基于地理—机会的水下无线传感网的混合路由

徐晓晖+吴立华+张春海

摘 要： 水下无线传感网络UWSNs被认为是监测海洋最有前景的技术。然而，声信道特性给UWSNs的数据采集提出了挑战。提高UWSNs数据采集效率的有效方式就是融合水下声通信和高动态网络拓扑的特性，设计高性能的路由协议。为此，提出基于地理?机会的水下无线传感网的混合路由，记为GOHR。在GOHR协议中，源节点先计算候选转发节点集，并计算集内每个节点的归一化权重值，再依据归一化权重值对集内节点进行排序，并形成转发节点簇。然后，计算每个簇的期望权重值，最后，选择期望权重值最大的簇内节点作为数据包转发节点。为了避免簇内节点转发数据包时发生碰撞，设置定时延时转发机制。仿真结果表明，提出的GOHR协议提高了数据包传递率，降低了数据包的传输时延。

关键词： 水下无线传感网； 地理路由； 机会路由； 声通信； 候选转发集

中图分类号： TN911?34； TP393 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2017）13?0017?05

Abstract： The underwater wireless sensor networks （UWSNs） are known as the most perspective technology to monitor and explore the oceans. The challenge of acoustic channel characteristics for UWSNs data collection is put forward. The effective way to improve the UWSNs data acquisition efficiency is the fusion of the characteristics of the underwater acoustic communication with highly?dynamic network topology， and design of the high?performance routing protocol. Therefore a geographic and opportunistic hybrid routing （GOHR） for UWSNs is proposed. In which， the source node is used to calculate the candidate forwarding node set， and the normalized weighted value of each node in the set. The node in the set is sorted according to the normalized weighted value to form the forwarding node cluster. The expected weighted value of each cluster is calculated. The cluster node with the highest expected weighted value is selected as the forwarding node of the data package. In order to void the collision when the data package is forwarded for the cluster node， the timing?delay forwarding mechanism is set. The simulation results show that the GOHR protocol can improve the transfer rate of data package， and reduce the transmission delay of data package.

Keywords： underwater wireless sensor network； geographic routing； opportunistic routing； acoustic communication； candidate forwarding set

0 引 言

由于海洋孕育了海量的生命以及隐含了大量的有助于人类社会发展的信息，用于探测水体环境的水下无线传感网络UWSNs（Underwater Wireless Sensor Networks）受到广泛关注[1]。目前，UWSNs在各类应用中广泛使用，如海洋生物的监测、污染物含量的检测、地震勘测等。

目前，声通信被认为是UWSNs水下通信的惟一有效的通信模式。高频率的无线电波容易被水吸收，并且光波遭受严重的散射，无线射频通信只限于短距离的可视化应用。然而，与无线射频通信相比，水下声通信信道易引起大、可变的时延，原因在于水下声速约为m/s，而光速为m/s。此外，水下声通信还存在数据包丢失、高噪声等问题[2]。据此，路由协议已成为UWSNs的研究重点。

具有简单、易可扩展的地理位置路由协议被认为是UWSNs最有效的路由协议之一[3?6]。地理位置路由无需建立、维护源节点至目的节点的路径，只依据局部信息建立路由。在每一跳，将离目的节点最近的邻居节点作为局部最优的下一跳转发节点。此外，由于地理位置路由具有好的可扩展性，易与机会路由相结合，形成地理?机会路由OR（Geo?Opportunistic Routing）混合协议，进而提高数据传输率。

文献[3]提出的基于深度路由DBR（Depth?based Routing）是水下传感网络的经典路由协议。DBR利用节点的深度信息并结合贪婪算法传输数据包，使得数据包能够传输至位于水面上的多个信宿节点。一旦接收了数据包，如果离水面更近，节点就成了转发数据包的候选节点，否则就丢弃数据包。文献[4]提出VBF路由协议。在VBF中，数据包沿着预设的虚“路由管”传输数据包。当接收了一个数据包，节点就计算离转发矢量的距离，如果小于预设的门限值，就转发数据包，否则丢弃。从VBF路由策略不难发现，如果网络密度较高，将有较多节点参与转发阶段，尽管这提供了多冗余路径，提高了数据包传输率，但是，增加了能量消耗。为此，文献[6]对VBF协议进行修改，并增加了应对路由空洞的策略。上述的这些路由协议只改善路由协议的某一方面的性能，但并没有充分考虑水下传感网络信道的特性。同时，地理位置路由协议的关键在于选择下一跳转发节点，若能够选择最佳的转发节点，就能够有效地避免路由空洞，提高路由性能。