水聲通信網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議研究綜述

高涌 張宏滔

（1.中國船舶重工集團公司，北京，100097）

（2.聲納技術(shù)重點實驗室 第七一五研究所，杭州，310023）

水聲通信網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議研究綜述

高涌1張宏滔2

（1.中國船舶重工集團公司，北京，100097）

（2.聲納技術(shù)重點實驗室 第七一五研究所，杭州，310023）

分析了水聲通信網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議設(shè)計的技術(shù)難點，總結(jié)了二維靜態(tài)網(wǎng)絡(luò)、三維靜態(tài)網(wǎng)絡(luò)、移動節(jié)點動態(tài)網(wǎng)絡(luò)等典型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中的路由協(xié)議研究進展，提出了路由技術(shù)研究趨勢。文章內(nèi)容對水聲通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究及其協(xié)議設(shè)計具有借鑒和指導(dǎo)意義。

水聲通信網(wǎng)絡(luò)；路由協(xié)議；水聲信道；綜述

水聲通信網(wǎng)絡(luò)，即以水下聲波作為信息載體而組成的無線網(wǎng)絡(luò)。水聲通信是水聲通信網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)，只有當(dāng)點對點水聲通信技術(shù)達到一定的實用程度后，水聲通信網(wǎng)絡(luò)才有可能被建立起來。上世紀(jì)90年代國外開始出現(xiàn)水聲調(diào)制解調(diào)器，為水聲通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的研究提供了物理基礎(chǔ)。目前報道最多、試驗水平最高的水聲通信網(wǎng)絡(luò)是的美國的海網(wǎng)（Seaweb）[1]。自1998年開始，Seaweb經(jīng)過12年的試驗，實現(xiàn)了多固定節(jié)點的組網(wǎng)、自適應(yīng)節(jié)點路由初始化、潛艇和無人潛航器（UUV）的數(shù)據(jù)接入、利用固定節(jié)點對UUV定位、分簇網(wǎng)絡(luò)等多種功能，在基于衛(wèi)星浮標(biāo)的遠海觀測網(wǎng)、港口近岸的水下偵察網(wǎng)絡(luò)等應(yīng)用中展示了良好的應(yīng)用效果和技術(shù)先進性。目前，水聲通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的研究主要集中在物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和網(wǎng)絡(luò)層，其中網(wǎng)絡(luò)層的主要功能是提供路由協(xié)議。

1 路由協(xié)議研究進展

網(wǎng)絡(luò)協(xié)設(shè)計是面向應(yīng)用需求的，水聲通信網(wǎng)絡(luò)當(dāng)前存在三種主要的應(yīng)用架構(gòu)：二維靜態(tài)網(wǎng)絡(luò)、三維靜態(tài)網(wǎng)絡(luò)、移動節(jié)點參與的動態(tài)網(wǎng)絡(luò)。下面分別介紹三種網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的路由協(xié)議研究進展情況。

1.1 二維靜態(tài)網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議

在二維靜態(tài)網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點通常被布置在海底，每個節(jié)點的數(shù)據(jù)在水平鏈路上以直接或多跳的方式到達一個匯集節(jié)點。針對這種二維靜態(tài)網(wǎng)絡(luò)，文獻[2]提出一種先驗式水聲網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議（如圖1所示）。在路由初始化階段，主節(jié)點（網(wǎng)關(guān)浮標(biāo)節(jié)點）廣播路由探查信號，第一次收到探查信號的節(jié)點將自己的地址識別號（ID）添加到探查信號內(nèi)后繼續(xù)廣播，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)最外圍的節(jié)點收到探查信號后，一個應(yīng)答信號被原路返回到主節(jié)點，這樣一顆根節(jié)點為主節(jié)點的路由樹被建立起來。這是一種依靠主節(jié)點的集中式路由協(xié)議，在路由發(fā)現(xiàn)的過程中需要進行大量的數(shù)據(jù)交換，受限于通信鏈路的單向性，它只適合于數(shù)據(jù)流匯聚到主節(jié)點的靜態(tài)網(wǎng)絡(luò)，不適合移動節(jié)點網(wǎng)絡(luò)和大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)。類似的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議參見文獻[3，4]，其中文獻[3]提出的“寬度優(yōu)先”和“深度優(yōu)先”兩種路由搜索機制在2008年Seaweb海試中得到了測試，成功建立起水下19個節(jié)點與海面網(wǎng)關(guān)節(jié)點之間的路由。

