基于E-DSDV協(xié)議的水下電場通信組網(wǎng)設(shè)計與實現(xiàn)

劉銳軍，孟 俊，劉書敏

（河北建材職業(yè)技術(shù)學院，河北 秦皇島 066004）

0 引 言

目前，水下組網(wǎng)技術(shù)基本都是基于水聲通信實現(xiàn)的[1]。但由于水聲通信的固有特性，尚未出現(xiàn)與小型水中機器人相結(jié)合的水聲通信組網(wǎng)應用，因此采用水下電場通信與水中機器人技術(shù)相結(jié)合的水下組網(wǎng)方法，這是一種潛在研究方向[2]。充分考慮了水中機器人的機動性和自組網(wǎng)的靈活性，網(wǎng)絡(luò)中每個水中機器人（節(jié)點）的功能一致，地位平等[3]。

1 水下電場通信動態(tài)組網(wǎng)協(xié)議設(shè)計

1.1 水下電場通信動態(tài)組網(wǎng)協(xié)議原理

增強型目的序列距離矢量（Enhance-Destination Sequenced Distance Vector，E-DSDV）路由協(xié)議中，每個節(jié)點需要建立和維護一張路由表，路由表中存儲路由信息。與目的序列距離矢量（Destination Sequenced Distance Vector，DSDV）路由協(xié)議所不同的是，E-DSDV協(xié)議能夠?qū)⑹瞻l(fā)端實時檢測的電壓信號及時轉(zhuǎn)換成與鄰居間的距離信息，同時將鄰居間的距離信息轉(zhuǎn)換成協(xié)議中所需要的序列號[4]。

1.1.1 路由建立與維護

基于水下電場通信的E-DSDV協(xié)議要求每個節(jié)點保存路由表。節(jié)點間通過周期性地發(fā)布路由更新分組來交互路由信息，以保證路由表的準確性[5]。路由的更新遵循以下兩個原則：一是比較該更新分組中攜帶的路由信息和節(jié)點存儲的路由條目，如果節(jié)點收到的路由序列號大于路由表中存儲的路由條目序列號時，將會更新自己路由表中的舊路由信息，采用更新后的路由而刪除原先存儲的舊序列號的路由；二是如果更新分組中路由的序列號與現(xiàn)存路由的序列號相同，網(wǎng)絡(luò)將會比較在相同序列號下節(jié)點的度量（跳數(shù)）大小，最終會選擇度量較小的節(jié)點，以此來更新路由信息，同時會刪除舊的路由表。

1.1.2 路由更新方式

更新方式有兩種方式，一種是部分數(shù)據(jù)分組更新，由于E-DSDV是根據(jù)實時采集電壓來獲得鄰居信息，因此根據(jù)接收到的電壓值更改數(shù)據(jù)電壓。另一種是完全更新，該更新方式包含了節(jié)點路由表的所有信息。節(jié)點在網(wǎng)絡(luò)中會優(yōu)先選取序列號較大的路由，如果兩個路由具有相同的序列號，源節(jié)點到目的節(jié)點將會選擇跳數(shù)較少的鏈路。

1.2 協(xié)議中序列號的確定

對數(shù)據(jù)進行分析，從而得到序列號的值。圖1表示了水下電場通信接收端接收到的電壓與通信距離的關(guān)系，其中d表示水下電場通信距離，Ud表示通信范圍內(nèi)對應的接收電壓[6]。經(jīng)過數(shù)據(jù)擬合處理得到了通信距離與接收電壓關(guān)系式為：

圖1 接收電壓與通信距離擬合曲線

在水下電場通信E-DSDV協(xié)議中，節(jié)點每移動一個單位節(jié)點將會增加兩個序列號值，圖2展示了正常通信時序列號的分布情況[7]。當節(jié)點出現(xiàn)故障無法正常通信時，節(jié)點的序列號會增加1。在水下電場通信E-DSDV中，奇數(shù)序列號表示節(jié)點無法正常通信，同時也會將到達該節(jié)點的跳數(shù)設(shè)置為無窮大。由E-DSDV協(xié)議原理可知，路由選擇優(yōu)先會選擇序列號大的節(jié)點作為下一跳節(jié)點，如果通信鏈路中某個節(jié)點序列號變成奇數(shù)，則不能進行通信，從而避免了路由環(huán)路現(xiàn)象的產(chǎn)生。

