一種水下無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)中節(jié)能跨層路由協(xié)議

高 玲，鄭興旺，2，陳 彭，楊光松，陳朝陽(yáng)

(1.集美大學(xué)信息工程學(xué)院，福建 廈門 361021;2.集美大學(xué)誠(chéng)毅學(xué)院，福建 廈門 361021)

0 引言

隨著人類對(duì)海洋資源的不斷探索、開發(fā)和利用，對(duì)海洋環(huán)境下信息交流產(chǎn)生了巨大需求.水下無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò) (Underwater Wireless Sensor Network，UWSN)[1]在海洋資源探測(cè)和海洋信息獲取等方面的重要應(yīng)用得到了世界各國(guó)的廣泛關(guān)注.由于水下環(huán)境的特殊性，在水下環(huán)境中工作的節(jié)點(diǎn)一般采用電池供電，電池的更換非常困難，能量問(wèn)題直接影響著整個(gè)傳感網(wǎng)絡(luò)的壽命.能量消耗不僅與傳感節(jié)點(diǎn)物理電路特性有關(guān)，也與協(xié)議設(shè)計(jì)有關(guān).在節(jié)點(diǎn)資源受限的情況下，如何及時(shí)、高效地將數(shù)據(jù)傳送給sink節(jié)點(diǎn)，需要設(shè)計(jì)節(jié)能高效的路由協(xié)議.UWSN常用的節(jié)能路由協(xié)議有DFR(Directional Flooding-based Routing)、VBF(Vector-Based Forwarding)、FBR(Focused Beam Routing)等[2].DFR 協(xié)議[3]使用區(qū)域洪泛機(jī)制，洪泛區(qū)取決于源節(jié)點(diǎn)、宿節(jié)點(diǎn)和當(dāng)前轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)的角度等，它主要根據(jù)鏈路質(zhì)量來(lái)限制轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)，但仍然不能有效避免冗余包的轉(zhuǎn)發(fā).VBF協(xié)議[4]是一個(gè)基于矢量的轉(zhuǎn)發(fā)算法，路徑被指定為一個(gè)路由矢量，靠近路由矢量的節(jié)點(diǎn)將會(huì)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包.這種協(xié)議傳送成功率高，端對(duì)端延遲低，但是需要用戶事先確定路由“管道”半徑，運(yùn)行不便.FBR協(xié)議[5]在選擇下一跳節(jié)點(diǎn)時(shí)，需要知道源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)的具體位置信息，以源節(jié)點(diǎn)為中心的一個(gè)弧度內(nèi)向目的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信，這種協(xié)議的優(yōu)點(diǎn)是可以根據(jù)兩節(jié)點(diǎn)間距離分配不同的發(fā)送功率，從而節(jié)省能量，但是需要發(fā)送RTS、CTS包進(jìn)行信息的交換，引起過(guò)度的延遲.同時(shí)這種協(xié)議在網(wǎng)絡(luò)稀疏時(shí)，不得不多次擴(kuò)大弧度的大小尋找下一跳轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn).本文提出了一種能量有效的路由協(xié)議，不需要知道全局節(jié)點(diǎn)的位置信息，通過(guò)適當(dāng)?shù)男畔⒔粨Q，分布式地獲取鄰居節(jié)點(diǎn)信息.利用跨層的思想，根據(jù)反饋信息分配不同的功率級(jí)，通過(guò)控制發(fā)射功率的大小來(lái)完成節(jié)點(diǎn)的通信.

1 總距離一定時(shí)最優(yōu)能量跳距

1.1 水聲信道傳輸損耗模型

1.1.1 被動(dòng)聲吶方程

在水聲信道中，根據(jù)被動(dòng)聲吶方程，當(dāng)發(fā)射端發(fā)射信號(hào)強(qiáng)度為SL時(shí)，接收端需要克服信道衰落和環(huán)境噪聲的影響，為了正常通信，接收端收到的信號(hào)噪聲比必須大于設(shè)定的門限閾值DT，需要滿足以下條件[6]:

其中:DT是檢測(cè)閾值;TL是水下環(huán)境引起的傳輸損耗;NL是來(lái)自接收機(jī)和環(huán)境的噪聲;DI是方向性指數(shù)．式 (1)中的所有單位均是 dB re μPa，1 μPa的參考值等效于0.67×10-22W/cm2，即1 μPa=0.67*10-18W/m2.

