一种新的水下无线传感网络的路由协议

一种新的水下无线传感网络的路由协议
姜慧霖;滑涛;符意德
【摘要】For the problem of gathering inefficiency data of Underwater Wireless Sensor Networks ( UWSNs) ,a Geographic and Opportunistic Routing for Underwater Wireless Sensor Networks was proposed in this paper, which was marked as GOR-UWSNs.Whenever a sensor node has a packet to send, GOR-UWSNs use the packet advancement ( ADV) to determine the neighbors candidate set, then use normalized advance ( NADV) to measure the“goodness” of each nodes in neighbors candidate set, and ordered by NADV metric, form the ordered neighbors candidate set.NADV corresponds the optimal trade-off between the proximity and link cost to determine the priorities of the candidate nodes.In addition, the ordered neighbors candidate set is divided into several clusters, so that each node in clusters must hear each other.GOR-UWSNs computes the Expected Packet Advanced (EPA), and the cluster with the highest EPA is selected as the next-hop forwarder set.Simulation data results that GOR-UWSNs protocol has a good performance in terms of average numbers of redundant packets and packet delivery ratio.%针对水下无线传感网络UWSNs（ underwater wireless sensor networks）的数据采集低效的问题，提出一种基于地理位置－机会的水下无线传感网络的路由协议，记为GOR－UWSNs协议。

当传感节点需要传输数据包时，UWSNs协议就利用数据包优先权值ADV（AD vancement）构建候选转发集，再利用归一化的权值NADV（ normalized advance）评估候选转发集内节点成为下一跳节点的“适度
性”，并依据节点的NADV值，进行从高至低的排序，形成有序的候选转发集。

NADV融合了距离以及水下信道链路质量信息。

然后，将有序的候选转发集划分不同的簇，使得簇内节点均在彼此的通信范围内，再计算每个簇的期望权值EPA （ expected packet advanced），具有最大EPA的簇成为下一跳转发集。

仿真结果表明，提出的GOR－UWSNS协议有效地提高数据包传输率、降低冗余数据包数。

【期刊名称】《仪表技术与传感器》
【年(卷),期】2016(000)009
【总页数】4页(P108-111)
【关键词】水下无线传感网;地理位置-机会路由;声通信;候选转发集;期望权值;数据包传输率
【作者】姜慧霖;滑涛;符意德
【作者单位】商丘师范学院计算机与信息技术学院，河南商丘 476000;商丘师范学院计算机与信息技术学院，河南商丘 476000;南京理工大学计算机科学与工程学院，江苏南京 210094
【正文语种】中文
【中图分类】TP393
目前，声通信被认为是水下无线传感网络UWSNs(underwater wireless sensor networks) [1]水下通信的唯一有效的通信模式。