圖1 拓撲發(fā)現(xiàn)過程

文獻[5]提出一種基于路由矢量的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議（Vector-based forwarding，VBF），這是一種基于地理位置信息的路由協(xié)議。所謂“路由矢量”是指從源節(jié)點到目的節(jié)點之間的傳輸路徑，如圖 2所示。源節(jié)點s0到目的節(jié)點s1之間的傳輸路徑可以看作是一個虛擬的“管道”。源節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)包中包含了s0和s1的位置信息，中間節(jié)點收到數(shù)據(jù)包后，計算出自身相對于“管道”的位置，越接近“管道”的節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)的優(yōu)先級越高。該協(xié)議要求網(wǎng)絡(luò)節(jié)點具有自身定位能力。

文獻[6]在VBF的基礎(chǔ)上提出了一種逐跳式矢量轉(zhuǎn)發(fā)路由協(xié)議（Hop by Hop-VBF），主要針對VBF協(xié)議存在的兩個問題進行了改進。問題一是數(shù)據(jù)包在源節(jié)點和目的節(jié)點之間轉(zhuǎn)發(fā)的過程中，中間節(jié)點只計算一個虛擬“管道”，這在節(jié)點非常稀疏的情況下，虛擬“管道”內(nèi)的節(jié)點可能很少，數(shù)據(jù)包被成功轉(zhuǎn)發(fā)到目的節(jié)點的概率就會很低；問題二是VBF協(xié)議對虛擬“管道”的半徑很敏感，實際應(yīng)用中很難確定“管道”的半徑。作者提出一種根據(jù)鄰節(jié)點和目的節(jié)點位置逐跳建立虛擬“管道”的方法，在很大程度上解決了以上兩個問題。

圖2 基于矢量的轉(zhuǎn)發(fā)路由協(xié)議示意圖

文獻[7]提出一種聚焦波束路由協(xié)議（Focused Beam Routing,FBR)，以最小化每比特能量為目標(biāo)，采用跨層設(shè)計方法，在選擇下一跳節(jié)點時綜合考慮了介質(zhì)介入控制層（MAC）和物理層信息進行協(xié)議優(yōu)化。如圖 3所示，源節(jié)點A要將數(shù)據(jù)發(fā)送至目的節(jié)點B，節(jié)點A先以最小的功率發(fā)射請求信號（RTS），鄰節(jié)點收到RTS后，根據(jù)RTS中攜帶的節(jié)點A和B的位置信息計算出自身是否在開角θ內(nèi)，如果是，就返回應(yīng)答信號（CTS）；如果節(jié)點A沒有收到任何CTS，則逐步加大發(fā)射功率；如果節(jié)點A收到多個CTS信號，則選擇距離目的節(jié)點B最近的節(jié)點作為下一跳節(jié)點；以此類推，最后將數(shù)據(jù)包送達目的節(jié)點B。

圖3 聚焦波束路由協(xié)議

1.2 三維靜態(tài)網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議

三維網(wǎng)絡(luò)就是通過調(diào)整節(jié)點的深度，使網(wǎng)絡(luò)中的多個節(jié)點位于不同深度，使之具備在一定區(qū)域、不同深度的三維范圍獲取和傳輸信息的水下信息網(wǎng)絡(luò)。文獻[8]針對三維水聲通信網(wǎng)絡(luò)中延遲敏感和不敏感兩種網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用情況分別提出了兩種路由協(xié)議。對于延遲敏感的應(yīng)用，作者提出了一種基于虛電路技術(shù)的集中式路由協(xié)議，主節(jié)點（網(wǎng)關(guān)浮標(biāo)節(jié)點）根據(jù)收集到的網(wǎng)絡(luò)拓撲信息，綜合延時、能耗、可靠性等因素，計算出一條最優(yōu)的主干路徑和幾條備份路徑，備份路徑能夠保證部分節(jié)點失效時網(wǎng)絡(luò)的聯(lián)通性。對于延遲不敏感的應(yīng)用，作者提出了一種分布式路由協(xié)議，它允許每個節(jié)點在時變信道條件下依據(jù)能量消耗最小準(zhǔn)則自主決定下一跳節(jié)點。

