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水聲傳感網(wǎng)絡(luò)地理位置路由綜述

2016-03-24 06:20張劍波張滿軍張劍
廣東通信技術(shù) 2016年2期
關(guān)鍵詞:水聲傳感數(shù)據(jù)包

[張劍波 張滿軍 張劍]

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水聲傳感網(wǎng)絡(luò)地理位置路由綜述

[張劍波 張滿軍 張劍]

摘要

水聲傳感網(wǎng)絡(luò)是人類監(jiān)控海洋的重要工具。綜述了水聲傳感網(wǎng)絡(luò)中基于地理位置路由的最新工作,描述了該類協(xié)議的所面臨的問(wèn)題,并著重對(duì)該研究開展以來(lái)所提出的重要路由協(xié)議進(jìn)行對(duì)比、分析。最后展望未來(lái)的研究方向。

關(guān)鍵詞:水聲傳感網(wǎng) 地理位置 路由

張劍波

重慶郵電大學(xué)通信與信息工程學(xué)院碩士研究生,研究方向?yàn)樗晜鞲芯W(wǎng)絡(luò)。

張滿軍

重慶郵電大學(xué)通信與信息工程學(xué)院碩士研究生,研究方向?yàn)橐苿?dòng)通信網(wǎng)絡(luò)。

張劍

重慶郵電大學(xué)通信與信息工程學(xué)院碩士研究生,研究方向?yàn)橐苿?dòng)通信網(wǎng)絡(luò)。

1 引言

水聲傳感網(wǎng)(Underwater Acoustic Sensor Networks, UWASN)是由布放在海底或海中的傳感器節(jié)點(diǎn)和海面浮標(biāo)節(jié)點(diǎn)以及它們之間的雙向聲鏈路組成的可以覆蓋大面積水下區(qū)域的通信網(wǎng)絡(luò)[1,2]。水聲網(wǎng)絡(luò)的概念最早源于1993年美國(guó)提出的自主海洋采樣網(wǎng)AOSN,并在1998年開展了海網(wǎng)SeaWeb的實(shí)驗(yàn)[2]。我國(guó)在“八·五”期間就開始進(jìn)行水聲通信研究,最早的研究單位有廈門大學(xué)、哈爾濱工程大學(xué)和中國(guó)科學(xué)院聲學(xué)研究所等研究機(jī)構(gòu)[3-9]。UWASN用途廣泛,可以對(duì)目標(biāo)水域進(jìn)行信息的采集、處理、分類和壓縮,并可以將數(shù)據(jù)通過(guò)水下通信網(wǎng)節(jié)點(diǎn)以中繼方式回傳到陸基和船基的信息控制中心的綜合系統(tǒng)[10]。由于近年來(lái)水下網(wǎng)絡(luò)研究和應(yīng)用的迅猛發(fā)展,傳感器節(jié)點(diǎn)已具備水下作業(yè)和感知各類礦物資源、化學(xué)元素的能力[11]。目前水聲傳感網(wǎng)被廣泛用于污染監(jiān)控、地理信息采集、軍事入侵檢測(cè)等眾多水下應(yīng)用中,相信在未來(lái)勢(shì)必會(huì)發(fā)揮更大的作用。

2 水聲傳感網(wǎng)的特點(diǎn)

水聲傳感網(wǎng)絡(luò)從陸地?zé)o線傳感網(wǎng)絡(luò)延伸而來(lái),但兩者卻有很大的不同:

(1)移動(dòng)性,UWASN中的節(jié)點(diǎn)會(huì)隨著水流的運(yùn)動(dòng)而移動(dòng),因此UWASN必須是能夠自組織的自主網(wǎng)絡(luò),遵循一定的網(wǎng)絡(luò)路由方式;

(2)動(dòng)態(tài)性,UWASN的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可能會(huì)因?yàn)槌霈F(xiàn)故障或電能耗盡造成傳感節(jié)點(diǎn)失效,造成通信環(huán)境的實(shí)時(shí)變化的特點(diǎn);

(3)電池能量有限,在水下環(huán)境中,節(jié)點(diǎn)要想通過(guò)更換電池的方式來(lái)補(bǔ)充能源是不現(xiàn)實(shí)的,所以如何更高效的使用能量并盡可能的延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)生命周期是很大的挑戰(zhàn)。

2.1 水聲信道的特點(diǎn)

