水下無線傳感網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議研究

劉春秋 劉小明

摘要：水下無線傳感網(wǎng)絡(luò)不同于依靠電磁波等介質(zhì)傳播的地面無線傳感網(wǎng)絡(luò)，在水下場(chǎng)景中，由于水聲通信的特殊性，因此對(duì)水下通信及傳輸有著不同的要求，尤其是水下組網(wǎng)的路由協(xié)議，不同應(yīng)用和需求有不同的性能要求，因此本文就水下傳感網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議進(jìn)行研究，分析各種不同需求的路由協(xié)議特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：泛洪 時(shí)延 協(xié)議 鏈路 路由 廣播

中圖分類號(hào)：TP393文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)1672-3791（2015）06（b）-0000-00

1概述

水下傳感網(wǎng)絡(luò)是利用聲信號(hào)建立起來的無線自組織網(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)通過水聲無線通信形成的一個(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、分類和壓縮，并可通過水聲傳感網(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]。而水下無線傳感網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議不同于Ad Hoc網(wǎng)路和電磁波無線傳感網(wǎng)絡(luò)，比如比較典型的路由協(xié)議如DSDV、DSR和AODV等，這一類路由協(xié)議的特點(diǎn)是需要維護(hù)節(jié)點(diǎn)間的路由信息，通過不斷更新路由表來保持路由信息的完整性，這類協(xié)議的開銷較大，不適合水聲環(huán)境；由于水下傳感網(wǎng)絡(luò)對(duì)不同應(yīng)用要求的參數(shù)質(zhì)量不同，不同的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議方法也不同，因此對(duì)水下傳感網(wǎng)絡(luò)做統(tǒng)一的分類比較困難，以下對(duì)水下傳感網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議的研究情況做簡(jiǎn)單的分析和介紹。

2 水下無線傳感網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議

2.1基于廣播的路由協(xié)議

文獻(xiàn)[2]描述DSR有模糊邏輯推理系統(tǒng)和廣播樹的等級(jí)限制機(jī)制，模糊邏輯推理系統(tǒng)使用三個(gè)參數(shù)和選擇至多兩個(gè)候選傳感節(jié)點(diǎn)基于模糊規(guī)則基礎(chǔ)來轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包，三個(gè)參數(shù)包括距離、兩個(gè)鄰接傳感節(jié)點(diǎn)的角度和傳感節(jié)點(diǎn)的剩余能量。廣播樹等級(jí)約束機(jī)制阻止數(shù)據(jù)包的快速蔓延而防止節(jié)點(diǎn)引起不必要的能量消耗；但是未對(duì)廣播樹的等級(jí)數(shù)約束進(jìn)行討論。文獻(xiàn)[3]DFR提出了基于定向廣播路由協(xié)議，它依賴包泛洪技術(shù)來提高可靠性，然而進(jìn)行泛洪的節(jié)點(diǎn)數(shù)量要被控制來防止包泛洪到整個(gè)網(wǎng)絡(luò)，根據(jù)鏈路質(zhì)量來決定轉(zhuǎn)發(fā)的節(jié)點(diǎn)，而且DFR為了防止明顯的節(jié)點(diǎn)空閑，它允許至少一個(gè)節(jié)點(diǎn)來參與轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包；但是鏈路質(zhì)量的度量仍是個(gè)問題。文獻(xiàn)[4]提出了一種構(gòu)架在水下移動(dòng)傳感網(wǎng)絡(luò)，位置和路由在兩個(gè)連續(xù)的循環(huán)中交替，位置數(shù)據(jù)包抓取或傳遞的轉(zhuǎn)發(fā)算法是一種貪婪的地理信息轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制，它益于水下節(jié)點(diǎn)的非控制行為。文獻(xiàn)[5]提出了一種新穎的生成樹，叫感知流量路由樹，它完全是由流量負(fù)載自底向上風(fēng)格的建立樹，然后逐級(jí)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)。文獻(xiàn)[6]本文是在AUV輔助條件下限制泛洪來提高網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)展性，它是在COFSNET+的基礎(chǔ)上，提出了可控制數(shù)據(jù)包重傳機(jī)制來將數(shù)據(jù)包傳送至目標(biāo)節(jié)點(diǎn)，從而減少整個(gè)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)量而且克服了網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)包丟失的情況。文獻(xiàn)[7]是基于多sink體系結(jié)構(gòu)下的路由協(xié)議，每個(gè)收集到數(shù)據(jù)的節(jié)點(diǎn)采用貪婪算法將數(shù)據(jù)全力交于上層節(jié)點(diǎn)，以此方式傳至節(jié)點(diǎn)附近的sink。

