高 玲，鄭興旺，2，陳 彭，楊光松，陳朝陽

(1.集美大學(xué)信息工程學(xué)院，福建 廈門 361021;2.集美大學(xué)誠毅學(xué)院，福建 廈門 361021)

0 引言

隨著人類對海洋資源的不斷探索、開發(fā)和利用，對海洋環(huán)境下信息交流產(chǎn)生了巨大需求.水下無線傳感器網(wǎng)絡(luò) (Underwater Wireless Sensor Network，UWSN)[1]在海洋資源探測和海洋信息獲取等方面的重要應(yīng)用得到了世界各國的廣泛關(guān)注.由于水下環(huán)境的特殊性，在水下環(huán)境中工作的節(jié)點一般采用電池供電，電池的更換非常困難，能量問題直接影響著整個傳感網(wǎng)絡(luò)的壽命.能量消耗不僅與傳感節(jié)點物理電路特性有關(guān)，也與協(xié)議設(shè)計有關(guān).在節(jié)點資源受限的情況下，如何及時、高效地將數(shù)據(jù)傳送給sink節(jié)點，需要設(shè)計節(jié)能高效的路由協(xié)議.UWSN常用的節(jié)能路由協(xié)議有DFR(Directional Flooding-based Routing)、VBF(Vector-Based Forwarding)、FBR(Focused Beam Routing)等[2].DFR 協(xié)議[3]使用區(qū)域洪泛機制，洪泛區(qū)取決于源節(jié)點、宿節(jié)點和當(dāng)前轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點的角度等，它主要根據(jù)鏈路質(zhì)量來限制轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)，但仍然不能有效避免冗余包的轉(zhuǎn)發(fā).VBF協(xié)議[4]是一個基于矢量的轉(zhuǎn)發(fā)算法，路徑被指定為一個路由矢量，靠近路由矢量的節(jié)點將會轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包.這種協(xié)議傳送成功率高，端對端延遲低，但是需要用戶事先確定路由“管道”半徑，運行不便.FBR協(xié)議[5]在選擇下一跳節(jié)點時，需要知道源節(jié)點和目的節(jié)點的具體位置信息，以源節(jié)點為中心的一個弧度內(nèi)向目的節(jié)點進行通信，這種協(xié)議的優(yōu)點是可以根據(jù)兩節(jié)點間距離分配不同的發(fā)送功率，從而節(jié)省能量，但是需要發(fā)送RTS、CTS包進行信息的交換，引起過度的延遲.同時這種協(xié)議在網(wǎng)絡(luò)稀疏時，不得不多次擴大弧度的大小尋找下一跳轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點.本文提出了一種能量有效的路由協(xié)議，不需要知道全局節(jié)點的位置信息，通過適當(dāng)?shù)男畔⒔粨Q，分布式地獲取鄰居節(jié)點信息.利用跨層的思想，根據(jù)反饋信息分配不同的功率級，通過控制發(fā)射功率的大小來完成節(jié)點的通信.

1 總距離一定時最優(yōu)能量跳距

1.1 水聲信道傳輸損耗模型

1.1.1 被動聲吶方程

在水聲信道中，根據(jù)被動聲吶方程，當(dāng)發(fā)射端發(fā)射信號強度為SL時，接收端需要克服信道衰落和環(huán)境噪聲的影響，為了正常通信，接收端收到的信號噪聲比必須大于設(shè)定的門限閾值DT，需要滿足以下條件[6]:

其中:DT是檢測閾值;TL是水下環(huán)境引起的傳輸損耗;NL是來自接收機和環(huán)境的噪聲;DI是方向性指數(shù)．式 (1)中的所有單位均是 dB re μPa，1 μPa的參考值等效于0.67×10-22W/cm2，即1 μPa=0.67*10-18W/m2.

1.1.2 傳輸損耗和源級的關(guān)系

傳輸損耗TL可定義為聲強度從源處以聲壓力波方式向外傳播時聲信號強度的衰減值.如果把距離聲源中心的1 yard(1 yard=0.9144 m)處信號強度I0作為基本參考點，把I1作為距離聲源處r位置的聲強度，則從聲源處傳播到r處節(jié)點的傳輸損耗

聲源級SL[6]的定義為以分貝的形式表示的輻射聲信號強度，它的大小等于距聲波中心1 yard處的信號強度:

則TL和SL的關(guān)系為:

式 (4)中變量單位均為dB re μPa，

1.1.3 能量消耗

在水聲信道中，對于球形傳播模型，距離r處的傳輸損耗TL[6]表達式為:

其中:α表示吸收系數(shù)，單位為dB/km;A表示由于水下傳播異常引起的傳輸損耗，單位為dB;r表示傳播范圍，單位為yards.

