一種基于認知包的機會主義路由

張 琳 郭世俊

（上海海事大學傳感與數(shù)據(jù)傳輸實驗室，中國 上海 201306）

0 引言

海上交通運輸一直是各國與世界經(jīng)濟溝通的重要樞紐。海上搜救是國家履行國際義務，保障海洋運輸安全以及維護國家聲譽的一項重要社會職責[1]。利用現(xiàn)代科技手段提高海上搜救效率，最大程度的減少海難帶來的損失對整個航運業(yè)乃至國民經(jīng)濟的發(fā)展有著重要的推動作用。由于無線傳感網(wǎng)絡技術能為海上工作帶來諸多便捷，因此在海事領域的應用也開始逐漸普及，如海上溢油檢測、海事監(jiān)控等。無線傳感網(wǎng)絡的優(yōu)勢在于低成本，低能耗，體積小，并能自組織成一個通信網(wǎng)絡來收集有用信息，因此非常適合于應用在海上搜救領域[2]。本文將在搜救目標處配備傳感器節(jié)點，在海上惡劣環(huán)境中節(jié)點可以自組織成一個無線多跳通信網(wǎng)絡，將搜救目標信息傳輸給基站。相對其他技術，無線傳感網(wǎng)絡能更好的將各節(jié)點處信息傳輸給網(wǎng)絡中心，實現(xiàn)搜救目標的主動示位。但將無線傳感網(wǎng)絡技術應用在海上搜救時，搜救目標多是落水人員，要解決的一個重要問題就是盡可能保證路由的數(shù)據(jù)傳輸成功率。

海上搜救無線傳感網(wǎng)絡包含船舶終端，設置于船舶，通過外接的衛(wèi)星與互聯(lián)網(wǎng)建立通信連接；匯聚節(jié)點，設置于救生艇筏，該匯聚節(jié)點與搜救終端（船舶）無線通訊連接；傳感器節(jié)點設置于救生衣，該傳感器節(jié)點實時探測匯聚節(jié)點并與匯聚節(jié)點無線通訊連接。

落水后，傳感器節(jié)點可以由穿著救生衣的人員或遇水打開，通過ZigBee 協(xié)議自組織形成一個無線多跳網(wǎng)，在海上風浪等的影響下造成貨物或落水人員與其攜帶的傳感器節(jié)點位置相對不穩(wěn)定，相對較穩(wěn)定的是母船，搜救船舶以及搜救直升機，為了保證搜救目標盡可能被網(wǎng)絡覆蓋到，搜救方將加入人工拋撒的一些節(jié)點[3]。

無線傳感網(wǎng)絡形成后，節(jié)點收集自身信息，如生命體征，地理位置等，再將其信息傳輸至匯聚節(jié)點，匯聚節(jié)點再通過網(wǎng)絡或衛(wèi)星等方式將有效信息傳輸至搜救終端。

1 基于認知包的機會主義路由

1.1 基于MEMS 的搜救節(jié)點

海上搜救無線傳感網(wǎng)絡的節(jié)點配置在救生衣或救生圈等個體求生者所用設備上，通常每個船員固定一個救生衣，每個設備擁有自己的唯一編號。節(jié)點有四大模塊，分別是電源、傳感器、微處理器、無線收發(fā)模塊，其中傳感器部分除了常規(guī)的溫度、定位、體征監(jiān)測等，本文還加入了基于MEMS 的加速度傳感器。節(jié)點在海面上隨著風、浪等呈現(xiàn)動態(tài)的起伏流動，通過MEMS 可以監(jiān)測到節(jié)點的運行狀態(tài)[4]。

1.2 機會主義路由

機會主義路由的基本思想是源節(jié)點向目的節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)時，路由協(xié)議并不是按一條固定的最佳路徑傳輸，而是利用無線網(wǎng)絡的廣播特性，得到中轉(zhuǎn)的候選節(jié)點組，根據(jù)某一測度，再從該節(jié)點組中選出最優(yōu)節(jié)點進行轉(zhuǎn)發(fā)。

