水下傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議研究*

金 軍 ，縱 芳 ，梁妙元 ，鄭君杰

（1.南京軍區(qū)氣象水文中心 南京 210000；2.南京軍區(qū)73617部隊 南京 210000；3.解放軍理工大學(xué)氣象學(xué)院 南京 211101）

1 引言

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由密集型、低成本、隨機分布的集成有傳感器、數(shù)據(jù)處理單元和短程無線通信模塊的微小節(jié)點通過自組織方式構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)。借助節(jié)點中內(nèi)置的形式多樣的傳感器可以實現(xiàn)對生活環(huán)境全方位的監(jiān)測與控制，這也是下一代互聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)景規(guī)劃中較為重要的組成部分。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的自組織性和密集節(jié)點提供的容錯能力，使其不會因為某些節(jié)點的異常而導(dǎo)致整個系統(tǒng)的崩潰，非常適合在特殊時刻、特殊環(huán)境中快速構(gòu)建信息基礎(chǔ)設(shè)施，因此有廣闊的應(yīng)用前景。2003年2月，麻省理工大學(xué)主辦的非盈利性技術(shù)評論雜志將傳感器網(wǎng)絡(luò)總結(jié)為改變未來世界的10種新興技術(shù)之一[1]。傳感器網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)不久后，由于其低成本、隱蔽性好、靈敏度高、可分布式部署、可覆蓋范圍大等諸多優(yōu)點受到了各國海洋界的青睞，目前其應(yīng)用范圍已經(jīng)擴展到了海洋。典型代表主要有美國海軍1998年開始構(gòu)建的自主分布系統(tǒng)SeaWeb[2,3]，除此之外，日本、英國、澳大利亞、德國等國近年來也一直致力于水下傳感器網(wǎng)絡(luò)相關(guān)技術(shù)的研究[4,5]。

水下傳感器網(wǎng)絡(luò)的重要性已經(jīng)引起了我國的高度重視，國家“863”計劃和國家自然科學(xué)基金相繼資助了水下傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究。哈爾濱工程大學(xué)、廈門大學(xué)、國家海洋中心、中國科學(xué)院聲學(xué)研究所、中國科學(xué)院沈陽自動化研究所、南京郵電大學(xué)、中國海洋大學(xué)等單位針對水下傳感器網(wǎng)絡(luò)的水下通信方式[6]、體系結(jié)構(gòu)[7]以及應(yīng)用等方面開展了大量研究，取得了一定的成果?？梢灶A(yù)見，水下傳感器網(wǎng)絡(luò)將在我國海洋探測、環(huán)境保護(hù)、水下安保、反潛等民用和軍事領(lǐng)域發(fā)揮越來越重要的作用。

2 研究現(xiàn)狀

同陸上傳感器網(wǎng)絡(luò)一樣，路由協(xié)議是水下傳感器網(wǎng)絡(luò)的重要研究內(nèi)容之一，其目的是在水下數(shù)據(jù)源節(jié)點和水面轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點間建立一條數(shù)據(jù)傳輸路徑。目前陸上傳感器網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議已經(jīng)得到了很大的發(fā)展，如以GPSR為代表的地理位置路由協(xié)議[8]、以SPIN為代表的平面路由協(xié)議[9]、以LEACH為代表的分層路由協(xié)議[10]、以SPEED為代表的基于QoS的路由協(xié)議等[11]。但是大部分陸上無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議不適合水下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，主要原因如下。

（1）水下聲學(xué)通信環(huán)境極為惡劣

水下聲學(xué)通信是目前唯一有效的水下通信方式，但水下聲學(xué)通信環(huán)境極為惡劣。聲波在水中的傳播速度只有1 500 m/s，且隨著海水深度、鹽度、密度的變化而發(fā)生變化，帶來傳播時延長、帶寬有限、傳播時延動態(tài)變化等諸多不利因素，這些不利因素是陸上傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議設(shè)計時不曾也不需要考慮的。另外，大部分陸上傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議發(fā)送數(shù)據(jù)前需要進(jìn)行相關(guān)信息的交換，如SPIN協(xié)議發(fā)送數(shù)據(jù)前通過協(xié)商來確定其他節(jié)點是否需要該數(shù)據(jù)，或者直接使用洪泛技術(shù)，這些方法嚴(yán)重消耗節(jié)點能量，而水下傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點使用電池供電，基本上是一次性使用，減少信息的發(fā)送量是設(shè)計其路由協(xié)議時要考慮的首要問題。