2.2 基于深度感知方法的路由協(xié)議

文獻(xiàn)[8]陰影區(qū)延遲感知的機(jī)制（SZODAR）是實(shí)用的分布式協(xié)議，能夠在陰影周圍發(fā)現(xiàn)路由，其中傳感節(jié)點(diǎn)可以上升或者下降它的聲接收器到一定的深度，這樣鄰接節(jié)點(diǎn)的陰影就會(huì)避免陰影區(qū)域覆蓋。文獻(xiàn)[9]提出了使用球體能量感知損耗模型來分析水下傳感網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)能耗，而且越靠近SINK的節(jié)點(diǎn)越容易死亡，因此為了權(quán)衡包的轉(zhuǎn)送和能量有效性，而設(shè)計(jì)了適應(yīng)性機(jī)制來設(shè)置數(shù)據(jù)聚合范圍從而達(dá)到平衡整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的能耗；文獻(xiàn)[10]一種在密集的3D水下傳感網(wǎng)絡(luò)中，提出了一種上行鏈路傳輸，一組水下傳感節(jié)點(diǎn)報(bào)告事件到靜態(tài)SINK節(jié)點(diǎn)。它包括兩個(gè)階段，在第一個(gè)階段，分層圍繞SINK節(jié)點(diǎn)形成同中心的球體，球體半徑及每層節(jié)點(diǎn)的傳輸能量由成功發(fā)送包的機(jī)率和最小能耗代價(jià)來決定；第二階段也叫通信階段，提出了一種選擇中間中繼節(jié)點(diǎn)和空閑路由算法，從源節(jié)點(diǎn)到SINK節(jié)點(diǎn)通過標(biāo)記的中繼節(jié)點(diǎn)進(jìn)行包傳遞。Pompili提出了是基于3D結(jié)構(gòu)和聲音信道的利用率模型，這種模型可以根據(jù)傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的密度，應(yīng)用要求和被監(jiān)控量來設(shè)置包的尺寸，而且考慮到路由功能和水聲信道的特點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)聚合的問題，兩種分布式的路由協(xié)議是為敏感延遲和非敏感延遲而應(yīng)用。Yan 提出了DBR利用深度傳感器得到節(jié)點(diǎn)的深度，每個(gè)數(shù)據(jù)包在發(fā)送時(shí)候都帶有自己的深度信息。其基本思想是，當(dāng)節(jié)點(diǎn)接收到一個(gè)數(shù)據(jù)包，如果數(shù)據(jù)包中的深度比自己的小，那么轉(zhuǎn)發(fā)，否則就丟棄。如果有多個(gè)SINK節(jié)點(diǎn)，那么DBR就會(huì)充分的利用它們，數(shù)據(jù)可能到達(dá)任意的SINK點(diǎn)。它的優(yōu)點(diǎn)是不要求全網(wǎng)的位置信息，能夠處理動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)而且有很好的能效利用多個(gè)SINK節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)而沒有額外的開銷。文獻(xiàn)[11]是基于DBR的基礎(chǔ)上提出的多跳路由協(xié)議，通過在水面部署多個(gè)sink節(jié)點(diǎn)，在深度條件下水下傳感節(jié)點(diǎn)通過多跳向水面方向?qū)?shù)據(jù)包傳送至最近的sink節(jié)點(diǎn)，以此來減少網(wǎng)絡(luò)過多消耗。

