基于NS-3的聲電協(xié)同網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)及路由性能分析

江子龍 王 焱 鐘雪峰 陳芳炯*④ 官權(quán)升 季 飛

①(華南理工大學(xué)電子與信息學(xué)院 廣州 510641)

②(東莞理工學(xué)院計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 東莞 523808)

③(自然資源部海洋環(huán)境探測技術(shù)與應(yīng)用重點實驗室 廣州 510641)

④(通信網(wǎng)信息傳輸與分發(fā)技術(shù)重點實驗室 石家莊 050081)

1 引言

海洋蘊(yùn)含著豐富的資源，具有極高的科研與經(jīng)濟(jì)價值[1]。人類對海洋的開發(fā)與研究逐漸具有面向遠(yuǎn)洋、走向深海的趨勢。在這樣的趨勢下，水下無線通信設(shè)備自組織構(gòu)成的通信網(wǎng)絡(luò)是不可或缺的基礎(chǔ)設(shè)施。

目前，水下通信的主要手段包括超低頻無線電通信、水下可見光通信、磁感應(yīng)通信與水聲通信等。其中超低頻無線電需要耗資巨大的配套設(shè)備，僅限于軍用[2]。而水下可見光通信與磁感應(yīng)通信都僅適用于短距離的高速傳輸[3-5]。水聲通信是目前水下中遠(yuǎn)距離無線通信的主要手段，其有效傳輸距離可達(dá)千米級。但聲信號在水中傳播速度相較于光速慢5個數(shù)量級，水聲信道存在嚴(yán)重的路徑損耗、多徑效應(yīng)、多普勒效應(yīng)及其他噪聲等問題，水聲信道的可用帶寬極其有限[6]。

在常見的水聲通信網(wǎng)中，常會使用數(shù)個同時配備無線電與水聲收發(fā)機(jī)的浮標(biāo)節(jié)點用于信息在不同介質(zhì)載體之間切換。浮標(biāo)節(jié)點聯(lián)結(jié)水下聲通信網(wǎng)絡(luò)與水面無線電網(wǎng)絡(luò)形成聲電混合網(wǎng)絡(luò)[7]。大量的水聲網(wǎng)絡(luò)研究都是考慮使用這樣的聲電混合網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)水下數(shù)據(jù)的長期采集與水下環(huán)境的實時觀測。這種場景中的信息流一般是水下節(jié)點到水面浮標(biāo)的單向傳輸，其中水聲路由協(xié)議的設(shè)計目標(biāo)是減少轉(zhuǎn)發(fā)次數(shù)完成數(shù)據(jù)從水下遞送到水面浮標(biāo)。而水面浮標(biāo)作為水聲網(wǎng)絡(luò)的信宿，極少參與到路由協(xié)議的運(yùn)作中。

在水下考古、水下沉船考察和水下礦產(chǎn)資源勘探等應(yīng)用場景中，為了提升工作效率，往往需要多個自主水下機(jī)器人進(jìn)行協(xié)同作業(yè)[8]；而在未來海洋監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)中，由于條件限制，需要多個相隔甚遠(yuǎn)的水下節(jié)點協(xié)同執(zhí)行監(jiān)測任務(wù)。例如，在分布式海洋監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)中多個觀測節(jié)點需要協(xié)同、持續(xù)對目標(biāo)進(jìn)行跟蹤監(jiān)測。在這種場景下，為水下終端之間提供高速、低時延的通信服務(wù)有著現(xiàn)實的研究需求。與水聲鏈路相比，水面無線電鏈路具有更加優(yōu)異的性能表現(xiàn)。因為無線電鏈路協(xié)助水聲鏈路進(jìn)行信息轉(zhuǎn)發(fā)，可以彌補(bǔ)網(wǎng)絡(luò)中水聲鏈路的性能短板，從而提高網(wǎng)絡(luò)的總體性能。在這種思想的指導(dǎo)下，聲電協(xié)同網(wǎng)的概念被提出[9,10]。

