0 引言

    聲通信已成為水下傳感網(wǎng)絡(luò)(Underwater Wireless Sensor Networks，UWSNs)^[1]的唯一有效的通信方式。通過傳感節(jié)點(diǎn)實(shí)時地收集海洋數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測海洋目的^[2]。據(jù)此，路由協(xié)議已成為UWSNs的研究重點(diǎn)。

    研究人員對UWSNs已進(jìn)行了大量的研究，并提出不同的路由策略。XIE P等^[3]提出了DBR(Depth-based routing)路由。DBR路由通過節(jié)點(diǎn)在水下的位置傳輸數(shù)據(jù)包，總是優(yōu)先選擇離水面更近的節(jié)點(diǎn)作為數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)。而YAN H等^[4]提出了基于虛“路由管”的VAPR路由。一旦接收了數(shù)據(jù)包，就計(jì)算轉(zhuǎn)發(fā)距離^[5]，若小于門限值就轉(zhuǎn)發(fā)，否則丟棄。然而，一旦節(jié)點(diǎn)密度增加，VAPR路由策略加大了網(wǎng)絡(luò)能量消耗。為此，NOH Y等^[6]提出VAPR的改進(jìn)協(xié)議，降低能耗，并增強(qiáng)應(yīng)對路由空洞的能力。

    然而，這些路由協(xié)議只在片面地追求路由的某一方面性能，而未能充分利用UWSNs的信道特性。此外，地理位置路由的核心在于下一跳轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)的選擇策略，若能擇優(yōu)選擇轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)，就能有效地避開路由空洞。為此，本文提出了新的地理-機(jī)會路由協(xié)議(Geographic and Opportunistic Hybrid Routing，GOHR)。仿真數(shù)值證實(shí)，提出的GOHR協(xié)議提高了數(shù)據(jù)包傳遞率，并降低冗余數(shù)據(jù)包。

1 GOHR路由

    假定N表示整個網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)集，即N=N_n∪N_s，其中為聲納浮標(biāo)(信宿)集。每個節(jié)點(diǎn)的通信半徑為rc，且它們具有低帶寬聲通信能力。而信宿不但具有聲通信能力，還具有射頻通信能力。

1.1 候選轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)集

    一旦源節(jié)點(diǎn)(假定為節(jié)點(diǎn)n_i)需要向目的節(jié)點(diǎn)(假定為節(jié)點(diǎn)s_θ)傳輸數(shù)據(jù)包，n_i就從它的鄰居節(jié)點(diǎn)集N_i(t)搜索離自己最遠(yuǎn)和最近的信宿，即則節(jié)點(diǎn)n_i的候選轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)集Γ_i：

1.2 轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)簇

    為了選擇最優(yōu)的節(jié)點(diǎn)作為數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)n_i需進(jìn)一步從Γ_i中挑選一部分節(jié)點(diǎn)構(gòu)成轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)簇Ψ^[7，8]。

    對于節(jié)點(diǎn)n_c∈Γ_i，首先計(jì)算它的歸一化權(quán)重值NADV(n_c)：

1.3 簇期望權(quán)重值

    完成了簇劃分后，再依據(jù)式(3)計(jì)算每個簇的權(quán)重值EPA^[9]。最終，選擇最大的EPA簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包。

1.4 數(shù)據(jù)包傳遞概率

    下面推導(dǎo)對于任意一對相距為d的節(jié)點(diǎn)，其傳輸m bit的數(shù)據(jù)包傳遞概率p(m，d)的表達(dá)式。依據(jù)文獻(xiàn)[10，11]，水下無障礙物的路徑損耗為：

