基于深度与可靠链路的水下无线传感器网络机会路由

南书坡,冯乃勤

(1.河南师范大学 新联学院,郑州 451464;2.河南师范大学 计算机与信息工程学院,河南 新乡 453007)

0 概述

近期,水下无线传感器网络(Underwater Wireless Sensor Network,UWSN)被广泛应用于潜艇跟踪、港口监控等水面应用[1-3]。在这些应用中,多个移动传感节点部署于水下,形成(Sensor Equipped Aquatic,SEA)。这些水下传感节点具有声通信能力,而浮于水面的声纳浮标具有视频和声通信能力[4-5]。水下传感节点通过声信号向位于水面的声纳浮标传输,声纳浮标接收后,再通过无线射频信号向控制中心传递,进而完成对水域信息的采集[6-8]。

由于水域特殊环境,水下通信只能采用声信号。然而,由于声通信的有限带宽、高比特误码率和高传输速率(达到1 500 m/s),实现水域的声通信仍存在巨大挑战。此外,替换电池或补充节点电量也是一项非常麻烦的工作[9]。考虑这些水域声通信的特性,基于陆地的传感网络的数据路由协议不再适用于水下无线传感器网络。因此,针对UWSN设计有效的数据传输路由成为研究热点[10-12]。

典型的UWSN路由有VARP[13]和HydroCast[14]。VAPR路由利用序列号、跳数以及深度信息,选择下一跳的方向,并采用有方向机会转发避免路由空洞问题。而HydroCast属混合组播路由。HydroCast路由结合了地理位置路由和机会路由特性,依据节点深度调整,进而最大化地理位置路由的优势,这些路由协议具有机会路由特性。

为此,本文先分析机会路由的不足,然后再提出基于深度和链路可靠的水下无线传感器网络的机会路由(Depth and Reliable Link Opportunistic,DRLO)协议。

1 传统机会路由问题描述和DRLO介绍

1.1 问题描述

首先,水域环境的高传输时延给时延-敏感性应用提出了挑战,如灾难预防、海底勘测以及污染监管。为了缩短时延,文献[15]提出一机会路由协议UWOR。UWOR通过考虑可靠链路,缩减时延,进而满足时延敏感路由的性能要求。为此,UWOR协议引用了新的路由指标:期望端到端传输时延(Expected End to End Latency,EEEL)。EEEL考虑了3类时延,即源节点到信宿节点、源节点到转发节点传播时延和转发节点的协调时延。

尽管UWOR协议引用了EEEL指标,其充分考虑传输时延,但是仍存在不足:

1)低的网络吞吐量:UWOR协议通过协调转发,增加了EEEL,但这降低了网络吞吐量。因为网络吞吐量是由目的节点在最后时刻所接收的数据包数所决定的。

2)高的能耗:UWOR协议在选择转发节点时,没有充分考虑距离信息,增加了传输跳数,必然提升了能耗。

如图1所示,源节点的传输距离为3.6 km。在它传输范围内的具有5个可选择的节点。若只从链路的可靠性考虑,而忽视传输跳数,这必然增加能量消耗,也降低网络生存时间。

图1 UWOR协议的单跳传输

1.2 DRLO介绍

在提出的DRLO协议中,首先对EEEL指标进行修改,进而增加网络吞吐量。然后,将可靠链路特性的基础上引入深度门限变量,进而减少跳数。通过引入深度阈值,减少传输跳数,进而减少能量消耗。简之,DRLO协议通过合理选择下一跳转发节点,优化路由,最终提高吞吐量,减少能耗。

具体而言,当源节点需要选择转发节点时,就首先利用距离信息对其通信范围内的节点进行分类。当深度(距离)大于阈值的节点作为候选转发节点,然后再在候选转发节点里利用链路可靠特性筛选出最佳转发节点。如图2所示,在源节点一跳范围内,有5个节点,其中节点3、4、5的深度小于阈值,只有节点1、3的深度大于阈值。因此,只有节点1、3作为其候选转发节点。

图2 DRLO协议的转发策略

2 DRLO协议设计

2.1 网络结构

假定整个网络的节点集为N,每个节点的通信半径为rc=3.6 km,其中传感节点集表示为Nn={n1,n2,…,n|Nn|}、声纳浮标集表示为Ns={s1,s2,…,s|Ns|},即N=Nn∪Ns。

在DRLO协议中,考虑面积为50 km2的网络区域,静态信宿节点位于水面,并且信宿节点具有声通信和射频通信能力。其中,声通信是为了与水下传感节点进行通信,而射频通信是为了水面上的控制中心通信。位于水下的传感节点先感测环境数据,然后再通过多跳转发。每个传感节点的传输范围为3.6 km,传输阈值为1 km。

2.2 数据包格式

一旦在网络区域内部署了传感节点,传感节点就能通过其深度感测功能,决定它们的深度,然后向其传输范围内的节点广播控制消息。控制信息格式如图3所示。控制消息包含了节点的ID号、深度以及候选节点集。候选节点集内包含了节点的ID号、深度以及它们的转发优先级。

图3 控制包格式

如图4所示,在传输范围内有5个传感节点,其中传感节点3和节点5的深度低于阈值,因此,不在候选转发节点集内。相反,只有节点1、节点2和节点4在候选转发节点集内。

图4 候选转发节点集

而节点1、节点2和节点4作为候选转发节点,它们的EEEL指标各不相同。依据它们的EEEL指标设置优先级,EEEL值越高,其优先级最高,且为1。例如,节点1的EEEL最高,因此其优先级为1,最终,也被选择为转发节点。