合理的路由協(xié)議可以充分發(fā)揮網(wǎng)絡(luò)的性能。目前，聲電協(xié)同網(wǎng)中的路由問題研究還沒有充分展開，迫切需要找到一種適合在聲電協(xié)同網(wǎng)中使用的路由協(xié)議?；谑噶康霓D(zhuǎn)發(fā)路由協(xié)議(Vector Based Forwarding, VBF)是一種基于向量轉(zhuǎn)發(fā)的經(jīng)典水下路由協(xié)議[11]，其特點是在源節(jié)點與目的節(jié)點之間建立一個虛擬管道，這樣才能使管道中的節(jié)點有機(jī)會參與數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。基于每一跳節(jié)點的矢量轉(zhuǎn)發(fā)路由協(xié)議(Hop-by-Hop Vector-Based Forwarding, HHVBF)是根據(jù)VBF改進(jìn)而來的，其工作原理是在每次轉(zhuǎn)發(fā)中都重新建立虛擬管道，以增強(qiáng)路徑的指向性，提升轉(zhuǎn)發(fā)效率[12]。VBF及其衍生協(xié)議限制了數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的區(qū)域，有效減少了能量損耗。但其在路徑選擇時依賴地理位置信息，這在水下環(huán)境中是較為困難的?；谏疃鹊穆酚蓞f(xié)議(Depth-Based Routing,DBR)是一種基于深度信息進(jìn)行路徑選擇的路由協(xié)議[13]。傳感器節(jié)點根據(jù)自己的深度和上一個轉(zhuǎn)發(fā)者的深度，做出數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)決策。DBR協(xié)議依賴深度信息進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，使用場景僅限于水下傳感器向水面浮標(biāo)的單向傳輸，無法普遍應(yīng)用于水下節(jié)點之間的通信場景。

與水下路由協(xié)議相比，Ad-hoc路由協(xié)議更具普適性，所以本文中選擇Ad-hoc協(xié)議作為研究對象。無線自組網(wǎng)按需平面距離向量路由協(xié)議(Ad-hoc On-demand Distance Vector routing, AODV)是一種經(jīng)典的Ad-hoc被動路由協(xié)議[14]，被動路由的特點是當(dāng)有通信需求產(chǎn)生時才發(fā)起路由建立過程。AODV具有可靠性高和低冗余數(shù)據(jù)包的優(yōu)點。本文分析了AODV協(xié)議，發(fā)現(xiàn)AODV的距離向量度量在聲電協(xié)同網(wǎng)(Coordinate Radio-Acoustic Network,CRAN)中可以優(yōu)先選擇無線電鏈路進(jìn)行信息傳輸，從而提升網(wǎng)絡(luò)的傳輸性能。在仿真驗證中，選取了以O(shè)LSR為代表的主動路由協(xié)議作為對比[15]。主動路由的特點是主動建立并維護(hù)網(wǎng)絡(luò)中的全局路由。優(yōu)化鏈路狀態(tài)路由協(xié)議(Optimized Link State Routing, OLSR)的優(yōu)點是在產(chǎn)生通信需求時，立即可以找到可用路由進(jìn)行發(fā)送；缺點是路由建立維護(hù)所需信令開銷較大，在水聲通信中使用容易引起數(shù)據(jù)包碰撞，嚴(yán)重時甚至導(dǎo)致路由無法成功建立。

本文其余部分安排如下：在第2節(jié)介紹聲電協(xié)同網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計思想；第3節(jié)介紹聲電協(xié)同網(wǎng)絡(luò)中聲電浮標(biāo)節(jié)點、聲電混合協(xié)議棧、數(shù)據(jù)包和隊列的設(shè)計與在NS-3網(wǎng)絡(luò)仿真器中的實現(xiàn)；第4節(jié)基于聲電協(xié)同網(wǎng)，對AODV協(xié)議進(jìn)行分析；最后，本文在網(wǎng)絡(luò)模擬器3(Network Simulator, NS-3)中選取AODV和OLSR協(xié)議, 分別在水聲通信網(wǎng)和聲電協(xié)同網(wǎng)中進(jìn)行仿真分析。

2 聲電協(xié)同網(wǎng)絡(luò)

從網(wǎng)絡(luò)的組成結(jié)構(gòu)上來說，目前常用的海洋信息傳輸網(wǎng)是水聲通信網(wǎng)與無線電網(wǎng)絡(luò)共同組成的異構(gòu)混合網(wǎng)絡(luò)。其中，浮標(biāo)節(jié)點是網(wǎng)絡(luò)中完成信息跨介質(zhì)間傳輸?shù)年P(guān)鍵節(jié)點。在現(xiàn)有的研究中，聲電混合網(wǎng)絡(luò)被視為是兩個獨立網(wǎng)絡(luò)分別開展研究[16]。浮標(biāo)節(jié)點作為水聲數(shù)據(jù)包的信宿和無線數(shù)據(jù)包的信源，承擔(dān)混合網(wǎng)絡(luò)之間的數(shù)據(jù)中繼任務(wù)。在這種網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)下，信息流的傳輸往往是水下終端至水面浮標(biāo)的單向傳輸。海洋信息傳輸網(wǎng)的瓶頸在于水聲通信網(wǎng)，其路由在尋路的過程中無法有效地整合無線與水聲鏈路資源，這限制了網(wǎng)絡(luò)中端到端的鏈路性能。然而，隨著研究的進(jìn)步，越來越多的應(yīng)用場景需要考慮水下終端之間、水下終端與水面終端之間的雙向信息交互。因此，CRAN目的在將水面無線電網(wǎng)絡(luò)與水聲通信網(wǎng)進(jìn)行深度的融合。CRAN利用水面無線電網(wǎng)絡(luò)快速、高效的傳輸特性來改善水聲通信網(wǎng)的性能，為水下終端之間、水面與水下終端之間的雙向信息傳輸場景提供高速、低時延、高傳輸成功率的通信服務(wù)。