文獻[9]提出一種基于深度信息的路由協(xié)議（depth‐based routing，DBR），該協(xié)議異于之前的基于完全地理位置信息的路由協(xié)議，只需要節(jié)點配置深度傳感器，避免了復(fù)雜的定位技術(shù)。如圖4所示，數(shù)據(jù)流總是匯聚到海面浮標(biāo)節(jié)點（可以有多個海面浮標(biāo)節(jié)點），任何比前一跳節(jié)點更淺的節(jié)都有可能成為潛在的下一跳中繼節(jié)點。協(xié)議采用了一種冗余包抑制技術(shù)來減少重復(fù)的數(shù)據(jù)包，當(dāng)潛在的下一跳節(jié)點（可能有多個）收到數(shù)據(jù)包（含有前一跳的深度信息）后，總是先延遲一定時間才轉(zhuǎn)發(fā)，延遲的時間與自身深度和前一跳深度之差成反比，這樣越接近海面的節(jié)點作為下一跳節(jié)點的優(yōu)先級就越高。

圖4 基于深度信息路由協(xié)議的三維水聲網(wǎng)絡(luò)

文獻[10]提出一種無須任何位置信息（包括深度信息）的逐跳-動態(tài)地址路由協(xié)議（HH-DAB）。由海面浮標(biāo)節(jié)點廣播的Hello包在網(wǎng)絡(luò)中向著海底逐跳轉(zhuǎn)發(fā)，使分布在不同深度的節(jié)點獲得其距離海面的跳數(shù)，信息數(shù)據(jù)包總是向著跳數(shù)小的節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)。網(wǎng)中節(jié)點存在兩種類型的地址：海面浮標(biāo)節(jié)點和錨系在海底的節(jié)點具有靜態(tài)地址（HopID），懸浮中不同深度的傳感器節(jié)點具有動態(tài)地址（HopID）。HopID就是傳感器節(jié)點距離海面浮標(biāo)節(jié)點的跳數(shù)。該協(xié)議具有很高的數(shù)據(jù)包傳輸成功率。

文獻[11]針對三維稀疏水聲通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)計一種自適應(yīng)路由協(xié)議（AR），該協(xié)議能夠根據(jù)數(shù)據(jù)包的優(yōu)先級，通過信息冗余和資源調(diào)度方法實現(xiàn)數(shù)據(jù)包傳輸成功率、網(wǎng)絡(luò)延時、能耗等性能的折中。在路由過程中每個節(jié)點需要完成三個步驟：①鄰居發(fā)現(xiàn)：周期性廣播Hello包進行鄰居發(fā)現(xiàn)，在Hello包中捎帶確認(rèn)信號（ACK）以減少相同數(shù)據(jù)包的泛洪數(shù)量；②優(yōu)先級計算：根據(jù)數(shù)據(jù)包的緊急程度、數(shù)據(jù)包產(chǎn)生時間、節(jié)點密度、節(jié)點剩余電量計算數(shù)據(jù)包的優(yōu)先級；③路由確定：根據(jù)優(yōu)先級的高低，數(shù)據(jù)包被投遞到一個指向目的節(jié)點的事先設(shè)定的區(qū)域，優(yōu)先級越高，投遞區(qū)域越大，如圖5所示。