2.3基于容錯(cuò)延遲矢量網(wǎng)絡(luò)協(xié)議

如文獻(xiàn)[12]水下延遲中斷容忍的傳感網(wǎng)絡(luò)適應(yīng)路由協(xié)議，由于對(duì)水下環(huán)境的不利因素，也對(duì)這個(gè)系統(tǒng)有了很多限制，水下傳感網(wǎng)絡(luò)通常被認(rèn)為是間歇連接網(wǎng)絡(luò)（ICN）或者是延遲＼中斷容忍網(wǎng)絡(luò)，它要求指定的專門協(xié)議。而且不同的應(yīng)用要求不同的數(shù)據(jù)包類型。Hu以馬爾科夫理論為基礎(chǔ)的采用機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)即Q-learning方法在能耗和端到端的延遲之間獲得均衡來提高兩者的有效性。Xie 將路徑指定為一個(gè)矢量，靠近路由矢量的節(jié)點(diǎn)將轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包。算法具有開銷少、能量有效、傳輸成功率高、和端到端傳輸延時(shí)低等特點(diǎn)。但是算法需要事先確定一個(gè)路由“管道”半徑.這使得算法在具體的應(yīng)用中，要求由用戶來設(shè)置路由“管道”半徑，很不方便。Nicolaou吸取了基于矢量的路由轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議上述缺點(diǎn)，提出了在稀疏型網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)擁有獨(dú)立矢量的轉(zhuǎn)發(fā)算法HH-VBF。它是分別給每個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)建立其到目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的路由矢量，在由當(dāng)前轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)的路由矢量決定的路由管道中選擇下一個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)，而不是VBF中的單一的矢量管道。Xie提出在節(jié)點(diǎn)分布不均的情況下，采用轉(zhuǎn)移矢量和強(qiáng)制回退機(jī)制提高空閑節(jié)點(diǎn)有效通信的方法；前者用于沿著空閑邊緣來進(jìn)行數(shù)據(jù)包的路由；后者采用后退迂回空閑節(jié)點(diǎn)來進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制。

2.4基于能效均衡的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議

文獻(xiàn)[13]采用了前向轉(zhuǎn)發(fā)器來決定合適的節(jié)點(diǎn)去轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包到目標(biāo)節(jié)點(diǎn)，以及轉(zhuǎn)發(fā)樹修剪機(jī)制來阻止過多的被轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包擴(kuò)散。文獻(xiàn)[14]是基于壓力的anycast路由，允許對(duì)時(shí)延要求嚴(yán)格的節(jié)點(diǎn)通過多跳網(wǎng)絡(luò)匯報(bào)數(shù)據(jù)包到水面的節(jié)點(diǎn)，提出了一種新穎的機(jī)會(huì)路由機(jī)制來選擇轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)的子網(wǎng)來減少貪婪轉(zhuǎn)播進(jìn)程，有效解決了限制同步干擾和睡眠恢復(fù)機(jī)制所帶來的問題。文獻(xiàn)[15]是單sink節(jié)點(diǎn)的水下傳感網(wǎng)絡(luò)中，距離sink節(jié)點(diǎn)越近的節(jié)點(diǎn)能量消耗較大，因此死亡較快，所以文章針對(duì)這個(gè)問題提出了數(shù)據(jù)包傳輸率和能量有效之間的折中，設(shè)計(jì)了以多跳方式滿足節(jié)點(diǎn)的冗余來保證節(jié)點(diǎn)的傳輸可靠性。

3 總結(jié)

以上介紹了已有的水下無線傳感網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議的特點(diǎn)，雖然每一種路由協(xié)議都有其特色，但是面對(duì)不同的場(chǎng)景、應(yīng)用需求和體系構(gòu)架，則需要采用不同的通信協(xié)議；對(duì)于不同體系結(jié)構(gòu)、不同的應(yīng)用需求，尤其對(duì)時(shí)延的要求的敏感，水下無線傳感網(wǎng)絡(luò)則采用不同的算法。

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