其中E_d、E_d分別表示單位比特的平均能量消耗、噪聲功率密度，且均為常數(shù)。

    引用瑞利衰落模型，信噪比SNR的概率分布為：

    本文采用BPSK調(diào)制模式，長為d的路徑的比特誤碼概率為可定義為：

1.5 定時器設(shè)置

其中n_a為接收節(jié)點(diǎn)，n_b為發(fā)送節(jié)點(diǎn)，s為水下聲信號的傳播時間。

    綜上所述，整個GOHR協(xié)議傳輸數(shù)據(jù)包流程如圖1所示。

2 性能分析

    選擇1 500 m×1 500 m×1 500 m的水下無線傳感網(wǎng)絡(luò)作為研究區(qū)域，借助MATLAB R2012b工具進(jìn)行仿真，并分析仿真數(shù)據(jù)。區(qū)域內(nèi)有45個聲納浮標(biāo)，即|N_s|=45。而水下傳感節(jié)點(diǎn)數(shù)從150～450變化，傳感節(jié)點(diǎn)的通信半徑r_c=250 m。每個節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)包產(chǎn)生率服從泊松分布，且參數(shù)λ=0.15 pkts/min。數(shù)據(jù)率為50 kb/s。每次實(shí)驗(yàn)獨(dú)立重復(fù)進(jìn)行100次，取平均值作為最終的仿真數(shù)據(jù)。

2.1 數(shù)據(jù)包傳遞率

    首先，分析數(shù)據(jù)包傳遞率隨節(jié)點(diǎn)數(shù)變化情況，如圖2所示。從圖2可知，節(jié)點(diǎn)數(shù)越多，數(shù)據(jù)包傳遞率越高。原因在于：節(jié)點(diǎn)數(shù)越多，參與路由的節(jié)點(diǎn)就越多，相應(yīng)地，路由也就越穩(wěn)定。

    此外，相比于DBR和VAPR，GOHR路由的數(shù)據(jù)包傳遞率得到有效地提升。這主要是因?yàn)镚OHR路由建立穩(wěn)定的轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)簇，并使得簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)能夠彼此監(jiān)聽各自的行為。例如，當(dāng)節(jié)點(diǎn)數(shù)為450時，GOHR路由的數(shù)據(jù)包傳遞率為0.82，而DBR和VAPR路由只有0.6和0.65。

2.2 冗余數(shù)據(jù)包數(shù)

    接下來，分析冗余數(shù)據(jù)包數(shù)隨節(jié)點(diǎn)數(shù)的變化情況，如圖3所示。相比于DBR和VAPR路由，GOHR具有最低的冗余數(shù)據(jù)包數(shù)。從圖3可知，當(dāng)節(jié)點(diǎn)數(shù)為300時，GOHR路由只產(chǎn)生了2個冗余包，而DBR和VAPR分別產(chǎn)生了8個、6個。原因在于：DBR采用了多徑傳輸策略，又沒有引用抑制冗余數(shù)據(jù)包機(jī)制；而VAPR未能實(shí)現(xiàn)低權(quán)重值節(jié)點(diǎn)監(jiān)聽高權(quán)重值的節(jié)點(diǎn)的功能，這必然增加冗余數(shù)據(jù)包數(shù)。

2.3 端到端傳輸時延

    最后，分析了端到端傳輸時延隨節(jié)點(diǎn)數(shù)的變化情況，如圖4所示。GOHR和VAPR的平均時延高于DBR。結(jié)合圖2、3可知，GOHR和VAPR路由是高的傳輸時延換取了高的數(shù)據(jù)包傳遞率和低冗余數(shù)據(jù)包數(shù)。即通過機(jī)會路由提高了數(shù)據(jù)包傳輸率，增加了傳輸時延。而與VAPR相比，GOHR路由的時延得到有效的下降。

3 結(jié)束語

    本文針對水下無線傳感網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸問題，提出基于地理-機(jī)會的混合路由GOHR。GOHR在轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包時，不是選擇一個轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)，而是選擇一個簇，即轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)簇。GOHR通過先將節(jié)點(diǎn)劃分簇，再計(jì)算每個簇的權(quán)重值，最后將具有最大權(quán)重值的簇作為轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)簇。同時，GOHR考慮了冗余數(shù)據(jù)包問題，因此引用時延機(jī)制抑制數(shù)據(jù)包冗余問題。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)證明，提出的GOHR路由提高了數(shù)據(jù)傳輸能力。

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作者信息:

唐偉萍1，劉桂英2

(1.廣西電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院 汽車與

交通系，廣西 南寧530007；2.廣西師范學(xué)院 職業(yè)技術(shù)教育學(xué)院，廣西 南寧530001)