基于最短路径的水下无线光通信路由算法

基于最短路径的水下无线光通信路由算法
发布时间：2021-11-12T06:35:23.254Z 来源：《现代电信科技》2021年第12期作者：纪竟
[导读] 现阶段，水下无线通信技术主要有以下几种实现方案：以声波为基础的水声通信，以可见光为基础的水光通信和以无线电为基础的射频通信。

以高传播速率为特点的水光通信是一种极具吸引力水下无线通信方案。

但由于水下环境中光波受吸收散射等影响，对光通信的传输距离产生限制。

因此，设计一种高效且节能的路由算法就成为了水光通信技术中一个不可忽视的问题。

本文提出了一种高效节能的最短路径路由协议，考虑当前节点邻域内的节点位置信息和能量信息。

纪竟
（西南民族大学电子信息学院四川成都 610041）
摘要：现阶段，水下无线通信技术主要有以下几种实现方案：以声波为基础的水声通信，以可见光为基础的水光通信和以无线电为基础的射频通信。

以高传播速率为特点的水光通信是一种极具吸引力水下无线通信方案。

但由于水下环境中光波受吸收散射等影响，对光通信的传输距离产生限制。

因此，设计一种高效且节能的路由算法就成为了水光通信技术中一个不可忽视的问题。

本文提出了一种高效节能的最短路径路由协议，考虑当前节点邻域内的节点位置信息和能量信息。

仿真结果显示，所提出的节能算法能够有效的延长网络生存期，提高网络能效。

关键词：水下无线通信；光通信；包投递率
1.背景
根据调查，地球上海洋总面积约为3.6亿平方公里，约占地球表面积的71%，平均水深约3795米。

海洋中含有十三亿五千多万立方千米的水，约占地球上总水量的97%[1]。

在这未知的海底世界里，蕴含着丰富的能量资源需要探索。

人们对于水下环境的探索越来越感兴趣，可用于如气候变化、海洋动物研究、石油钻机监测、监视和无人驾驶操作等各个领域。

水下无线通信（UWC）技术使海洋勘探系统得以实现。

现阶段，主要有三种水下无线通信技术：水声通信、射频技术以及水光通信[2]。

与声学方法和RF-EM方法相比，水下无线光通信（UOWC）具有最高的传输数据速率、最低的链路延迟和最低的实现成本。

UWOC可以在几十米的中等距离上实现Gbps级别的数据传输速率。

这些优点使学者们对水下无线光通信技术的研究越来越感兴趣。

在近几年来，随着对于UOWC的研究愈加广泛，在UOWC的传输速率和传输距离的问题上，有了巨大的进步，从早期的2米长的水下链路实现数据速率到达1 Gbps，近两年的500 Mbps 数据速率可以实现在100m的清澈水下信道传输数据[3]。

2.国内外研究现状
路由协议可简单认为是规划数据信息从源节点到目的节点的传输路径，即如何建立从源节点到目的节点的无线通信链路[4]。

在水下无线光传感器网络中，由于光信号在水下环境中虽有高传输速率的优点，对于光通信的研究越来越广泛。

但由于信道衰减使其传输距离有限，因此，高效节能的路由协议在水下无线光网络中起着重要作用。

对于水下声通信的研究已经有几十年了，关于声通信的路由协议也十分成熟，对于传统路由协议DBR[5]，是一种基于深度信息的路由，在寻找路由时只考虑深度。

每个节点将数据包从较深的节点转发到较浅的节点。

但是其存在的问题是由于只考虑节点的深度信息，该协议在端对端延迟等其他性能方面有待提高[6]。

此外，由于光学特性的原因，UOWC的部分路由协议会考虑节点的发射角度[7]。

DS算法是计算其传输半径内的边的权值并选择传输范围内的权重的值最大的节点[8]。

DSS路由协议则是在路径选择和数据转发过程遵循DS协议的相同过程但是由于该算法扫描他的扇区。

可以将收发机在较短的距离内以较宽的波束发射，并以较窄的波束发射到较长的距离[9]。

然而，上述路由协议并不全部适用于光学信道，或者并未考虑节点的能量信息。

所以本文提出了一种基于最短路径的节能路由协议，进一步提高网络能效，延长网络生存期。

3.算法原理
3.1能量模型
节点在参与转发信息时，节点单独执行扫描过程以检查自身的剩余能量是否可供完成接受和转发的工作。

节点的剩余能量可以用节点的初始能量减去消耗的能量来计算：
其中，为权重因子。

权值最大的邻居节点，最终被选为最佳转发节点。

4.仿真结果
假设网络规模为120m×120m，水下随机部署100个节点。

初始能量为800J，接收功率为0.0025mw。

最大传输范围R为30m，节点的运动速度为0.5m，我们还实现了算法DS[7]作为与我们提出的算法最短路由算法的性能比较。

两种算法的包投递率结果如图2所示，其中蓝色线条和和红色线条分别表示DS算法和最短路径算法的包投递率与传输数的结果。

可以
看出，与现有的DS算法相比，我们提出的最短路径算法可以有效地提高包投递率。

图2 包投递率与传输轮数结果图
参考文献：
[1]NOAA. How much of the ocean have we explored? National Ocean Service website，
https：///facts/eutrophication.html，02/26/21.
[2]Jing，X."Towards Broadband Long-reach Underwater Wireless Optical Communication." Asia Communications and Photonics Conference 2016.
[3]Han，G.et al. "Routing Protocols for Underwater Wireless Sensor Networks." IEEE Communications Magazine 53.11（2015）：72-78.
[4]C. Gabriel，M. Khalighi，S. Bourennane，P. Léon and V. Rigaud，"Investigation of suitable modulation techniques for underwater wireless optical communication，" 2012 International Workshop on Optical Wireless Communications（IWOW），2012，pp. 1-3，doi：10.1109/IWOW.2012.6349691.
[5]H. Yan，Z. Shi and J. H. Cui，“DBR：depth-based routing for underwater sensor networks，” NETWORKING 2008 Ad Hoc and Sensor Networks，Wireless Networks，Next Generation Internet，pp. 72-86，2008.
[6]Q. Guan，F. Ji，Y. Liu，H. Yu，and W. Chen，"Distance-Vector based Opportunistic Routing for Underwater Acoustic Sensor Networks，" IEEE Internet of Things Journal，vol. 6，pp. 3831-3839，2019.
[7]A. Celik，N. Saeed，T. Y. Al-Naffouri，and M.-S. Alouini，“Modelingand performance analysis of multihop underwater optical wireless sensornetworks，” in IEEE Wireless Communications and Networking Conference（WCNC），Apr. 2018，pp. 1–6.
[8]R. Alghamdi，N. Saeed，H. Dahrouj，M. Alouini and T. Y. Al-Naffouri，"Towards Ultra-Reliable Low-Latency Underwater Optical Wireless Communications，" 2019 IEEE 90th Vehicular Technology Conference（VTC2019-Fall），2019，pp. 1-6，doi：10.1109/VTCFall.2019.8891506.
[9]Alghamdi，Rawan，et al. "On distributed routing in underwater optical wireless sensor networks." arXiv preprint arXiv：1811.05308（2018）.
[10]A. Vavoulas，H. G. Sandalidis，and D. Varoutas，“Underwater optical wireless networks：a k-Connectivity analysis，” IEEE Journal of Oceanic Engineering，vol. 39（4），pp. 801-809，Oct. 2014.。