水声传感网络地理位置路由综述

［张剑波 张满军 张剑］



水声传感网络地理位置路由综述

［张剑波 张满军 张剑］

摘要

水声传感网络是人类监控海洋的重要工具。综述了水声传感网络中基于地理位置路由的最新工作，描述了该类协议的所面临的问题，并着重对该研究开展以来所提出的重要路由协议进行对比、分析。最后展望未来的研究方向。

关键词：水声传感网 地理位置 路由

张剑波

重庆邮电大学通信与信息工程学院硕士研究生，研究方向为水声传感网络。

张满军

重庆邮电大学通信与信息工程学院硕士研究生，研究方向为移动通信网络。

张剑

重庆邮电大学通信与信息工程学院硕士研究生，研究方向为移动通信网络。

1 引言

水声传感网(Underwater Acoustic Sensor Networks, UWASN)是由布放在海底或海中的传感器节点和海面浮标节点以及它们之间的双向声链路组成的可以覆盖大面积水下区域的通信网络[1,2]。水声网络的概念最早源于1993年美国提出的自主海洋采样网AOSN，并在1998年开展了海网SeaWeb的实验[2]。我国在“八·五”期间就开始进行水声通信研究，最早的研究单位有厦门大学、哈尔滨工程大学和中国科学院声学研究所等研究机构[3-9]。UWASN用途广泛，可以对目标水域进行信息的采集、处理、分类和压缩，并可以将数据通过水下通信网节点以中继方式回传到陆基和船基的信息控制中心的综合系统[10]。由于近年来水下网络研究和应用的迅猛发展，传感器节点已具备水下作业和感知各类矿物资源、化学元素的能力[11]。目前水声传感网被广泛用于污染监控、地理信息采集、军事入侵检测等众多水下应用中，相信在未来势必会发挥更大的作用。

2 水声传感网的特点

水声传感网络从陆地无线传感网络延伸而来，但两者却有很大的不同：

（1）移动性，UWASN中的节点会随着水流的运动而移动，因此UWASN必须是能够自组织的自主网络，遵循一定的网络路由方式；

（2）动态性，UWASN的拓扑结构可能会因为出现故障或电能耗尽造成传感节点失效，造成通信环境的实时变化的特点；

（3）电池能量有限，在水下环境中，节点要想通过更换电池的方式来补充能源是不现实的，所以如何更高效的使用能量并尽可能的延长网络生命周期是很大的挑战。

2.1 水声信道的特点

在海水中，光和电磁波的传输衰减特别大，即使是陆地上衰减最小的蓝绿光也达到40dB/km，因此上述媒质不能满足人们对海洋通信的需求。然而在非常低的频率(200Hz以下)下，声波在海洋中却能传播几百公里，即使20kHz的声波在水中的衰减也只有2~3dB/km[11,12]。所以声波成为理想的水下通信媒质。其有如下特点：

（1）误码率高。水声信道具有时间-空间-频率变化特性，所以多经干扰尤为突出。多径传输以及外来噪声会严重降低声波信号质量，增大信号在传输过程中的误码率；

（2）可用带宽窄。水声通信的有效声波范围为30~300Hz，信号传输带宽高度依赖于传输距离，传播损失随距离增大而增大，因此水声信道可用频段非常有限，传播距离也有限[13-15]。在水声传感网络中，要进行长距离通信，只能选择低码率，要选择高码率，只能进行短距离通信。

3 水声传感网中基于地理位置路由

由于水声传感器网络部署在复杂可变的环境中，与陆地环境无线传感网络的环境有很大的不同，这使得陆地传感网络无法直接应用于水声环境中，必须针对水声环境设计专门的路由，以适应这一挑战。

水声路由协议一般可分为主动路由协议、按需路由协议和地理路由协议3种。

由于主动路由协议和按需路由协议存在网络开销大和维护开销大等问题，目前不属于主流路由协议。

地理路由协议利用节点的地理位置信息实现路由。由于现在定位技术的发展，使得定位变得比以前简单，且其路由效率较高、代价小等优点，成为目前研究的热点。本文将做重点介绍。

3.1 地理位置理由

文献[17]提出路由矢量的地理路由VBF(Vector-Based Forwarding)，该路由被认为是第一个提出的水声地理位置路由[16]。其基本思想是在源节点和目的节点之间建立虚拟的圆柱形路由通道，只有在圆柱形路由通道内的传感节点可以转发接收到的数据。它的缺点是该路由必须要一个虚拟的路由管道，在面对节点稀疏的情况下，可能导致虚拟管道内没有合适的路由。此外没有考虑通信链路的质量。

图1 VBF 转发示意图

文献[18]在文献[17]的基础上提出改进的方案，由原来的只在源节点和目的节点之间建立一个虚拟的圆柱形路由管道，变为在各个转发节点和目的节点之间建立虚拟路由管道，并从虚拟转发路由管道之间选取中继转发节点。HH-VBF在面对稀疏节点时数据包的交付率比VBF要好，它的缺点是虚拟管道的半径对路由的性能有很大的影响，且塔吊开销比VBF要大。

它的缺点是，在PBF路由中，仅仅根据距离大小判断，没有进一步的筛选合适的转发节点，会导致数据包的洪泛传播，增大了网络的开销、数据包的冲突的概率。

图2 PBF转发示意图

文献[20]提出ACR(Annular Compass Routing)基于位置的水声传感网路由协议，其基本思想为基于贪婪路由协议。首先确定转发节点的邻居节点，在获得邻居节点的位置后，根据各个邻居节点与转发节点和目的节点构成的夹角，选取夹角最小的作为转发节点。它的缺点是要维护两个转发表，造成很大的开销。