以圖1中場景為例，節(jié)點1需要與節(jié)點3執(zhí)行協(xié)同水下科考任務(wù)，這需在節(jié)點1和節(jié)點3之間建立通信鏈路。在水聲通信網(wǎng)中，節(jié)點1發(fā)送的數(shù)據(jù)包需要通過節(jié)點2向節(jié)點3轉(zhuǎn)發(fā)。在CRAN中，節(jié)點1發(fā)送的數(shù)據(jù)包將沿著1-4-5-6-3的路徑轉(zhuǎn)發(fā)。在這一轉(zhuǎn)發(fā)過程中，節(jié)點1首先將數(shù)據(jù)發(fā)送至水面浮標(biāo)網(wǎng)關(guān)節(jié)點，浮標(biāo)網(wǎng)關(guān)節(jié)點通過水面無線電鏈路轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包，然后再將數(shù)據(jù)包回傳至水下，最終由節(jié)點3完成接收。雖然CRAN中的數(shù)據(jù)傳輸過程比在UAN中需要更多的轉(zhuǎn)發(fā)跳數(shù)，但卻可能比在UAN中擁有更短的時延與更高的傳輸成功率。同時，更多的數(shù)據(jù)包通過水面無線電鏈路進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，也可以降低水下節(jié)點的能量消耗。

圖1 聲電協(xié)同網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

3 聲電協(xié)同網(wǎng)絡(luò)在NS-3中的實現(xiàn)

在傳統(tǒng)水聲通信網(wǎng)絡(luò)的研究中，水聲網(wǎng)絡(luò)協(xié)議更傾向于關(guān)注水下傳感器向水面浮標(biāo)節(jié)點的數(shù)據(jù)發(fā)送過程，較少考慮無線電鏈路的參與。因此，浮標(biāo)節(jié)點常常被分別抽象化為1個水聲網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點與1個無線網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點。水聲網(wǎng)絡(luò)節(jié)點作為水聲通信網(wǎng)的信宿，無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點則作為無線電網(wǎng)絡(luò)的信源。而在CRAN中，需要考慮水面無線電網(wǎng)絡(luò)與水聲通信網(wǎng)的有機(jī)融合，因此需要將水聲設(shè)備和無線設(shè)備集成到同一個節(jié)點容器中，從而使聲電浮標(biāo)節(jié)點具備設(shè)備切換和選擇的功能。由于CRAN在網(wǎng)絡(luò)層及網(wǎng)絡(luò)層以上進(jìn)行了融合，需要設(shè)計適用于CRAN的協(xié)議棧。進(jìn)一步地，在浮標(biāo)節(jié)點中由于配備了兩套速率差距極大的通信設(shè)備，可能會出現(xiàn)速率失配的現(xiàn)象，因此需要設(shè)計相應(yīng)的隊列緩存數(shù)據(jù)。

3.1 節(jié)點構(gòu)造

CRAN中有兩種不同的節(jié)點類型，本文在NS-3中分別對這兩種節(jié)點進(jìn)行了建模，如圖2所示。水下節(jié)點是攜帶水聲通信設(shè)備的單模節(jié)點，可以使用水聲信道進(jìn)行通信。聲電浮標(biāo)節(jié)點是一種同時集成了水聲網(wǎng)絡(luò)設(shè)備與無線電網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的雙模節(jié)點，可以同時使用水聲信道和無線電信道進(jìn)行通信。水聲信號和無線電信號在聲電浮標(biāo)節(jié)點中進(jìn)行融合與轉(zhuǎn)發(fā)。

