遞率均達到了第一個最大值；節點發包間隔為1.3s時，兩個協議的包傳遞率均達到了最小值；當節點發包間隔大于1.3s后，兩個協議的包傳遞率呈現出增加的趨勢。從總體上看ES-HH-VBF協議的包傳遞率始終高于HH-VBF協議的包傳遞率。

圖8顯示的是改進前后的HH-VBF協議的平均時延對比，兩個協議的平均時延呈現出先降低后增加再減小的趨勢。當節點發包間隔等于1s時，兩個協議的平均時延達到了第一個最小值，隨著節點發包間隔的繼續增加，兩個協議的平均時延開始增加；當節點發包間隔為1.2s時，兩個協議的平均延時均達到了最大值；當節點的發包間隔在1.2～1.4s時，兩個協議的平均延時開始下降；節點的發包間隔為1.4～1.7s時，HH-VBF協議的平均時延在0.9s左右變化，但變化幅度不大，ES-HH-VBF協議的平均時延在0.8s左右變化，同樣變化不大。從整體上看，ES-HH-VBF協議的平均時延始終低于HH-VBF協議的平均時延。

圖9顯示的是兩個協議隨著節點發包間隔增加的平均能耗對比曲線，由圖9可知，隨著節點發包間隔的增加，兩個協議的平均能耗均呈現出了先減小后增大再減小最后趨于平穩的狀態。當節點發包間隔在0.8～1s時，兩個協議的平均能耗呈現出下降趨勢，節點發包間隔為1s時，兩個協議的平均能耗同時達到了第一個最小值；隨后兩個協議的平均能耗呈現出上升趨勢，在節點的發包間隔為1.3s時，兩個協議的平均能耗均達到了最大值，當節點的發包間隔在1.4～1.7s時，兩個協議的平均能耗呈現出較為穩定的狀態，兩者的平均能耗變化幅度均不大。從整體上看，ES-HH-VBF協議的平均能耗較為明顯地低于HH-VBF協議的平均能耗。

3.3ES-HH-VBF協議與RHH-VBF協議仿真對比分析

除了與原HH-VBF協議進行了網絡性能的對比，本文還與RHH-VBF協議［15］進行了網絡性能對比分析。在設置了與文獻［15］相同的實驗參數，以數據包大小為變量的基礎上，通過仿真實驗進行了兩種協議的網絡性能對比分析。由文獻［15］可知，隨著數據包大小的增加，RHH-VBF協議的數據包傳遞率穩定在74%～76%，成功傳輸每字節的能耗在1.0～2.6J變化；而通過仿真實驗可知，ES-HH-VBF協議的數據包傳遞率穩定在78%～80%，略高于RHH-VBF協議的數據包傳遞率，同時ES-HH-VBF協議成功傳輸每字節的能耗在0.7～1.3J變化，其平均能耗明顯低于RHH-VBF協議的平均能耗。

4結束語

為了解決水聲傳感器網絡中的通信能耗高、能量受限及傳輸時延長的問題，本文基于HH-VBF協議，提出一種基于矢量轉發的節能型水聲傳感器網絡路由協議——ES-HH-VBF協議。該協議在保留了將下一跳節點的位置信息作為計算節點轉發因子的參考值的基礎上，引入了節點剩余能量改進節點轉發因子的計算方式，并將預設的最小距離閾值由原來的固定值改為根據節點剩余能量變化的動態值，從而達到節約網絡能量開銷、降低時延以及動態控制數據冗余的作用。通過對ES-HH-VBF協議和HH-VBF協議的仿真實驗分析可知，在相同的實驗條件下，ES-HH-VBF協議的網絡性能明顯優于HH-VBF協議的性能。因此ES-HH-VBF協議在能量均衡方面的改進確實起到了節約網絡能量開銷、降低數據傳輸時延和提高數據包傳遞率的作用。目前對ES-HH-VBF協議的性能分析尚不夠完善，未來將會在不同的實驗環境下對ES-HH-VBF協議的網絡性能進行進一步的研究及探討，并將與其他改進的HH-VBF協議繼續進行網絡性能的對比與分析，同時考慮協議是否還有其他方面的改進空間。

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