水下無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)路由性能參數(shù)研究

劉小明

摘 要：水下無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)通信不同與基于電磁波通信的無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)；文章分析了水下通信信號(hào)的特征，并與陸地?zé)o線傳感網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行比較，并詳細(xì)描述在水下無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)路由傳輸中，評(píng)價(jià)路由通信性能的參數(shù)，并對(duì)這些參數(shù)進(jìn)行了詳細(xì)的解釋。

關(guān)鍵詞：水下無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò) 通信性能 跳數(shù)

中圖分類(lèi)號(hào)：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2014）09（b）-0006-02

在水下無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)中，由于在不同的場(chǎng)景和應(yīng)用對(duì)不同參數(shù)，如能耗、時(shí)延等參數(shù)不同的要求，因此，首先要分析水下水下無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)是利用聲信號(hào)建立起來(lái)的無(wú)線自組織網(wǎng)絡(luò)，它一般是使用飛行器、潛艇或水面艦艇將大量廉價(jià)的微型傳感器節(jié)點(diǎn)隨機(jī)布放在海底或海中指定的感興趣水域，節(jié)點(diǎn)通過(guò)水聲無(wú)線通信形成的一個(gè)多跳的自組織、分布式、多節(jié)點(diǎn)、大面積覆蓋的水下網(wǎng)絡(luò)，協(xié)作對(duì)信息進(jìn)行采集、處理、分類(lèi)和壓縮，并可通過(guò)水聲無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)直接或中繼方式發(fā)送到陸基或船基的信息控制中心的綜合網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。這樣建立起來(lái)的交互式網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，岸上的用戶能夠?qū)崟r(shí)地存取水下傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，并把控制信息傳送給水下傳感節(jié)點(diǎn)。水下無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)被認(rèn)為具有廣泛的應(yīng)用前景，如實(shí)時(shí)或者延時(shí)的空間連續(xù)水生監(jiān)控系統(tǒng)在海洋學(xué)資料收集，水生環(huán)境監(jiān)控，海洋科學(xué)考察，水下考古探險(xiǎn)和近海岸保護(hù)，污染監(jiān)控，海上勘探，地震圖像傳輸、海洋環(huán)境檢測(cè)、災(zāi)難預(yù)防和輔助導(dǎo)航等領(lǐng)域的應(yīng)用有著極為重要的價(jià)值[1，2，3，4]。

1 水聲通信特點(diǎn)

水下傳感網(wǎng)絡(luò)采用聲波作為傳播手段[7]，水聲通信是一種典型的水下通信網(wǎng)絡(luò)的物理層技術(shù)，基于聲通信的水下傳感網(wǎng)絡(luò)易于布設(shè)，是由大量分布式的水下傳感器節(jié)點(diǎn)，水下儀器等節(jié)點(diǎn)組成的多跳網(wǎng)絡(luò)。由于水聲信號(hào)的傳播速度只有1500m/s，使得網(wǎng)絡(luò)的吞吐量很低。傳輸時(shí)延和傳播損耗是水聲信道主要面臨兩個(gè)問(wèn)題。

電磁波在空氣中的傳播速度是3×10 m/s，聲波在水中的傳播速度是1500 m/s，二者的速度相差5個(gè)數(shù)量級(jí)，每公里約延遲0.67 s，因此傳播時(shí)延較大。對(duì)于水聲通信的收發(fā)設(shè)備來(lái)說(shuō)，傳播時(shí)延也成為主要的影響因素[4]。水聲通信的傳播損耗與通信距離和發(fā)射頻率有關(guān)。根據(jù)文獻(xiàn)[9]Urick提出的傳播模型，傳播損失是擴(kuò)展、衰減以及散射損失之和。擴(kuò)展損失是聲波波陣面在傳播過(guò)程中不斷擴(kuò)展引起的聲波衰減，主要分為點(diǎn)源球面擴(kuò)展傳播損失和潛水環(huán)境下水平面上的柱面擴(kuò)展傳播損失兩種。兩種傳播損失都隨著距離的增加而增加。吸收損失隨頻率和距離的增加而增加；散射損失由是于均勻介質(zhì)的粘滯性、熱傳導(dǎo)性引起聲強(qiáng)衰減和介質(zhì)的不均勻性引起的聲波散射。介質(zhì)的不均勻性包括海洋中泥沙、氣泡、浮游生物等懸浮介的不均勻性和海水界面對(duì)聲波的散射[6，7]。

