0 引言

    聲通信已成為水下傳感網絡(Underwater Wireless Sensor Networks，UWSNs)^[1]的唯一有效的通信方式。通過傳感節(jié)點實時地收集海洋數據，實現監(jiān)測海洋目的^[2]。據此，路由協(xié)議已成為UWSNs的研究重點。

    研究人員對UWSNs已進行了大量的研究，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)點在水下的位置傳輸數據包，總是優(yōu)先選擇離水面更近的節(jié)點作為數據包轉發(fā)節(jié)點。而YAN H等^[4]提出了基于虛“路由管”的VAPR路由。一旦接收了數據包，就計算轉發(fā)距離^[5]，若小于門限值就轉發(fā)，否則丟棄。然而，一旦節(jié)點密度增加，VAPR路由策略加大了網絡能量消耗。為此，NOH Y等^[6]提出VAPR的改進協(xié)議，降低能耗，并增強應對路由空洞的能力。

    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發(fā)節(jié)點的選擇策略，若能擇優(yōu)選擇轉發(fā)節(jié)點，就能有效地避開路由空洞。為此，本文提出了新的地理-機會路由協(xié)議(Geographic and Opportunistic Hybrid Routing，GOHR)。仿真數值證實，提出的GOHR協(xié)議提高了數據包傳遞率，并降低冗余數據包。

1 GOHR路由

    假定N表示整個網絡的節(jié)點集，即N=N_n∪N_s，其中為聲納浮標(信宿)集。每個節(jié)點的通信半徑為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 候選轉發(fā)節(jié)點集

    一旦源節(jié)點(假定為節(jié)點n_i)需要向目的節(jié)點(假定為節(jié)點s_θ)傳輸數據包，n_i就從它的鄰居節(jié)點集N_i(t)搜索離自己最遠和最近的信宿，即則節(jié)點n_i的候選轉發(fā)節(jié)點集Γ_i：

1.2 轉發(fā)節(jié)點簇

    為了選擇最優(yōu)的節(jié)點作為數據包的轉發(fā)節(jié)點，節(jié)點n_i需進一步從Γ_i中挑選一部分節(jié)點構成轉發(fā)節(jié)點簇Ψ^[7，8]。

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

1.3 簇期望權重值

    完成了簇劃分后，再依據式(3)計算每個簇的權重值EPA^[9]。最終，選擇最大的EPA簇內節(jié)點轉發(fā)數據包。

1.4 數據包傳遞概率

    下面推導對于任意一對相距為d的節(jié)點，其傳輸m bit的數據包傳遞概率p(m，d)的表達式。依據文獻[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。

    引用瑞利衰落模型，信噪比SNR的概率分布為：

    本文采用BPSK調制模式，長為d的路徑的比特誤碼概率為可定義為：

1.5 定時器設置

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

    綜上所述，整個GOHR協(xié)議傳輸數據包流程如圖1所示。

2 性能分析

    選擇1 500 m×1 500 m×1 500 m的水下無線傳感網絡作為研究區(qū)域，借助MATLAB R2012b工具進行仿真，并分析仿真數據。區(qū)域內有45個聲納浮標，即|N_s|=45。而水下傳感節(jié)點數從150～450變化，傳感節(jié)點的通信半徑r_c=250 m。每個節(jié)點的數據包產生率服從泊松分布，且參數λ=0.15 pkts/min。數據率為50 kb/s。每次實驗獨立重復進行100次，取平均值作為最終的仿真數據。

2.1 數據包傳遞率

    首先，分析數據包傳遞率隨節(jié)點數變化情況，如圖2所示。從圖2可知，節(jié)點數越多，數據包傳遞率越高。原因在于：節(jié)點數越多，參與路由的節(jié)點就越多，相應地，路由也就越穩(wěn)定。

    此外，相比于DBR和VAPR，GOHR路由的數據包傳遞率得到有效地提升。這主要是因為GOHR路由建立穩(wěn)定的轉發(fā)節(jié)點簇，并使得簇內節(jié)點能夠彼此監(jiān)聽各自的行為。例如，當節(jié)點數為450時，GOHR路由的數據包傳遞率為0.82，而DBR和VAPR路由只有0.6和0.65。