多普勒頻率吸收系數(shù)[7]可以用Throp方程表示為:

其中f單位為kHz.

根據(jù)式 (4)，得出傳播到r時聲信號強度I1[6]表達式為:

如果傳感器節(jié)點與距離r處節(jié)點通信，則每個節(jié)點需要的發(fā)射功率P[6]為:

在水聲信道中，為保證距離r處的正常通信，每個節(jié)點的耗能為:

其中:Et為發(fā)送耗能，表示在Ttx時間內(nèi)發(fā)射k個數(shù)據(jù)包所消耗的能量;Er為接收耗能，這里取為50 nJ[8]，單位均為焦耳.

1.2 最優(yōu)能量跳距

在一個由N+1個節(jié)點構(gòu)成的等距的N跳鏈狀拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)中，假設(shè)源宿節(jié)點間總距離為dtotal，要把數(shù)據(jù)從源節(jié)點通過中繼節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)的方式發(fā)送到目的節(jié)點，則每一跳 (中繼距離為dtotal/N)需要的發(fā)射功率為Pi=4π(dtotal/N)2Ii，通過N跳中繼節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)到目的節(jié)點后消耗的總能量為:

其中:k為發(fā)送的數(shù)據(jù)分組數(shù).當(dāng)源宿節(jié)點之間的總距離dtotal一定時，則通過N跳中繼節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)之后消耗的總能量E可以看成跳數(shù)N的函數(shù)．因此，要使N跳轉(zhuǎn)發(fā)后消耗總能耗最小，需要滿足:

于是可以求出最優(yōu)跳數(shù)Nopt，使信息通過N跳轉(zhuǎn)發(fā)后消耗的總能量最小．圖1為k=1，發(fā)射頻率f=10 kHz，發(fā)送時間為Ttx=40 ms時，不同的總距離dtotal時，跳數(shù)與總能耗的關(guān)系圖.由圖1可見，總距離變化時，源宿節(jié)點間的最優(yōu)跳數(shù)是變化的，當(dāng)總路徑長度一致時，一定存在一個最優(yōu)的跳數(shù)，此時在路徑上消耗的總能量最小.

圖1 路徑能量消耗和跳數(shù)的關(guān)系Fig.1 Relationship between energy consumption and hop numbers

2 UWSN中節(jié)省能量的路由協(xié)議

本文提出協(xié)議的主要目標(biāo)是保持能量的有效性，基于跨層的思想，在物理層，根據(jù)節(jié)點收到的反饋信息和最優(yōu)跳距等信息來分配不同的發(fā)射功率，在網(wǎng)絡(luò)層，通過尋找與最優(yōu)路徑接近的點作為下一跳節(jié)點.

假設(shè)節(jié)點被隨機分配到以SINK節(jié)點為中心的區(qū)域內(nèi)，每一節(jié)點在配置時只知道自己的坐標(biāo)位置，并且能夠調(diào)整自己的發(fā)射功率，能夠通過接收源節(jié)點信號來估算節(jié)點間距離.協(xié)議的工作過程主要分為以下兩個階段.

1)初始化階段 首先SINK節(jié)點以最大功率向管轄區(qū)域內(nèi)的節(jié)點發(fā)送廣播包 (它包括SINK本身的位置信息)，收聽到這個廣播包的節(jié)點i，可以估算自己到SINK的距離di－sink.這是因為，在公式(1)中，由于已知SNR和SL，可以求得TL，然后根據(jù)公式 (5)，便可以估算接收點和發(fā)射點之間的距離.在實際應(yīng)用中，由于涉及更復(fù)雜的信道參數(shù)，可以參考文獻 [9-10]等的距離估算方法進行精確定位.于是區(qū)域內(nèi)的所有節(jié)點都知道了自己到SINK的距離.根據(jù)1.2節(jié)的方法，每個節(jié)點可以計算自己和SINK節(jié)點之間的最優(yōu)跳距、跳數(shù)等信息，從而知道了自己到SINK的理想的最優(yōu)路徑，通過節(jié)點nodei-1'，nodei-2'…逐跳中繼到達SINK節(jié)點.

