水下传感器网络路由协议研究*

金 军 ，纵 芳 ，梁妙元 ，郑君杰

（1.南京军区气象水文中心 南京 210000；2.南京军区73617部队 南京 210000；3.解放军理工大学气象学院 南京 211101）

1 引言

无线传感器网络是由密集型、低成本、随机分布的集成有传感器、数据处理单元和短程无线通信模块的微小节点通过自组织方式构成的网络。借助节点中内置的形式多样的传感器可以实现对生活环境全方位的监测与控制，这也是下一代互联网远景规划中较为重要的组成部分。无线传感器网络的自组织性和密集节点提供的容错能力，使其不会因为某些节点的异常而导致整个系统的崩溃，非常适合在特殊时刻、特殊环境中快速构建信息基础设施，因此有广阔的应用前景。2003年2月，麻省理工大学主办的非盈利性技术评论杂志将传感器网络总结为改变未来世界的10种新兴技术之一[1]。传感器网络出现不久后，由于其低成本、隐蔽性好、灵敏度高、可分布式部署、可覆盖范围大等诸多优点受到了各国海洋界的青睐，目前其应用范围已经扩展到了海洋。典型代表主要有美国海军1998年开始构建的自主分布系统SeaWeb[2,3]，除此之外，日本、英国、澳大利亚、德国等国近年来也一直致力于水下传感器网络相关技术的研究[4,5]。

水下传感器网络的重要性已经引起了我国的高度重视，国家“863”计划和国家自然科学基金相继资助了水下传感器网络的研究。哈尔滨工程大学、厦门大学、国家海洋中心、中国科学院声学研究所、中国科学院沈阳自动化研究所、南京邮电大学、中国海洋大学等单位针对水下传感器网络的水下通信方式[6]、体系结构[7]以及应用等方面开展了大量研究，取得了一定的成果。可以预见，水下传感器网络将在我国海洋探测、环境保护、水下安保、反潜等民用和军事领域发挥越来越重要的作用。

2 研究现状

同陆上传感器网络一样，路由协议是水下传感器网络的重要研究内容之一，其目的是在水下数据源节点和水面转发节点间建立一条数据传输路径。目前陆上传感器网络的路由协议已经得到了很大的发展，如以GPSR为代表的地理位置路由协议[8]、以SPIN为代表的平面路由协议[9]、以LEACH为代表的分层路由协议[10]、以SPEED为代表的基于QoS的路由协议等[11]。但是大部分陆上无线传感器网络路由协议不适合水下无线传感器网络，主要原因如下。

（1）水下声学通信环境极为恶劣

水下声学通信是目前唯一有效的水下通信方式，但水下声学通信环境极为恶劣。声波在水中的传播速度只有1 500 m/s，且随着海水深度、盐度、密度的变化而发生变化，带来传播时延长、带宽有限、传播时延动态变化等诸多不利因素，这些不利因素是陆上传感器网络路由协议设计时不曾也不需要考虑的。另外，大部分陆上传感器网络路由协议发送数据前需要进行相关信息的交换，如SPIN协议发送数据前通过协商来确定其他节点是否需要该数据，或者直接使用洪泛技术，这些方法严重消耗节点能量，而水下传感器网络节点使用电池供电，基本上是一次性使用，减少信息的发送量是设计其路由协议时要考虑的首要问题。

（2）水下传感器网络三维拓扑结构的动态变化

陆上传感器网络以二维形式为主，显然水下传感器网络是三维形式的，由于节点会随洋流浮动，导致水下传感器网络三维拓扑的动态变化。目前在国外一些水下传感器网络的研究中，将水下节点下锚固定以应对洋流的影响，价格昂贵且组网时间过长，只适用于小规模的网络。笔者认为，真正意义上的水下传感器网络除了网关节点漂浮在水面外，其大量水下节点应可以直接布撒到预定海域，然后悬浮在水下各个深度进入工作状态。水下路由最理想的状况是水下各个节点的三维位置信息是互相知道的，转发节点自己选择一条理想的转发路径，但这在水下是行不通的，原因有两个。一是GPS信号无法穿透海水，因此水下节点不可能通过搭载定位装置获取其三维位置信息；二是如果不使用GPS，节点只能通过定位算法来解算其位置，这也是一个巨大的研究挑战，迄今仍无突破性的进展，同时定位算法需要各个节点定期交换路由信息，此方法带来的巨大的通信量是水下传感器网络无法承受的。

