水聲傳感網(wǎng)絡(luò)地理位置路由綜述

［張劍波 張滿軍 張劍］

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水聲傳感網(wǎng)絡(luò)地理位置路由綜述

［張劍波 張滿軍 張劍］

摘要

水聲傳感網(wǎng)絡(luò)是人類監(jiān)控海洋的重要工具。綜述了水聲傳感網(wǎng)絡(luò)中基于地理位置路由的最新工作，描述了該類協(xié)議的所面臨的問題，并著重對該研究開展以來所提出的重要路由協(xié)議進行對比、分析。最后展望未來的研究方向。

關(guān)鍵詞：水聲傳感網(wǎng) 地理位置 路由

張劍波

重慶郵電大學(xué)通信與信息工程學(xué)院碩士研究生，研究方向為水聲傳感網(wǎng)絡(luò)。

張滿軍

重慶郵電大學(xué)通信與信息工程學(xué)院碩士研究生，研究方向為移動通信網(wǎng)絡(luò)。

張劍

重慶郵電大學(xué)通信與信息工程學(xué)院碩士研究生，研究方向為移動通信網(wǎng)絡(luò)。

1 引言

水聲傳感網(wǎng)(Underwater Acoustic Sensor Networks, UWASN)是由布放在海底或海中的傳感器節(jié)點和海面浮標節(jié)點以及它們之間的雙向聲鏈路組成的可以覆蓋大面積水下區(qū)域的通信網(wǎng)絡(luò)[1,2]。水聲網(wǎng)絡(luò)的概念最早源于1993年美國提出的自主海洋采樣網(wǎng)AOSN，并在1998年開展了海網(wǎng)SeaWeb的實驗[2]。我國在“八·五”期間就開始進行水聲通信研究，最早的研究單位有廈門大學(xué)、哈爾濱工程大學(xué)和中國科學(xué)院聲學(xué)研究所等研究機構(gòu)[3-9]。UWASN用途廣泛，可以對目標水域進行信息的采集、處理、分類和壓縮，并可以將數(shù)據(jù)通過水下通信網(wǎng)節(jié)點以中繼方式回傳到陸基和船基的信息控制中心的綜合系統(tǒng)[10]。由于近年來水下網(wǎng)絡(luò)研究和應(yīng)用的迅猛發(fā)展，傳感器節(jié)點已具備水下作業(yè)和感知各類礦物資源、化學(xué)元素的能力[11]。目前水聲傳感網(wǎng)被廣泛用于污染監(jiān)控、地理信息采集、軍事入侵檢測等眾多水下應(yīng)用中，相信在未來勢必會發(fā)揮更大的作用。

2 水聲傳感網(wǎng)的特點

水聲傳感網(wǎng)絡(luò)從陸地?zé)o線傳感網(wǎng)絡(luò)延伸而來，但兩者卻有很大的不同：

（1）移動性，UWASN中的節(jié)點會隨著水流的運動而移動，因此UWASN必須是能夠自組織的自主網(wǎng)絡(luò)，遵循一定的網(wǎng)絡(luò)路由方式；

（2）動態(tài)性，UWASN的拓撲結(jié)構(gòu)可能會因為出現(xiàn)故障或電能耗盡造成傳感節(jié)點失效，造成通信環(huán)境的實時變化的特點；

（3）電池能量有限，在水下環(huán)境中，節(jié)點要想通過更換電池的方式來補充能源是不現(xiàn)實的，所以如何更高效的使用能量并盡可能的延長網(wǎng)絡(luò)生命周期是很大的挑戰(zhàn)。

2.1 水聲信道的特點

在海水中，光和電磁波的傳輸衰減特別大，即使是陸地上衰減最小的藍綠光也達到40dB/km，因此上述媒質(zhì)不能滿足人們對海洋通信的需求。然而在非常低的頻率(200Hz以下)下，聲波在海洋中卻能傳播幾百公里，即使20kHz的聲波在水中的衰減也只有2~3dB/km[11,12]。所以聲波成為理想的水下通信媒質(zhì)。其有如下特點：

（1）誤碼率高。水聲信道具有時間-空間-頻率變化特性，所以多經(jīng)干擾尤為突出。多徑傳輸以及外來噪聲會嚴重降低聲波信號質(zhì)量，增大信號在傳輸過程中的誤碼率；

（2）可用帶寬窄。水聲通信的有效聲波范圍為30~300Hz，信號傳輸帶寬高度依賴于傳輸距離，傳播損失隨距離增大而增大，因此水聲信道可用頻段非常有限，傳播距離也有限[13-15]。在水聲傳感網(wǎng)絡(luò)中，要進行長距離通信，只能選擇低碼率，要選擇高碼率，只能進行短距離通信。

3 水聲傳感網(wǎng)中基于地理位置路由

由于水聲傳感器網(wǎng)絡(luò)部署在復(fù)雜可變的環(huán)境中，與陸地環(huán)境無線傳感網(wǎng)絡(luò)的環(huán)境有很大的不同，這使得陸地傳感網(wǎng)絡(luò)無法直接應(yīng)用于水聲環(huán)境中，必須針對水聲環(huán)境設(shè)計專門的路由，以適應(yīng)這一挑戰(zhàn)。