相比較于陸基無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)，水下無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)由于其粗糙的水環(huán)境、有限帶寬、高可變的傳播延遲、高錯(cuò)誤率、多徑與衰減引起的鏈路臨時(shí)性丟失等，而水下通信的性能要求則不同地面電磁波通信，因?yàn)殡姶挪ㄔ谒械奈蘸退p很大，能夠在海水中傳播的無(wú)線電波頻率在30～300 Hz的范圍，需要很大功率的天線，不適于長(zhǎng)距離通信；光波雖然不使用天線，但會(huì)受到散射的影響，確定水下傳輸光信號(hào)的精確值也很困難；相比電磁波和光波，聲音在水中具有更好的傳播特性，因此水下通信網(wǎng)絡(luò)的鏈路是基于聲無(wú)線傳輸?shù)?，水下無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)采用聲波作為傳播手段[8]。水聲通信是一種典型的水下通信網(wǎng)絡(luò)的物理層技術(shù)，基于聲通信的水下無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)易于布設(shè)，是由大量分布式的水下傳感器節(jié)點(diǎn)，水下儀器等節(jié)點(diǎn)組成的多跳網(wǎng)絡(luò)；因此本文以水聲通信為基礎(chǔ)，對(duì)涉及水下傳感網(wǎng)絡(luò)的路由性能參數(shù)進(jìn)行研究。

2 路由參數(shù)描述

假設(shè)水下無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)中有N個(gè)節(jié)點(diǎn)，那么路由算法的鏈路代價(jià)函數(shù)，其中i和j為相鄰鄰居節(jié)點(diǎn)，路由算法需要網(wǎng)絡(luò)中所有相連的節(jié)點(diǎn)之間的連接代價(jià)，從源節(jié)點(diǎn)到目標(biāo)節(jié)點(diǎn)通過(guò)N節(jié)點(diǎn)（N-1跳）的路由選擇代價(jià)的綜合為：

2.1 跳數(shù)

在源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)之間，最簡(jiǎn)單和普通的路由標(biāo)準(zhǔn)為考慮節(jié)點(diǎn)間跳數(shù)的最小化。最小的跳數(shù)可以減少網(wǎng)絡(luò)擁塞和包的沖突，而且可以數(shù)據(jù)包在網(wǎng)絡(luò)中的最小化傳送的過(guò)程，節(jié)點(diǎn)i和j之間的鏈路代價(jià)跳數(shù)表示為，根據(jù)這個(gè)公式，考慮到所有鏈路都有相同的權(quán)值，最優(yōu)的路由選擇將會(huì)產(chǎn)生路徑的最小跳數(shù)，根據(jù)此公式可能不止唯一解，所以有可能存在其他相同跳數(shù)的路徑，在這些可能的路徑中，路由算法將選擇其中一個(gè)輸出數(shù)據(jù)。

2.2 路徑長(zhǎng)度

因?yàn)槁曇舻脑谒聜鞑サ膹?fù)雜和挑戰(zhàn)性，因此我們?cè)诳紤]路由選擇標(biāo)準(zhǔn)時(shí)通過(guò)聲學(xué)編碼信息傳送的要盡量最小化物理距離，連接節(jié)點(diǎn)的路徑長(zhǎng)度鏈路代價(jià)公式為：

2.3 消息傳送延遲

在一些應(yīng)用中，對(duì)于指定的目的地傳送通信的消息接收很緊迫或者對(duì)時(shí)間有嚴(yán)格要求的。假如發(fā)生一系列的危險(xiǎn)行動(dòng)，信息要求被快速融合處理，提示其他的節(jié)點(diǎn)或者提供警告給操作人員，在水下完成這樣的任務(wù)，非常具有挑戰(zhàn)性，因?yàn)樗晜鞑ニ俾市∮陔姶挪ㄔ诳諝庵械乃俾?個(gè)數(shù)量級(jí)，因此一個(gè)很重要的潛在指標(biāo)就是最小化數(shù)據(jù)包的傳送延遲。延遲是由傳播時(shí)間（與路徑長(zhǎng)度成正比）和數(shù)據(jù)包的長(zhǎng)度所決定，下水通信利用鏈路握手協(xié)議來(lái)減少數(shù)據(jù)包的沖突和提高可靠性，發(fā)送節(jié)點(diǎn)發(fā)送請(qǐng)求空指幀（），接收節(jié)點(diǎn)用發(fā)送清除發(fā)送控制幀（）來(lái)響應(yīng)，最后發(fā)送節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)/通信包。雖然控制幀很短，他們也必須經(jīng)過(guò)鏈路的距離，更而增加了延遲，延遲的鏈路代價(jià)為：