在海水中,光和電磁波的傳輸衰減特別大,即使是陸地上衰減最小的藍(lán)綠光也達(dá)到40dB/km,因此上述媒質(zhì)不能滿足人們對(duì)海洋通信的需求。然而在非常低的頻率(200Hz以下)下,聲波在海洋中卻能傳播幾百公里,即使20kHz的聲波在水中的衰減也只有2~3dB/km[11,12]。所以聲波成為理想的水下通信媒質(zhì)。其有如下特點(diǎn):

(1)誤碼率高。水聲信道具有時(shí)間-空間-頻率變化特性,所以多經(jīng)干擾尤為突出。多徑傳輸以及外來(lái)噪聲會(huì)嚴(yán)重降低聲波信號(hào)質(zhì)量,增大信號(hào)在傳輸過(guò)程中的誤碼率;

(2)可用帶寬窄。水聲通信的有效聲波范圍為30~300Hz,信號(hào)傳輸帶寬高度依賴于傳輸距離,傳播損失隨距離增大而增大,因此水聲信道可用頻段非常有限,傳播距離也有限[13-15]。在水聲傳感網(wǎng)絡(luò)中,要進(jìn)行長(zhǎng)距離通信,只能選擇低碼率,要選擇高碼率,只能進(jìn)行短距離通信。

3 水聲傳感網(wǎng)中基于地理位置路由

由于水聲傳感器網(wǎng)絡(luò)部署在復(fù)雜可變的環(huán)境中,與陸地環(huán)境無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的環(huán)境有很大的不同,這使得陸地傳感網(wǎng)絡(luò)無(wú)法直接應(yīng)用于水聲環(huán)境中,必須針對(duì)水聲環(huán)境設(shè)計(jì)專門的路由,以適應(yīng)這一挑戰(zhàn)。

水聲路由協(xié)議一般可分為主動(dòng)路由協(xié)議、按需路由協(xié)議和地理路由協(xié)議3種。

由于主動(dòng)路由協(xié)議和按需路由協(xié)議存在網(wǎng)絡(luò)開銷大和維護(hù)開銷大等問(wèn)題,目前不屬于主流路由協(xié)議。

地理路由協(xié)議利用節(jié)點(diǎn)的地理位置信息實(shí)現(xiàn)路由。由于現(xiàn)在定位技術(shù)的發(fā)展,使得定位變得比以前簡(jiǎn)單,且其路由效率較高、代價(jià)小等優(yōu)點(diǎn),成為目前研究的熱點(diǎn)。本文將做重點(diǎn)介紹。

3.1 地理位置理由

文獻(xiàn)[17]提出路由矢量的地理路由VBF(Vector-Based Forwarding),該路由被認(rèn)為是第一個(gè)提出的水聲地理位置路由[16]。其基本思想是在源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)之間建立虛擬的圓柱形路由通道,只有在圓柱形路由通道內(nèi)的傳感節(jié)點(diǎn)可以轉(zhuǎn)發(fā)接收到的數(shù)據(jù)。它的缺點(diǎn)是該路由必須要一個(gè)虛擬的路由管道,在面對(duì)節(jié)點(diǎn)稀疏的情況下,可能導(dǎo)致虛擬管道內(nèi)沒有合適的路由。此外沒有考慮通信鏈路的質(zhì)量。

圖1 VBF 轉(zhuǎn)發(fā)示意圖

文獻(xiàn)[18]在文獻(xiàn)[17]的基礎(chǔ)上提出改進(jìn)的方案,由原來(lái)的只在源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)之間建立一個(gè)虛擬的圓柱形路由管道,變?yōu)樵诟鱾€(gè)轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)之間建立虛擬路由管道,并從虛擬轉(zhuǎn)發(fā)路由管道之間選取中繼轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)。HH-VBF在面對(duì)稀疏節(jié)點(diǎn)時(shí)數(shù)據(jù)包的交付率比VBF要好,它的缺點(diǎn)是虛擬管道的半徑對(duì)路由的性能有很大的影響,且塔吊開銷比VBF要大。

它的缺點(diǎn)是,在PBF路由中,僅僅根據(jù)距離大小判斷,沒有進(jìn)一步的篩選合適的轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn),會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)包的洪泛傳播,增大了網(wǎng)絡(luò)的開銷、數(shù)據(jù)包的沖突的概率。

