金 軍 ，縱 芳 ，梁妙元 ，鄭君杰

（1.南京軍區(qū)氣象水文中心 南京 210000；2.南京軍區(qū)73617部隊 南京 210000；3.解放軍理工大學氣象學院 南京 211101）

1 引言

無線傳感器網(wǎng)絡是由密集型、低成本、隨機分布的集成有傳感器、數(shù)據(jù)處理單元和短程無線通信模塊的微小節(jié)點通過自組織方式構成的網(wǎng)絡。借助節(jié)點中內(nèi)置的形式多樣的傳感器可以實現(xiàn)對生活環(huán)境全方位的監(jiān)測與控制，這也是下一代互聯(lián)網(wǎng)遠景規(guī)劃中較為重要的組成部分。無線傳感器網(wǎng)絡的自組織性和密集節(jié)點提供的容錯能力，使其不會因為某些節(jié)點的異常而導致整個系統(tǒng)的崩潰，非常適合在特殊時刻、特殊環(huán)境中快速構建信息基礎設施，因此有廣闊的應用前景。2003年2月，麻省理工大學主辦的非盈利性技術評論雜志將傳感器網(wǎng)絡總結為改變未來世界的10種新興技術之一[1]。傳感器網(wǎng)絡出現(xiàn)不久后，由于其低成本、隱蔽性好、靈敏度高、可分布式部署、可覆蓋范圍大等諸多優(yōu)點受到了各國海洋界的青睞，目前其應用范圍已經(jīng)擴展到了海洋。典型代表主要有美國海軍1998年開始構建的自主分布系統(tǒng)SeaWeb[2,3]，除此之外，日本、英國、澳大利亞、德國等國近年來也一直致力于水下傳感器網(wǎng)絡相關技術的研究[4,5]。

水下傳感器網(wǎng)絡的重要性已經(jīng)引起了我國的高度重視，國家“863”計劃和國家自然科學基金相繼資助了水下傳感器網(wǎng)絡的研究。哈爾濱工程大學、廈門大學、國家海洋中心、中國科學院聲學研究所、中國科學院沈陽自動化研究所、南京郵電大學、中國海洋大學等單位針對水下傳感器網(wǎng)絡的水下通信方式[6]、體系結構[7]以及應用等方面開展了大量研究，取得了一定的成果?？梢灶A見，水下傳感器網(wǎng)絡將在我國海洋探測、環(huán)境保護、水下安保、反潛等民用和軍事領域發(fā)揮越來越重要的作用。

2 研究現(xiàn)狀

同陸上傳感器網(wǎng)絡一樣，路由協(xié)議是水下傳感器網(wǎng)絡的重要研究內(nèi)容之一，其目的是在水下數(shù)據(jù)源節(jié)點和水面轉發(fā)節(jié)點間建立一條數(shù)據(jù)傳輸路徑。目前陸上傳感器網(wǎng)絡的路由協(xié)議已經(jīng)得到了很大的發(fā)展，如以GPSR為代表的地理位置路由協(xié)議[8]、以SPIN為代表的平面路由協(xié)議[9]、以LEACH為代表的分層路由協(xié)議[10]、以SPEED為代表的基于QoS的路由協(xié)議等[11]。但是大部分陸上無線傳感器網(wǎng)絡路由協(xié)議不適合水下無線傳感器網(wǎng)絡，主要原因如下。

（1）水下聲學通信環(huán)境極為惡劣

水下聲學通信是目前唯一有效的水下通信方式，但水下聲學通信環(huán)境極為惡劣。聲波在水中的傳播速度只有1 500 m/s，且隨著海水深度、鹽度、密度的變化而發(fā)生變化，帶來傳播時延長、帶寬有限、傳播時延動態(tài)變化等諸多不利因素，這些不利因素是陸上傳感器網(wǎng)絡路由協(xié)議設計時不曾也不需要考慮的。另外，大部分陸上傳感器網(wǎng)絡路由協(xié)議發(fā)送數(shù)據(jù)前需要進行相關信息的交換，如SPIN協(xié)議發(fā)送數(shù)據(jù)前通過協(xié)商來確定其他節(jié)點是否需要該數(shù)據(jù)，或者直接使用洪泛技術，這些方法嚴重消耗節(jié)點能量，而水下傳感器網(wǎng)絡節(jié)點使用電池供電，基本上是一次性使用，減少信息的發(fā)送量是設計其路由協(xié)議時要考慮的首要問題。