2.2 冗余數據包數

    接下來，分析冗余數據包數隨節(jié)點數的變化情況，如圖3所示。相比于DBR和VAPR路由，GOHR具有最低的冗余數據包數。從圖3可知，當節(jié)點數為300時，GOHR路由只產生了2個冗余包，而DBR和VAPR分別產生了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據包機制；而VAPR未能實現低權重值節(jié)點監(jiān)聽高權重值的節(jié)點的功能，這必然增加冗余數據包數。

2.3 端到端傳輸時延

    最后，分析了端到端傳輸時延隨節(jié)點數的變化情況，如圖4所示。GOHR和VAPR的平均時延高于DBR。結合圖2、3可知，GOHR和VAPR路由是高的傳輸時延換取了高的數據包傳遞率和低冗余數據包數。即通過機會路由提高了數據包傳輸率，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 結束語

    本文針對水下無線傳感網絡的數據傳輸問題，提出基于地理-機會的混合路由GOHR。GOHR在轉發(fā)數據包時，不是選擇一個轉發(fā)節(jié)點，而是選擇一個簇，即轉發(fā)節(jié)點簇。GOHR通過先將節(jié)點劃分簇，再計算每個簇的權重值，最后將具有最大權重值的簇作為轉發(fā)節(jié)點簇。同時，GOHR考慮了冗余數據包問題，因此引用時延機制抑制數據包冗余問題。實驗數據證明，提出的GOHR路由提高了數據傳輸能力。

參考文獻

[1] AKYILDIZ I F，POMPILI D，MELODIA T.Underwater acoustic sensor networks：Research challenges[J].Ad Hoc Netw.，2015，3(3)：257-279.

[2] STOJANOVIC M，PREISIG J.Underwater acoustic communication channels：Propagation models and statistical characterization[J].IEEE Commun.Mag.，2009，47(1)：84-89.

[3] XIE P，CUI J H，LAO L.VBF：Vector-based forwarding protocol for underwater sensor networks[C].in Proc.5th Int.IFIP-TC6 Conf.Netw.Technol.，Services，Protocols，2006：1216-1221.

[4] YAN H，SHI Z J，CUI J H.DBR：Depth-based routing for underwater sensor networks[C].in Proc.7th Int.IFIP-TC6 Netw.Conf.Ad Hoc Sensor Netw.，Wireless Netw.，Next Generation Internet，2008：72-86.

[5] LEE U，WANG P，NOH Y，et al.Pressure routing for underwater sensor networks[C].in Proc.IEEEINFOCOM，2010：1-9.

[6] NOH Y，LEE U，WANG P，et al.VAPR：Void-aware pressure routing for underwater sensor networks[J].IEEE Trans.Mobile Comput.，2013，12(5)：895-908.

[7] MELODIA T，POMPILI D，AKYILDIZ I.Optimal local topology knowledge for energy efficient geographical routing in sensor networks[C].in Proc.IEEE INFOCOM，2014：1705-1716.

[8] VIEIRA L F M.Performance and trade-offs of opportunistic routing in underwater networks[C].in Proc.IEEE Wireless Commun.Netw.Conf.，2012：2911-2915.

[9] ZENG K，LOU W，YANG J，et al.On geographic collaborative forwarding in wireless ad hoc and sensor networks[C].in Proc.Int.Conf.Wireless Algorithms，Syst.Appl.，2007：11-18.

[10] COUTINHO R W L，BOUKERCHE A，VIEIRA L F M，et al.GEDAR：Geographic and opportunistic routing protocol with depth adjustment for mobile underwater sensor networks[C].in Proc.IEEE Int.Conf.Commun.，2014：251-256.

[11] ZUBA Z S M，FAGAN M，CUI J.A resilient pressure routing scheme for underwater acoustic networks[C].in Proc.57th IEEE Global Telecommun.Conf.，2014：637-642.

作者信息:

唐偉萍1，劉桂英2

(1.廣西電力職業(yè)技術學院 汽車與

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