圖2 PBF轉(zhuǎn)發(fā)示意圖

文獻(xiàn)[20]提出ACR(Annular Compass Routing)基于位置的水聲傳感網(wǎng)路由協(xié)議,其基本思想為基于貪婪路由協(xié)議。首先確定轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)的鄰居節(jié)點(diǎn),在獲得鄰居節(jié)點(diǎn)的位置后,根據(jù)各個(gè)鄰居節(jié)點(diǎn)與轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的夾角,選取夾角最小的作為轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)。它的缺點(diǎn)是要維護(hù)兩個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)表,造成很大的開銷。

圖3 ACR轉(zhuǎn)發(fā)示意圖

文獻(xiàn)[21]提出ARBDT(Adaptive Routing Protocol Based on Distance Threshold)路由協(xié)議,其基本思想為采用單路徑逐跳信息的傳輸方式,即源節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)包,逐跳傳向離目的更近的轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn),直至到達(dá)最終的目的節(jié)點(diǎn)。ARBDT路由在選取中間轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)時(shí)設(shè)置一個(gè)距離門限,只有當(dāng)轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)的距離到轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)符合轉(zhuǎn)發(fā)條件時(shí),才可以轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包。在該路由優(yōu)點(diǎn)是通過(guò)設(shè)置一個(gè)可調(diào)節(jié)的距離門限,在節(jié)點(diǎn)密集時(shí)增大距離門限,節(jié)點(diǎn)稀疏時(shí)減少距離門限,適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)變化,可以篩選合適的轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)。缺點(diǎn)是該路由在二維水聲網(wǎng)絡(luò)中使用。

文獻(xiàn)[22]提出SBR(Sector-Based Routing)協(xié)議,節(jié)點(diǎn)在發(fā)送數(shù)據(jù)之前通過(guò)發(fā)送控制包獲取鄰居的位置信息,并將發(fā)射區(qū)域劃分成k個(gè)扇區(qū)。不同扇區(qū)內(nèi)的節(jié)點(diǎn)按優(yōu)先級(jí)順序先后回應(yīng)位置信息,以減少控制包沖突。該路由的優(yōu)點(diǎn)是需要根據(jù)方向縮小了洪泛的范圍,但同時(shí)也增大了網(wǎng)絡(luò)的開銷。

圖4 ARBDT轉(zhuǎn)發(fā)示意圖

圖5 SBR轉(zhuǎn)發(fā)示意圖

在SBR路由的基礎(chǔ)上,針對(duì)密集型網(wǎng)絡(luò),文獻(xiàn)[23]提出了FBR(Focused Beam Routing)協(xié)議,該協(xié)議采用限定發(fā)射角度的方法選取轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn),減少控制包沖突的概率并降低了網(wǎng)絡(luò)的效能,但該方法要調(diào)整天線的發(fā)射角度。該路由的優(yōu)點(diǎn)是能適應(yīng)密集型網(wǎng)絡(luò),缺點(diǎn)是網(wǎng)絡(luò)的開銷也很大。

文獻(xiàn)[24]提出LCAD(Location Ba-sed Clustering Algorithm for Data Gathering) 路由,在LCAD中,將目標(biāo)水域劃分成一個(gè)一個(gè)的網(wǎng)格,在LCAD中每一個(gè)小網(wǎng)格大約為30m×40m×500,整個(gè)網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)分為3個(gè)步驟:第一步在每個(gè)小網(wǎng)格中選出一個(gè)簇頭;第二步在每個(gè)小網(wǎng)格中將要發(fā)送的數(shù)據(jù)發(fā)送給簇頭;第三步通過(guò)簇頭將數(shù)據(jù)發(fā)送到基站,完成轉(zhuǎn)發(fā)任務(wù)。該路由的優(yōu)點(diǎn)是在避免整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)洪泛,但缺點(diǎn)也很明顯:網(wǎng)格中的簇頭將消耗大量的電能,且劃分的網(wǎng)格中不能保證是否有節(jié)點(diǎn)。

文獻(xiàn)[25]作者提出了LARP(Location Based Adaptive Routing Protocol)在LARP中通過(guò)計(jì)算轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)鄰居節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)的距離導(dǎo)致的延遲和消耗的能量之間的權(quán)值,最后選取權(quán)值最小的節(jié)點(diǎn)作為下一個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)。該路由的優(yōu)點(diǎn)是考慮到節(jié)約能量,延長(zhǎng)節(jié)點(diǎn)的使用壽命。