（2）水下傳感器網(wǎng)絡三維拓撲結構的動態(tài)變化

陸上傳感器網(wǎng)絡以二維形式為主，顯然水下傳感器網(wǎng)絡是三維形式的，由于節(jié)點會隨洋流浮動，導致水下傳感器網(wǎng)絡三維拓撲的動態(tài)變化。目前在國外一些水下傳感器網(wǎng)絡的研究中，將水下節(jié)點下錨固定以應對洋流的影響，價格昂貴且組網(wǎng)時間過長，只適用于小規(guī)模的網(wǎng)絡。筆者認為，真正意義上的水下傳感器網(wǎng)絡除了網(wǎng)關節(jié)點漂浮在水面外，其大量水下節(jié)點應可以直接布撒到預定海域，然后懸浮在水下各個深度進入工作狀態(tài)。水下路由最理想的狀況是水下各個節(jié)點的三維位置信息是互相知道的，轉發(fā)節(jié)點自己選擇一條理想的轉發(fā)路徑，但這在水下是行不通的，原因有兩個。一是GPS信號無法穿透海水，因此水下節(jié)點不可能通過搭載定位裝置獲取其三維位置信息；二是如果不使用GPS，節(jié)點只能通過定位算法來解算其位置，這也是一個巨大的研究挑戰(zhàn)，迄今仍無突破性的進展，同時定位算法需要各個節(jié)點定期交換路由信息，此方法帶來的巨大的通信量是水下傳感器網(wǎng)絡無法承受的。

目前國內(nèi)外對水下傳感器網(wǎng)絡路由協(xié)議的研究仍處于起步階段，主要是對現(xiàn)有陸上協(xié)議進行改造。在已經(jīng)公開的文獻資料中較有影響力的工作如下。

[12]提出一種由數(shù)據(jù)源點與海面轉發(fā)節(jié)點構成路由矢量的地理路由協(xié)議VBF，其路由是以路由矢量為中心形成的圓柱形路由通道，前提是其各個節(jié)點位置信息可以通過服務器獲得。參考文獻[13]對VBF進行了改進，提出了HVBF，該協(xié)議采用局部路由矢量代替全局路由矢量，適用于稀疏網(wǎng)絡。參考文獻[14]提出一種基于位置信息的帶AUV的移動網(wǎng)絡路由協(xié)議，該協(xié)議使用TDMA幀估計距離形成整個網(wǎng)絡的位置拓撲。參考文獻[15]提出一種跨層設計的節(jié)能地理路由協(xié)議，通過控制發(fā)射功率達到節(jié)能的目的。

國內(nèi)對水下傳感器網(wǎng)絡路由協(xié)議也有一定的研究。

參考文獻[16]提出了一種基于水聲信道的無線傳感器網(wǎng)絡路由協(xié)議，采用均衡節(jié)點能耗的路由算法，按照最小能量代價建立多跳路由表；參考文獻[17]對GPSR協(xié)議進行了改進，以節(jié)省能量；參考文獻[18]提出了一種適用于水下的能量有效可靠路由協(xié)議。

綜上所述，現(xiàn)有的水下傳感器網(wǎng)絡路由協(xié)議研究主要以地理路由為主，盡管地理路由協(xié)議效率較高，代價小，但需要知道各個水下節(jié)點的三維位置信息，難以在水下實際應用。

3 基于深度信息的水下路由協(xié)議

在實際的水下組網(wǎng)應用中，數(shù)據(jù)轉發(fā)節(jié)點位于水面之上，水下傳感器節(jié)點采集到的數(shù)據(jù)最終要被轉發(fā)到水面轉發(fā)節(jié)點，如圖1所示。

隨著數(shù)據(jù)的轉發(fā)，其所經(jīng)過的轉發(fā)節(jié)點的深度將越來越小，直至到達水面，相比水下三維位置信息，水下傳感器節(jié)點深度信息的獲取極為簡單，只需要在節(jié)點上安裝價格低廉的深度傳感器即可?；诖爽F(xiàn)象，本文提出一種基于水下深度信息的路由協(xié)議，該協(xié)議的基本思想是數(shù)據(jù)分組同時存儲有轉發(fā)節(jié)點的深度信息，并且隨著每一跳進行更新。當節(jié)點接收到數(shù)據(jù)后，將其攜帶的深度信息與自身的深度進行對比，如果其來自更深節(jié)點則結合自身剩余能量的多少來決定是否轉發(fā)該數(shù)據(jù)，否則將其拋棄，以此類推并輔以相應的轉發(fā)策略，直至將數(shù)據(jù)轉發(fā)到水面轉發(fā)節(jié)點。

為解決水下轉發(fā)方向的不確定性，可以設置多個水面轉發(fā)節(jié)點，每個水面節(jié)點配備有無線收發(fā)裝置和水聲調(diào)制解調(diào)器，只要數(shù)據(jù)到達任意一個水面轉發(fā)節(jié)點都可以發(fā)送到最終目的節(jié)點。和現(xiàn)有水下傳感器網(wǎng)絡路由協(xié)議相比，該方法不需要節(jié)點知道其自身以及其他節(jié)點的三維位置信息，因此節(jié)點間信息交換量極少，可以顯著減少通信量，能有效應對網(wǎng)絡拓撲的動態(tài)變化，進而達到節(jié)省能量、延長網(wǎng)絡生存時間的目的。