2.3 路由指标

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

2.4 改进的EEEL

(6)

然后,引入数据包接收成功率。最终定义的路由指标如下:

(7)

最后,依据路由指标对集ψi的节点进行排序,Path_I值越高,优先级λ越高。优先级最高的节点λ=0。

2.5 定时器设置

在构建了候选转发集ψi后,源节点i将ψi的ID和位置信息嵌入数据包,并广播。当接收到该数据包,节点就从中提取信息,并验证自己是否属于ψi。如果是,再依据设置定时器。

在DRLO协议中,k∈ψi接收了数据包,其设置的定时时间为Tk,当定时完毕后,就立即广播数据包。

Tk=λ(rmax-d(k,i))

(8)

其中,rmax表示节点的最大传输距离。λ为节点的优先级。

如图5所示,当前数据包携带节点i,ψi内有两个节点na、nb。由于na离节点i远,换而言之,它离水面上的声纳浮标更近,反之,nb离声纳浮标更远。因此,na的定时时间Ta比nb的定时时间Tb短,即Ta

图5 设置定时器模型分析

2.6 DRLO协议的数据包转发流程

当节点i需要传输数据包,首先计算候选转发集ψi,再计算集内所有节点的路由指标,并设置各节点的优先级。ψi将这些信息嵌入数据包,再广播。接收了该数据包,节点首先判断自己是否是ψi内节点,如果不是,就丢弃,否则,依据自己的优先级,设置定时器,进行计时,并监听是否有其他节点转发该数据包。若有,则放弃竞争本次转发数据包的机会;反之,就待计时完毕,就立即转发数据包,具体流程如图6所示。

图6 DRLO协议数据包转发流程

3 性能分析

利用Matlab R2012b建立仿真平台。考虑50 m×50 m区域。传感节点|Nn|=600～2 400变化。具体的仿真参数如表1所示。每次实验重复50次,取平均值作为最终数据。运行时间为3 600 s。当时间结束后,就通过程序停止运行。为了更充分地分析路由性能,选择经典的UWOR协议作为参照。之所以选择UWOR协议,原因在于:UWOR协议是引用EEEL指标决策路由。而DRLO协议在决策路由时,也引用了EEEL指标,并对其进行修改。因此,它们两者具有可比性。主要分析它们的网络吞吐量和能耗性能,其中网络吞吐量是指在有效的时间内所接收的数据包数;而能耗是指在传输数据包期间所消耗的能量。此外,考虑2个仿真场景:考虑变化的数据包尺寸和变化的网络密度对网络吞吐量和能耗的影响。

表1 本文实验仿真参数

3.1 数据包大小对路由性能的影响

在本实验中,假定网络节点数为1 600,数据包尺寸从32、64、128、256、512以及1 024变化,实验数据如图7所示。

图7 吞吐量随数据包尺寸的变化曲线

图7显示了UWOR和DRLO协议的吞吐量随数据包尺寸的变化曲线。从图7可知,数据包尺寸的增加降低了吞吐量。当数据包尺寸达到128 Byte后,由于数据包尺寸增加,增加了传输时延,扩大了端到端传输时延,最终降低了吞吐量。与UWOR协议相比,提出的DRLO协议的吞吐量得到提升。但是当数据尺寸大于128 Byte后,DRLO协议在吞吐量方面的优势逐渐减弱。这些数据表明,数据包尺寸应小于128 Byte。

UWOR和DRLO协议的能耗随数据包尺寸变化情况如图8所示。从图8可知,与UWOR协议相比,DRLO协议的能耗得到有效控制,能耗降低了8%～10%。原因在于:DRLO协议利用深度产生候选转发节点集,减少传输跳数,降低了网络能量消耗。而UWOR协议未考虑邻居节点的深度,仅从链路质量选择转发节点。如果它找到紧靠自己、链路质量很好的节点,它将数据传输至该节点,这就增加了传输跳数。然而,DRLO协议设置了深度阈值,并产生候选转发节点集。

图8 能耗随数据包尺寸的变化曲线

3.2 节点密度对协议的性能影响

本实验分析节点密度对网络吞吐量和能耗性能影响。节点数从600～2 400至变化,其中数据包尺寸为128 Byte。实验数据如图9、图10所示。

从图9可知,与UWOR协议相比,DRLO协议的吞吐量平均提高了6%～7%。此外,在节点数密度较高时,UWOR协议具有较好的吞吐量。原因在于:对于机会路由的UWOR协议,当节点数较多时,具有更多的邻居节点参与转发数据包。尽管DRLO协议也属机会路由,但是它在选择转发节点时,既考虑了深度和链路质量。结合图8可知,节点数的增加,提高了网络吞吐量,这主要是因为更多节点参与数据包转发。由于DRLO协议减少了传输跳数,降低了时延,它提高了网络吞吐量。

图10显示了节点数对能耗的影响。从图10可知,当网络密度较低时,能耗较小。原因在于节点数越小,相应地数据包数也少,进而降低了能耗。与UWOR协议相比,提出的DRLO协议的能耗得到有效控制,降低了近7%。

图9 吞吐量随节点数变化曲线

图10 能耗随节点数的变化曲线

4 结束语

本文针对水下无线传感器网络的路由问题,分析机会路由的不足,提出深度和链路可靠的水下无线传感器网络的机会路由DRLO协议。实验结果表明,DRLO协议通过节点深度筛选部分节点,降低了传输跳数以及能耗。今后将结合水域环境下的链路特性,进一步研究水下无线传感器网络路由算法。

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