一種水下傳感器網絡移動環境下高效節能的路由協議?

袁登會

（中國石油大學（華東）計算機科學與技術學院 青島 266580）

1 引言

隨著建設海洋強國的重大國家戰略的推進，目前面向海洋開發利用的智慧海洋及透明海洋研究的廣度與深度不斷加強。水下傳感器網絡中，節點通過水聲信號通信，路由協議實現了將數據包從源節點經過多跳轉發到目標節點的功能。但由于水下環境復雜，網絡拓撲多變，水聲通信存在高時延、高動態、高衰減、低帶寬、水下節點能量有限等問題，很多在無線通信中經常使用的路由協議，在水聲通信領域都無法實現預期的性能。

針對Ad Hoc 網絡中由于節點移動性和能量約束而導致的頻繁鏈路中斷和節點死亡問題。文獻［1］提出了一種基于地理位置的能量和移動性貪心周界無狀態路由（EM-GPSR）能量均衡路由算法，將正進展區域劃分為4 個子區域。根據源節點與目標節點之間的歐式距離以及節點的剩余能量，在候選子區域中選擇下一跳節點。文獻［2］提出一種基于權值函數的GPSR-W 協議。在數據傳輸過程中，考慮了相鄰船舶的航行方向、鏈路風險、相鄰船舶密度和鄰近度等因素。

文獻［3］提出一種基于鄰節點篩選的GPSR-NS 協議。預測鄰節點當前位置并運用空洞節點篩選機制，降低空洞出現的機率。文獻［4］提出一種切線切換路由空洞處理算法（GTSR）。實時在關鍵節點從周邊恢復算法轉換為貪婪算法轉發數據包。文獻［5］提出了一種基于無跡卡爾曼濾波預測周邊節點鄰居的方法（GPSR-RLP）。文獻［6］在GPSR協議的基礎上引入速度矢量對中繼節點選擇方法進行優化。

在機會路由［7］協議中，候選項的選擇通常基于地理信息或網絡拓撲。基于矢量的轉發（VBF）［8］是第一個為基于坐標信息的無線傳感器網絡開發的機會路由協議。自適應逐跳矢量轉發（AHHVBF）［9］通過動態調整每個轉發區域解決了水下稀疏網絡中的冗余傳輸問題。文獻［10］提出了一種編碼感知的水下無線傳感器網絡的機會路由方法（CORS），使用拓撲信息自適應地擴展候選集?；谏疃鹊穆酚桑―BR）［11］是一種典型的基于接收端的機會路由協議，它使用深度信息來選擇候選集。EEDBR［12］在候選集選擇過程中考慮了剩余能量，這在降低分組投遞率的同時優化了網絡壽命。

移動自組網［13］是一種自組織的網絡。它不需要基礎設施的支持。文獻［14］提出了一種改進的AOMDV協議，在路由發現階段，選擇最先到達的一條路徑作為主路徑進行傳輸數據，再選擇一條路徑作為備份路徑。

EEGPSR 協議在原有GPSR 路由協議的基礎上進行改進，通過選擇鄰近節點方向、鄰居節點與目的節點的相對距離等兩個指標對鏈路質量進行評價，對GPSR 路由協議的周邊轉發過程進行有效的改進，基于權值函數選取最優周邊轉發節點；其次，設置空洞標記，當節點陷入路由空洞時，此節點的空洞標記加1，當標記大于10 后，該節點不再作為中繼節點，可以有效地解決路由空洞問題。

2 網絡模型與能耗模型

建立水下傳感器網絡，設置大量的移動傳感器節點，節點應用OPNET 中的Random Way Point 移動模型。同時，不考慮水面設置聲納浮標或聲納匯聚節點，節點處于相同的水平面。所有節點在能量消耗和傳輸范圍方面都是相同地位。

