水下无线传感网络路由性能参数研究

刘小明

摘 要：水下无线传感网络通信不同与基于电磁波通信的无线传感网络；文章分析了水下通信信号的特征，并与陆地无线传感网络进行比较，并详细描述在水下无线传感网络路由传输中，评价路由通信性能的参数，并对这些参数进行了详细的解释。

关键词：水下无线传感网络 通信性能 跳数

中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）09（b）-0006-02

在水下无线传感网络中，由于在不同的场景和应用对不同参数，如能耗、时延等参数不同的要求，因此，首先要分析水下水下无线传感网络是利用声信号建立起来的无线自组织网络，它一般是使用飞行器、潜艇或水面舰艇将大量廉价的微型传感器节点随机布放在海底或海中指定的感兴趣水域，节点通过水声无线通信形成的一个多跳的自组织、分布式、多节点、大面积覆盖的水下网络，协作对信息进行采集、处理、分类和压缩，并可通过水声无线传感网络节点直接或中继方式发送到陆基或船基的信息控制中心的综合网络系统。这样建立起来的交互式网络环境中，岸上的用户能够实时地存取水下传感器节点的数据，并把控制信息传送给水下传感节点。水下无线传感网络被认为具有广泛的应用前景，如实时或者延时的空间连续水生监控系统在海洋学资料收集，水生环境监控，海洋科学考察，水下考古探险和近海岸保护，污染监控，海上勘探，地震图像传输、海洋环境检测、灾难预防和辅助导航等领域的应用有着极为重要的价值[1，2，3，4]。

1 水声通信特点

水下传感网络采用声波作为传播手段[7]，水声通信是一种典型的水下通信网络的物理层技术，基于声通信的水下传感网络易于布设，是由大量分布式的水下传感器节点，水下仪器等节点组成的多跳网络。由于水声信号的传播速度只有1500m/s，使得网络的吞吐量很低。传输时延和传播损耗是水声信道主要面临两个问题。

电磁波在空气中的传播速度是3×10 m/s，声波在水中的传播速度是1500 m/s，二者的速度相差5个数量级，每公里约延迟0.67 s，因此传播时延较大。对于水声通信的收发设备来说，传播时延也成为主要的影响因素[4]。水声通信的传播损耗与通信距离和发射频率有关。根据文献[9]Urick提出的传播模型，传播损失是扩展、衰减以及散射损失之和。扩展损失是声波波阵面在传播过程中不断扩展引起的声波衰减，主要分为点源球面扩展传播损失和潜水环境下水平面上的柱面扩展传播损失两种。两种传播损失都随着距离的增加而增加。吸收损失随频率和距离的增加而增加；散射损失由是于均匀介质的粘滞性、热传导性引起声强衰减和介质的不均匀性引起的声波散射。介质的不均匀性包括海洋中泥沙、气泡、浮游生物等悬浮介的不均匀性和海水界面对声波的散射[6，7]。

相比较于陆基无线传感网络，水下无线传感网络由于其粗糙的水环境、有限带宽、高可变的传播延迟、高错误率、多径与衰减引起的链路临时性丢失等，而水下通信的性能要求则不同地面电磁波通信，因为电磁波在水中的吸收和衰减很大，能够在海水中传播的无线电波频率在30～300 Hz的范围，需要很大功率的天线，不适于长距离通信；光波虽然不使用天线，但会受到散射的影响，确定水下传输光信号的精确值也很困难；相比电磁波和光波，声音在水中具有更好的传播特性，因此水下通信网络的链路是基于声无线传输的，水下无线传感网络采用声波作为传播手段[8]。水声通信是一种典型的水下通信网络的物理层技术，基于声通信的水下无线传感网络易于布设，是由大量分布式的水下传感器节点，水下仪器等节点组成的多跳网络；因此本文以水声通信为基础，对涉及水下传感网络的路由性能参数进行研究。

2 路由参数描述

假设水下无线传感网络中有N个节点，那么路由算法的链路代价函数，其中i和j为相邻邻居节点，路由算法需要网络中所有相连的节点之间的连接代价，从源节点到目标节点通过N节点（N-1跳）的路由选择代价的综合为：