1.1.2 傳輸損耗和源級(jí)的關(guān)系

傳輸損耗TL可定義為聲強(qiáng)度從源處以聲壓力波方式向外傳播時(shí)聲信號(hào)強(qiáng)度的衰減值.如果把距離聲源中心的1 yard(1 yard=0.9144 m)處信號(hào)強(qiáng)度I0作為基本參考點(diǎn)，把I1作為距離聲源處r位置的聲強(qiáng)度，則從聲源處傳播到r處節(jié)點(diǎn)的傳輸損耗

聲源級(jí)SL[6]的定義為以分貝的形式表示的輻射聲信號(hào)強(qiáng)度，它的大小等于距聲波中心1 yard處的信號(hào)強(qiáng)度:

則TL和SL的關(guān)系為:

式 (4)中變量單位均為dB re μPa，

1.1.3 能量消耗

在水聲信道中，對(duì)于球形傳播模型，距離r處的傳輸損耗TL[6]表達(dá)式為:

其中:α表示吸收系數(shù)，單位為dB/km;A表示由于水下傳播異常引起的傳輸損耗，單位為dB;r表示傳播范圍，單位為yards.

多普勒頻率吸收系數(shù)[7]可以用Throp方程表示為:

其中f單位為kHz.

根據(jù)式 (4)，得出傳播到r時(shí)聲信號(hào)強(qiáng)度I1[6]表達(dá)式為:

如果傳感器節(jié)點(diǎn)與距離r處節(jié)點(diǎn)通信，則每個(gè)節(jié)點(diǎn)需要的發(fā)射功率P[6]為:

在水聲信道中，為保證距離r處的正常通信，每個(gè)節(jié)點(diǎn)的耗能為:

其中:Et為發(fā)送耗能，表示在Ttx時(shí)間內(nèi)發(fā)射k個(gè)數(shù)據(jù)包所消耗的能量;Er為接收耗能，這里取為50 nJ[8]，單位均為焦耳.

1.2 最優(yōu)能量跳距

在一個(gè)由N+1個(gè)節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的等距的N跳鏈狀拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)中，假設(shè)源宿節(jié)點(diǎn)間總距離為dtotal，要把數(shù)據(jù)從源節(jié)點(diǎn)通過(guò)中繼節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)的方式發(fā)送到目的節(jié)點(diǎn)，則每一跳 (中繼距離為dtotal/N)需要的發(fā)射功率為Pi=4π(dtotal/N)2Ii，通過(guò)N跳中繼節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)到目的節(jié)點(diǎn)后消耗的總能量為:

其中:k為發(fā)送的數(shù)據(jù)分組數(shù).當(dāng)源宿節(jié)點(diǎn)之間的總距離dtotal一定時(shí)，則通過(guò)N跳中繼節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)之后消耗的總能量E可以看成跳數(shù)N的函數(shù)．因此，要使N跳轉(zhuǎn)發(fā)后消耗總能耗最小，需要滿足:

于是可以求出最優(yōu)跳數(shù)Nopt，使信息通過(guò)N跳轉(zhuǎn)發(fā)后消耗的總能量最?。畧D1為k=1，發(fā)射頻率f=10 kHz，發(fā)送時(shí)間為Ttx=40 ms時(shí)，不同的總距離dtotal時(shí)，跳數(shù)與總能耗的關(guān)系圖.由圖1可見，總距離變化時(shí)，源宿節(jié)點(diǎn)間的最優(yōu)跳數(shù)是變化的，當(dāng)總路徑長(zhǎng)度一致時(shí)，一定存在一個(gè)最優(yōu)的跳數(shù)，此時(shí)在路徑上消耗的總能量最小.