（2）水下傳感器網(wǎng)絡(luò)三維拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的動態(tài)變化

陸上傳感器網(wǎng)絡(luò)以二維形式為主，顯然水下傳感器網(wǎng)絡(luò)是三維形式的，由于節(jié)點會隨洋流浮動，導(dǎo)致水下傳感器網(wǎng)絡(luò)三維拓?fù)涞膭討B(tài)變化。目前在國外一些水下傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究中，將水下節(jié)點下錨固定以應(yīng)對洋流的影響，價格昂貴且組網(wǎng)時間過長，只適用于小規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)。筆者認(rèn)為，真正意義上的水下傳感器網(wǎng)絡(luò)除了網(wǎng)關(guān)節(jié)點漂浮在水面外，其大量水下節(jié)點應(yīng)可以直接布撒到預(yù)定海域，然后懸浮在水下各個深度進(jìn)入工作狀態(tài)。水下路由最理想的狀況是水下各個節(jié)點的三維位置信息是互相知道的，轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點自己選擇一條理想的轉(zhuǎn)發(fā)路徑，但這在水下是行不通的，原因有兩個。一是GPS信號無法穿透海水，因此水下節(jié)點不可能通過搭載定位裝置獲取其三維位置信息；二是如果不使用GPS，節(jié)點只能通過定位算法來解算其位置，這也是一個巨大的研究挑戰(zhàn)，迄今仍無突破性的進(jìn)展，同時定位算法需要各個節(jié)點定期交換路由信息，此方法帶來的巨大的通信量是水下傳感器網(wǎng)絡(luò)無法承受的。

目前國內(nèi)外對水下傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議的研究仍處于起步階段，主要是對現(xiàn)有陸上協(xié)議進(jìn)行改造。在已經(jīng)公開的文獻(xiàn)資料中較有影響力的工作如下。

[12]提出一種由數(shù)據(jù)源點與海面轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點構(gòu)成路由矢量的地理路由協(xié)議VBF，其路由是以路由矢量為中心形成的圓柱形路由通道，前提是其各個節(jié)點位置信息可以通過服務(wù)器獲得。參考文獻(xiàn)[13]對VBF進(jìn)行了改進(jìn)，提出了HVBF，該協(xié)議采用局部路由矢量代替全局路由矢量，適用于稀疏網(wǎng)絡(luò)。參考文獻(xiàn)[14]提出一種基于位置信息的帶AUV的移動網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議，該協(xié)議使用TDMA幀估計距離形成整個網(wǎng)絡(luò)的位置拓?fù)洹⒖嘉墨I(xiàn)[15]提出一種跨層設(shè)計的節(jié)能地理路由協(xié)議，通過控制發(fā)射功率達(dá)到節(jié)能的目的。

國內(nèi)對水下傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議也有一定的研究。

參考文獻(xiàn)[16]提出了一種基于水聲信道的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議，采用均衡節(jié)點能耗的路由算法，按照最小能量代價建立多跳路由表；參考文獻(xiàn)[17]對GPSR協(xié)議進(jìn)行了改進(jìn)，以節(jié)省能量；參考文獻(xiàn)[18]提出了一種適用于水下的能量有效可靠路由協(xié)議。

綜上所述，現(xiàn)有的水下傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議研究主要以地理路由為主，盡管地理路由協(xié)議效率較高，代價小，但需要知道各個水下節(jié)點的三維位置信息，難以在水下實際應(yīng)用。

3 基于深度信息的水下路由協(xié)議

在實際的水下組網(wǎng)應(yīng)用中，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點位于水面之上，水下傳感器節(jié)點采集到的數(shù)據(jù)最終要被轉(zhuǎn)發(fā)到水面轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點，如圖1所示。