2.1 跳数

在源节点和目的节点之间，最简单和普通的路由标准为考虑节点间跳数的最小化。最小的跳数可以减少网络拥塞和包的冲突，而且可以数据包在网络中的最小化传送的过程，节点i和j之间的链路代价跳数表示为，根据这个公式，考虑到所有链路都有相同的权值，最优的路由选择将会产生路径的最小跳数，根据此公式可能不止唯一解，所以有可能存在其他相同跳数的路径，在这些可能的路径中，路由算法将选择其中一个输出数据。

2.2 路径长度

因为声音的在水下传播的复杂和挑战性，因此我们在考虑路由选择标准时通过声学编码信息传送的要尽量最小化物理距离，连接节点的路径长度链路代价公式为：

2.3 消息传送延迟

在一些应用中，对于指定的目的地传送通信的消息接收很紧迫或者对时间有严格要求的。假如发生一系列的危险行动，信息要求被快速融合处理，提示其他的节点或者提供警告给操作人员，在水下完成这样的任务，非常具有挑战性，因为水声传播速率小于电磁波在空气中的速率5个数量级，因此一个很重要的潜在指标就是最小化数据包的传送延迟。延迟是由传播时间（与路径长度成正比）和数据包的长度所决定，下水通信利用链路握手协议来减少数据包的冲突和提高可靠性，发送节点发送请求空指帧（），接收节点用发送清除发送控制帧（）来响应，最后发送节点发送数据/通信包。虽然控制帧很短，他们也必须经过链路的距离，更而增加了延迟，延迟的链路代价为：

b表示传送字节的位数（RTS handshake，CTS handshake 和实际的数据信息），Bd表示通信链路的有效波特率（比如handshake 和数据表示bits/s），表示节点和的距离，c表示声音在水中的速度，参数“3”表示水声传送的三次握手（两次handshake，一次传送数据）。代价公式假设是在每次的尝试通信时都是可靠和成功的传送，没有重传或者再次请求等，当然延迟会因为网络的可靠性降低和重传发生而增加。endprint

2.4 传输安全

传输安全是指水声网络隐秘传输操作的能力，而不被邻近的潜伏敌人所发现；传输安全可以通过减少水声网络节点产生的辐射功率以防被探测，这种方法是对已确定的目标节点使调制解调器对其提供充分的而不超量的发送功率，从而潜在的降低了信号探测或被拦截的危险。这种方法要求网络节点根据特定的目标节点距离，调制解调器具有自适应调节自我调节电源及发射功率；降低发送功率的另外一个好处可以减少较远节点监听到数据包而产生的竞争和collusion。被动声纳公式给出了接收器的信噪比：

SL是发送解调器的声源强度，TL是发送解调器到接收解调器的单向传输损耗，NL是接收节点的环境噪音强度，假设接收端只要求最低的SNR强度适当地接收和处理通信信号，就可以把源端解调器的功率调至低于要求的SNR，这样就可以获得节点到的SL：

根据发送解调器的辐射声功率要求提供必须的信号强度，可以根据得出传输安全的链路代价为：

代价公式以线性额定功率单位做定义，从声源级到辐射声功率的影响因子170.77是必须的，用于能量适应度和路由消耗的参数TL和NL 可以通过水下网络中的CTS，ACK和ECHO控制帧来自动的预测。

如果假设在网络中的所有节点中最小的SNR和NL为常量，代价公式就成为传输损耗函数，因此短距离多跳可以降低TL从而减少消耗。这个指标将产生包含大量短距离多跳的路由选择同路，由此与跳数，路径长度和延迟所产生的路由选择方案有相当的不同。

2.5 网络能量功耗

由于水下声纳解调器自带电池供电的能量有限性，能量功耗成为水下网络中最重要参数之一。考虑不同的应用，需要保存网络的能量来满足通信场景的要求，如改变不同的发射功率就会减少网络能量的消耗，因此用此种方法，我们可以降低从源端到目的端传送通信包的能量，在传输安全中已经提到的数据包能量传递链路代价公式，这里我们描述的是电池功率而不是声功率，电能消耗和声能消耗，两个是不同的有效参数：