圖5 自適應(yīng)路由協(xié)議的路由確定示意圖

1.3 移動節(jié)點動態(tài)網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議

當(dāng)移動節(jié)點應(yīng)用于水下網(wǎng)絡(luò)時，與單純的水下固定網(wǎng)絡(luò)相比，不僅提高了網(wǎng)絡(luò)的自適應(yīng)能力，還可以擴展網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍，提高網(wǎng)絡(luò)的靈活性。文獻[12]報道，美國針對多UUV系統(tǒng)的兩種不同應(yīng)用模式，分別開展了兩項水聲網(wǎng)絡(luò)研究項目：受控泛洪小型網(wǎng)絡(luò)（COFSNet）和自動水下系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)（AUSNet），分別測試了兩種自組織、自維護路由協(xié)議，前者使用了泛洪路由協(xié)議，適用于短時、非頻繁通信；后者將航位推算（Dead-Reckoning）技術(shù)融入動態(tài)源（DSR）路由協(xié)議，減少了路由開銷，適用于長時、頻繁通信。

文獻[13]提出一種基于區(qū)塊劃分并聯(lián)合目的節(jié)點位置預(yù)測技術(shù)的路由協(xié)議(SBR-DLP)， 適用于目的節(jié)點是移動節(jié)點的應(yīng)用場合。該采用逐跳路由搜索方式，如圖 6所示，源節(jié)點S的周圍被劃分成不同的區(qū)塊（sector），當(dāng)源節(jié)點S有數(shù)據(jù)要發(fā)送至移動節(jié)點D時，源節(jié)點S先廣播路由詢問消息，收到詢問消息的鄰節(jié)點，根據(jù)源節(jié)點位置、自身的位置、以及移動節(jié)點的預(yù)測位置作出判斷，如果自己相比源節(jié)點更接近移動節(jié)點，則向源節(jié)點發(fā)送應(yīng)答消息告知源節(jié)點自身可以作為潛在的下一跳節(jié)點。該協(xié)議基于這樣的假設(shè)：移動節(jié)點的運動軌跡被事先告知所有的節(jié)點，它的位置可以被其它節(jié)點預(yù)測。

圖6 分塊式目的節(jié)點位置預(yù)測路由協(xié)議示意圖

文獻[14]提出一種使用UUV節(jié)點作為中繼節(jié)點的水下傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)收集方法。網(wǎng)絡(luò)由分布在海底的固定節(jié)點和若干移動節(jié)點組成，移動節(jié)點在網(wǎng)絡(luò)中隨機游走，并周期性地發(fā)送廣播信號以喚醒處于休眠狀態(tài)的傳感器節(jié)點，當(dāng)移動節(jié)點進入某個傳感器節(jié)點的一跳通信范圍內(nèi)時，傳感器節(jié)點將保存在本地的信息數(shù)據(jù)發(fā)送至移動節(jié)點，當(dāng)移動節(jié)點返回海面時，再將信息數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到海面浮標(biāo)節(jié)點。該協(xié)議可以降低傳感器節(jié)點的發(fā)射功率，提高傳感器節(jié)點的壽命。

文獻[15]提出一種利用UUV節(jié)點來收集漂流傳感器節(jié)點數(shù)據(jù)的方法。網(wǎng)絡(luò)中所有的傳感器節(jié)點隨機漂浮在不同深度，這些隨流漂移的傳感器節(jié)點的數(shù)據(jù)能被一條設(shè)定運動軌跡的UUV收集。為了節(jié)省傳感器節(jié)點的能量，傳感器節(jié)點平時處于休眠狀態(tài)，路由協(xié)議要解決的問題是：收集UUV當(dāng)前所在區(qū)域內(nèi)傳感器的數(shù)據(jù)，及時喚醒UUV所要經(jīng)過的下一個區(qū)域的傳感器節(jié)點，避免出現(xiàn)傳感器節(jié)點“空洞”。

2 技術(shù)難點與發(fā)展趨勢

2.1 面臨挑戰(zhàn)

水聲信道與陸上電磁波信道相比，存在傳播速度慢、通信率低、易受環(huán)境影響、單向路徑嚴(yán)重、能耗高等不利因素，使得設(shè)計水聲通信網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議時面臨許多挑戰(zhàn)，主要包括：