對于能耗模型，只考慮數據包發送與接收所消耗的能量。此外，發送數據包的過程中。傳輸k bit所消耗的能量［15］可表示為

OPNET采用的14個管道階段對于水聲信道并不適用。重新設計水聲信道模型［16］如下。

1）傳播時延：不再選取固定的聲速經驗值采用更精確的經驗計算公式如式（4）所示：

式中，T為溫度，S為鹽度千分數，D為深度。

2）接收功率：傳播損失TL的計算公式如下：

其中α為吸收因子，單位為dB/km，取值為

3）背景噪聲：由Wenz模型進行描述，即

式（7）中，NLT、NLS、NLW與NLT?分別是湍流噪聲、航運噪聲、海面噪聲與熱噪聲［17］?？傇肼暠硎緸?/p>

3 提出的協議

在本節中，給出了所提出的UWSN中的路由協議EEGPSR。

3.1 鄰居信息的獲取

GPSR周期性地向鄰居節點發送信標（Beacon）［18］信號得到鄰居節點信息。Beacon 中包含節點標識和節點位置信息。在［0.5B，1.5B］上服從均勻分布隨機選取信標發送間隔。通過該方法，可以有效地降低多個鄰居節點同時發送Beacon 沖突。同時，檢測到鄰居節點遠離或新節點加入。

3.2 基于權值函數改進的水聲自組網GPSR 路由協議

1）鄰近節點方向

如圖1所示，A為當前節點，B是A的鄰居節點，D 為目的節點。通過計算中繼節點、鄰居節點以及目的節點之間夾角的余弦值hi作為衡量指標的一項標準。

圖1 鄰近節點位置

2）鄰居節點與目的節點的相對距離

d 為鄰居節點與目的節點的距離，threshold_distance 表示的是當前節點與目的節點的歐式距離。

最終，構造當前節點的下一跳中繼節點的權值函數為

對此進行了眾多仿真實驗，獲取最優的權重為a=0.43，b=0.57。

3.3 基于權值函數優化的EEGPSR路由協議的技術路線圖

算法流程如圖2所示。

圖2 EEGPSR協議的算法流程圖

4 仿真結果與分析

使用OPNET 對GPSR、EEGPSR 進行仿真。比較了該策略與GPSR 地理路由算法的性能，以及該策略在不同移動速度下的性能。仿真參數設置如表1。

表1 仿真參數

圖3 顯示了兩種路由協議在不同網絡節點數下的數據包成功投遞率。隨著節點密度的增加，數據包成功投遞率增加。由于GPSR 只采用貪婪轉發，所以GPSR 的包分發率是最低的，而且所選鏈路的穩定性不如EEGPSR 算法。其中，EEGPSR 的包成功率最高。這是因為EEGPSR 將節點的移動性作為首要考慮因素，并且考慮了鄰居節點的密度，從而提高了鏈路的穩定性及數據包傳送率。

圖3 數據包成功投遞率1

圖4顯示了GPSR，EEGPSR路由算法的端到端時延與節點移動速度之間的關系。節點移動速度從0.5 m/s 增加到1.2 m/s 時，端到端延遲發生了對應的提高。這是因為當節點具有移動性時，鄰居節點獲得的路由信息可能會過時，節點必須重新發現路由才能進行數據傳輸。而當移動速度越快，下一跳節點越容易脫離出當前節點的轉發范圍，此時數據重傳的幾率大大增加。

圖4 端到端時延

圖5為GPSR，EEGPSR路由協議在不同移動速度下的數據包成功傳遞率。節點移動速度從0.5 m/s 增加到1.2 m/s 時，包成功傳遞率降低。這是因為當節點具有移動性時，鄰居節點獲得的路由信息可能會過時，而當移動速度越快，下一跳節點越容易脫離出當前節點的轉發范圍，從而發生鏈路中斷現象，此時路由空洞出現的幾率大大增加。

圖5 數據包成功投遞率2

圖6為GPSR，EEGPSR路由協議在不同節點通信范圍下的能量消耗。從圖中可以看出，節點通信范圍從400 m 增加到800 m 時，能量消耗降低。這是因為隨著節點通信范圍的提升，逐漸降低了由于某些節點通信半徑過小不足以尋找到下一跳中繼節點而造成路由空洞的風險，從而減少數據包的多次重傳問題、造成多次能量消耗。

圖6 能量消耗

5 結語

為了解決水聲自組織網絡中由于節點移動和能量約束引起的頻繁鏈路中斷和節點死亡問題，提出了一種基于地理位置的高效節能的路由算法EEGPSR。傳統的地理路由算法沒有充分考慮能源消耗的不平衡造成的連續運動和能量約束的節點，而該算法考慮了節點的移動性、節點的能量狀態，同時考慮限制單跳轉發區域來選擇下一跳。仿真結果表明，該算法具有較低的能量消耗、較低的端到端時延、較高的數據包成功投遞率，能有效規避路由空洞的發生。