高频率的无线电波容易水吸收，并且光波遭受严重的散射，无线射频通信只限于短距离的可视化应用。

然而，与无线射频通信相比，水下声通信信道易引起大、可变的时延。

原因在于：水下声速约
为1.5×103 m/s，而光速为3×108 m/s。

此外，水下声通信还存在数据包丢失、高噪声等问题[2]。

据此，路由协议[3-6]已成为UWSNs的研究重点。

文献[3]提出的基于深度路由DBR(depth-based routing)是水下传感网络的经典
路由协议。

DBR利用节点的深度信息，并结合贪婪算法传输数据包，使得数据包
能够传输至位于水面上的多个信宿节点。

一旦接收了数据包，如果离水面更近，节点就成来转发数据包的候选节点，否则就丢弃数据包。

文献[4]提出了VAPR路由
协议。

在VAPR中，数据包沿着预设的虚“路由管”传输数据包。

当接收了一个
数据包，节点就计算离转发矢量的距离，如果小于预设的门限值，就转发数据包，否则丢弃。

从VBF路由策略不难发现，如果网络密度较高时，将有较多节点参与
转发阶段，尽管这提供了多冗余路径，提高了数据包传输率，但是，增加了能量消耗。

为此，本文提出了新的地理-机会路由协议GOR-UWSNs(geo-opportunistic routing- UWSNs)。

在GOR-UWSNs协议中，与机会路由协议不同，每个数据包被广播至由多个节点构成的转发集，而不是单一的转发节点。

仿真结果表明，提出的GOR-UWSNs协议能够有效地降低冗余数据包，提高了数据包传递率。

在UWSNs中，大量的移动水下传感节点分布于海洋底部，而声纳浮标(信宿节点)浮于海洋表面。

假定整个网络的节点集为N，每个节点的通信半径为rc，其中传
感节点集表示为Nn，声纳浮标集表示为Ns。

此外，水下传感节点能够依据浮标调整自己在水下的深度。

节点移动的速度
υ=2.4 m/min，每移动1 m所消耗的能量Em=1 500 mJ/m。

2.1 候选转发集
当传感节点需要传输数据包时，它就决定哪些邻居节点有资格成为下一跳转发节点。

GOR-UWSNs协议利用贪婪转发策略寻找那些能够继续向目的节点传输的邻居节点，将这些邻居节点，称为候选转发集。

候选转发集的过程如下：假定节点ni需要传输数据包，在时刻t它的邻居节点集为Ni(t)，已知的信宿节点集为Si(t)。

引用文献[7]中的数据包优先权值ADV，决策候选转发集。

ADV等于节点ni与目的节点D间的距离d(ni,D)减去邻居节点X 与目的节点D间的距离d(X,D)，其中邻居节点X是离节点ni最远的信宿节点，如式(1)所示：
而节点：
因此，结合式(1)和式(2)，节点ni的候选转发集Γi定义如下：
式中为离节点ni最近的信宿节点；sθ为数据包的目的节点。

2.2 下一跳转发集
GOR-UWSNs协议利用机会路由处理水下声学信道特性。

在传统的多跳路由协议中，仅选择一个邻居节点作为下一跳转发节点。

若该节点的链路断裂，则可能丢失数据包。

而在机会路由中，充分利用共享的传输媒介，将每个数据包广播至由多个邻居节点组成的转发集，而不是一个转发节点。

只有转发集内所有节点都没有接收到数据包，才重传该数据包。

当然，这种转发策略存在利弊。

一方面，减少重传的次数，降低了因重传所消耗的能量，降低了数据包碰撞的概率；另一方面，因为邻居节点需要等待数据包到达下一个节点，这增加了数据包传输的端到端传输时延[8]。

在GOR-UWSNs协议中，对于每次重传，需定义下一跳转发集ψ。

从候选转发集Γi选择一些合适的节点构成下一跳转发集ψ，使得ψ内所有节点均能接收到集内其他任意节点的重传，进而避免隐藏终端问题。

因此，构建下一跳转发集ψ是属最大团问题(maximum clique problem)[8]。

GOR-UWSNs算法引用归一化的权值NADV，评估Γi内节点成为下一跳转发节点的“适度性”。

NADV融合了Γi内节点的距离以及链路成本信息，这是非常有必要的。

对于每个候选转发节点nc∈Γi，归一化的权值NADV(nc)：
式中：ADV(nc)为节点nc离最近信宿节点的数据包优先权值；为数据包传递概率，其定义见2.3节。

计算Γi集内的每一个节点的归一化的权值后，并按权值从高到低排序，形成集⊆Γi。

接下来，将集元素进一步划分，分成不同的簇ψj，确保簇内节点在彼此的监听范
围内。

首先找到集权值最大的节点，即集的第一个节点n1，将该节点加入簇ψj (j=0)，
即ψj←n1，相应地从内减去n1，即然后，再从搜索离节点n1欧式距离小于的节点，并将这些节点移入到簇ψj (j=0)，完成后，j←j+1。

