基于水压的抑制路由空洞的UWSNs路由算法

尹鸿坦

(黄淮学院信息工程学院，河南 驻马店 463000)

0 引 言

最近，水下传感网络(Underwater Wireless Sensor Networks, UWSNs)受到广泛关注，且UWSNs被广泛应用自然灾害预防、水特征测量、水区域开发和污染控制等[1-3]。由于水域环境的特殊性，UWSNs引用声通信。每个传感节点装备了声通信模型，这些传感节点感测环境数据，然后将这些数据以多跳方式传输至最近的信宿(声纳浮标)。而信宿既装备了声通信模型又装备无线射频通信模型[4-5]，它们浮于水面。这些信宿收集数据，然后通过无线射频通信传输至数据控制中心。UWSNs通信示意图如图1所示。

图1 UWSNs通信示意图

UWSNs中的传感节点通过压力计估算自己的水压，然后再建立数据链路。然而，由于水域环境的恶劣，导致数据包丢失，致使数据包无法到达目的节点。为了提高数据包传递率，常采用无线传感网络的路由思想，即利用邻居信息位置传输数据包，常用算法有基于地理位置的贪婪转发策略。在贪婪转发策略中，总是选择离信宿最近的节点作下一跳转发节点。贪婪转发策略只适用于密集节点区域。在稀疏区域，节点容易遭遇路由空洞问题。

针对UWSNs路由，研究人员已提出不同的路由算法。Yan等[6]利用节点深度建立路由，并提出(Depth-based routing，DBR)路由。DBR路由结合节点深度，并引用贪婪算法转发数据包，但是DBR并没有考虑到路由空洞问题。而文献[7]考虑了路由空洞问题。一旦节点遭遇路由空洞，节点就简单地选择比自己深度高的节点转发数据包。文献[8]也提出了水压感知路由 (Void-aware pressure routing，VAPR)。信宿周期广播位置消息，进而使得传感节点获取信宿位置。同时，通过有向数据传输路径，应对路由空洞问题。

本文针对UWSNs数据传输问题，提出HPSRV路由。HPSRV路由先依据节点转发权值，构建转发节点集，然后再引用定时器机制，择优产生转发节点。HPSRV路由考虑了路由空洞问题，并利用边界度量值，产生边界转发节点，减少边界转发跳数。实验数据表明，提出的HPSRV路由有效地提高了数据包传递率，也降低了传输时延。

2 HPSRV算法

HPSRV路由是基于水压的路由协议。在转发数据过程中，融合了当前节点位置、邻居信息和信宿位置信息，并引用贪婪转发策略传输数据包。实际上，转发数据包的关键在于如何选择下一跳转发节点。为此，HPSRV路由先利用网络信息建立候选集，再计算集内节点的转发权值，然后依据权值设置转发定时器，进而减小转发冗余。同时，考虑到节点部署稀疏区域，可能会出现路由空洞问题，为此，提出基于边界权值的边界转发策略。

2.1 转发节点集

假定N=Nn∪Ns表示网络节点集，其中Nn表示传感节点集，即Nn={n1,n2,…,n|Nn|}，而Ns为声纳浮标集，即Ns={s1,s2,…,s|Ns|}。其中|·|表示集元素的个数。

若节点ni需要转发数据包，需要建立转发节点集。假定此时刻为t，Ni(t)表示节点ni的一跳邻居集，相应地，Si(t)表示节点ni可达到的信宿集。

对于任意邻居节点nk∈Ni(t)，如果节点nk满足式(1)条件，就成为节点ni的转发节点集。

d(nk,sϑ)|>0}

(1)

接下来，计算转发节点集Γi内每个节点的转发权值。转发权值反映了节点转发数据包的“适度性”。假定NADV(nc)表示节点nc∈Γi的转发权值，其定义如式(2)所示：

NADV(nc)=ADV(nc)×p(m,d(nc,ni))

(2)

式(2)中的p(m,d(nc,ni))表示数据包传递概率，其表示传输m比特，且传输距离为d(nc,ni)的数据包传输成功率，其定义如式(3)所示：

p(m,d)=(1-pe(d))m

(3)

而pe(d)距离为d的路径的比特误码概率[10]，定义如式(4)所示：

(4)

式(4)中Γ(d)为水下声信道的平均信噪比，定义如式(5)所示。

(5)

其中f为信号频率。A(d,f)表示路径衰落、a(f)是吸收系数、k是扩频因子。

2.2 下一跳转发节点

转发集内节点均有可能成为下一跳转发节点。因此，集内节点通过设置定时器，择优产生下一跳转发节点。

假定节点ni需要选择转发数据包，并且已形成转发节点集Γi。为此，节点ni将Γi载入数据包首部，然后向其邻居节点广播。一旦接收到此数据包，邻居节点就从首部提取转发节点集Γi，并判断自己是否是集Γi内节点。若不是，则丢弃数据包，否则就依据式(6)设置定时器。

Tk=α(rmax-d(nk,ni))

(6)

其中Tk为节点nk∈Γi的定时值。其中rmax表示节点的最大传输距离[11]。α为控制参数。

一旦定时完毕，且没有其它节点转发数据包，则节点nk立即转发数据包。通过设置定时器，能控制数据包的冗余。而参数α值对定时值有直接的影响。因此，需要慎重选择。

图2 设置定时器模型分析

如图2所示，节点ni的转发节点集Γi内有两个节点na、nb，并且na离水面浮标距离比节点nb近。为了能快速传输数据包，节点na的定时时间Ta应小于节点nb的定时时间Tb，而式(6)满足了此要求。从式(6)可知，离节点ni距离越大，定时时间越短。