圖1 路徑能量消耗和跳數(shù)的關(guān)系Fig.1 Relationship between energy consumption and hop numbers

2 UWSN中節(jié)省能量的路由協(xié)議

本文提出協(xié)議的主要目標(biāo)是保持能量的有效性，基于跨層的思想，在物理層，根據(jù)節(jié)點(diǎn)收到的反饋信息和最優(yōu)跳距等信息來(lái)分配不同的發(fā)射功率，在網(wǎng)絡(luò)層，通過(guò)尋找與最優(yōu)路徑接近的點(diǎn)作為下一跳節(jié)點(diǎn).

假設(shè)節(jié)點(diǎn)被隨機(jī)分配到以SINK節(jié)點(diǎn)為中心的區(qū)域內(nèi)，每一節(jié)點(diǎn)在配置時(shí)只知道自己的坐標(biāo)位置，并且能夠調(diào)整自己的發(fā)射功率，能夠通過(guò)接收源節(jié)點(diǎn)信號(hào)來(lái)估算節(jié)點(diǎn)間距離.協(xié)議的工作過(guò)程主要分為以下兩個(gè)階段.

1)初始化階段 首先SINK節(jié)點(diǎn)以最大功率向管轄區(qū)域內(nèi)的節(jié)點(diǎn)發(fā)送廣播包 (它包括SINK本身的位置信息)，收聽到這個(gè)廣播包的節(jié)點(diǎn)i，可以估算自己到SINK的距離di－sink.這是因?yàn)?，在公?1)中，由于已知SNR和SL，可以求得TL，然后根據(jù)公式 (5)，便可以估算接收點(diǎn)和發(fā)射點(diǎn)之間的距離.在實(shí)際應(yīng)用中，由于涉及更復(fù)雜的信道參數(shù)，可以參考文獻(xiàn) [9-10]等的距離估算方法進(jìn)行精確定位.于是區(qū)域內(nèi)的所有節(jié)點(diǎn)都知道了自己到SINK的距離.根據(jù)1.2節(jié)的方法，每個(gè)節(jié)點(diǎn)可以計(jì)算自己和SINK節(jié)點(diǎn)之間的最優(yōu)跳距、跳數(shù)等信息，從而知道了自己到SINK的理想的最優(yōu)路徑，通過(guò)節(jié)點(diǎn)nodei-1'，nodei-2'…逐跳中繼到達(dá)SINK節(jié)點(diǎn).

在實(shí)際場(chǎng)景中，節(jié)點(diǎn)一般都是隨機(jī)分布，因此不一定能找到理想的最優(yōu)路徑，但是，可以參考文獻(xiàn)[11]，分析理想最優(yōu)路徑的方法，找到與理想的中繼節(jié)點(diǎn)最近的節(jié)點(diǎn)作為下一跳節(jié)點(diǎn)，從而得到能量次優(yōu)的有效路徑.

2)路由尋找階段 如果某節(jié)點(diǎn)S需要傳送信息到SINK，首先根據(jù)步驟1)可以確定一條到SINK的理想路徑.但實(shí)際節(jié)點(diǎn)位置與理想路徑存在差異，根據(jù)筆者提出的路由協(xié)議的方法，即通過(guò)尋找一個(gè)最接近理想位置的節(jié)點(diǎn)作為下一跳節(jié)點(diǎn).

首先節(jié)點(diǎn)S將以得到的最優(yōu)跳距大小的功率向四周發(fā)送一個(gè)廣播包，其中包含了理想狀態(tài)下的最優(yōu)下一跳中繼節(jié)點(diǎn)nodei-1和自己的位置信息.例如，圖2中，在以S為中心的圓內(nèi)有B、C、A三個(gè)節(jié)點(diǎn)，當(dāng)節(jié)點(diǎn)A接收到S節(jié)點(diǎn)發(fā)送的廣播包后，會(huì)根據(jù)自己的坐標(biāo)信息進(jìn)行計(jì)算，如果節(jié)點(diǎn)A到sink的距離滿足dA-SINK〈dS-SINK，則向節(jié)點(diǎn)S發(fā)送ACK信息.同理B、C節(jié)點(diǎn)也會(huì)向S發(fā)送ACK信息，然后根據(jù)B、C、A的坐標(biāo)信息，可以計(jì)算一個(gè)與nodei-1最近的節(jié)點(diǎn)，作為下一跳節(jié)點(diǎn).重復(fù)這一過(guò)程，直到到達(dá)SINK節(jié)點(diǎn)的所有中繼節(jié)點(diǎn)都被選出.當(dāng)最優(yōu)路徑建立完畢，進(jìn)入數(shù)據(jù)傳送過(guò)程.如果S沒(méi)有收到任何回復(fù)信息，說(shuō)明區(qū)域內(nèi)沒(méi)有符合條件的節(jié)點(diǎn)，將功率增大一倍繼續(xù)執(zhí)行以上過(guò)程.