重复上述过程，构建第二个簇ψj (j=1)，直至
构建了簇后，依据文献[9]，计算每个簇ψj集的期望数据包优先权值EPA，如式(5)所示。

贪婪机会转发策略的目的就是构建ψj⊆Γi，致使EPA最大。

最后，具有EPA最大值的簇最终成为下一跳转发集。

2.3 数据包传递概率
本小节，对水下数据包传递概率进行估计，并形成表达式。

对于相距为d的任意
一对节点，传输m比特的数据包传递概率表示为p(m,d)。

考虑文献[10-11]的水
下声信道模型，每条无障碍物传播路径的路径损耗为
式中：f为信号频率;k为扩频因子;α(f)为吸收系数。

在仿真中，取k=1.5。

而α(f)的定义如式(7)：
相距为d的路径的平均信噪比SNR Γ(d)：
式中Eb，N0为常数，且分别表示单位比特的平均能量消耗、噪声功率密度。

引用瑞利衰落模型，信噪比SNR的概率分布：
误比特概率：
采用BPSK调制模式，相隔d的路径的比特误码概率为
因此，对于相距为d的任意一对节点，传输m比特的数据包传递概率表示为
利用MATLAB R2012b建立仿真平台。

考虑1 500 m×1 500 m×1 500 m区域。

信宿节点数|Ns|=45，传感节点|Nn|在150～450变化。

每个传感节点数据包产生率服从泊松分布，且参数λ=0.15 pkts/min。

节点传输半径rc=250 m，数据产生率为50 kbit/s。

每次实验重复100次，取平均值作为最终数据，仿真时间为300 s。

为了更充分地分析路由性能，选择经典的DBR，VAPR协议与本文提出的GOR-UWSNs协议进行比较。

主要考查这些协议的平均端到端时延、数据包传递率以及冗余数据包数性能，其中平均端到端传输时延表示数据包从源节点传输至目的节点的平均时间；数据包传递率表示目的节点所成功接收的数据包个数与源节点所发送的数据包个数之比。

数据包传递率越高，网络传输越可靠。

而冗余数据包数表示每传输一个数据包所产生的数据包复本数。

仿真结果如图1、图2所示。

3.1 数据包传递率
3个协议的数据包传递率随节点密度的变化曲线如图1所示。

从图1可知，数据
包传递率随节点密度增加而上升，原因在于：密度增加，参与路由的节点数更多，节点间的通信链接更稳定，进而提高了数据包传递率。

与VAPR，DBR和GOR协议相比，提出的GOR-UWSNs协议的数据包传递率最高。

这要归功于GOR-UWSNs协议采用了下一跳转发节点集，并且这些节点能够相互监听是否转发了数据包。

此外，与DBR和GOR协议相比，VAPR协议在低密度环境下的数据包传
递率性能得到提高。

原因在于它们应对路由空洞的策略不同。

DBR和GOR协议
遭遇空洞时，丢弃数据包，而VAPR协议基于有向轨迹进行绕行通信，避免路由
空洞。

3.2 冗余数据包数
图2 为冗余数据包数，描述了平均每个数据包的冗余数据包数。

从图2可知，DBR和VAPR协议的冗余数据包数随网络密度增加而上升。

在DBR协议中，冗余
数据包主要来源于多径数据包传递和未能有效地抑制数据包重传。

而在VAPR协议中，低权值节点无法监听到高权值节点的传输，增加了冗余数据包数。

此外，GOR-UWSNs协议与GOR协议的冗余数据包数相当，并不随节点密度变化，原因在于它们的冗余数据包数来自广播特性，但冗余数据包数低于DBR和VAPR协议。

针对水下无线传感网络的数据收集问题，提出了基于地理位置机会路由协议GOR-UWSNs。

GOR-UWSNs协议是属选播、地理位置和机会的混合路由协议。

当节点需要转发数据包时，GOR-UWSNs协议先利用数据包优先权值ADV，从其邻居节点中选择一部分节点作为候选转发集，然后再计算候选转发集内所有节点的归一化权值NADV，并依据NADV，对候选转发集内节点进行排序，形成有序的候选转发集。

随后，对有序的候选转发集划分不同的簇，并且确保每个簇内的节点在彼此的通信范围内。

最后，计算每个簇的期望权值EPA，并选择具有最大EPA的簇作为下一跳节点的转发集。

仿真结果表明，提出GOR-UWSNs协议能够有效地降低冗余数据包数、提高了数据包传递率。

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