圖2 通信序列號的分布

2 水下電場通信的動態(tài)組網(wǎng)仿真與實驗

2.1 水下電場通信動態(tài)網(wǎng)絡(luò)仿真

本實驗主要應用NS2軟件進行仿真實驗。NS2軟件是指一種針對網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的模擬軟件，是一種面向?qū)ο蟮木W(wǎng)絡(luò)仿真器[8]。主要針對移動網(wǎng)絡(luò)仿真，如網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議、路由隊列管理機制以及路由算法等[9]。對設(shè)計的網(wǎng)絡(luò)進行了仿真測試，圖3展示了NS2軟件仿真結(jié)果，仿真環(huán)境參數(shù)和實驗環(huán)境參數(shù)設(shè)置相同[10]。實驗環(huán)境的長度為300 mm，寬度為200 mm，A、B、C、D表示通信節(jié)點，箭頭表示數(shù)據(jù)鏈路。圖3（a）表示節(jié)點在初始狀態(tài)時各節(jié)點的拓撲結(jié)構(gòu)，同時也展示了各節(jié)點通信鏈路情況，圖3（b）表示在第二種拓撲結(jié)構(gòu)下各節(jié)點的通信鏈路情況，圖3（c）表示第三種拓撲結(jié)構(gòu)下的各節(jié)點通信鏈路情況。

圖3 仿真結(jié)果

2.2 水下電場通信動態(tài)組網(wǎng)實驗

結(jié)合仿真數(shù)據(jù)進行了實驗驗證，如圖4所示，分別展示了每個狀態(tài)下節(jié)點布置情況，同時標出了數(shù)據(jù)鏈路的通信情況。

圖4 網(wǎng)絡(luò)初始狀態(tài)拓撲結(jié)構(gòu)

圖4（a）展示了初始狀態(tài)各節(jié)點部署情況，表1為網(wǎng)絡(luò)初始狀態(tài)路由表，其中包含接收的目的節(jié)點（Dest）、下一個鄰居節(jié)點（Next），到達目的節(jié)點需要的跳數(shù)（Metric）以及目的節(jié)點的序列號值（Seq），A、B、C、D分別表示路由節(jié)點。當路由表創(chuàng)建完成后，由節(jié)點A向其他3個節(jié)點發(fā)送指令，讓其按照預設(shè)的運動軌跡進行移動。

表1 網(wǎng)絡(luò)初始狀態(tài)路由表

圖4（b）展示了網(wǎng)絡(luò)第一次變更后的拓撲結(jié)構(gòu)，根據(jù)仿真實驗效果實現(xiàn)由節(jié)點A向節(jié)點C發(fā)送消息，此過程中路由表的建立如表2所示。從表2中可以觀察到當節(jié)點B脫離網(wǎng)絡(luò)后，跳數(shù)會變成無窮大，節(jié)點序列號將會增加1變?yōu)槠鏀?shù)。根據(jù)協(xié)議要求，奇數(shù)節(jié)點是不能進行通信的，因此B節(jié)點無法進行下一節(jié)點通信，因此脫離通信鏈路，同時其他節(jié)點到達節(jié)點B的跳數(shù)為無窮大。

表2 第二拓撲狀態(tài)路由表

圖4（c）表示網(wǎng)絡(luò)的第三種拓撲結(jié)構(gòu)，圖中標出了由節(jié)點A向節(jié)點B發(fā)送消息的鏈路情況。由于節(jié)點B已經(jīng)不在節(jié)點A的通信能力范圍內(nèi)，因此節(jié)點A只能通過其他節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)消息至節(jié)點B。此時網(wǎng)絡(luò)中的路由情況如表3所示，表中展示了當源節(jié)點發(fā)送消息不能直接到達目的節(jié)點時，需要經(jīng)過多跳的方式進行轉(zhuǎn)發(fā)路由消息，且在轉(zhuǎn)發(fā)過程中會選擇較大序列號的路由。

表3 第三拓撲狀態(tài)路由表

3 結(jié) 論

本文提出了一種面向水下電場通信網(wǎng)絡(luò)的E-DSDV組網(wǎng)協(xié)議，可以實時采集節(jié)點的發(fā)射電壓，通過檢測發(fā)射電壓建立實際通信序列號，再根據(jù)節(jié)點之間的各自廣播路由信息建立路由表。協(xié)議中引入了實時采集電壓并建立實際序列號算法，增強了網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的魯棒性，可以更好地適應水下實際環(huán)境，確保網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)能夠及時做出相應的決策。通過大量的實驗驗證了該協(xié)議的合理性及有效性，E-DSDV協(xié)議與其他協(xié)議相比主要增進了實時采集和處理信息能力，更加適應于水下環(huán)境無任何基礎(chǔ)設(shè)施的網(wǎng)絡(luò)，解決了電場通信在實際水環(huán)境中的組網(wǎng)問題，為今后水下電場通信組網(wǎng)在軍事與民用等相關(guān)領(lǐng)域的勘探和作業(yè)奠定了基礎(chǔ)。