圖2 聲電協(xié)同網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點

3.2 聲電協(xié)同網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧

聲電浮標(biāo)節(jié)點協(xié)議棧具體架構(gòu)如圖3所示，應(yīng)用層使用網(wǎng)絡(luò)套接字進(jìn)行數(shù)據(jù)包的發(fā)送和接收。傳輸層采用了用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議(User Datagram Protocol,UDP)，協(xié)議提供無連接的傳輸層服務(wù)，以減少控制信令的發(fā)送以降低能耗。在CRAN中有兩種不同的鏈路存在，即實現(xiàn)兩種鏈路間的信息交互。由于網(wǎng)絡(luò)層與各層之間不存在耦合的關(guān)系，所以本文將兩種鏈路的數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)層統(tǒng)一為IP數(shù)據(jù)報文，實現(xiàn)了水聲信息與無線電信息在CRAN中的交互融合。聲電浮標(biāo)節(jié)點擁有兩個IP地址，在網(wǎng)絡(luò)中承擔(dān)網(wǎng)關(guān)的工作。鏈路層的水聲設(shè)備中本文采用無確認(rèn)的Aloha協(xié)議，這種簡單的介質(zhì)訪問控制(Media Access Control, MAC)協(xié)議可以更加直觀地對網(wǎng)絡(luò)本身的性能進(jìn)行分析。

圖3 聲電浮標(biāo)節(jié)點協(xié)議棧

聲電浮標(biāo)節(jié)點的無線電物理層使用IEEE 802.11b模式，在物理層的設(shè)備使用信噪比作為判斷數(shù)據(jù)包接收成功或失敗的參數(shù)。水聲網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的物理層同樣使用信噪比來判定信號是否能被成功接收。在水聲信道中，本文使用Thorp傳播模型來計算信號在水聲信道中的傳輸損耗。當(dāng)信號頻率f≥0.4 kHz時，水聲信號的能量吸收系數(shù)?(f)可由式(1)表示，當(dāng)信號頻率f<0.4 kHz時，?(f)可由式(2)表示

如圖4所示，聲電浮標(biāo)節(jié)點中有兩種緩存隊列。一種是網(wǎng)絡(luò)層緩存隊列，另一種是MAC緩存隊列。網(wǎng)絡(luò)層緩存隊列的作用是在路由還未建立時，存儲已經(jīng)產(chǎn)生等待發(fā)送的數(shù)據(jù)包。MAC緩存隊列用來存儲物理層設(shè)備未及時發(fā)送的數(shù)據(jù)包。所有的隊列依據(jù)先入先出的準(zhǔn)則，當(dāng)隊列被數(shù)據(jù)裝滿時，位于隊列尾部的數(shù)據(jù)將最先被丟棄，這種隊列也被稱為丟尾隊列。

圖4 聲電浮標(biāo)節(jié)點中的隊列設(shè)置

聲電浮標(biāo)節(jié)點根據(jù)路由協(xié)議，選擇可達(dá)下一跳節(jié)點的發(fā)送設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)。聲電浮標(biāo)節(jié)點中同時集成著水聲通信設(shè)備和無線電通信設(shè)備，在這兩種設(shè)備中分別有一個MAC緩存隊列。水聲通信機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)的符號速率低，通常在數(shù)百bps至數(shù)十kbps數(shù)量級之間。在水聲通信系統(tǒng)中，可能會出現(xiàn)物理層的發(fā)送速率跟不上更高層數(shù)據(jù)產(chǎn)生速率的情況，因此需要在鏈路層設(shè)置MAC緩存隊列。

4 聲電協(xié)同網(wǎng)中的路由協(xié)議分析

現(xiàn)有水聲路由協(xié)議如DBR, VBF以及它們的衍生協(xié)議中，大部分基于特定的應(yīng)用場景或需要節(jié)點的位置信息。本文重點關(guān)注適用于一般CRAN的路由協(xié)議。下面將分析無線自組網(wǎng)經(jīng)典AODV路由協(xié)議在CRAN的應(yīng)用。

4.1 無線自組網(wǎng)路由協(xié)議

無線自組網(wǎng)路由協(xié)議相比于水聲路由協(xié)議具有更廣泛的適用性。但是在水聲通信網(wǎng)中，由于信號傳輸速度慢，在信令和數(shù)據(jù)的傳輸過程中容易引起碰撞，導(dǎo)致路由建立失敗。AODV是一種被動路由協(xié)議，在有數(shù)據(jù)包發(fā)送時才檢查源節(jié)點是否存在到達(dá)目的節(jié)點的路由鏈路。如果路由鏈路存在，則發(fā)送數(shù)據(jù)包；如果不存在到達(dá)目的節(jié)點的路由鏈路，則需要建立新的連接；等連接完成后，再發(fā)送數(shù)據(jù)包。按需路由機(jī)制不需要水下節(jié)點維護(hù)全量的路由表，這在一定程度上減少了路由發(fā)現(xiàn)與維護(hù)的通信開銷。AODV協(xié)議使用序列號機(jī)制，每個路由請求都會有一個序號，節(jié)點使用序列號機(jī)制避免重復(fù)響應(yīng)相同的路由請求。

