一种水下无线传感网络中节能跨层路由协议

高 玲，郑兴旺，2，陈 彭，杨光松，陈朝阳

(1.集美大学信息工程学院，福建 厦门 361021;2.集美大学诚毅学院，福建 厦门 361021)

0 引言

随着人类对海洋资源的不断探索、开发和利用，对海洋环境下信息交流产生了巨大需求.水下无线传感器网络 (Underwater Wireless Sensor Network，UWSN)[1]在海洋资源探测和海洋信息获取等方面的重要应用得到了世界各国的广泛关注.由于水下环境的特殊性，在水下环境中工作的节点一般采用电池供电，电池的更换非常困难，能量问题直接影响着整个传感网络的寿命.能量消耗不仅与传感节点物理电路特性有关，也与协议设计有关.在节点资源受限的情况下，如何及时、高效地将数据传送给sink节点，需要设计节能高效的路由协议.UWSN常用的节能路由协议有DFR(Directional Flooding-based Routing)、VBF(Vector-Based Forwarding)、FBR(Focused Beam Routing)等[2].DFR 协议[3]使用区域洪泛机制，洪泛区取决于源节点、宿节点和当前转发节点的角度等，它主要根据链路质量来限制转发数，但仍然不能有效避免冗余包的转发.VBF协议[4]是一个基于矢量的转发算法，路径被指定为一个路由矢量，靠近路由矢量的节点将会转发数据包.这种协议传送成功率高，端对端延迟低，但是需要用户事先确定路由“管道”半径，运行不便.FBR协议[5]在选择下一跳节点时，需要知道源节点和目的节点的具体位置信息，以源节点为中心的一个弧度内向目的节点进行通信，这种协议的优点是可以根据两节点间距离分配不同的发送功率，从而节省能量，但是需要发送RTS、CTS包进行信息的交换，引起过度的延迟.同时这种协议在网络稀疏时，不得不多次扩大弧度的大小寻找下一跳转发节点.本文提出了一种能量有效的路由协议，不需要知道全局节点的位置信息，通过适当的信息交换，分布式地获取邻居节点信息.利用跨层的思想，根据反馈信息分配不同的功率级，通过控制发射功率的大小来完成节点的通信.

1 总距离一定时最优能量跳距

1.1 水声信道传输损耗模型

1.1.1 被动声呐方程

在水声信道中，根据被动声呐方程，当发射端发射信号强度为SL时，接收端需要克服信道衰落和环境噪声的影响，为了正常通信，接收端收到的信号噪声比必须大于设定的门限阈值DT，需要满足以下条件[6]:

其中:DT是检测阈值;TL是水下环境引起的传输损耗;NL是来自接收机和环境的噪声;DI是方向性指数．式 (1)中的所有单位均是 dB re μPa，1 μPa的参考值等效于0.67×10-22W/cm2，即1 μPa=0.67*10-18W/m2.

1.1.2 传输损耗和源级的关系

传输损耗TL可定义为声强度从源处以声压力波方式向外传播时声信号强度的衰减值.如果把距离声源中心的1 yard(1 yard=0.9144 m)处信号强度I0作为基本参考点，把I1作为距离声源处r位置的声强度，则从声源处传播到r处节点的传输损耗

声源级SL[6]的定义为以分贝的形式表示的辐射声信号强度，它的大小等于距声波中心1 yard处的信号强度:

则TL和SL的关系为:

式 (4)中变量单位均为dB re μPa，

1.1.3 能量消耗

在水声信道中，对于球形传播模型，距离r处的传输损耗TL[6]表达式为:

其中:α表示吸收系数，单位为dB/km;A表示由于水下传播异常引起的传输损耗，单位为dB;r表示传播范围，单位为yards.

多普勒频率吸收系数[7]可以用Throp方程表示为:

其中f单位为kHz.

根据式 (4)，得出传播到r时声信号强度I1[6]表达式为:

如果传感器节点与距离r处节点通信，则每个节点需要的发射功率P[6]为:

在水声信道中，为保证距离r处的正常通信，每个节点的耗能为:

其中:Et为发送耗能，表示在Ttx时间内发射k个数据包所消耗的能量;Er为接收耗能，这里取为50 nJ[8]，单位均为焦耳.

1.2 最优能量跳距

在一个由N+1个节点构成的等距的N跳链状拓扑网络中，假设源宿节点间总距离为dtotal，要把数据从源节点通过中继节点转发的方式发送到目的节点，则每一跳 (中继距离为dtotal/N)需要的发射功率为Pi=4π(dtotal/N)2Ii，通过N跳中继节点转发到目的节点后消耗的总能量为:

其中:k为发送的数据分组数.当源宿节点之间的总距离dtotal一定时，则通过N跳中继节点转发之后消耗的总能量E可以看成跳数N的函数．因此，要使N跳转发后消耗总能耗最小，需要满足:

于是可以求出最优跳数Nopt，使信息通过N跳转发后消耗的总能量最小．图1为k=1，发射频率f=10 kHz，发送时间为Ttx=40 ms时，不同的总距离dtotal时，跳数与总能耗的关系图.由图1可见，总距离变化时，源宿节点间的最优跳数是变化的，当总路径长度一致时，一定存在一个最优的跳数，此时在路径上消耗的总能量最小.