圖2 路由尋找示意圖Fig.2 Diagram of route-finding

3 仿真與評(píng)估

3.1 仿真參數(shù)設(shè)置

[4-7]，進(jìn)行仿真參數(shù)設(shè)置.在1000 m*1000 m的二維水聲環(huán)境中，采用1.1節(jié)描述的信道衰落模型，節(jié)點(diǎn)采用格形分布和隨機(jī)分布的方式在場(chǎng)景中布置.在接收端，假設(shè)接收端正確接收信號(hào)的SNR門限為20 dB，由于受航行活動(dòng)、風(fēng)級(jí)、生物噪聲、海洋地震等的影響，將噪聲電平NL大小設(shè)置為50 dB，不考慮天線指向性的影響，將DI設(shè)為零.設(shè)置發(fā)射頻率為10 kHz，發(fā)送一個(gè)分組的時(shí)間為40 ms.

3.2 評(píng)估結(jié)果

3.2.1 格型場(chǎng)景

圖3中顯示的是在二維區(qū)域1000 m*1000 m范圍內(nèi)，在正方形網(wǎng)格上分布的任意兩節(jié)點(diǎn)距離均為100 m的100個(gè)節(jié)點(diǎn)，其中第31號(hào)節(jié)點(diǎn)作為源節(jié)點(diǎn)，向100號(hào)目的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行找路的過(guò)程，其中，實(shí)線代表的是本文提出的路由協(xié)議的通信路徑，虛線代表采用FBR協(xié)議時(shí)候的通信路徑.每一個(gè)仿真點(diǎn)運(yùn)行20次，取其平均值.

圖4所示為格型場(chǎng)景中，在X、Y軸方向平均分布5至10個(gè)節(jié)點(diǎn)，其左下角為源節(jié)點(diǎn)，右上角為宿節(jié)點(diǎn)，由源節(jié)點(diǎn)向宿節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信時(shí)，各種路由協(xié)議的能耗對(duì)比圖.由圖4可見，本文提出的協(xié)議以及FBR協(xié)議比VBF協(xié)議更優(yōu).這是因?yàn)?，?duì)于VBF協(xié)議，其發(fā)射功率是一定的，在節(jié)點(diǎn)密度為49時(shí)，其通信跳數(shù)為6跳，因而能耗最大.DFR協(xié)議以基本角度為度量來(lái)選擇路徑，由于沒(méi)有采用功率控制，其耗能處略好于VBF協(xié)議.對(duì)于FBR協(xié)議，在節(jié)點(diǎn)密度低時(shí)，其能耗性能略好于本文所提的協(xié)議.這是因?yàn)椋?jié)點(diǎn)稀疏時(shí)，離最優(yōu)中繼節(jié)點(diǎn)較遠(yuǎn)，因此能耗較高.但隨著節(jié)點(diǎn)密度升高，可以更容易在最優(yōu)中繼節(jié)點(diǎn)附近找到實(shí)際的中繼節(jié)點(diǎn)，因此能耗出現(xiàn)下降的趨勢(shì).

3.2.2 隨機(jī)場(chǎng)景

在實(shí)際的應(yīng)用中，節(jié)點(diǎn)都是被隨機(jī)分配到指定的區(qū)域，通過(guò)節(jié)點(diǎn)間協(xié)作來(lái)獲得想要的信息，但是很多情況下，節(jié)點(diǎn)的分布密度都是隨機(jī)的.