AODV使用距離向量作為度量標(biāo)準(zhǔn)選擇下一跳節(jié)點。圖5所示的通信場景描述了在相同傳輸介質(zhì)中，距離向量度量優(yōu)先選擇直達(dá)徑，實現(xiàn)最短時延路徑選擇的原理。節(jié)點2和節(jié)點3都在節(jié)點1的通信范圍之內(nèi)，節(jié)點1發(fā)出的信號直達(dá)徑先到達(dá)節(jié)點3。由于序列號機(jī)制的使用，節(jié)點3不再響應(yīng)后到達(dá)的轉(zhuǎn)發(fā)徑信號。在以電磁波為信息載體的有線或無線鏈路中，直達(dá)徑的時延要小于轉(zhuǎn)發(fā)徑的時延，更多的轉(zhuǎn)發(fā)次數(shù)帶來更長的時延。AODV實際通過選擇最少時延的鏈路來實現(xiàn)距離向量度量，表現(xiàn)為最短時延路徑等效于轉(zhuǎn)發(fā)次數(shù)最少的路徑。

圖5 相同信道中的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)

而在CRAN中，時延最短的路徑不一定是轉(zhuǎn)發(fā)次數(shù)最少的路徑。注意到在CRAN中，無線電鏈路的傳輸速度要遠(yuǎn)大于水聲鏈路的傳輸速度，AODV在路徑選擇時的最短傳輸時延度量方式將會優(yōu)先選取水面無線電鏈路進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，這與CRAN中優(yōu)先選擇無線電鏈路轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)相符。由此本文推斷，AODV協(xié)議與CRAN配合使用可以降低水下終端間的通信時延，同時減少水下碰撞發(fā)生概率從而提高數(shù)據(jù)包傳輸成功率。

4.2 AODV路由建立過程

本節(jié)將比較AODV在水聲通信網(wǎng)與CRAN中的路由建立過程。首先介紹AODV的路由選擇度量如何優(yōu)先選擇無線電鏈路，然后說明CRAN相比于水聲通信網(wǎng)在路由建立用時、通信時延和數(shù)據(jù)包投遞率等方面的性能提升。

AODV屬于表路由協(xié)議，當(dāng)有數(shù)據(jù)包需要發(fā)送時，通過查找路由表來確定目的地址和下一跳網(wǎng)關(guān)地址。協(xié)議通過周期性廣播hello信息來維護(hù)其鄰居列表。源節(jié)點有信息發(fā)送需求時，首先查找節(jié)點自身的路由表中有無到達(dá)目的節(jié)點的路徑。若路由表中存在到達(dá)目的節(jié)點的路由，則按照路由建立的路徑進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。若路由表中不存在到達(dá)目的節(jié)點的路徑，源節(jié)點首先將產(chǎn)生的數(shù)據(jù)包放入網(wǎng)絡(luò)層緩存區(qū)中，然后發(fā)送路由請求消息(Route REQuest, RREQ)開啟路由探測過程。

圖6展示了AODV在CRAN和水聲網(wǎng)絡(luò)中的路由建立時序。其中水下節(jié)點被標(biāo)記為紅色，聲電浮標(biāo)節(jié)點被標(biāo)記為綠色。節(jié)點S為源節(jié)點，節(jié)點D為目的節(jié)點。

在圖6(a)中，當(dāng)水下源節(jié)點S需要向目的節(jié)點D發(fā)送數(shù)據(jù)包時，首先查找路由表中是否有可達(dá)目的節(jié)點D的路由。若存在到達(dá)D的路由，則按照路由對數(shù)據(jù)包進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)；若不存在到達(dá)D的路由，源節(jié)點S首先將數(shù)據(jù)包放入隊列緩存，然后送RREQ報文開啟尋路過程。

圖6 AODV路由建立過程時序圖

RREQ按照S-I-J-K的路徑被轉(zhuǎn)發(fā)，由于在RREQ到達(dá)K時，K查找路由表發(fā)現(xiàn)目的節(jié)點D是其鄰居節(jié)點，節(jié)點K按照原路徑，向源節(jié)點S發(fā)送路由應(yīng)答RREP(Route REPly)消息建立路由。源節(jié)點S收到RREP消息后完成路由建立，并將數(shù)據(jù)包從緩存中取出，按照路由表中的路徑發(fā)送到目的節(jié)點。