图1 路径能量消耗和跳数的关系Fig.1 Relationship between energy consumption and hop numbers

2 UWSN中节省能量的路由协议

本文提出协议的主要目标是保持能量的有效性，基于跨层的思想，在物理层，根据节点收到的反馈信息和最优跳距等信息来分配不同的发射功率，在网络层，通过寻找与最优路径接近的点作为下一跳节点.

假设节点被随机分配到以SINK节点为中心的区域内，每一节点在配置时只知道自己的坐标位置，并且能够调整自己的发射功率，能够通过接收源节点信号来估算节点间距离.协议的工作过程主要分为以下两个阶段.

1)初始化阶段 首先SINK节点以最大功率向管辖区域内的节点发送广播包 (它包括SINK本身的位置信息)，收听到这个广播包的节点i，可以估算自己到SINK的距离di－sink.这是因为，在公式(1)中，由于已知SNR和SL，可以求得TL，然后根据公式 (5)，便可以估算接收点和发射点之间的距离.在实际应用中，由于涉及更复杂的信道参数，可以参考文献 [9-10]等的距离估算方法进行精确定位.于是区域内的所有节点都知道了自己到SINK的距离.根据1.2节的方法，每个节点可以计算自己和SINK节点之间的最优跳距、跳数等信息，从而知道了自己到SINK的理想的最优路径，通过节点nodei-1'，nodei-2'…逐跳中继到达SINK节点.

在实际场景中，节点一般都是随机分布，因此不一定能找到理想的最优路径，但是，可以参考文献[11]，分析理想最优路径的方法，找到与理想的中继节点最近的节点作为下一跳节点，从而得到能量次优的有效路径.

2)路由寻找阶段 如果某节点S需要传送信息到SINK，首先根据步骤1)可以确定一条到SINK的理想路径.但实际节点位置与理想路径存在差异，根据笔者提出的路由协议的方法，即通过寻找一个最接近理想位置的节点作为下一跳节点.

首先节点S将以得到的最优跳距大小的功率向四周发送一个广播包，其中包含了理想状态下的最优下一跳中继节点nodei-1和自己的位置信息.例如，图2中，在以S为中心的圆内有B、C、A三个节点，当节点A接收到S节点发送的广播包后，会根据自己的坐标信息进行计算，如果节点A到sink的距离满足dA-SINK〈dS-SINK，则向节点S发送ACK信息.同理B、C节点也会向S发送ACK信息，然后根据B、C、A的坐标信息，可以计算一个与nodei-1最近的节点，作为下一跳节点.重复这一过程，直到到达SINK节点的所有中继节点都被选出.当最优路径建立完毕，进入数据传送过程.如果S没有收到任何回复信息，说明区域内没有符合条件的节点，将功率增大一倍继续执行以上过程.

图2 路由寻找示意图Fig.2 Diagram of route-finding

3 仿真与评估

3.1 仿真参数设置

[4-7]，进行仿真参数设置.在1000 m*1000 m的二维水声环境中，采用1.1节描述的信道衰落模型，节点采用格形分布和随机分布的方式在场景中布置.在接收端，假设接收端正确接收信号的SNR门限为20 dB，由于受航行活动、风级、生物噪声、海洋地震等的影响，将噪声电平NL大小设置为50 dB，不考虑天线指向性的影响，将DI设为零.设置发射频率为10 kHz，发送一个分组的时间为40 ms.

3.2 评估结果

3.2.1 格型场景

图3中显示的是在二维区域1000 m*1000 m范围内，在正方形网格上分布的任意两节点距离均为100 m的100个节点，其中第31号节点作为源节点，向100号目的节点进行找路的过程，其中，实线代表的是本文提出的路由协议的通信路径，虚线代表采用FBR协议时候的通信路径.每一个仿真点运行20次，取其平均值.

图4所示为格型场景中，在X、Y轴方向平均分布5至10个节点，其左下角为源节点，右上角为宿节点，由源节点向宿节点进行通信时，各种路由协议的能耗对比图.由图4可见，本文提出的协议以及FBR协议比VBF协议更优.这是因为，对于VBF协议，其发射功率是一定的，在节点密度为49时，其通信跳数为6跳，因而能耗最大.DFR协议以基本角度为度量来选择路径，由于没有采用功率控制，其耗能处略好于VBF协议.对于FBR协议，在节点密度低时，其能耗性能略好于本文所提的协议.这是因为，节点稀疏时，离最优中继节点较远，因此能耗较高.但随着节点密度升高，可以更容易在最优中继节点附近找到实际的中继节点，因此能耗出现下降的趋势.

