水下传感网络中基于转发节点协作数据传输策略

尹 鹏，叶 玲

(1.湖北工程学院，湖北 孝感 432000;2.湖北工程学院，湖北 孝感 432000)

0 引 言

近期，水下传感网络(Underwater Sensor Networks, USNs)被广泛应用于潜艇跟踪、港口监控等水面应用[1-2]。USNs由部署于水下的传感节点和飘浮于水面的声纳浮标组成。传感节点感测水下环境数据，然后以声信号传输至水面上的浮标(信宿)。收集感测数据后，浮标再以无线方式传输至控制中心。

水域通信对无线射频信号有严重的衰落影响。因此，需要利用无线射频通信和声通信两种方式完成数据传输。此外，考虑到水域通信的严厉传输环境，只有单一节点转发数据包难以成功传输数据包。而由多个节点协作转发数据能够提高数据包传输的成功率。将由多个节点协作转发的路由，也称为协作路由。

在协作路由中，接收节点能够从两个不同的节点接收到同一个数据包，一个为数据包本身，另一个数据包为数据包的复本。但是传统的UWNs路由并没有引用协作概念[4-7]。

文献[8-10]针对USNs环境，提出了通过转发节点协作传输数据包。但是这些策略在决策路由时，需要节点的位置信息，并且要求节点同步。这增加了路由开销，特别在是水域环境获取节点位置是非常困难的。

此外，Wahid等[12]提出了能量效率和水压 (Energy-Efficient Depth-based Routing, EED) 路由。EED路由通过节点的水压值选择转发节点。水压越大，表明离水面越远，数据传输路径就越长，这不利于数据包的传输。因此，可将节点水压值作为决策路由的参数。

然而，EED路由只考虑了节点的水压值。只依据节点水压值选择转发节点，并不能最优性能。类似地，Khan等[13]提出能效的最优转发节点 (Energy-Efficient Optimal Relay Selection, EOS) 路由。EOS路由从传感节点的能量信息，选择转发节点，避免选择能量过低的节点作为转发节点。但是，EED和EOS并没有引用协作路由概念。

为此，结合EED和EOS路由的优势，提出基于转发节点协作的数据传输策略FCT。FCT策略先利用传感节点的水压和距离信息，选择下一跳转发节点，然后从依据所选择的转发节点，寻找它的协作转发节点，再由这两个转发节点共同完成数据包的传输，进而克服水域环境中低的数据包传输成功率的困境。实验数据表明，提出的FCT策略能够有效地提高数据包传输成功率。

1 系统模型

1.1 网络模型

考虑如图1所示的网络模型，在水域环境Ω内随机部署m个传感节点s={s1,s2,…,sm}。这些传感节点以声通信方式传输数据。它们实时地感测数据，并向位于水位的信宿传输。当信宿接收了数据后，就向控制中心传输。

图1 网络模型

1.2 传播模型

引用声频调制解调器[13]分析水域环境的数据传输，如式(1)所示：

ρSNR=λSL-λTL-λNL+λDI

(1)

其中ρSNR表示接收端所接收的声波的信噪比，且单位为dBreμPa(1μPa=0.67×10-18Watts/m2)。λSL、λTL、λNL和λDI分别表示声源等级、传输损耗、噪声和方向指数。如果是全向传输信号，则λDI等于1，否则为零。

当ρSNR大于TSNR，则接收端能正常解调信号，获取原始信号，其中TSNR表示信号检测阈值。

用单位信号强度IT表示λSL，如式(2)所示。其中IT表示离发送端(声源)为1 m时的信号强度，且单位为1 μPa。

(2)

如果引用Watts/m2单位，结合式(2)可得：

IT=10SL/10×0.67×10-18

(3)

接下来，分析节点的能耗。令H表示声源的深度。若声信号(单比特数据)从声源开始，传输了d米后，消耗了功率PT(d)可表示为：

PT(d)=4π×d2×H×IT

(4)

PT(d)表示传输单比特数据，所消耗的能量。可用式(5)计算传输k比特所消耗的能量ETX(k,d)：

ETX(k,d)=PTX(d)×t

(5)

其中t表示传输时间。

2 FCT路由

2.1 邻居节点信息的获取

最初，信宿周期地广播Hello包，其包含信宿ID(Sink_ID)和位置(Sink_P)。传感节点(假定为传感节点si)一旦接收了Hello包，就利用信号的强度RSSI值估计离信宿距离(di)，其中i=1,2,…,m。

随后，传感节点si依据压力传感节点获取水压值pi，并将水压值pi插入到Hello包。同时，也将距离di插入到Hello包。再转播此Hello包，其格式如表1所示。其中ID_S表示传感节点ID号、Depth表示传感节点的水压(深度)。而Distance表示离信宿距离。

表1 Hello包格式

转播Hello包有两个目的：(1)获取信宿信息；(2)获取周边邻居节点的信息。传感节点si转播了Hello包，就进入监听状态。若收到其他节点转播的Hello包，就记录该节点的ID_S、Depth，并将它们存在于邻居表中，并将相应的邻居节点加入邻居集Ni中。其中Ni表示传感节点si的邻居集。