结合前面的消息传递能耗，可以获得：

可以看出，此表达式与传输安全的链路代价很相似，在此可以忽略公式中接收节点处理的能耗，在水下其想比较于信号传输能耗非常小。

2.6 网络寿命

用最小能耗对数据包进行路由选择并不意味着网络的生命周期是最大的。假如有数据包进行路由过度消耗了节点能量，那么最小能耗路径当然最佳的，网路路径不在沿着此路径发送数据；如果网络中存在其他的可用路径，甚至路径代价更高，那么利用此路径来进行可靠通信是有益的。网络寿命的链路代价指标目的是为了更长的可能持续中保持连接，因此一旦在路由中的一个节点能量耗尽，候选路由将发现无法通过它，依照电压或者当前利用率，两个链路代价指标的提出是基于节点的能量资源保持的。

假如解调器的电压可以确定，网络寿命的公式如下：

是源节点所剩电池容量（），剩余容量可以通过解调器的电池电压和相关的电池放电曲线来测量，既然能耗是不成比例高损耗，也就是非线性能耗，而且对于给定连接的两个节点能耗是非对称的，它仅仅依赖于发送解调器的电池容量（而不是接收节点），水下解调器允许被要求来报告电池电压级别。

剩余电池容量也可以通过对当前消耗的记录来估算，设是新电池的电池容量，假设一个节点能够记录（一种计数器）在运作的过程中当前所有积累的能量消耗，设为，那么基于当前测量的网络寿命链路代价为：

对于水下网络，能量计数器为：

是没数据包的所有位数（包括控制帧），是电流（Amps）节点的传输功率级，是波特率（bits/sec），对于接收处理和空闲状态，解调器能量消耗是远低于传送所要求的能耗，可以忽略不计。

2.7 消息传递可靠性

在网络中一些链路不可能有高的可靠性，在路由选择中包括这些链路都会影响通信能力，如果链路的质量可确定的话，消息传递的可靠性指标可以用于路由选择中。我们假设链路故障概率可以被网络计算，同样的是先前提到的能量计数器。每个节点可以从接收的控制帧中的信息得到链路故障概率并保存其统计。两个节点和间的链路故障积累概率可计算为：

3 结语

本文通过对水下无线传感网络和水声信号特征的分析和比较，详细描述了水下无线传感网络路由传输通信性能的参数要求和数学表达；当然由于不同场景和水下探测应用的需求，还会有更多的参数来描述和表达，是我们下一步进一步研究的内容。

参考文献

[1] 吕超，王硕，谭民.水下移动无线传感器网络研究综述[J].控制与决策，2009，6（24）：801-807.

[2] 郭忠文，罗汉江.水下无线传感器网络的研究进展[J].计算机研究与发展，2010，47（3）：337-389.

[3] I.F.Akyildiz，D.Pompili，T.Melodia.Underwater acoustic sensor networks： research challenges[J].Elsevier Journal of Ad Hoc Networks， 2005，3（3）：257-279.

[4] Heidemann J.， Wei Ye，Wills J.，etc.Research challenges and applications for underwater sensor networking[C]. IEEE WCNC 2006：228-235.

[5] Urick R J.Principles of Underwater sound.Mcgraw-Hill，1983.

[6] Grimmett， D.J.，Message Routing Criteria for Undersea Acoustic Communication Networks[C]. OCEANS，2007：1-6.

[7] Caruso A.，Paparella F.，Vieira L.F.M.，etc. the Meandering Current Mobility Model and its Impact on Underwater Mobile Sensor Networks[C].IEEE Conference on Computer Communications，2008：221-225.

[8] Jun-Hong Cui，Jiejun etc.Al. Challenges：Building Scalable Mobile Underwater Wireless Sensor Networks for Aquatic Applications Network[J].IEEE Network，Special Issue on Wireless Sensor Networking，2006，3（20）：12-18.

[9] Heidemann J.，Wei Ye，Wills J.，etc.Research challenges and applications for underwater sensor networking[C]. IEEE WCNC 2006：228-235.endprint