在實際場景中，節(jié)點一般都是隨機分布，因此不一定能找到理想的最優(yōu)路徑，但是，可以參考文獻[11]，分析理想最優(yōu)路徑的方法，找到與理想的中繼節(jié)點最近的節(jié)點作為下一跳節(jié)點，從而得到能量次優(yōu)的有效路徑.

2)路由尋找階段 如果某節(jié)點S需要傳送信息到SINK，首先根據(jù)步驟1)可以確定一條到SINK的理想路徑.但實際節(jié)點位置與理想路徑存在差異，根據(jù)筆者提出的路由協(xié)議的方法，即通過尋找一個最接近理想位置的節(jié)點作為下一跳節(jié)點.

首先節(jié)點S將以得到的最優(yōu)跳距大小的功率向四周發(fā)送一個廣播包，其中包含了理想狀態(tài)下的最優(yōu)下一跳中繼節(jié)點nodei-1和自己的位置信息.例如，圖2中，在以S為中心的圓內(nèi)有B、C、A三個節(jié)點，當(dāng)節(jié)點A接收到S節(jié)點發(fā)送的廣播包后，會根據(jù)自己的坐標(biāo)信息進行計算，如果節(jié)點A到sink的距離滿足dA-SINK〈dS-SINK，則向節(jié)點S發(fā)送ACK信息.同理B、C節(jié)點也會向S發(fā)送ACK信息，然后根據(jù)B、C、A的坐標(biāo)信息，可以計算一個與nodei-1最近的節(jié)點，作為下一跳節(jié)點.重復(fù)這一過程，直到到達SINK節(jié)點的所有中繼節(jié)點都被選出.當(dāng)最優(yōu)路徑建立完畢，進入數(shù)據(jù)傳送過程.如果S沒有收到任何回復(fù)信息，說明區(qū)域內(nèi)沒有符合條件的節(jié)點，將功率增大一倍繼續(xù)執(zhí)行以上過程.

圖2 路由尋找示意圖Fig.2 Diagram of route-finding

3 仿真與評估

3.1 仿真參數(shù)設(shè)置

[4-7]，進行仿真參數(shù)設(shè)置.在1000 m*1000 m的二維水聲環(huán)境中，采用1.1節(jié)描述的信道衰落模型，節(jié)點采用格形分布和隨機分布的方式在場景中布置.在接收端，假設(shè)接收端正確接收信號的SNR門限為20 dB，由于受航行活動、風(fēng)級、生物噪聲、海洋地震等的影響，將噪聲電平NL大小設(shè)置為50 dB，不考慮天線指向性的影響，將DI設(shè)為零.設(shè)置發(fā)射頻率為10 kHz，發(fā)送一個分組的時間為40 ms.

3.2 評估結(jié)果

3.2.1 格型場景

圖3中顯示的是在二維區(qū)域1000 m*1000 m范圍內(nèi)，在正方形網(wǎng)格上分布的任意兩節(jié)點距離均為100 m的100個節(jié)點，其中第31號節(jié)點作為源節(jié)點，向100號目的節(jié)點進行找路的過程，其中，實線代表的是本文提出的路由協(xié)議的通信路徑，虛線代表采用FBR協(xié)議時候的通信路徑.每一個仿真點運行20次，取其平均值.

圖4所示為格型場景中，在X、Y軸方向平均分布5至10個節(jié)點，其左下角為源節(jié)點，右上角為宿節(jié)點，由源節(jié)點向宿節(jié)點進行通信時，各種路由協(xié)議的能耗對比圖.由圖4可見，本文提出的協(xié)議以及FBR協(xié)議比VBF協(xié)議更優(yōu).這是因為，對于VBF協(xié)議，其發(fā)射功率是一定的，在節(jié)點密度為49時，其通信跳數(shù)為6跳，因而能耗最大.DFR協(xié)議以基本角度為度量來選擇路徑，由于沒有采用功率控制，其耗能處略好于VBF協(xié)議.對于FBR協(xié)議，在節(jié)點密度低時，其能耗性能略好于本文所提的協(xié)議.這是因為，節(jié)點稀疏時，離最優(yōu)中繼節(jié)點較遠，因此能耗較高.但隨著節(jié)點密度升高，可以更容易在最優(yōu)中繼節(jié)點附近找到實際的中繼節(jié)點，因此能耗出現(xiàn)下降的趨勢.