（1）聲波在水中的傳播速度與電磁波相比慢了5個數(shù)量級，導(dǎo)致很高的傳播延遲。

（2）受可用帶寬的限制，水聲通信的速率遠低于電磁波通信，要盡量節(jié)省路由建立與維護所需的信息開銷。

（3）受海洋信道時變特性、干擾噪聲時變特性、節(jié)點移動等復(fù)雜因素的影響，一般來說水聲通信鏈路的可靠性遠低于電磁波信道。

（4）水聲信道存在嚴(yán)重的單向傳輸特性，網(wǎng)絡(luò)中某些靠近岸邊或海底斜坡的節(jié)點會因為存在較強的反射路徑而導(dǎo)致較低的接收成功率，而處于開闊區(qū)域的節(jié)點，接收成功率則較高，這種單向傳輸特性會導(dǎo)致路由的不平衡性。

（5）水聲通信所需的能量高于陸上電磁波通信，提高能量利用率是路由協(xié)議設(shè)計需要考慮的關(guān)鍵因素之一[16]。

2.2 技術(shù)發(fā)展趨勢

應(yīng)該指出的是，在眾多水聲網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議的研究文獻中只有少數(shù)協(xié)議在真實海洋環(huán)境中得到試驗驗證，其余的大都只停留在仿真階段，這與現(xiàn)實中水聲通信網(wǎng)絡(luò)的試驗規(guī)模有關(guān)[17]。由于通信能力、通信效率、能耗等因素以及一些非技術(shù)因素（水聲網(wǎng)絡(luò)試驗費用高昂），導(dǎo)致目前水聲通信網(wǎng)絡(luò)難以規(guī)模化應(yīng)用。因為網(wǎng)絡(luò)規(guī)模越大，覆蓋范圍越大，節(jié)點越多，通信中的延時也越大，導(dǎo)致整體網(wǎng)絡(luò)的性能降低，能量消耗加劇，進一步縮短了網(wǎng)絡(luò)的壽命。盡管這樣，作為學(xué)術(shù)研究，水聲通信網(wǎng)絡(luò)路由技術(shù)研究呈現(xiàn)出以下主要趨勢：

（1）集中式協(xié)議向分布式協(xié)議方向發(fā)展。早期的Seaweb網(wǎng)絡(luò)采用網(wǎng)關(guān)節(jié)點控制的集中式路由協(xié)議，發(fā)展到COFSNet（Controlled Flooding for Small Networks）、AUSNet（Autonomous Undersea Systems Network）等網(wǎng)絡(luò)的分布式路由協(xié)議。

（2）路由建立過程中充分利用節(jié)點位置信息。利用定位技術(shù)、航位推算技術(shù)獲得節(jié)點的位置信息，或者在三維網(wǎng)絡(luò)中利用節(jié)點深度信息，可以減少路由搜索范圍，顯著提高路由搜索效率。

（3）支持移動性。隨著UUV等移動節(jié)點的大量使用，需要解決快變動態(tài)拓撲下的路由問題，這對于高延時、高中斷率的移動水聲網(wǎng)絡(luò)將是一個重要挑戰(zhàn)。

（4）發(fā)展容錯性設(shè)計方法。對于由節(jié)點失效、移動、單向鏈路等因素導(dǎo)致的路由失效問題，基于多路徑路由的容錯性設(shè)計，可較好地提高傳輸鏈路的可靠性。

（5）發(fā)展跨層優(yōu)化設(shè)計方法。在帶寬和能量資源嚴(yán)重受限的水聲網(wǎng)絡(luò)中，聯(lián)合MAC層、物理層等信息進行路由協(xié)議的優(yōu)化設(shè)計，可有效地提高延時、投遞成功率、能耗等綜合性能。

（6）發(fā)展安全路由技術(shù)。由水聲網(wǎng)絡(luò)的開放特征和廣播特征引起的信息安全問題將會是水聲網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的一個障礙。安全路由將是未來研究的一個方向。

3 結(jié)論

本文給出了現(xiàn)有水聲通信網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議的研究現(xiàn)狀，分析了路由技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)，并重點描述了幾種最具代表性的協(xié)議。盡管這些路由協(xié)議中的絕大多數(shù)最初都起源于陸上無線電網(wǎng)絡(luò)，但經(jīng)過適應(yīng)性修改后被賦予水聲特點，能夠應(yīng)用到水聲環(huán)境，最后分析了水聲網(wǎng)絡(luò)路由技術(shù)研究趨勢。

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