2.2 下一跳转发节点的选择

当传感节点有数据Data要传输时，首先判断自己是否位于信宿一跳通信范围内。仍以传感节点si为例。令Datai表示传感节点si需要传输的数据。首先，传感节点si判断式(6)，若满足式(6)就直接向信宿传输，不需要再寻找下一跳转发节点。

di

(6)

若不满足式(6)，则表明需要通过多跳通信方式传输数据。因此，需要寻找下一跳转发节点。

(7)

一旦选择了下一跳转发节点sf、协作节点sc，传感节点si就将sf和sc载入数据包的首部，如表2所示。然后，传感节点si就转发数据Datai。

表2 数据包格式

2.3 协作转发

一旦给数据包指定了转发节点和协作节点，该数据包只能由这两个节点转发。即只能由这两个节点参与该数据包的转发，如图2所示。

图2 协作转发示意图

从图2可知，下一跳转发节点从两条路径收到数据包Datai。接下来，从信号角度分析这两条路径的信道增益。首先，令yd表示转发节点sf从传感节点si直接接收的信号，如式(8)所示[14]：

(8)

其中Pi表示传感节点si传输数据包的的功率。hif表示直接传输通道的冲激响应。而x、nd分别表示信号、噪声。

相应地，令yc表示协作节点sc从传感节点si所接收的信号，其定义如式(9)所示[15]：

(9)

类似地，hic、nc分别表示协作传输通道的信道增益和噪声。协作节点再将信号yc传输到下一跳转发节点sf。因此，下一跳转发节点从协作节点所接收的信号ycf：

(10)

其中Pc、hcf分别表示协作节点sc的转发功率、从协作节点至下一跳转发节点的通道增益，且ncf为通道噪声。而β为放大系数，可通过式(11)计算：

β=(Pc|hcf|2+σ2)-1/2

(11)

其中σ为噪声变量的方差。回顾到式(8)、(9)和(10)，它们式中的增益(hif、hic、hcf)反映信道特性。假定它们为高斯随机变量，且服从零均值、方差为σ2的分布。

最后，下一跳转发节点将从两路所接收的信号进行融合。引用最大融合技术(Maximum-ratio-combining, MRC)原则[16]，将两路信号SNR进行融合。令ρMRC表示融合后的SNR:

(12)

其中ρif、ρic和ρcf分别表示传感节点si至转发节点sf、传感节点si至协作节点sc和协作节点sc至转发节点sf的信噪比，它们的定义如式(13)所示：

(13)

转发节点sf就将ρMRC与阈值TMRC进行。如果ρMRC大于TMRC，则说明转发节点成功接收了数据包。否则，要求重传。

3 性能分析

3.1 仿真环境

为了更好地分析FCT路由，利用Matlab建立仿真平台。在Ω=5003m3区域内随机部署N=250个传感节点。具体的仿真参数如表3所示。

表3 仿真参数

选择EED路由和EOS路由作为参考，并进行同步仿真。分析EED、EOS和FCT路由的路由性能和能耗。

将时间划分不同轮(Round)。所谓Round是指一个或多个节点向信宿传输数据包的时间。因此，接下来，分析总体能量消耗、端到端传输时和数据包传递率随轮的变化情况。

3.2 端到端传输时延

首先，分析FCT路由的数据包传输时延。从图3可知，数据包传输时延随轮数的增加而上升，当运行了100轮后，FCT路由的传输时延趋于稳定，接近于3500 s。相比于EOS和EED路由，FCT路由的传输时延有一定幅度地增加。例如，在运行至150轮时，FCT路由的传输时延为3500 s，而EOS和EED路由的传输时延分别约2750 s和约3100 s。造成FCT路由时延增加大的原因在于：FCT路由引用协作转发概念，每个数据包都需要两路传输，这增加了一定的传输时延。

图3 端到端传输时延

3.3 数据包传递率

接下来，分析三个路由的数据包传递率。从图4可知，相比EOS和EED路由，FCT路由的数据包传递率得到有效提高。当运行了100轮后，三个路由的数据包传递率趋于稳定。EOS路由、EED路由和FCT路由的数据包传递率分别趋于约0.43、约0.375和约0.558。数据包传递率的提高，这要归功于FCT路由采用了协作路由。通过协作节点的转发，提高了数据包传递率。

图4 数据包传递率

3.4 能耗

最后，分析各路由中传感节点的能量消耗。从图5可知，随着运行轮数的增加，能耗逐渐增加，特别是在初期(前100轮)，能耗增加迅速。但运行了150轮后，三个路由协议的能量消耗趋于平衡。相比EOS和EED路由的能耗，FCT路由的能耗略有增加。原因在于：FCT路由采用了重传机制，当数据包传输不成功时，就需重传数据包。这加大了能量消耗。

4 结束语

针对USNs的数据传输问题，提出基于转发节点的协作路由FCT。FCT路由利用邻居节点的水压值和位置值择优选择下一跳转发节点，再依据转发节点选择协作节点。通过协作节点转发数据包，提高数据包的传输成功率。仿真数据表明，相比于同类路由，FCT的数据包传递率得到有效提高。

此外，观察仿真数据不难发现，FCT路由的数据传输时延、能耗性能并没有得到提升。后期，将优化路由，控制数据传输时延及能耗，这将是后期的工作方向。