一种改进型PEGASIS 算法在水声通信组网中的应用

2022-10-19王文琮石建飞张学磊田甜

舰船科学技术 2022年17期

关键词：网络拓扑改进型水声

王文琮，石建飞，张学磊，田甜

(中国电子科技集团公司第三研究所，北京 100015)

0 引言

随着近年来人类对海洋的深入探索，水声领域也得到了飞速发展，水声通信作为水声学研究的重点课题之一，也越来越受到关注。以往水声通信领域主要关注的是调制方式和编码方式，但是随着越来越多的水声传感器设备的投放，设备间的组网也成为了重要的研究方向。

特别是近十年来，水声组网的技术呈现了很多新的趋势，尤其是在多设备融合方面，水声通信结合了无线传感器网络（wireless sensor network，WSN）中的成熟算法，产生出很多基于WSN 的水声通信组网方式。

WSN 是一种把传感器节点部署在监控区域内，起到监控区域目的的无线组网方式。WSN 内部一般根据数据传输方向分为节点，汇聚节点（又称为簇头）以及客户端，节点负责采集数据，汇聚节点负责汇总各节点采集到的数据融合，发送给客户端，这种数据传输过程也称为分簇过程，分簇示意如图1 所示。

图1 分簇路由示意图Fig.1 Schematic diagram of cluster routing

将WSN 结合到水声通信领域，当需要监测一片水域的声场情况的时候，通常需要将多个水声换能器布防在此海域，换能器之间通过多跳路由的方式将信息汇总到汇聚节点，以供研究使用。但是在传统的多跳路由组网过程中需考虑以下2 个问题：1）当数据从最远节点传递至汇聚节点的时候，存在一定的延时，中间节点个数越多，延时时间越长，汇聚节点收到信息不实时；2）单个节点所携带电量有限，且主要消耗电量的是发射换能器，发射换能器工作次数应越少越好。这些问题对新型的通信网络协议提出了要求。

1 经典拓扑组网协议

1.1 LEACH 协议

LEACH 是首个分簇路由协议，其执行过程主要分为 2 个阶段，簇建立阶段以及数据传输阶段，一个完整的簇包含一个簇头和多个簇节点，簇建立阶段主要进行了簇头的选择以及形成一个完整簇结构，数据传输阶段主要由簇头接收簇节点发来的信息，簇头对信息进行融合然后再将信息发送至客户端。由于簇头既要融合数据，还需要将数据发送出去，所以簇头的功耗最大，因此簇头的选择是 LEACH 协议的重点。LEACH 协议为了解决功耗问题，采用了随机阈值算法，即随机的根据节点产生的数值与阈值相比较，当大于阈值时，此节点成为簇头，成为簇头的节点在之后的几次传输过程中成为簇头的概率会很低，整个网络各个节点消耗能量较为均衡，不会出现簇头频繁死亡的情况，但是LEACH 由于本身的机制，会出现2 个问题：1）网络拓扑结构较大时，成为簇头的节点有可能频繁成为簇头；2）由于簇头的频繁更换，所以每次簇头需要通知到簇中子节点所在的簇，建簇过程功耗较大。

利用 Matlab 软件在 100×100 的区域内随机产生 12个节点，中心位置为客户端位置，将节点划分为4 部分，每个部分都有 1 个汇聚节点和 2 个子节点，按照LEACH 协议进行数据的传递，网络拓扑图如图2 所示。

图2 LEACH 网络拓扑图Fig.2 LEACH network topology diagram

1.2 PEGASIS 协议

PEGASIS 作为分簇路由的重要组成部分，同样分为2 个过程：建链过程和稳定过程。建链过程中，各簇节点向簇头发送信号，接收簇头反馈的确认信号，根据通信指令判断簇头与各个簇节点的距离，找出与簇头最远距离的簇节点，然后节点向其他簇节点发送信号，根据反馈信号确定与距离最近的簇节点，节点遍历此过程，最终建立簇链;稳定过程即数据传输融合过程，簇链中按照距离簇头由远到近以此将信息传递至下一个簇节点，直到所有信息汇聚到簇头为止。PEGASIS 采用的是典型的贪心算法，即只匹配此簇链中的最优解，但是对于多设备组网会出现如下问题：1）由于形成链过程随机，当链过长时，单个链功耗会很大，且时延较长，无法提高网络消耗的均衡性；2）网络中簇链之间由于节点数不一致，会导致客户端融合数据发生困难；3）局部均衡并不意味着整体均衡，有时不能满足最优解。

按照PEGASIS 协议产生的拓扑结构如图3 所示。

图3 PEGASIS 网络拓扑图Fig.3 PEGASIS network topology diagram

2 改进型PEGASIS 算法在水声通信组网中运用

根据水文环境不同，水声传感器需要根据水文环境大小调节声压级，当水声信道环境较为复杂时，声压级需要变大，相反时，声压级需要调小。同时，水声传播损失与距离的公式（柱面波），也说明传播损失与距离成正相关的关系。

远程的浮潜标由于自带电池能量有限，多个浮潜标组网后为了能工作的时间更长，需要设计网路使声传播距离最近，传播损耗更低。根据PEGASIS 组网协议提出了一种改进型的PEGASIS 组网协议，这种协议与传统PEGASIS 最大的区别是每个簇头需要根据之前的同步消息比较下一个节点到自己的距离与到客户端的距离大小，当下一个节点到簇头距离较近时，将信息传递至簇头；当节点距离客户端距离近时，将信息传递至客户端。将每一个节点（,...）距客户端（记为）距离记为To_List，之后按照以下步骤完成：

计算出Max（To_List）的节点，记为；

将距离最近的节点记为；

，间距记为__，链接路径记为，利用如下算法：

之后将节点设置为，重复3 个步骤。

改进型PEGASIS 组网协议流程图如图4 所示。

图4 改进型PEGASIS 组网协议流程图Fig.4 Improved PEGASIS networking flowchart

12 个节点按照改进型的PEGASIS 协议产生的拓扑结构如图5 所示。

图5 改进型 PEGASIS 网络拓扑图Fig.5 Improved PEGASIS topology diagram

3 组网方式的比较

针对构建的12 个节点模型对LEACH，PEGASIS 以及改进型的PEGASIS 的3 个组网协议传播损失对比图以及数据同步一个周期内链路通信次数排序进行Matlab 仿真，结果如图6 和图7 所示。可以看出，此次模型中，改进型的PEGASIS 协议与典型的PEGASIS 协议只有在二象限4-5-6 节点拓扑结构有不同，改进型的PEGASIS 传播损失更低（此模型中相较于PEGASIS 传播损失降低5%），且需要的周期更短（4-5-6 节点只需要2 个周期），可以缩短网络延时，综合单链功耗降低以及周期更短的特性，改进型PEGASIS 协议实际传输中能耗可降低20%以上。