在圖6(b)中，源節(jié)點S需要向節(jié)點D發(fā)送數(shù)據(jù)，節(jié)點S首先查找自身的路由表，沒有發(fā)現(xiàn)指向節(jié)點D的路由，S將數(shù)據(jù)包放入網(wǎng)絡(luò)層緩存中，并發(fā)送RREQ開啟路由建立過程。浮標(biāo)節(jié)點A為S的鄰居節(jié)點，A在收到S發(fā)送的RREQ時，判斷自己不是目的節(jié)點，同時A的路由表中不存在到達(dá)目的節(jié)點D的路由，這時A需要對RREQ進(jìn)行進(jìn)一步轉(zhuǎn)發(fā)。聲電浮標(biāo)節(jié)點A使用無線電鏈路和水聲通信鏈路同時轉(zhuǎn)發(fā)RREQ消息。

由于無線電的傳輸速度遠(yuǎn)大于水聲信號的傳輸速度，浮標(biāo)節(jié)點B的無線電接口首先收到A轉(zhuǎn)發(fā)的RREQ消息，由于浮標(biāo)節(jié)點B的路由表中也沒有到達(dá)目的節(jié)點D的路由信息，浮標(biāo)節(jié)點B執(zhí)行與A相同的轉(zhuǎn)發(fā)操作。浮標(biāo)節(jié)點C的無線電接口首先收到B轉(zhuǎn)發(fā)的RREQ消息，節(jié)點C查找自身路由表時發(fā)現(xiàn)目的節(jié)點D是自己的鄰居節(jié)點，此時節(jié)點C按原路徑C-B-A-S向源節(jié)點S發(fā)送RREP消息。源節(jié)點收到RREP后更新路由表，路由建立完成。源節(jié)點從緩存中取出數(shù)據(jù)包，按照建立的路由進(jìn)行數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)。

從圖6中可以看出，由于水聲通信具有較長的時延，水聲網(wǎng)絡(luò)中的路由建立需要較長的等待時間。同時路由建立過程需要大量的信令交互，水聲通信中大量的信令及數(shù)據(jù)交互容易造成碰撞，從而導(dǎo)致通信的失敗，這也是傳統(tǒng)無線自組網(wǎng)路由協(xié)議難以直接在水下環(huán)境中應(yīng)用的原因之一。在CRAN中，水面無線電網(wǎng)絡(luò)承擔(dān)了部分水下信令與數(shù)據(jù)的傳輸壓力，可以降低水聲通信網(wǎng)中碰撞發(fā)生的概率。同時，水面無線電網(wǎng)絡(luò)利用其高速傳輸?shù)奶匦裕档土寺酚山⒂脮r，同時也可以改善數(shù)據(jù)包傳輸?shù)臅r延特性。

5 仿真與結(jié)果分析

本研究采用的仿真工具是NS-3網(wǎng)絡(luò)仿真平臺，網(wǎng)絡(luò)中設(shè)置了40個水下節(jié)點，這些水下節(jié)點在10 km× 5 km的海底平面上隨機(jī)布放。水面無線電網(wǎng)絡(luò)的連通是CRAN發(fā)揮性能的關(guān)鍵。為了保證水面無線電網(wǎng)絡(luò)的連通，在浮標(biāo)節(jié)點數(shù)量較少時，需設(shè)置較大的無線電傳輸范圍。因此，在4個浮標(biāo)節(jié)點的CRAN中，本文設(shè)置了8 km的無線電傳輸距離；較遠(yuǎn)的通信距離對設(shè)備及信道的要求較高。在節(jié)點密度較大時，減小傳輸距離是更經(jīng)濟(jì)的選擇在8個浮標(biāo)節(jié)點的CRAN中，本文使用5 km的無線電傳輸距離。仿真使用了AODV為代表的被動路由。協(xié)議，同時選取了經(jīng)典的主動路由協(xié)議OLSR作為對照。實驗?zāi)M了水下機(jī)器人在水底進(jìn)行水下遺跡發(fā)掘科考的場景，選取了其中4對水下機(jī)器人進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。在仿真中，本文對比分析了不同浮標(biāo)節(jié)點數(shù)量和不同發(fā)送頻率時的投遞率、傳輸時延、網(wǎng)絡(luò)吞吐量、能效和路由響應(yīng)速度。每組數(shù)據(jù)取10次仿真的平均值。其它網(wǎng)絡(luò)參數(shù)設(shè)置如表1中所示。

表1 仿真參數(shù)設(shè)置

5.1 投遞率

數(shù)據(jù)包投遞率反映了網(wǎng)絡(luò)的可靠性和穩(wěn)定性，投遞率越高，說明網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)傳輸越可靠、網(wǎng)絡(luò)越穩(wěn)定。本文將數(shù)據(jù)包投遞率定義為被成功接收的數(shù)據(jù)包數(shù)量與源節(jié)點產(chǎn)生的數(shù)據(jù)包數(shù)量之比。