b表示傳送字節(jié)的位數(shù)（RTS handshake，CTS handshake 和實(shí)際的數(shù)據(jù)信息），Bd表示通信鏈路的有效波特率（比如handshake 和數(shù)據(jù)表示bits/s），表示節(jié)點(diǎn)和的距離，c表示聲音在水中的速度，參數(shù)“3”表示水聲傳送的三次握手（兩次handshake，一次傳送數(shù)據(jù)）。代價(jià)公式假設(shè)是在每次的嘗試通信時(shí)都是可靠和成功的傳送，沒(méi)有重傳或者再次請(qǐng)求等，當(dāng)然延遲會(huì)因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)的可靠性降低和重傳發(fā)生而增加。endprint

2.4 傳輸安全

傳輸安全是指水聲網(wǎng)絡(luò)隱秘傳輸操作的能力，而不被鄰近的潛伏敵人所發(fā)現(xiàn)；傳輸安全可以通過(guò)減少水聲網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生的輻射功率以防被探測(cè)，這種方法是對(duì)已確定的目標(biāo)節(jié)點(diǎn)使調(diào)制解調(diào)器對(duì)其提供充分的而不超量的發(fā)送功率，從而潛在的降低了信號(hào)探測(cè)或被攔截的危險(xiǎn)。這種方法要求網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)根據(jù)特定的目標(biāo)節(jié)點(diǎn)距離，調(diào)制解調(diào)器具有自適應(yīng)調(diào)節(jié)自我調(diào)節(jié)電源及發(fā)射功率；降低發(fā)送功率的另外一個(gè)好處可以減少較遠(yuǎn)節(jié)點(diǎn)監(jiān)聽(tīng)到數(shù)據(jù)包而產(chǎn)生的競(jìng)爭(zhēng)和collusion。被動(dòng)聲納公式給出了接收器的信噪比：

SL是發(fā)送解調(diào)器的聲源強(qiáng)度，TL是發(fā)送解調(diào)器到接收解調(diào)器的單向傳輸損耗，NL是接收節(jié)點(diǎn)的環(huán)境噪音強(qiáng)度，假設(shè)接收端只要求最低的SNR強(qiáng)度適當(dāng)?shù)亟邮蘸吞幚硗ㄐ判盘?hào)，就可以把源端解調(diào)器的功率調(diào)至低于要求的SNR，這樣就可以獲得節(jié)點(diǎn)到的SL：

根據(jù)發(fā)送解調(diào)器的輻射聲功率要求提供必須的信號(hào)強(qiáng)度，可以根據(jù)得出傳輸安全的鏈路代價(jià)為：

代價(jià)公式以線性額定功率單位做定義，從聲源級(jí)到輻射聲功率的影響因子170.77是必須的，用于能量適應(yīng)度和路由消耗的參數(shù)TL和NL 可以通過(guò)水下網(wǎng)絡(luò)中的CTS，ACK和ECHO控制幀來(lái)自動(dòng)的預(yù)測(cè)。

如果假設(shè)在網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點(diǎn)中最小的SNR和NL為常量，代價(jià)公式就成為傳輸損耗函數(shù)，因此短距離多跳可以降低TL從而減少消耗。這個(gè)指標(biāo)將產(chǎn)生包含大量短距離多跳的路由選擇同路，由此與跳數(shù)，路徑長(zhǎng)度和延遲所產(chǎn)生的路由選擇方案有相當(dāng)?shù)牟煌?/p>

2.5 網(wǎng)絡(luò)能量功耗

由于水下聲納解調(diào)器自帶電池供電的能量有限性，能量功耗成為水下網(wǎng)絡(luò)中最重要參數(shù)之一。考慮不同的應(yīng)用，需要保存網(wǎng)絡(luò)的能量來(lái)滿足通信場(chǎng)景的要求，如改變不同的發(fā)射功率就會(huì)減少網(wǎng)絡(luò)能量的消耗，因此用此種方法，我們可以降低從源端到目的端傳送通信包的能量，在傳輸安全中已經(jīng)提到的數(shù)據(jù)包能量傳遞鏈路代價(jià)公式，這里我們描述的是電池功率而不是聲功率，電能消耗和聲能消耗，兩個(gè)是不同的有效參數(shù)：