3.2.2 隨機場景

在實際的應(yīng)用中，節(jié)點都是被隨機分配到指定的區(qū)域，通過節(jié)點間協(xié)作來獲得想要的信息，但是很多情況下，節(jié)點的分布密度都是隨機的.

首先研究在1000 m*1000 m的區(qū)域中，在節(jié)點隨機均勻分布的情況下，改變節(jié)點分布密度時，三種路由協(xié)議消耗能量的對比圖.從圖5中可以看出，在節(jié)點隨機均勻分布的情況下，VBF協(xié)議的能耗始終最大，DFR協(xié)議和FBR協(xié)議消耗的能量其次，而本文提出的協(xié)議消耗能量最小，且隨著節(jié)點密度的增加，F(xiàn)BR協(xié)議和本文提出的協(xié)議能耗都逐漸減小，最終趨于穩(wěn)定，通過比較分析，本文提出的協(xié)議在隨機均勻分布情況下，性能最優(yōu).

圖3 格型場景中不同路由協(xié)議的選路圖Fig.3 Path selection of different routing protocols in grid scenario

圖4 格型場景中不同路由協(xié)議的能耗Fig.4 Energy consumption of different routing protocol in grid scenario

實際應(yīng)用中，節(jié)點不一定是均勻分布的，有些區(qū)域密度大，而有些區(qū)域密度小.圖6是當(dāng)節(jié)點在隨機非均勻分布情況下，三種協(xié)議的能耗對比.由圖6可見，節(jié)點在隨機非均勻分布時，F(xiàn)BR協(xié)議和本文提出的協(xié)議隨著節(jié)點密度的增加，能耗逐漸減少，最后趨于穩(wěn)定，但本文提出的協(xié)議能耗始終比FBR協(xié)議能耗小.這是由于VBF協(xié)議發(fā)射功率一定，當(dāng)源宿節(jié)點間距離確定時，它的跳數(shù)變化很小，而能耗的大小與跳數(shù)有關(guān)，因此能耗在一定范圍內(nèi)變化.DFR協(xié)議在節(jié)點密度小時，由于節(jié)點分布不均勻時會產(chǎn)生空穴問題，因而耗能較大，在節(jié)點密度增大時，耗能有所改善.FBR協(xié)議采用了不同的發(fā)射功率級發(fā)射，其性能得到不同程度的改善.本文提出協(xié)議，在理想節(jié)點附近尋找次優(yōu)節(jié)點，其能量有效性比FBR協(xié)議略高.

4 結(jié)論

本文基于水下信道模型，證明了總距離一定時，從源節(jié)點經(jīng)多跳轉(zhuǎn)發(fā)到宿節(jié)點時，存在能量最優(yōu)跳數(shù)，利用跨層設(shè)計的思想，提出了一種能量有效的跨層路由協(xié)議，源節(jié)點通過接收SINK節(jié)點的廣播信息計算自己到SINK的理想路徑，通過交換鄰居信息來選擇下一跳鄰居節(jié)點.本文協(xié)議不需要知道全局信息，可以在尋路過程中分步地執(zhí)行.仿真結(jié)果證明，在節(jié)點疏密不同的場景中，本文所提協(xié)議優(yōu)于FBR協(xié)議和VBF協(xié)議.本文所提的協(xié)議是在節(jié)點靜止的前提下進行研究的，當(dāng)節(jié)點位置動態(tài)變化時，交換鄰居節(jié)點信息的過程中，會增加一定的通信負(fù)荷，能耗也會增高，整個網(wǎng)絡(luò)的傳輸速率會有所降低.如何在節(jié)點動態(tài)變化時保證網(wǎng)絡(luò)性能，將是本課題組下一步研究的方向.

圖5 隨機均勻分布場景的能耗Fig.5 Energy consumption when nodes are randomly distributed

圖6 節(jié)點非均勻隨機分布場景的能耗Fig.6 Energy consumption in randomly and unevenly scenario

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