在圖7中，隨著仿真時間的增長，AODV的投遞率不斷提升并趨于穩(wěn)定。隨著浮標(biāo)節(jié)點數(shù)量的增加，AODV的投遞率也隨之增加。這是因為增加浮標(biāo)節(jié)點使水下節(jié)點有更高的概率可以與水面浮標(biāo)節(jié)點進(jìn)行連接，AODV的尋路度量也可以優(yōu)先選擇浮標(biāo)節(jié)點作為下一跳的轉(zhuǎn)發(fā)網(wǎng)關(guān)，這可以利用水面無線電網(wǎng)絡(luò)更好的通信質(zhì)量提升數(shù)據(jù)包的投遞率。OLSR協(xié)議在水聲通信網(wǎng)和CRAN中的數(shù)據(jù)包投遞率表現(xiàn)均低于AODV協(xié)議，這是因為OLSR是一種主動路由協(xié)議，其特點是路由需建立維護(hù)全局路由表，這個過程需要大量的信令開銷。在水聲鏈路中，大量的水聲信令交互將產(chǎn)生較多的碰撞，將導(dǎo)致低投遞率出現(xiàn)。在水聲通信網(wǎng)中加入浮標(biāo)節(jié)點構(gòu)成CRAN提升了OLSR的數(shù)據(jù)包投遞率，但提升不明顯，原因在于增加浮標(biāo)節(jié)點數(shù)量并不能有效減少水聲鏈路中的碰撞。

圖7 不同仿真階段的投遞率

在圖8中，無論是AODV協(xié)議還是OLSR協(xié)議，在CRAN中的表現(xiàn)都要優(yōu)于在水聲通信網(wǎng)中的表現(xiàn)。隨著發(fā)送頻率的降低，AODV的投遞率呈上升趨勢。原因在于發(fā)送頻率越高，水下數(shù)據(jù)包傳輸過程中的碰撞概率越大。OLSR協(xié)議在不同發(fā)送頻率下的投遞率均較低且變化不明顯，原因在于大量的碰撞導(dǎo)致OLSR協(xié)議難以優(yōu)先選擇無線電鏈路建立路由。

圖8 不同數(shù)據(jù)包發(fā)送間隔下的投遞率

5.2 傳輸時延

在圖9中，AODV在水聲網(wǎng)絡(luò)中的傳輸時延相對較高，而在CRAN中時延特性得到了明顯的改善。隨著浮標(biāo)節(jié)點數(shù)量的增加，AODV協(xié)議的傳輸時延也明顯下降，這同樣得益于浮標(biāo)節(jié)點對水下終端的覆蓋率提升。OLSR在600 s之前傳輸成功率較低，成功傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包統(tǒng)計樣本過少，本文針對600 s之后相對穩(wěn)定的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析。OLSR協(xié)議在CRAN和水聲通信網(wǎng)中表現(xiàn)出了低時延特性，這是因為距離遠(yuǎn)、通信質(zhì)量差的鏈路數(shù)據(jù)包發(fā)送失敗未被統(tǒng)計，這種低時延的表現(xiàn)以低投遞率為代價。在圖10中，不同數(shù)據(jù)包發(fā)送間隔下，AODV與OLSR在CRAN中的時延表現(xiàn)均優(yōu)于在水聲通信網(wǎng)中的表現(xiàn)。OLSR表現(xiàn)出的低時延特性的原因與圖9中相同。

圖9 不同仿真階段的傳輸時延

圖10 不同數(shù)據(jù)包發(fā)送間隔下的傳輸時延

5.3 網(wǎng)絡(luò)吞吐量

本文以單位時間內(nèi)成功傳輸?shù)谋忍財?shù)作為網(wǎng)絡(luò)吞吐量的衡量指標(biāo)，吞吐量定義為網(wǎng)絡(luò)中成功傳輸?shù)谋忍財?shù)與網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行時間之比。網(wǎng)絡(luò)吞吐量被用來評估網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸效率的高低。網(wǎng)絡(luò)吞吐量越高，網(wǎng)絡(luò)單位時間傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量越大，網(wǎng)絡(luò)整體性能越好。

預(yù)警發(fā)布后加強(qiáng)大壩、溢洪道、輸水洞、排水溝、濾水壩址等部位的巡視檢查，庫水位每上升2 m巡查一次，同時監(jiān)測測壓管水位，發(fā)現(xiàn)問題及時報告處理。當(dāng)水位達(dá)到89.5 m即溢洪道底坎高程時，加強(qiáng)對溢洪道和閘門的檢查，同時注意及時打撈閘門附近的大型漂浮物。