首先研究在1000 m*1000 m的區(qū)域中，在節(jié)點(diǎn)隨機(jī)均勻分布的情況下，改變節(jié)點(diǎn)分布密度時(shí)，三種路由協(xié)議消耗能量的對(duì)比圖.從圖5中可以看出，在節(jié)點(diǎn)隨機(jī)均勻分布的情況下，VBF協(xié)議的能耗始終最大，DFR協(xié)議和FBR協(xié)議消耗的能量其次，而本文提出的協(xié)議消耗能量最小，且隨著節(jié)點(diǎn)密度的增加，F(xiàn)BR協(xié)議和本文提出的協(xié)議能耗都逐漸減小，最終趨于穩(wěn)定，通過(guò)比較分析，本文提出的協(xié)議在隨機(jī)均勻分布情況下，性能最優(yōu).

圖3 格型場(chǎng)景中不同路由協(xié)議的選路圖Fig.3 Path selection of different routing protocols in grid scenario

圖4 格型場(chǎng)景中不同路由協(xié)議的能耗Fig.4 Energy consumption of different routing protocol in grid scenario

實(shí)際應(yīng)用中，節(jié)點(diǎn)不一定是均勻分布的，有些區(qū)域密度大，而有些區(qū)域密度小.圖6是當(dāng)節(jié)點(diǎn)在隨機(jī)非均勻分布情況下，三種協(xié)議的能耗對(duì)比.由圖6可見，節(jié)點(diǎn)在隨機(jī)非均勻分布時(shí)，F(xiàn)BR協(xié)議和本文提出的協(xié)議隨著節(jié)點(diǎn)密度的增加，能耗逐漸減少，最后趨于穩(wěn)定，但本文提出的協(xié)議能耗始終比FBR協(xié)議能耗小.這是由于VBF協(xié)議發(fā)射功率一定，當(dāng)源宿節(jié)點(diǎn)間距離確定時(shí)，它的跳數(shù)變化很小，而能耗的大小與跳數(shù)有關(guān)，因此能耗在一定范圍內(nèi)變化.DFR協(xié)議在節(jié)點(diǎn)密度小時(shí)，由于節(jié)點(diǎn)分布不均勻時(shí)會(huì)產(chǎn)生空穴問(wèn)題，因而耗能較大，在節(jié)點(diǎn)密度增大時(shí)，耗能有所改善.FBR協(xié)議采用了不同的發(fā)射功率級(jí)發(fā)射，其性能得到不同程度的改善.本文提出協(xié)議，在理想節(jié)點(diǎn)附近尋找次優(yōu)節(jié)點(diǎn)，其能量有效性比FBR協(xié)議略高.

4 結(jié)論

本文基于水下信道模型，證明了總距離一定時(shí)，從源節(jié)點(diǎn)經(jīng)多跳轉(zhuǎn)發(fā)到宿節(jié)點(diǎn)時(shí)，存在能量最優(yōu)跳數(shù)，利用跨層設(shè)計(jì)的思想，提出了一種能量有效的跨層路由協(xié)議，源節(jié)點(diǎn)通過(guò)接收SINK節(jié)點(diǎn)的廣播信息計(jì)算自己到SINK的理想路徑，通過(guò)交換鄰居信息來(lái)選擇下一跳鄰居節(jié)點(diǎn).本文協(xié)議不需要知道全局信息，可以在尋路過(guò)程中分步地執(zhí)行.仿真結(jié)果證明，在節(jié)點(diǎn)疏密不同的場(chǎng)景中，本文所提協(xié)議優(yōu)于FBR協(xié)議和VBF協(xié)議.本文所提的協(xié)議是在節(jié)點(diǎn)靜止的前提下進(jìn)行研究的，當(dāng)節(jié)點(diǎn)位置動(dòng)態(tài)變化時(shí)，交換鄰居節(jié)點(diǎn)信息的過(guò)程中，會(huì)增加一定的通信負(fù)荷，能耗也會(huì)增高，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的傳輸速率會(huì)有所降低.如何在節(jié)點(diǎn)動(dòng)態(tài)變化時(shí)保證網(wǎng)絡(luò)性能，將是本課題組下一步研究的方向.

圖5 隨機(jī)均勻分布場(chǎng)景的能耗Fig.5 Energy consumption when nodes are randomly distributed

圖6 節(jié)點(diǎn)非均勻隨機(jī)分布場(chǎng)景的能耗Fig.6 Energy consumption in randomly and unevenly scenario

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