水下无线传感网络路由协议研究

刘春秋 刘小明

摘要：水下无线传感网络不同于依靠电磁波等介质传播的地面无线传感网络，在水下场景中，由于水声通信的特殊性，因此对水下通信及传输有着不同的要求，尤其是水下组网的路由协议，不同应用和需求有不同的性能要求，因此本文就水下传感网络的路由协议进行研究，分析各种不同需求的路由协议特点。

关键词：泛洪 时延 协议 链路 路由 广播

中图分类号：TP393文献标识码：A 文章编号1672-3791（2015）06（b）-0000-00

1概述

水下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]。而水下无线传感网络的路由协议不同于Ad Hoc网路和电磁波无线传感网络，比如比较典型的路由协议如DSDV、DSR和AODV等，这一类路由协议的特点是需要维护节点间的路由信息，通过不断更新路由表来保持路由信息的完整性，这类协议的开销较大，不适合水声环境；由于水下传感网络对不同应用要求的参数质量不同，不同的网络协议方法也不同，因此对水下传感网络做统一的分类比较困难，以下对水下传感网络路由协议的研究情况做简单的分析和介绍。

2 水下无线传感网络路由协议

2.1基于广播的路由协议

文献[2]描述DSR有模糊逻辑推理系统和广播树的等级限制机制，模糊逻辑推理系统使用三个参数和选择至多两个候选传感节点基于模糊规则基础来转发数据包，三个参数包括距离、两个邻接传感节点的角度和传感节点的剩余能量。广播树等级约束机制阻止数据包的快速蔓延而防止节点引起不必要的能量消耗；但是未对广播树的等级数约束进行讨论。文献[3]DFR提出了基于定向广播路由协议，它依赖包泛洪技术来提高可靠性，然而进行泛洪的节点数量要被控制来防止包泛洪到整个网络，根据链路质量来决定转发的节点，而且DFR为了防止明显的节点空闲，它允许至少一个节点来参与转发数据包；但是链路质量的度量仍是个问题。文献[4]提出了一种构架在水下移动传感网络，位置和路由在两个连续的循环中交替，位置数据包抓取或传递的转发算法是一种贪婪的地理信息转发机制，它益于水下节点的非控制行为。文献[5]提出了一种新颖的生成树，叫感知流量路由树，它完全是由流量负载自底向上风格的建立树，然后逐级转发数据。文献[6]本文是在AUV辅助条件下限制泛洪来提高网络的扩展性，它是在COFSNET+的基础上，提出了可控制数据包重传机制来将数据包传送至目标节点，从而减少整个节点的数据包转发数量而且克服了网络中数据包丢失的情况。文献[7]是基于多sink体系结构下的路由协议，每个收集到数据的节点采用贪婪算法将数据全力交于上层节点，以此方式传至节点附近的sink。

2.2 基于深度感知方法的路由协议

文献[8]阴影区延迟感知的机制（SZODAR）是实用的分布式协议，能够在阴影周围发现路由，其中传感节点可以上升或者下降它的声接收器到一定的深度，这样邻接节点的阴影就会避免阴影区域覆盖。文献[9]提出了使用球体能量感知损耗模型来分析水下传感网络的节点能耗，而且越靠近SINK的节点越容易死亡，因此为了权衡包的转送和能量有效性，而设计了适应性机制来设置数据聚合范围从而达到平衡整个网络的能耗；文献[10]一种在密集的3D水下传感网络中，提出了一种上行链路传输，一组水下传感节点报告事件到静态SINK节点。它包括两个阶段，在第一个阶段，分层围绕SINK节点形成同中心的球体，球体半径及每层节点的传输能量由成功发送包的机率和最小能耗代价来决定；第二阶段也叫通信阶段，提出了一种选择中间中继节点和空闲路由算法，从源节点到SINK节点通过标记的中继节点进行包传递。Pompili提出了是基于3D结构和声音信道的利用率模型，这种模型可以根据传感网络节点的密度，应用要求和被监控量来设置包的尺寸，而且考虑到路由功能和水声信道的特点在网络层数据聚合的问题，两种分布式的路由协议是为敏感延迟和非敏感延迟而应用。Yan 提出了DBR利用深度传感器得到节点的深度，每个数据包在发送时候都带有自己的深度信息。其基本思想是，当节点接收到一个数据包，如果数据包中的深度比自己的小，那么转发，否则就丢弃。如果有多个SINK节点，那么DBR就会充分的利用它们，数据可能到达任意的SINK点。它的优点是不要求全网的位置信息，能够处理动态网络而且有很好的能效利用多个SINK节点的网络结构而没有额外的开销。文献[11]是基于DBR的基础上提出的多跳路由协议，通过在水面部署多个sink节点，在深度条件下水下传感节点通过多跳向水面方向将数据包传送至最近的sink节点，以此来减少网络过多消耗。

2.3基于容错延迟矢量网络协议

如文献[12]水下延迟中断容忍的传感网络适应路由协议，由于对水下环境的不利因素，也对这个系统有了很多限制，水下传感网络通常被认为是间歇连接网络（ICN）或者是延迟＼中断容忍网络，它要求指定的专门协议。而且不同的应用要求不同的数据包类型。Hu以马尔科夫理论为基础的采用机器学习技术即Q-learning方法在能耗和端到端的延迟之间获得均衡来提高两者的有效性。Xie 将路径指定为一个矢量，靠近路由矢量的节点将转发数据包。算法具有开销少、能量有效、传输成功率高、和端到端传输延时低等特点。但是算法需要事先确定一个路由“管道”半径.这使得算法在具体的应用中，要求由用户来设置路由“管道”半径，很不方便。Nicolaou吸取了基于矢量的路由转发协议上述缺点，提出了在稀疏型网络中节点拥有独立矢量的转发算法HH-VBF。它是分别给每个转发节点建立其到目标节点的路由矢量，在由当前转发节点的路由矢量决定的路由管道中选择下一个转发节点，而不是VBF中的单一的矢量管道。Xie提出在节点分布不均的情况下，采用转移矢量和强制回退机制提高空闲节点有效通信的方法；前者用于沿着空闲边缘来进行数据包的路由；后者采用后退迂回空闲节点来进行数据转发机制。

2.4基于能效均衡的网络协议

文献[13]采用了前向转发器来决定合适的节点去转发数据包到目标节点，以及转发树修剪机制来阻止过多的被转发数据包扩散。文献[14]是基于压力的anycast路由，允许对时延要求严格的节点通过多跳网络汇报数据包到水面的节点，提出了一种新颖的机会路由机制来选择转发节点的子网来减少贪婪转播进程，有效解决了限制同步干扰和睡眠恢复机制所带来的问题。文献[15]是单sink节点的水下传感网络中，距离sink节点越近的节点能量消耗较大，因此死亡较快，所以文章针对这个问题提出了数据包传输率和能量有效之间的折中，设计了以多跳方式满足节点的冗余来保证节点的传输可靠性。

3 总结

以上介绍了已有的水下无线传感网络路由协议的特点，虽然每一种路由协议都有其特色，但是面对不同的场景、应用需求和体系构架，则需要采用不同的通信协议；对于不同体系结构、不同的应用需求，尤其对时延的要求的敏感，水下无线传感网络则采用不同的算法。

参考文献

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