3.2.2 随机场景

在实际的应用中，节点都是被随机分配到指定的区域，通过节点间协作来获得想要的信息，但是很多情况下，节点的分布密度都是随机的.

首先研究在1000 m*1000 m的区域中，在节点随机均匀分布的情况下，改变节点分布密度时，三种路由协议消耗能量的对比图.从图5中可以看出，在节点随机均匀分布的情况下，VBF协议的能耗始终最大，DFR协议和FBR协议消耗的能量其次，而本文提出的协议消耗能量最小，且随着节点密度的增加，FBR协议和本文提出的协议能耗都逐渐减小，最终趋于稳定，通过比较分析，本文提出的协议在随机均匀分布情况下，性能最优.

图3 格型场景中不同路由协议的选路图Fig.3 Path selection of different routing protocols in grid scenario

图4 格型场景中不同路由协议的能耗Fig.4 Energy consumption of different routing protocol in grid scenario

实际应用中，节点不一定是均匀分布的，有些区域密度大，而有些区域密度小.图6是当节点在随机非均匀分布情况下，三种协议的能耗对比.由图6可见，节点在随机非均匀分布时，FBR协议和本文提出的协议随着节点密度的增加，能耗逐渐减少，最后趋于稳定，但本文提出的协议能耗始终比FBR协议能耗小.这是由于VBF协议发射功率一定，当源宿节点间距离确定时，它的跳数变化很小，而能耗的大小与跳数有关，因此能耗在一定范围内变化.DFR协议在节点密度小时，由于节点分布不均匀时会产生空穴问题，因而耗能较大，在节点密度增大时，耗能有所改善.FBR协议采用了不同的发射功率级发射，其性能得到不同程度的改善.本文提出协议，在理想节点附近寻找次优节点，其能量有效性比FBR协议略高.

4 结论

本文基于水下信道模型，证明了总距离一定时，从源节点经多跳转发到宿节点时，存在能量最优跳数，利用跨层设计的思想，提出了一种能量有效的跨层路由协议，源节点通过接收SINK节点的广播信息计算自己到SINK的理想路径，通过交换邻居信息来选择下一跳邻居节点.本文协议不需要知道全局信息，可以在寻路过程中分步地执行.仿真结果证明，在节点疏密不同的场景中，本文所提协议优于FBR协议和VBF协议.本文所提的协议是在节点静止的前提下进行研究的，当节点位置动态变化时，交换邻居节点信息的过程中，会增加一定的通信负荷，能耗也会增高，整个网络的传输速率会有所降低.如何在节点动态变化时保证网络性能，将是本课题组下一步研究的方向.

图5 随机均匀分布场景的能耗Fig.5 Energy consumption when nodes are randomly distributed

图6 节点非均匀随机分布场景的能耗Fig.6 Energy consumption in randomly and unevenly scenario

[参考文献]

[1]郭忠文，罗汉江，洪峰，等.水下无线传感器网络的研究进展 [J].计算机研究与发展，2010，47(3):377-389.

[2]AHMED S，KHAN I U，RASHEED M B，et al.Comparative analysis of routing protocols for underwater wireless sensor networks[J].J Basic Appl Sci Res，2013，3(6):130-147.

[3]HU T S，FEI Y S.QELAR:a machine-learning-based adaptive routing protocol for energy-efficient and lifetime-extended underwater sensor networks[J].IEEE Transactions on Mobile Computing，2010，9(6):796-809.

[4]XIE P，CUI J H，LAO L.VBF:vector-based forwarding protocol for underwater sensor networks[C]//Proceedings of Networking 2006.Heidelberg:Springer-Verlag，2006:1216-1221.

[5]JORNET J M，STOJANOVIC M，ZORZI M.Focused beam routing protocol for underwater acoustic networks[C]//ACM WUWNet.San Francisco:California，USA，2008:75-82.

[6]URICK R J.Principles of underwater sound [M].3rd ed.New York:McGraw-Hill，1983.

[7]BREKHOVSKIKH L M，LYSANOV Y P.Fundamentals of ocean acoustics[M].3rd ed.New York:Springer，2003.

[8]MOHAPATRA ARUPA K，NATARAJAN GAUTAM，GIBSON RICHORD L，et al.Combined routing and node replacement in energy-efficient underwater sensor networks for seismic monitoring [J].IEEE Journal of Oceanic Engineering，2013，38(1):80-90.

[9]AMEER P M，JACOB LILLY KUTTY.Accurate localization under correlated errors for underwater acoustic sensor networks[J].International Journal of Wireless Information Networks，2013，20(4):375-384.

[10]RAHMAN ZANDI.Underwater acoustic sensor network localization using received signals power[C]//2013 21st Iranian Conference on Electrical Engineering.Mashhad:ICEE，2013:1-6.

[11]MARCO ZIMMERLING，WALTENEGUS DARGIE，JOHNATHAN M REASON.Energy-efficient routing in linear wireless sensor networks[C]//IEEE Xplore.Dresden:IEEE，2007.