文献标识码: A
DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.2017.01.030
中文引用格式: 唐伟萍,刘桂英. 水下无线传感网络中一种地理-机会的混合路由[J].电子技术应用,2017,43(1):114-117.
英文引用格式: Tang Weiping,Liu Guiying. A geographic-opportunistic hybrid routing for underwater wireless sensor networks[J].Application of Electronic Technique,2017,43(1):114-117.
0 引言
声通信已成为水下传感网络(Underwater Wireless Sensor Networks,UWSNs)[1]的唯一有效的通信方式。通过传感节点实时地收集海洋数据,实现监测海洋目的[2]。据此,路由协议已成为UWSNs的研究重点。
研究人员对UWSNs已进行了大量的研究,并提出不同的路由策略。XIE P等[3]提出了DBR(Depth-based routing)路由。DBR路由通过节点在水下的位置传输数据包,总是优先选择离水面更近的节点作为数据包转发节点。而YAN H等[4]提出了基于虚“路由管”的VAPR路由。一旦接收了数据包,就计算转发距离[5],若小于门限值就转发,否则丢弃。然而,一旦节点密度增加,VAPR路由策略加大了网络能量消耗。为此,NOH Y等[6]提出VAPR的改进协议,降低能耗,并增强应对路由空洞的能力。
然而,这些路由协议只在片面地追求路由的某一方面性能,而未能充分利用UWSNs的信道特性。此外,地理位置路由的核心在于下一跳转发节点的选择策略,若能择优选择转发节点,就能有效地避开路由空洞。为此,本文提出了新的地理-机会路由协议(Geographic and Opportunistic Hybrid Routing,GOHR)。仿真数值证实,提出的GOHR协议提高了数据包传递率,并降低冗余数据包。
1 GOHR路由
假定N表示整个网络的节点集,即N=Nn∪Ns,其中为声纳浮标(信宿)集。每个节点的通信半径为rc,且它们具有低带宽声通信能力。而信宿不但具有声通信能力,还具有射频通信能力。
1.1 候选转发节点集
一旦源节点(假定为节点ni)需要向目的节点(假定为节点sθ)传输数据包,ni就从它的邻居节点集Ni(t)搜索离自己最远和最近的信宿,即则节点ni的候选转发节点集Γi:
1.2 转发节点簇
为了选择最优的节点作为数据包的转发节点,节点ni需进一步从Γi中挑选一部分节点构成转发节点簇Ψ[7,8]。
对于节点nc∈Γi,首先计算它的归一化权重值NADV(nc):
1.3 簇期望权重值
完成了簇划分后,再依据式(3)计算每个簇的权重值EPA[9]。最终,选择最大的EPA簇内节点转发数据包。
1.4 数据包传递概率
下面推导对于任意一对相距为d的节点,其传输m bit的数据包传递概率p(m,d)的表达式。依据文献[10,11],水下无障碍物的路径损耗为:
其中Ed、Ed分别表示单位比特的平均能量消耗、噪声功率密度,且均为常数。
引用瑞利衰落模型,信噪比SNR的概率分布为:
本文采用BPSK调制模式,长为d的路径的比特误码概率为可定义为:
1.5 定时器设置
其中na为接收节点,nb为发送节点,s为水下声信号的传播时间。
综上所述,整个GOHR协议传输数据包流程如图1所示。
2 性能分析
选择1 500 m×1 500 m×1 500 m的水下无线传感网络作为研究区域,借助MATLAB R2012b工具进行仿真,并分析仿真数据。区域内有45个声纳浮标,即|Ns|=45。而水下传感节点数从150~450变化,传感节点的通信半径rc=250 m。每个节点的数据包产生率服从泊松分布,且参数λ=0.15 pkts/min。数据率为50 kb/s。每次实验独立重复进行100次,取平均值作为最终的仿真数据。
2.1 数据包传递率
首先,分析数据包传递率随节点数变化情况,如图2所示。从图2可知,节点数越多,数据包传递率越高。原因在于:节点数越多,参与路由的节点就越多,相应地,路由也就越稳定。
此外,相比于DBR和VAPR,GOHR路由的数据包传递率得到有效地提升。这主要是因为GOHR路由建立稳定的转发节点簇,并使得簇内节点能够彼此监听各自的行为。例如,当节点数为450时,GOHR路由的数据包传递率为0.82,而DBR和VAPR路由只有0.6和0.65。
2.2 冗余数据包数
接下来,分析冗余数据包数随节点数的变化情况,如图3所示。相比于DBR和VAPR路由,GOHR具有最低的冗余数据包数。从图3可知,当节点数为300时,GOHR路由只产生了2个冗余包,而DBR和VAPR分别产生了8个、6个。原因在于:DBR采用了多径传输策略,又没有引用抑制冗余数据包机制;而VAPR未能实现低权重值节点监听高权重值的节点的功能,这必然增加冗余数据包数。
2.3 端到端传输时延
最后,分析了端到端传输时延随节点数的变化情况,如图4所示。GOHR和VAPR的平均时延高于DBR。结合图2、3可知,GOHR和VAPR路由是高的传输时延换取了高的数据包传递率和低冗余数据包数。即通过机会路由提高了数据包传输率,增加了传输时延。而与VAPR相比,GOHR路由的时延得到有效的下降。
3 结束语
本文针对水下无线传感网络的数据传输问题,提出基于地理-机会的混合路由GOHR。GOHR在转发数据包时,不是选择一个转发节点,而是选择一个簇,即转发节点簇。GOHR通过先将节点划分簇,再计算每个簇的权重值,最后将具有最大权重值的簇作为转发节点簇。同时,GOHR考虑了冗余数据包问题,因此引用时延机制抑制数据包冗余问题。实验数据证明,提出的GOHR路由提高了数据传输能力。
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作者信息:
唐伟萍1,刘桂英2
(1.广西电力职业技术学院 汽车与
交通系,广西 南宁530007;2.广西师范学院 职业技术教育学院,广西 南宁530001)