文獻(xiàn)[26]中作者提出基本地理位置路由(Basic Geographic Routing, BGR),在BGR中,每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)將三維的水域劃分成8個(gè)區(qū)域。每個(gè)節(jié)點(diǎn)根據(jù)與各自鄰居節(jié)點(diǎn)之間的連線的夾角以及目的節(jié)點(diǎn)的地理位置信息來(lái)決定轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包的候選節(jié)點(diǎn)。該協(xié)議的優(yōu)點(diǎn)是在選取轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)時(shí),引入了候選節(jié)點(diǎn)的鄰居節(jié)點(diǎn)的數(shù)目,可以提高路由的轉(zhuǎn)發(fā)成果率。

文獻(xiàn)[27]中作者提出GEDAR(Geographic and opportunistic routing with Depth Adjustment-based topology control for communication Recovery over void regions),在該路由中,轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)根據(jù)計(jì)算鄰居節(jié)點(diǎn)距離目的節(jié)點(diǎn)距離和轉(zhuǎn)發(fā)的成功率在鄰居節(jié)點(diǎn)集中選取最優(yōu)的鄰節(jié)點(diǎn)作為下一個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)。該路由的優(yōu)點(diǎn)是考慮到解決路由空洞的問(wèn)題,缺點(diǎn)是在選取轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)時(shí),計(jì)算量很大。

4 比較和分析

一個(gè)理想的基于地理位置的水聲傳感網(wǎng)路由,能根據(jù)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)密度,在其鄰居節(jié)點(diǎn)中,選取最優(yōu)的節(jié)點(diǎn)作為下一個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)。其應(yīng)滿足下列要求:逐跳或優(yōu)先級(jí)轉(zhuǎn)發(fā)、高數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)率,無(wú)需維護(hù)路由、無(wú)特殊節(jié)點(diǎn)、能應(yīng)對(duì)網(wǎng)絡(luò)中的路由空洞。

在圖6中對(duì)各種地理位置路由進(jìn)行了比較。

圖6 各路由的比較

(1)從圖6中可以根據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)策略將列出的路由分為三類:洪泛式,逐跳式、優(yōu)先級(jí)。在洪泛式中,轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)只管將數(shù)據(jù)發(fā)送出去,接收到數(shù)據(jù)包的節(jié)點(diǎn),是否進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)由節(jié)點(diǎn)自己決定如VBF,HH-VBF。在一些洪泛路由限定了洪泛的范圍,提前進(jìn)行了初步篩選。在逐跳式中,由轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)根據(jù)規(guī)定的算法在發(fā)送數(shù)據(jù)包之前選取下一個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn),避免由洪泛帶來(lái)的巨大開銷代價(jià)是增加了計(jì)算量;

(2)目前提出的許多路由,更多的是應(yīng)用于三維水聲環(huán)境中,僅有少數(shù)特殊的情況是二維環(huán)境中;

(3)由于水聲環(huán)境的特殊性,無(wú)法像陸地使用的路由那樣要建立路由,并且維護(hù)路由。這樣減少了維護(hù)路由的開銷,但每次發(fā)送數(shù)據(jù)必須要根據(jù)新的節(jié)點(diǎn)位置信息,重新尋找合適的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā);

(4)路由空洞一直是網(wǎng)絡(luò)中面臨的難題,目前僅有少數(shù)的路由提出了探索性的解決方案,要很好的解決路由空洞還需要更多的研究。

(5)在當(dāng)前的研究中還沒能考慮到路由在安全性方面的要求。

5 結(jié)束語(yǔ)

水聲傳感網(wǎng)絡(luò)因其寬廣的應(yīng)用領(lǐng)域和巨大的應(yīng)用潛力受到高度的重視。本文對(duì)近年的水聲傳感網(wǎng)絡(luò)地理位置路由協(xié)議進(jìn)行了詳細(xì)的研究并介紹了各自的優(yōu)缺點(diǎn)。通過(guò)介紹目前出現(xiàn)的地理位置路由,可以更好的了解當(dāng)前水聲傳感網(wǎng)絡(luò)在此方面的最新進(jìn)展。

展望未來(lái)的研究,在地理位置路由協(xié)議中面臨普遍的路由空洞問(wèn)題。路由空洞是指在網(wǎng)絡(luò)中部分節(jié)點(diǎn)因能量使用完,造成節(jié)點(diǎn)失效的情況。但在目前的路由協(xié)議中,沒有提出有效的解決方法。對(duì)路由空洞問(wèn)題的解決,對(duì)于提高整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的性能具有很大的意義。

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DOI:10.3969/j.issn.1006-6403.2016.02.014

收稿日期:(2016-01-08)

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