1.3 基于認知包的機會主義路由

機會路由很重要的一方面是潛在的中繼節(jié)點之間進行協(xié)調(diào)的能力。本文通過改進機會主義路由測度，來提高候選節(jié)點對海上環(huán)境的適應能力?；灸Ｊ饺缦拢粋€有向圖G＝{N，L}，N 為WSN 中節(jié)點個數(shù)，L 為鏈路。所有節(jié)點組成一個集合。S 為源節(jié)點，D 為目的節(jié)點，節(jié)點a、b、c、d 是節(jié)點S 的鄰居節(jié)點，且能夠和S 進行有效的通信，這些節(jié)點即為源節(jié)點S 的潛在中繼節(jié)點。當S 有數(shù)據(jù)要發(fā)送的時候，向周圍廣播“hello”包，節(jié)點a、b、c、d 監(jiān)聽到了數(shù)據(jù)包后，它們建立轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點集列表并根據(jù)與源節(jié)點通信質(zhì)量及離目的節(jié)點的距離等確立優(yōu)先級，然后由最高優(yōu)先級的節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)包。若最高級節(jié)點發(fā)送失敗，則按順序由下一個優(yōu)先級的節(jié)點發(fā)送直至數(shù)據(jù)發(fā)送成功。

與其他應用環(huán)境不同，海上搜救的主要任務是將信息發(fā)送給搜救者，而海上節(jié)點移動性也較強。對于機會主義路由，數(shù)據(jù)傳輸成功率是保障QoS 的決定性因素。因此，為了能選擇出可靠的鏈路，本文將節(jié)點的移動性考慮進去。

對于機會路由，當有節(jié)點要發(fā)送數(shù)據(jù)時，它會計算出自己相應的路由測度權值，然后列出帶有優(yōu)先級的轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點列表。本研究中的認知包包含通信鏈路質(zhì)量分數(shù)，在ACK 應答中傳給源節(jié)點，源節(jié)點可以根據(jù)認知包中的通信鏈路質(zhì)量分數(shù)判斷潛在的轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點是靠近自己還是遠離自己，對于靠近的中繼節(jié)點，提高相應的權值；對于遠離的中繼節(jié)點，則相應的降低權值。源節(jié)點通過對變化的網(wǎng)絡拓撲進行學習，了解實際環(huán)境后選擇相對可靠的鏈路傳輸數(shù)據(jù)，可以有效的提高數(shù)據(jù)的傳輸成功率。

2 分析

本研究利用EXata 平臺進行仿真平臺進行計算機仿真。其中參數(shù)設置如下：在2000m×2000m 的正方形傳感區(qū)域內(nèi)，隨機分散著200個節(jié)點。每個節(jié)點的帶寬為1MB。仿真中將本文提出的路由協(xié)議簡稱為M-OR，并將其與ExOR[5]和CORP[6]比較。仿真實驗中能量模型?。?/p>

數(shù)據(jù)包大小為500byte，廣播數(shù)據(jù)包大小為25byte，節(jié)點初始能量為0.5J，每輪數(shù)據(jù)收集次數(shù)n＝10。

總體來說，網(wǎng)絡節(jié)點數(shù)量較多時，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)率較高，因為當轉(zhuǎn)發(fā)率較低時，機會路由允許多個節(jié)點參與轉(zhuǎn)發(fā)提高其傳輸率，整體數(shù)據(jù)傳輸成功率會隨著節(jié)點數(shù)目增加而上升。而在相同節(jié)點數(shù)的情況下，由于M-OR 引入了認知包，可以不斷學習網(wǎng)絡的拓撲變化，每一跳均選出合適轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點，因此數(shù)據(jù)傳輸成功率要高于另外兩者。

3 結論

本研究以海上搜救為應用背景，重點提高海上無線傳感網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸成功率，提出了基于認知包的機會主義路由。源節(jié)點有對變化的網(wǎng)絡拓撲進行學習的能力，熟悉環(huán)境后選擇相對可靠的鏈路傳輸數(shù)據(jù)。通過仿真分析，本研究的路由算法數(shù)據(jù)傳輸成功率平均比另兩種路由平均高出15%。

［1］潘旭東.物聯(lián)網(wǎng)技術在水上人命搜尋救助中的應用[J].中國水運，2010，7：38-39.

［2］Wu，Huafeng，et al.An energy distribution and optimization algorithm in wireless sensor networks for maritime search and rescue[J].International Journal of Distributed Sensor Networks，2013.

［3］戴超.基于無線自組織網(wǎng)絡的智能路由協(xié)議研究[D].北京郵電大學，2012.

［4］李少龍.GMDSS 模擬器系統(tǒng)性能的完善及1nmarsat--F 船站的仿真研究[D].大連：大連海事大學，2007.

［5］S.Biswas，R.Morris，ExOR：Opportunistic Multi-Hop Routing for Wireless Networks[C]//Conference of the Special Interest Group on Data Communication(SIGCOMM)，2005，35(4)：133-143.

［6］Anitha，R.U.，Enhanced cluster based routing protocol for mobile nodes in wireless sensor network[C]//Pattern Recognition，Informatics and Mobile Engineering(PRIME)，2013：187-193.doi：10.1109/ICPRIME.2013.6496470.