隨著數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)，其所經(jīng)過的轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點的深度將越來越小，直至到達(dá)水面，相比水下三維位置信息，水下傳感器節(jié)點深度信息的獲取極為簡單，只需要在節(jié)點上安裝價格低廉的深度傳感器即可。基于此現(xiàn)象，本文提出一種基于水下深度信息的路由協(xié)議，該協(xié)議的基本思想是數(shù)據(jù)分組同時存儲有轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點的深度信息，并且隨著每一跳進(jìn)行更新。當(dāng)節(jié)點接收到數(shù)據(jù)后，將其攜帶的深度信息與自身的深度進(jìn)行對比，如果其來自更深節(jié)點則結(jié)合自身剩余能量的多少來決定是否轉(zhuǎn)發(fā)該數(shù)據(jù)，否則將其拋棄，以此類推并輔以相應(yīng)的轉(zhuǎn)發(fā)策略，直至將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到水面轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點。

為解決水下轉(zhuǎn)發(fā)方向的不確定性，可以設(shè)置多個水面轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點，每個水面節(jié)點配備有無線收發(fā)裝置和水聲調(diào)制解調(diào)器，只要數(shù)據(jù)到達(dá)任意一個水面轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點都可以發(fā)送到最終目的節(jié)點。和現(xiàn)有水下傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議相比，該方法不需要節(jié)點知道其自身以及其他節(jié)點的三維位置信息，因此節(jié)點間信息交換量極少，可以顯著減少通信量，能有效應(yīng)對網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞膭討B(tài)變化，進(jìn)而達(dá)到節(jié)省能量、延長網(wǎng)絡(luò)生存時間的目的。

圖1 水下傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)示意

4 數(shù)據(jù)分組轉(zhuǎn)發(fā)算法

該協(xié)議數(shù)據(jù)分組轉(zhuǎn)發(fā)算法的基本原理如圖2所示。

圖2中節(jié)點S為數(shù)據(jù)源節(jié)點，n1、n2和n3為一跳范圍內(nèi)的鄰居節(jié)點，d1代表n1距平面的垂直距離，d2代表n2距平面S的垂直距離。最外圈實線大圓代表S的轉(zhuǎn)發(fā)半徑，位于該半徑內(nèi)的節(jié)點都能收到其發(fā)出的數(shù)據(jù)。n3的深度大于S，因此被禁止參與數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。顯然n1的深度最淺，距離水面最近，因此n1是最理想的下一條節(jié)點，而n2的轉(zhuǎn)發(fā)需要被禁止。

主要使用如下轉(zhuǎn)發(fā)策略。

（1）深度門限

為減少數(shù)據(jù)的無效轉(zhuǎn)發(fā)，使用深度門限來控制參與節(jié)點的數(shù)量。深度門限是指參與轉(zhuǎn)發(fā)的節(jié)點的最大深度。顯然門限越大，參與轉(zhuǎn)發(fā)的節(jié)點越少，反之越多。

圖2 路由算法基本原理示意

（2）保留一段時間再轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)

每個轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點收到數(shù)據(jù)后并不是馬上轉(zhuǎn)發(fā)，而是保留一段時間再進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，該時間定義為holding time。將holding time表示為節(jié)點剩余能量與節(jié)點深度信息的函數(shù)。顯然節(jié)點深度越淺，其參與轉(zhuǎn)發(fā)的優(yōu)先級越高，則holding time越短，深度越深則holding time越長，即holding time與深度成反比。為保證節(jié)點能量的均衡，如果節(jié)點的剩余能量越多，則其參與轉(zhuǎn)發(fā)的優(yōu)先級越高，holding time越短，即holding time與節(jié)點剩余能量成反比。

holding time可以表示為d與e的函數(shù)：

其中d、e分別代表源節(jié)點與轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點的垂直距離及自身剩余能量。

令n1收到分組的時間為 t1，n2收到分組的時間為 t2，t1,2為節(jié)點n1、n2間的傳播時延，由圖2有：

即：t1+f(d1,e1)+t12≤t2+f(d2,e2)條件滿足。

（3）分組歷史緩存

水下多徑轉(zhuǎn)發(fā)可能會造成一個節(jié)點收到一個數(shù)據(jù)分組多次的問題，使用分組歷史緩存來解決。節(jié)點每發(fā)送一個數(shù)據(jù)后，將其相關(guān)特征信息放入歷史緩存?zhèn)洳椋还?jié)點收到一個新的數(shù)據(jù)首先檢查歷史緩存，如再次收到該數(shù)據(jù)則將其丟棄。