結(jié)合前面的消息傳遞能耗，可以獲得：

可以看出，此表達(dá)式與傳輸安全的鏈路代價(jià)很相似，在此可以忽略公式中接收節(jié)點(diǎn)處理的能耗，在水下其想比較于信號(hào)傳輸能耗非常小。

2.6 網(wǎng)絡(luò)壽命

用最小能耗對(duì)數(shù)據(jù)包進(jìn)行路由選擇并不意味著網(wǎng)絡(luò)的生命周期是最大的。假如有數(shù)據(jù)包進(jìn)行路由過(guò)度消耗了節(jié)點(diǎn)能量，那么最小能耗路徑當(dāng)然最佳的，網(wǎng)路路徑不在沿著此路徑發(fā)送數(shù)據(jù)；如果網(wǎng)絡(luò)中存在其他的可用路徑，甚至路徑代價(jià)更高，那么利用此路徑來(lái)進(jìn)行可靠通信是有益的。網(wǎng)絡(luò)壽命的鏈路代價(jià)指標(biāo)目的是為了更長(zhǎng)的可能持續(xù)中保持連接，因此一旦在路由中的一個(gè)節(jié)點(diǎn)能量耗盡，候選路由將發(fā)現(xiàn)無(wú)法通過(guò)它，依照電壓或者當(dāng)前利用率，兩個(gè)鏈路代價(jià)指標(biāo)的提出是基于節(jié)點(diǎn)的能量資源保持的。

假如解調(diào)器的電壓可以確定，網(wǎng)絡(luò)壽命的公式如下：

是源節(jié)點(diǎn)所剩電池容量（），剩余容量可以通過(guò)解調(diào)器的電池電壓和相關(guān)的電池放電曲線來(lái)測(cè)量，既然能耗是不成比例高損耗，也就是非線性能耗，而且對(duì)于給定連接的兩個(gè)節(jié)點(diǎn)能耗是非對(duì)稱(chēng)的，它僅僅依賴于發(fā)送解調(diào)器的電池容量（而不是接收節(jié)點(diǎn)），水下解調(diào)器允許被要求來(lái)報(bào)告電池電壓級(jí)別。

剩余電池容量也可以通過(guò)對(duì)當(dāng)前消耗的記錄來(lái)估算，設(shè)是新電池的電池容量，假設(shè)一個(gè)節(jié)點(diǎn)能夠記錄（一種計(jì)數(shù)器）在運(yùn)作的過(guò)程中當(dāng)前所有積累的能量消耗，設(shè)為，那么基于當(dāng)前測(cè)量的網(wǎng)絡(luò)壽命鏈路代價(jià)為：

對(duì)于水下網(wǎng)絡(luò)，能量計(jì)數(shù)器為：

是沒(méi)數(shù)據(jù)包的所有位數(shù)（包括控制幀），是電流（Amps）節(jié)點(diǎn)的傳輸功率級(jí)，是波特率（bits/sec），對(duì)于接收處理和空閑狀態(tài)，解調(diào)器能量消耗是遠(yuǎn)低于傳送所要求的能耗，可以忽略不計(jì)。

2.7 消息傳遞可靠性

在網(wǎng)絡(luò)中一些鏈路不可能有高的可靠性，在路由選擇中包括這些鏈路都會(huì)影響通信能力，如果鏈路的質(zhì)量可確定的話，消息傳遞的可靠性指標(biāo)可以用于路由選擇中。我們假設(shè)鏈路故障概率可以被網(wǎng)絡(luò)計(jì)算，同樣的是先前提到的能量計(jì)數(shù)器。每個(gè)節(jié)點(diǎn)可以從接收的控制幀中的信息得到鏈路故障概率并保存其統(tǒng)計(jì)。兩個(gè)節(jié)點(diǎn)和間的鏈路故障積累概率可計(jì)算為：

3 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)水下無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)和水聲信號(hào)特征的分析和比較，詳細(xì)描述了水下無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)路由傳輸通信性能的參數(shù)要求和數(shù)學(xué)表達(dá)；當(dāng)然由于不同場(chǎng)景和水下探測(cè)應(yīng)用的需求，還會(huì)有更多的參數(shù)來(lái)描述和表達(dá)，是我們下一步進(jìn)一步研究的內(nèi)容。

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