水聲路由協(xié)議一般可分為主動路由協(xié)議、按需路由協(xié)議和地理路由協(xié)議3種。

由于主動路由協(xié)議和按需路由協(xié)議存在網(wǎng)絡(luò)開銷大和維護開銷大等問題，目前不屬于主流路由協(xié)議。

地理路由協(xié)議利用節(jié)點的地理位置信息實現(xiàn)路由。由于現(xiàn)在定位技術(shù)的發(fā)展，使得定位變得比以前簡單，且其路由效率較高、代價小等優(yōu)點，成為目前研究的熱點。本文將做重點介紹。

3.1 地理位置理由

文獻[17]提出路由矢量的地理路由VBF(Vector-Based Forwarding)，該路由被認為是第一個提出的水聲地理位置路由[16]。其基本思想是在源節(jié)點和目的節(jié)點之間建立虛擬的圓柱形路由通道，只有在圓柱形路由通道內(nèi)的傳感節(jié)點可以轉(zhuǎn)發(fā)接收到的數(shù)據(jù)。它的缺點是該路由必須要一個虛擬的路由管道，在面對節(jié)點稀疏的情況下，可能導(dǎo)致虛擬管道內(nèi)沒有合適的路由。此外沒有考慮通信鏈路的質(zhì)量。

圖1 VBF 轉(zhuǎn)發(fā)示意圖

文獻[18]在文獻[17]的基礎(chǔ)上提出改進的方案，由原來的只在源節(jié)點和目的節(jié)點之間建立一個虛擬的圓柱形路由管道，變?yōu)樵诟鱾€轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點和目的節(jié)點之間建立虛擬路由管道，并從虛擬轉(zhuǎn)發(fā)路由管道之間選取中繼轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點。HH-VBF在面對稀疏節(jié)點時數(shù)據(jù)包的交付率比VBF要好，它的缺點是虛擬管道的半徑對路由的性能有很大的影響，且塔吊開銷比VBF要大。

它的缺點是，在PBF路由中，僅僅根據(jù)距離大小判斷，沒有進一步的篩選合適的轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點，會導(dǎo)致數(shù)據(jù)包的洪泛傳播，增大了網(wǎng)絡(luò)的開銷、數(shù)據(jù)包的沖突的概率。

圖2 PBF轉(zhuǎn)發(fā)示意圖

文獻[20]提出ACR(Annular Compass Routing)基于位置的水聲傳感網(wǎng)路由協(xié)議，其基本思想為基于貪婪路由協(xié)議。首先確定轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點的鄰居節(jié)點，在獲得鄰居節(jié)點的位置后，根據(jù)各個鄰居節(jié)點與轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點和目的節(jié)點構(gòu)成的夾角，選取夾角最小的作為轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點。它的缺點是要維護兩個轉(zhuǎn)發(fā)表，造成很大的開銷。

圖3 ACR轉(zhuǎn)發(fā)示意圖

文獻[21]提出ARBDT(Adaptive Routing Protocol Based on Distance Threshold)路由協(xié)議，其基本思想為采用單路徑逐跳信息的傳輸方式，即源節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)包，逐跳傳向離目的更近的轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點，直至到達最終的目的節(jié)點。ARBDT路由在選取中間轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點時設(shè)置一個距離門限，只有當轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點到目的節(jié)點的距離到轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點到目的節(jié)點符合轉(zhuǎn)發(fā)條件時，才可以轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包。在該路由優(yōu)點是通過設(shè)置一個可調(diào)節(jié)的距離門限，在節(jié)點密集時增大距離門限，節(jié)點稀疏時減少距離門限，適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)的動態(tài)變化，可以篩選合適的轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點。缺點是該路由在二維水聲網(wǎng)絡(luò)中使用。

文獻[22]提出SBR(Sector-Based Routing)協(xié)議，節(jié)點在發(fā)送數(shù)據(jù)之前通過發(fā)送控制包獲取鄰居的位置信息，并將發(fā)射區(qū)域劃分成k個扇區(qū)。不同扇區(qū)內(nèi)的節(jié)點按優(yōu)先級順序先后回應(yīng)位置信息，以減少控制包沖突。該路由的優(yōu)點是需要根據(jù)方向縮小了洪泛的范圍，但同時也增大了網(wǎng)絡(luò)的開銷。

圖4 ARBDT轉(zhuǎn)發(fā)示意圖

圖5 SBR轉(zhuǎn)發(fā)示意圖

在SBR路由的基礎(chǔ)上，針對密集型網(wǎng)絡(luò)，文獻[23]提出了FBR(Focused Beam Routing)協(xié)議，該協(xié)議采用限定發(fā)射角度的方法選取轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點，減少控制包沖突的概率并降低了網(wǎng)絡(luò)的效能，但該方法要調(diào)整天線的發(fā)射角度。該路由的優(yōu)點是能適應(yīng)密集型網(wǎng)絡(luò)，缺點是網(wǎng)絡(luò)的開銷也很大。