目前国内外对水下传感器网络路由协议的研究仍处于起步阶段，主要是对现有陆上协议进行改造。在已经公开的文献资料中较有影响力的工作如下。

[12]提出一种由数据源点与海面转发节点构成路由矢量的地理路由协议VBF，其路由是以路由矢量为中心形成的圆柱形路由通道，前提是其各个节点位置信息可以通过服务器获得。参考文献[13]对VBF进行了改进，提出了HVBF，该协议采用局部路由矢量代替全局路由矢量，适用于稀疏网络。参考文献[14]提出一种基于位置信息的带AUV的移动网络路由协议，该协议使用TDMA帧估计距离形成整个网络的位置拓扑。参考文献[15]提出一种跨层设计的节能地理路由协议，通过控制发射功率达到节能的目的。

国内对水下传感器网络路由协议也有一定的研究。

参考文献[16]提出了一种基于水声信道的无线传感器网络路由协议，采用均衡节点能耗的路由算法，按照最小能量代价建立多跳路由表；参考文献[17]对GPSR协议进行了改进，以节省能量；参考文献[18]提出了一种适用于水下的能量有效可靠路由协议。

综上所述，现有的水下传感器网络路由协议研究主要以地理路由为主，尽管地理路由协议效率较高，代价小，但需要知道各个水下节点的三维位置信息，难以在水下实际应用。

3 基于深度信息的水下路由协议

在实际的水下组网应用中，数据转发节点位于水面之上，水下传感器节点采集到的数据最终要被转发到水面转发节点，如图1所示。

随着数据的转发，其所经过的转发节点的深度将越来越小，直至到达水面，相比水下三维位置信息，水下传感器节点深度信息的获取极为简单，只需要在节点上安装价格低廉的深度传感器即可。基于此现象，本文提出一种基于水下深度信息的路由协议，该协议的基本思想是数据分组同时存储有转发节点的深度信息，并且随着每一跳进行更新。当节点接收到数据后，将其携带的深度信息与自身的深度进行对比，如果其来自更深节点则结合自身剩余能量的多少来决定是否转发该数据，否则将其抛弃，以此类推并辅以相应的转发策略，直至将数据转发到水面转发节点。

为解决水下转发方向的不确定性，可以设置多个水面转发节点，每个水面节点配备有无线收发装置和水声调制解调器，只要数据到达任意一个水面转发节点都可以发送到最终目的节点。和现有水下传感器网络路由协议相比，该方法不需要节点知道其自身以及其他节点的三维位置信息，因此节点间信息交换量极少，可以显著减少通信量，能有效应对网络拓扑的动态变化，进而达到节省能量、延长网络生存时间的目的。

图1 水下传感器网络数据转发示意

4 数据分组转发算法

该协议数据分组转发算法的基本原理如图2所示。

图2中节点S为数据源节点，n1、n2和n3为一跳范围内的邻居节点，d1代表n1距平面的垂直距离，d2代表n2距平面S的垂直距离。最外圈实线大圆代表S的转发半径，位于该半径内的节点都能收到其发出的数据。n3的深度大于S，因此被禁止参与数据转发。显然n1的深度最浅，距离水面最近，因此n1是最理想的下一条节点，而n2的转发需要被禁止。

主要使用如下转发策略。

（1）深度门限

为减少数据的无效转发，使用深度门限来控制参与节点的数量。深度门限是指参与转发的节点的最大深度。显然门限越大，参与转发的节点越少，反之越多。

图2 路由算法基本原理示意

（2）保留一段时间再转发数据

每个转发节点收到数据后并不是马上转发，而是保留一段时间再进行转发，该时间定义为holding time。将holding time表示为节点剩余能量与节点深度信息的函数。显然节点深度越浅，其参与转发的优先级越高，则holding time越短，深度越深则holding time越长，即holding time与深度成反比。为保证节点能量的均衡，如果节点的剩余能量越多，则其参与转发的优先级越高，holding time越短，即holding time与节点剩余能量成反比。