圖3 空洞示意

水下數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)不可避免會遇到空洞，以圖3為例，節(jié)點S收到數(shù)據(jù)后向上沒有轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點，其上部區(qū)域定義為空洞，在此情況下需要重構(gòu)路由。有兩種策略可以解決：一是將數(shù)據(jù)退回上一個節(jié)點再執(zhí)行路由算法，如果仍然遇到空洞則再退回更上一個節(jié)點，直到數(shù)據(jù)被順利轉(zhuǎn)發(fā)；二是將數(shù)據(jù)直接轉(zhuǎn)發(fā)到其通信范圍內(nèi)的其他更深節(jié)點再執(zhí)行轉(zhuǎn)發(fā)算法，直至將數(shù)據(jù)送到水面。

5 結(jié)束語

現(xiàn)有的水下傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議研究主要以地理路由為主，難以在水下實際應(yīng)用。本文對水下三維傳感器網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議進(jìn)行了深入的研究，針對現(xiàn)有水下傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議的不足，提出了一種新型路由協(xié)議，該協(xié)議不需要節(jié)點的三維位置信息，只需要通過深度信息同時結(jié)合自身的剩余能量情況即可決定是否轉(zhuǎn)發(fā)該數(shù)據(jù)，可以有效減少轉(zhuǎn)發(fā)沖突，減少能量消耗，及時應(yīng)對網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓?，延長網(wǎng)絡(luò)生存時間，具有很高的學(xué)術(shù)價值和很好的應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)

1 http://www.globalfuture.com/mit-trends2003.htm

2 Rice J.Enabling undersea FORCEnet with seaweb acoustic networks.Biennial Review 2003,SSC San Diego TD 3155,2003:174～180

3 Rice J,Green D.Underwater acoustic communications and networks for the US navyapos; seaweb program sensor technologies and applications.Sensor COMMapos,Second International Conference,2008:715～722

4 http:/www.dspcomm.com/

5 http:/www.tritech.co.uk/products/products-main.htm

6 朱昌平.水聲通信基本原理與應(yīng)用.北京:電子工業(yè)出版社，2009

7 李彥，羅續(xù)業(yè).海洋監(jiān)測傳感器網(wǎng)絡(luò)概念與應(yīng)用探討.海洋技術(shù)，2006,25(4):34～38

8 Karp B,Kung H.GPSR:greedy perimeter stateless routing for wireless networks.Proceeding of the 6th Annual International Conference on Mobile Computing and Networking,Boston,ACM Press,2000:243～254

9 Kulik J,Heinzelman W,Balakrishman H.Negotiation based protocols fordissemination information in wireless sensor network.Wireless Networks,2002,8(2-3):169～185

10 Heinzelman W,Chandrakasan A,Balakrishman H.Energyefficient communication protocol for wireless microsensor networks.Proceedings of the 33rd Annual Hawaii Int’l Conf on System Sciences,Maui,IEEE Computer Society,2000:3 005～3 014

11 He T,Stankovic J A,Lu C,et al.Speed:a dtateless protocol for real-time communication in sensor networks.Proceedings of the 23th International Conference in Distributed Computing Systems,2003:46～55

12 Xie P,Cui J H,Lao L.VBF：vector-based forwarding protocol for underwater sensor networks,UbiNet-TRD5-03.University of Connecticut,Computer Science and Engineering Department,2006

13 Nicolaou N C,See A G,Xie P,et al.Improving the robustness of location-based routing for underwater sensor networks.Proceedings of IEEE Oceans,Piscataway,NJ:IEEE,2007

14 Carlson E A,Beaujean P P.Location-aware routing protocol for underwater acoustic networks.Proceedings of IEEE Oceans,Piscataway,NJ:IEEE,2006

15 Jornet J M,Stojanovic M,Zorzi M.Focused beam routing protocolforunderwateracoustic networks.Proceedings of WUWNet,New York,ACM,2008:75～82

16 王錦程.一種基于水聲信道的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議.傳感技術(shù)學(xué)報，2009,22(1):108～111

17 翟潔.水下傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議研究.華中科技大學(xué)碩士學(xué)位論文,2007

18 張光旭.水聲傳感器網(wǎng)絡(luò)可靠路由協(xié)議的研究.中國海洋大學(xué)碩士學(xué)位論文,2008