图3 ACR转发示意图

文献[21]提出ARBDT(Adaptive Routing Protocol Based on Distance Threshold)路由协议，其基本思想为采用单路径逐跳信息的传输方式，即源节点发送的数据包，逐跳传向离目的更近的转发节点，直至到达最终的目的节点。ARBDT路由在选取中间转发节点时设置一个距离门限，只有当转发节点到目的节点的距离到转发节点到目的节点符合转发条件时，才可以转发数据包。在该路由优点是通过设置一个可调节的距离门限，在节点密集时增大距离门限，节点稀疏时减少距离门限，适应网络的动态变化，可以筛选合适的转发节点。缺点是该路由在二维水声网络中使用。

文献[22]提出SBR(Sector-Based Routing)协议，节点在发送数据之前通过发送控制包获取邻居的位置信息，并将发射区域划分成k个扇区。不同扇区内的节点按优先级顺序先后回应位置信息，以减少控制包冲突。该路由的优点是需要根据方向缩小了洪泛的范围，但同时也增大了网络的开销。

图4 ARBDT转发示意图

图5 SBR转发示意图

在SBR路由的基础上，针对密集型网络，文献[23]提出了FBR(Focused Beam Routing)协议，该协议采用限定发射角度的方法选取转发节点，减少控制包冲突的概率并降低了网络的效能，但该方法要调整天线的发射角度。该路由的优点是能适应密集型网络，缺点是网络的开销也很大。

文献[24]提出LCAD(Location Ba-sed Clustering Algorithm for Data Gathering) 路由，在LCAD中，将目标水域划分成一个一个的网格，在LCAD中每一个小网格大约为30m×40m×500，整个网络转发分为3个步骤：第一步在每个小网格中选出一个簇头；第二步在每个小网格中将要发送的数据发送给簇头；第三步通过簇头将数据发送到基站，完成转发任务。该路由的优点是在避免整个网络的数据洪泛，但缺点也很明显：网格中的簇头将消耗大量的电能，且划分的网格中不能保证是否有节点。

文献[25]作者提出了LARP(Location Based Adaptive Routing Protocol)在LARP中通过计算转发节点邻居节点到目的节点的距离导致的延迟和消耗的能量之间的权值，最后选取权值最小的节点作为下一个转发节点。该路由的优点是考虑到节约能量，延长节点的使用寿命。

文献[26]中作者提出基本地理位置路由(Basic Geographic Routing, BGR)，在BGR中，每个传感器节点将三维的水域划分成8个区域。每个节点根据与各自邻居节点之间的连线的夹角以及目的节点的地理位置信息来决定转发数据包的候选节点。该协议的优点是在选取转发节点时，引入了候选节点的邻居节点的数目，可以提高路由的转发成果率。

文献[27]中作者提出GEDAR(Geographic and opportunistic routing with Depth Adjustment-based topology control for communication Recovery over void regions)，在该路由中，转发节点根据计算邻居节点距离目的节点距离和转发的成功率在邻居节点集中选取最优的邻节点作为下一个转发节点。该路由的优点是考虑到解决路由空洞的问题，缺点是在选取转发节点时，计算量很大。

4 比较和分析

一个理想的基于地理位置的水声传感网路由，能根据网络节点密度，在其邻居节点中，选取最优的节点作为下一个转发节点。其应满足下列要求：逐跳或优先级转发、高数据包转发率，无需维护路由、无特殊节点、能应对网络中的路由空洞。

在图6中对各种地理位置路由进行了比较。

图6 各路由的比较

（1）从图6中可以根据转发策略将列出的路由分为三类：洪泛式，逐跳式、优先级。在洪泛式中，转发节点只管将数据发送出去，接收到数据包的节点，是否进行转发由节点自己决定如VBF,HH-VBF。在一些洪泛路由限定了洪泛的范围，提前进行了初步筛选。在逐跳式中，由转发节点根据规定的算法在发送数据包之前选取下一个转发节点，避免由洪泛带来的巨大开销代价是增加了计算量；

（2）目前提出的许多路由，更多的是应用于三维水声环境中，仅有少数特殊的情况是二维环境中；

（3）由于水声环境的特殊性，无法像陆地使用的路由那样要建立路由，并且维护路由。这样减少了维护路由的开销，但每次发送数据必须要根据新的节点位置信息，重新寻找合适的节点进行转发；

（4）路由空洞一直是网络中面临的难题，目前仅有少数的路由提出了探索性的解决方案，要很好的解决路由空洞还需要更多的研究。

（5）在当前的研究中还没能考虑到路由在安全性方面的要求。

5 结束语

水声传感网络因其宽广的应用领域和巨大的应用潜力受到高度的重视。本文对近年的水声传感网络地理位置路由协议进行了详细的研究并介绍了各自的优缺点。通过介绍目前出现的地理位置路由，可以更好的了解当前水声传感网络在此方面的最新进展。

展望未来的研究，在地理位置路由协议中面临普遍的路由空洞问题。路由空洞是指在网络中部分节点因能量使用完，造成节点失效的情况。但在目前的路由协议中，没有提出有效的解决方法。对路由空洞问题的解决，对于提高整个网络的性能具有很大的意义。

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DOI:10.3969/j.issn.1006-6403.2016.02.014

收稿日期：（2016-01-08）