文獻[24]提出LCAD(Location Ba-sed Clustering Algorithm for Data Gathering) 路由，在LCAD中，將目標水域劃分成一個一個的網(wǎng)格，在LCAD中每一個小網(wǎng)格大約為30m×40m×500，整個網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)分為3個步驟：第一步在每個小網(wǎng)格中選出一個簇頭；第二步在每個小網(wǎng)格中將要發(fā)送的數(shù)據(jù)發(fā)送給簇頭；第三步通過簇頭將數(shù)據(jù)發(fā)送到基站，完成轉(zhuǎn)發(fā)任務(wù)。該路由的優(yōu)點是在避免整個網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)洪泛，但缺點也很明顯：網(wǎng)格中的簇頭將消耗大量的電能，且劃分的網(wǎng)格中不能保證是否有節(jié)點。

文獻[25]作者提出了LARP(Location Based Adaptive Routing Protocol)在LARP中通過計算轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點鄰居節(jié)點到目的節(jié)點的距離導(dǎo)致的延遲和消耗的能量之間的權(quán)值，最后選取權(quán)值最小的節(jié)點作為下一個轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點。該路由的優(yōu)點是考慮到節(jié)約能量，延長節(jié)點的使用壽命。

文獻[26]中作者提出基本地理位置路由(Basic Geographic Routing, BGR)，在BGR中，每個傳感器節(jié)點將三維的水域劃分成8個區(qū)域。每個節(jié)點根據(jù)與各自鄰居節(jié)點之間的連線的夾角以及目的節(jié)點的地理位置信息來決定轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包的候選節(jié)點。該協(xié)議的優(yōu)點是在選取轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點時，引入了候選節(jié)點的鄰居節(jié)點的數(shù)目，可以提高路由的轉(zhuǎn)發(fā)成果率。

文獻[27]中作者提出GEDAR(Geographic and opportunistic routing with Depth Adjustment-based topology control for communication Recovery over void regions)，在該路由中，轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點根據(jù)計算鄰居節(jié)點距離目的節(jié)點距離和轉(zhuǎn)發(fā)的成功率在鄰居節(jié)點集中選取最優(yōu)的鄰節(jié)點作為下一個轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點。該路由的優(yōu)點是考慮到解決路由空洞的問題，缺點是在選取轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點時，計算量很大。

4 比較和分析

一個理想的基于地理位置的水聲傳感網(wǎng)路由，能根據(jù)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點密度，在其鄰居節(jié)點中，選取最優(yōu)的節(jié)點作為下一個轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點。其應(yīng)滿足下列要求：逐跳或優(yōu)先級轉(zhuǎn)發(fā)、高數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)率，無需維護路由、無特殊節(jié)點、能應(yīng)對網(wǎng)絡(luò)中的路由空洞。

在圖6中對各種地理位置路由進行了比較。

圖6 各路由的比較

（1）從圖6中可以根據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)策略將列出的路由分為三類：洪泛式，逐跳式、優(yōu)先級。在洪泛式中，轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點只管將數(shù)據(jù)發(fā)送出去，接收到數(shù)據(jù)包的節(jié)點，是否進行轉(zhuǎn)發(fā)由節(jié)點自己決定如VBF,HH-VBF。在一些洪泛路由限定了洪泛的范圍，提前進行了初步篩選。在逐跳式中，由轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點根據(jù)規(guī)定的算法在發(fā)送數(shù)據(jù)包之前選取下一個轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點，避免由洪泛帶來的巨大開銷代價是增加了計算量；

（2）目前提出的許多路由，更多的是應(yīng)用于三維水聲環(huán)境中，僅有少數(shù)特殊的情況是二維環(huán)境中；

（3）由于水聲環(huán)境的特殊性，無法像陸地使用的路由那樣要建立路由，并且維護路由。這樣減少了維護路由的開銷，但每次發(fā)送數(shù)據(jù)必須要根據(jù)新的節(jié)點位置信息，重新尋找合適的節(jié)點進行轉(zhuǎn)發(fā)；

（4）路由空洞一直是網(wǎng)絡(luò)中面臨的難題，目前僅有少數(shù)的路由提出了探索性的解決方案，要很好的解決路由空洞還需要更多的研究。

（5）在當前的研究中還沒能考慮到路由在安全性方面的要求。

5 結(jié)束語

水聲傳感網(wǎng)絡(luò)因其寬廣的應(yīng)用領(lǐng)域和巨大的應(yīng)用潛力受到高度的重視。本文對近年的水聲傳感網(wǎng)絡(luò)地理位置路由協(xié)議進行了詳細的研究并介紹了各自的優(yōu)缺點。通過介紹目前出現(xiàn)的地理位置路由，可以更好的了解當前水聲傳感網(wǎng)絡(luò)在此方面的最新進展。

展望未來的研究，在地理位置路由協(xié)議中面臨普遍的路由空洞問題。路由空洞是指在網(wǎng)絡(luò)中部分節(jié)點因能量使用完，造成節(jié)點失效的情況。但在目前的路由協(xié)議中，沒有提出有效的解決方法。對路由空洞問題的解決，對于提高整個網(wǎng)絡(luò)的性能具有很大的意義。

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收稿日期：（2016-01-08）