在圖11中，隨著仿真時長的增加，AODV的網(wǎng)絡(luò)吞吐量呈現(xiàn)先上升后穩(wěn)定的趨勢，并且浮標(biāo)節(jié)點密度越高，吞吐量性能越好。CRAN對OLSR協(xié)議的吞吐量提升在1400 s之前并不明顯，在1400 s之后由于CRAN中一些之前未成功建立的路由被建立，提升了傳輸成功率，從而使吞吐量特性有所提升。隨著浮標(biāo)節(jié)點密度的增加，OLSR協(xié)議的吞吐量性能提升不明顯。

圖11 不同仿真階段的網(wǎng)絡(luò)吞吐量

在圖12中，隨著數(shù)據(jù)包發(fā)送周期的增大，CRAN中的吞吐量呈下降趨勢，其中AODV在高浮標(biāo)節(jié)點密度高數(shù)據(jù)包發(fā)送頻率時的吞吐量特性表現(xiàn)最好，這得益于AODV在聲電協(xié)同網(wǎng)中的高傳輸成功率。

圖12 不同數(shù)據(jù)包發(fā)送間隔下的網(wǎng)絡(luò)吞吐量

5.4 能效

本文以每單位能耗傳輸?shù)谋忍財?shù)作為衡量標(biāo)準(zhǔn)，對網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和協(xié)議性能進(jìn)行仿真分析。圖13中可以看出在仿真開始階段，AODV和OLSR在CRAN和水聲通信網(wǎng)中的能效特性都表現(xiàn)較差，這是因為在網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行初期路由未能完全建立，數(shù)據(jù)包的投遞率較低而信令開銷較大。路由成功建立之后，能量更多的用于數(shù)據(jù)包的傳輸，總體看來能效特性在不斷改善。在1400 s之前，OLSR在兩種網(wǎng)絡(luò)中的能效特性均表現(xiàn)較差。在1400 s之后，OLSR在CRAN的能效特性逐漸提升。由圖14中可以看出AODV與OLSR在CRAN的能效表現(xiàn)均優(yōu)于在水聲通信網(wǎng)中，且隨著浮標(biāo)節(jié)點數(shù)量的增加，兩種協(xié)議均呈現(xiàn)出更好的能效特性。

圖13 不同仿真階段的能效特性

圖14 不同數(shù)據(jù)包發(fā)送間隔下的能效特性

5.5 路由響應(yīng)速度與鏈路組成

本文中定義路由建立用時為從源節(jié)點開始尋路至第1個數(shù)據(jù)包被成功接收所用的時間。從圖15中可以看出，隨著浮標(biāo)節(jié)點數(shù)量的增加，AODV與OLSR的路由建立用時都呈下降趨勢。AODV建立路由所需的時間比OLSR小。但OLSR在路由建立過程中耗時較久，嚴(yán)重影響了數(shù)據(jù)包的正常傳輸。由于OLSR在維護(hù)水下網(wǎng)絡(luò)時產(chǎn)生大量信令開銷，這些信令的交互產(chǎn)生了嚴(yán)重的碰撞導(dǎo)致通信失敗，影響了路由的建立速度。

圖15 路由建立用時

圖16中展示了路由穩(wěn)定后的鏈路組成情況，可以看出AODV協(xié)議比OLSR協(xié)議更傾向于選擇無線電鏈路建立路由。這得益于AODV相比于OLSR有著更低的信令開銷，在路由建立階段受水聲鏈路碰撞的影響較小。AODV的距離向量度量在CRAN中等效為最短時延度量，而在時延方面，無線電鏈路遠(yuǎn)低于水聲鏈路，所以AODV在路由建立時表現(xiàn)出對低時延的無線電鏈路的傾向性。

圖16 活躍路由鏈路組成

6 結(jié)束語

本文對CRAN架構(gòu)下的自組織網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議進(jìn)行了研究。針對仿真結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計分析，有以下幾點發(fā)現(xiàn)：第一，CRAN可以大幅提升水聲通信網(wǎng)絡(luò)的性能。隨著水面浮標(biāo)節(jié)點數(shù)量的增加，水下節(jié)點有更大概率接入水面無線電網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)而提升網(wǎng)絡(luò)的傳輸性能。第二，在CRAN中，以AODV為代表的被動路由協(xié)議的投遞率、傳輸時延、網(wǎng)絡(luò)吞吐量、能效和路由響應(yīng)速度方面的表現(xiàn)，均優(yōu)于以O(shè)LSR為代表的主動路由協(xié)議；第三，仿真中發(fā)現(xiàn)，AODV協(xié)議運(yùn)用于CRAN中雖然比在水聲通信中有著更好的能耗表現(xiàn)，但是能量開銷依然較高。后續(xù)研究擬集中于CRAN專用路由協(xié)議開發(fā)、節(jié)點協(xié)議棧優(yōu)化以及報文結(jié)構(gòu)優(yōu)化。