圖1 水下傳感器網(wǎng)絡數(shù)據(jù)轉發(fā)示意

4 數(shù)據(jù)分組轉發(fā)算法

該協(xié)議數(shù)據(jù)分組轉發(fā)算法的基本原理如圖2所示。

圖2中節(jié)點S為數(shù)據(jù)源節(jié)點，n1、n2和n3為一跳范圍內(nèi)的鄰居節(jié)點，d1代表n1距平面的垂直距離，d2代表n2距平面S的垂直距離。最外圈實線大圓代表S的轉發(fā)半徑，位于該半徑內(nèi)的節(jié)點都能收到其發(fā)出的數(shù)據(jù)。n3的深度大于S，因此被禁止參與數(shù)據(jù)轉發(fā)。顯然n1的深度最淺，距離水面最近，因此n1是最理想的下一條節(jié)點，而n2的轉發(fā)需要被禁止。

主要使用如下轉發(fā)策略。

（1）深度門限

為減少數(shù)據(jù)的無效轉發(fā)，使用深度門限來控制參與節(jié)點的數(shù)量。深度門限是指參與轉發(fā)的節(jié)點的最大深度。顯然門限越大，參與轉發(fā)的節(jié)點越少，反之越多。

圖2 路由算法基本原理示意

（2）保留一段時間再轉發(fā)數(shù)據(jù)

每個轉發(fā)節(jié)點收到數(shù)據(jù)后并不是馬上轉發(fā)，而是保留一段時間再進行轉發(fā)，該時間定義為holding time。將holding time表示為節(jié)點剩余能量與節(jié)點深度信息的函數(shù)。顯然節(jié)點深度越淺，其參與轉發(fā)的優(yōu)先級越高，則holding time越短，深度越深則holding time越長，即holding time與深度成反比。為保證節(jié)點能量的均衡，如果節(jié)點的剩余能量越多，則其參與轉發(fā)的優(yōu)先級越高，holding time越短，即holding time與節(jié)點剩余能量成反比。

holding time可以表示為d與e的函數(shù)：

其中d、e分別代表源節(jié)點與轉發(fā)節(jié)點的垂直距離及自身剩余能量。

令n1收到分組的時間為 t1，n2收到分組的時間為 t2，t1,2為節(jié)點n1、n2間的傳播時延，由圖2有：

即：t1+f(d1,e1)+t12≤t2+f(d2,e2)條件滿足。

（3）分組歷史緩存

水下多徑轉發(fā)可能會造成一個節(jié)點收到一個數(shù)據(jù)分組多次的問題，使用分組歷史緩存來解決。節(jié)點每發(fā)送一個數(shù)據(jù)后，將其相關特征信息放入歷史緩存?zhèn)洳椋还?jié)點收到一個新的數(shù)據(jù)首先檢查歷史緩存，如再次收到該數(shù)據(jù)則將其丟棄。

圖3 空洞示意

水下數(shù)據(jù)轉發(fā)不可避免會遇到空洞，以圖3為例，節(jié)點S收到數(shù)據(jù)后向上沒有轉發(fā)節(jié)點，其上部區(qū)域定義為空洞，在此情況下需要重構路由。有兩種策略可以解決：一是將數(shù)據(jù)退回上一個節(jié)點再執(zhí)行路由算法，如果仍然遇到空洞則再退回更上一個節(jié)點，直到數(shù)據(jù)被順利轉發(fā)；二是將數(shù)據(jù)直接轉發(fā)到其通信范圍內(nèi)的其他更深節(jié)點再執(zhí)行轉發(fā)算法，直至將數(shù)據(jù)送到水面。

5 結束語

現(xiàn)有的水下傳感器網(wǎng)絡路由協(xié)議研究主要以地理路由為主，難以在水下實際應用。本文對水下三維傳感器網(wǎng)絡的路由協(xié)議進行了深入的研究，針對現(xiàn)有水下傳感器網(wǎng)絡路由協(xié)議的不足，提出了一種新型路由協(xié)議，該協(xié)議不需要節(jié)點的三維位置信息，只需要通過深度信息同時結合自身的剩余能量情況即可決定是否轉發(fā)該數(shù)據(jù)，可以有效減少轉發(fā)沖突，減少能量消耗，及時應對網(wǎng)絡拓撲變化，延長網(wǎng)絡生存時間，具有很高的學術價值和很好的應用前景。

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