2.3 基于边界转发的路由空洞

尽管HPSRV协议在选择下一跳转发节点时，考虑了邻居信息，但是在节点密度稀疏时，仍存在路由空洞问题，特别是长路径路由，如图3所示。从图3可知，源节点遭遇路由空洞。为此，HPSRV利用边界转发数据包，最终，将数据传输至信宿。

图3 路由空洞示意图

然而，从图3可知，利用边界转发处理路由空洞，增加了路径传输跳数，这不利于节点能耗下降，也增加了传输时延。为此，针对路由空洞，HPSRV协议计算每个节点的边界权值[12]，并利用边界权值转发数据包。

一旦节点遭遇路由空洞，就启动边界转发模型。据此，节点就计算边界度量值，并选择边界度量值最大的节点作为下一跳转发节点。假定节点nk的边界度量值为FS_mk，其定义如式(7)所示：

(7)

其中dk、ds分别表示节点nk离目的节点、源节点离目的节点的距离。

而θ表示节点nk与源节点的连线和节点nk与目的节点连线的夹角，如图4所示。利用三角知识，可得：

(8)

图4 夹角示意图

通过边界权值选择转发节点，进而处理路由空洞，并减少了传输跳数。如图5所示，节点x为源节点，节点D为目的节点。节点x处于路由空洞状态。若采用边界转发的策略，传输路径x→a→b→d。尽管此路径能避开路由空洞，但传输跳数过多。而HPSRV协议引用边界度量值选择转发节点。即依据式(7)选择转发节点，节点d的边界度量最大，即节点x直接选择节点d作为下一跳节点，这样避开了路由空洞，又减少了传输跳数。

图5 HPSRV路由的边界转发模式

2.4 HPSRV路由的数据传输流程

一旦接收数据包，节点就检测自己是否为目的节点，若是，则结束，否则就判断自己是否为路由空洞节点。若是，就先构建转发节点集，然后依据式(6)设置定时器，并优先转发数据包；否则，就进入边界转发，并利用式(7)选择下一跳转发节点，整个数据转发流程如图6所示。

图6 HPSRV路由转发数据包流程图

3 仿真实验及性能分析

3.1 仿真环境

为了更好地分析HPSRV协议性能，利用MATLAB R2012b建立仿真平台，并进行仿真。在1500 m×1500 m×1500 m仿真区域内声纳浮标(信宿)|Ns|=45、传感节点数|Nn|=150～450变化。假定传感节点产生数据包率λ从0.01 pkts/min至0.25 pkts/min，数据包大小为50kbps。每个实验独立重复50次，取平均值作为最终实验数据。

此外，选用DBR和VAPR协议作为参照，并与HPSRV协议进行比较。同时，选择数据包传递率、数据包传输时延和冗余数据包数作为性能指标。其中冗余数据包数是指每传输一个数据包数所产生的平均副本数。

3.2 性能分析

首先分析数据包传递率。图7显示在λ在0.01 pkts/min和0.25 pkts/min两种环境下，数据包传输率随节点数的变化情况。

图7 数据包传递率

从图7可知，节点数的增加提高了数据包传递率。原因在于：节点数越多，组建最优路径的概率越高。此外，对比于0.01 pkts/min和0.25pkts/min两种环境数据可知，λ=0.25 pkts/min环境下的数据包传递率低于λ=0.01 pkts/min环境，且下降了近38%。换而言之，λ的增加，降低数据包传递率。与DBR和VAPR协议相比，提出的HPSRV协议的数据包传递率得到有效地提高。

然后，分析数据包传输的平均时延，实验数据如图8所示。从图8可知，相比于DBR和VAPR协议, HPSRV协议降低了传输时延。这要归功于HPSRV协议择优选择转发节点，并利用边界度量值处理路由空洞。而λ的增加提高了传输时延，这主要因为λ的增加，增加了数据包碰撞概率，增加了时延。

图8 端到端传输时延

图9 冗余数据包数

最后，分析冗余数据包数，实验数据如图9所示。从图9可知，HPSRV协议的冗余数据包数趋于稳定，在整个节点变化区间表现稳定的时延，且远低于DBR和VAPR协议。原因在于：HPSRV协议通过定时器的设置抑制了冗余数据包数，并考虑了路由空洞问题，提高了数据包传输的流畅性。

4 结 语

本文针对水下传感网络的数据传输问题，提出基于水压的抑制路由空洞的UWSNs路由算法HPSRV。HPSRV路由通过先建立转发节点集，然后再利用定时器计时转发数据包，进而减少冗余数据包。同时，利用边界度量值产生边界转发节点，实现抑制路由空洞的目的。实验数据表明，提出的HPSRV路由有效地提高了数据包传递率，也降低了传输时延。

此外，由于水域内是以声通信方式传输数据包，而水表面是以射频通信方式传输数据包。而本文主要关注水域内的数据包传输，也是在水域内讨论路由问题。因此，没有考虑水域环境对无线传输的影响，这也是后期研究工作方向。