holding time可以表示为d与e的函数：

其中d、e分别代表源节点与转发节点的垂直距离及自身剩余能量。

令n1收到分组的时间为 t1，n2收到分组的时间为 t2，t1,2为节点n1、n2间的传播时延，由图2有：

即：t1+f(d1,e1)+t12≤t2+f(d2,e2)条件满足。

（3）分组历史缓存

水下多径转发可能会造成一个节点收到一个数据分组多次的问题，使用分组历史缓存来解决。节点每发送一个数据后，将其相关特征信息放入历史缓存备查；节点收到一个新的数据首先检查历史缓存，如再次收到该数据则将其丢弃。

图3 空洞示意

水下数据转发不可避免会遇到空洞，以图3为例，节点S收到数据后向上没有转发节点，其上部区域定义为空洞，在此情况下需要重构路由。有两种策略可以解决：一是将数据退回上一个节点再执行路由算法，如果仍然遇到空洞则再退回更上一个节点，直到数据被顺利转发；二是将数据直接转发到其通信范围内的其他更深节点再执行转发算法，直至将数据送到水面。

5 结束语

现有的水下传感器网络路由协议研究主要以地理路由为主，难以在水下实际应用。本文对水下三维传感器网络的路由协议进行了深入的研究，针对现有水下传感器网络路由协议的不足，提出了一种新型路由协议，该协议不需要节点的三维位置信息，只需要通过深度信息同时结合自身的剩余能量情况即可决定是否转发该数据，可以有效减少转发冲突，减少能量消耗，及时应对网络拓扑变化，延长网络生存时间，具有很高的学术价值和很好的应用前景。

参考文献

1 http://www.globalfuture.com/mit-trends2003.htm

2 Rice J.Enabling undersea FORCEnet with seaweb acoustic networks.Biennial Review 2003,SSC San Diego TD 3155,2003:174～180

3 Rice J,Green D.Underwater acoustic communications and networks for the US navyapos; seaweb program sensor technologies and applications.Sensor COMMapos,Second International Conference,2008:715～722

4 http:/www.dspcomm.com/

5 http:/www.tritech.co.uk/products/products-main.htm

6 朱昌平.水声通信基本原理与应用.北京:电子工业出版社，2009

7 李彦，罗续业.海洋监测传感器网络概念与应用探讨.海洋技术，2006,25(4):34～38

8 Karp B,Kung H.GPSR:greedy perimeter stateless routing for wireless networks.Proceeding of the 6th Annual International Conference on Mobile Computing and Networking,Boston,ACM Press,2000:243～254

9 Kulik J,Heinzelman W,Balakrishman H.Negotiation based protocols fordissemination information in wireless sensor network.Wireless Networks,2002,8(2-3):169～185

10 Heinzelman W,Chandrakasan A,Balakrishman H.Energyefficient communication protocol for wireless microsensor networks.Proceedings of the 33rd Annual Hawaii Int’l Conf on System Sciences,Maui,IEEE Computer Society,2000:3 005～3 014

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12 Xie P,Cui J H,Lao L.VBF：vector-based forwarding protocol for underwater sensor networks,UbiNet-TRD5-03.University of Connecticut,Computer Science and Engineering Department,2006

13 Nicolaou N C,See A G,Xie P,et al.Improving the robustness of location-based routing for underwater sensor networks.Proceedings of IEEE Oceans,Piscataway,NJ:IEEE,2007

14 Carlson E A,Beaujean P P.Location-aware routing protocol for underwater acoustic networks.Proceedings of IEEE Oceans,Piscataway,NJ:IEEE,2006

15 Jornet J M,Stojanovic M,Zorzi M.Focused beam routing protocolforunderwateracoustic networks.Proceedings of WUWNet,New York,ACM,2008:75～82

16 王锦程.一种基于水声信道的无线传感器网络路由协议.传感技术学报，2009,22(1):108～111

17 翟洁.水下传感器网络路由协议研究.华中科技大学硕士学位论文,2007

18 张光旭.水声传感器网络可靠路由协议的研究.中国海洋大学硕士学位论文,2008