摘  要： DBR協(xié)議是水下無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的一個(gè)基于深度信息的路由協(xié)議,，該協(xié)議算法采用節(jié)點(diǎn)的深度信息作為轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)的依據(jù)，并通過(guò)簡(jiǎn)單廣播的形式來(lái)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù),。提出了改進(jìn)算法,，引入了局部更新概念，從而增強(qiáng)了DBR協(xié)議的節(jié)能效果,，并且在一定程度上防止路由空洞,。仿真結(jié)果表明，改進(jìn)后的DBR協(xié)議能有效地減少網(wǎng)絡(luò)耗能,，并且沒有出現(xiàn)路由空洞,。

　　關(guān)鍵詞： 水聲傳感器網(wǎng)絡(luò)；DBR,；局部更新

　　無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由密集型,、低成本,、隨機(jī)分布的集成有傳感器、數(shù)據(jù)處理單元和短程無(wú)線通信模塊的微小節(jié)點(diǎn)通過(guò)自組織方式構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)[1],。借助節(jié)點(diǎn)中內(nèi)置,、形式多樣的傳感器可以實(shí)現(xiàn)對(duì)生活環(huán)境全方位地監(jiān)測(cè)與控制，這也是下一代互聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)景規(guī)劃中較為重要的組成部分,。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的自組織性和密集節(jié)點(diǎn)提供的容錯(cuò)能力,，使其不會(huì)因?yàn)槟承┕?jié)點(diǎn)的異常而導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)的崩潰，非常適合在特殊時(shí)刻,、特殊環(huán)境中快速構(gòu)建信息基礎(chǔ)設(shè)施,，因此有廣闊的應(yīng)用前景[2-3]。

　　水聲傳感器網(wǎng)絡(luò)是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)在水下一個(gè)重要應(yīng)用[4],。水聲傳感器網(wǎng)絡(luò)是指將耗能低,、具有一定通信距離的水下傳感器節(jié)點(diǎn)部署到指定海域中，利用節(jié)點(diǎn)的自組織能力自動(dòng)建立起網(wǎng)絡(luò)[5],。水下傳感器網(wǎng)絡(luò)在海洋管理,、資源保護(hù)、災(zāi)害監(jiān)測(cè),、海洋工程,、海上生產(chǎn)作業(yè)和海洋軍事活動(dòng)中起到促進(jìn)作用，因此近年來(lái)在世界上得到了廣泛關(guān)注,。

　　由于水聲傳感器網(wǎng)絡(luò)采用水聲信道通信,，它與傳統(tǒng)的陸上傳感器網(wǎng)絡(luò)相比存在路徑失效、噪聲,、多途干擾,、傳輸延時(shí)和多普勒效應(yīng)等一系列問題。此外,，由于在水聲環(huán)境中節(jié)點(diǎn)的位置會(huì)不停地移動(dòng)以及在水聲環(huán)境中節(jié)點(diǎn)不便于更換,，因此節(jié)點(diǎn)部署、定位和低功耗設(shè)計(jì)等問題是水聲傳感器網(wǎng)絡(luò)研究的熱點(diǎn)問題?，F(xiàn)存的陸上傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議不能直接應(yīng)用到水下傳感器網(wǎng)絡(luò)中,，需要找到針對(duì)水聲通信特點(diǎn)的有效而又可行的路由協(xié)議。

　　DBR（Depth Based Routing）[6]協(xié)議是水下傳感器網(wǎng)絡(luò)中的一個(gè)基于深度信息的路由協(xié)議,，網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)的決定都取決于節(jié)點(diǎn)的深度信息,。相對(duì)于其他基于地理位置信息的水下傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議，DBR不需要知道節(jié)點(diǎn)三維位置信息,，只需要知道節(jié)點(diǎn)的局部深度信息。同時(shí),，DBR采用的是多Sink節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),，繼承了此網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的特點(diǎn)并且未帶來(lái)額外的網(wǎng)絡(luò)成本,。但是它采用洪泛傳播機(jī)制，多次計(jì)算深度信息會(huì)消耗網(wǎng)絡(luò)能耗,；其次,，DBR中如果節(jié)點(diǎn)之間的密度太小，可能出現(xiàn)路由空洞等問題,。

　　本文主要在DBR協(xié)議的基礎(chǔ)上展開研究,，提出一種基于局部更新策略的協(xié)議改進(jìn)機(jī)制，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明了采用局部更新策略可以大大降低整個(gè)傳感器網(wǎng)絡(luò)的能量消耗,。

　　1 DBR簡(jiǎn)介

　　DBR采用的是多Sink節(jié)點(diǎn)水下無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)[7],，它由水面上的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)和水下無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)兩部分組成，二者結(jié)合為一個(gè)整體網(wǎng)絡(luò),。

　　DBR采用貪婪轉(zhuǎn)發(fā)策略將數(shù)據(jù)包發(fā)送給水面的Sink節(jié)點(diǎn)[8],。DBR每次轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)時(shí)試圖選擇離目的節(jié)點(diǎn)最近的節(jié)點(diǎn)，即深度最小的節(jié)點(diǎn)為下一跳轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn),；同時(shí)防止其他鄰節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)同樣的數(shù)據(jù)包來(lái)減小能耗,。在整個(gè)過(guò)程中，數(shù)據(jù)包越接近目的節(jié)點(diǎn),，轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)的深度越小,。在空洞不存在的情況下，如果減小每一跳轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)的深度,，數(shù)據(jù)包可以到達(dá)水面Sink節(jié)點(diǎn),。當(dāng)某個(gè)節(jié)點(diǎn)有數(shù)據(jù)要發(fā)送時(shí)，簡(jiǎn)單地通過(guò)廣播洪泛的形式將數(shù)據(jù)發(fā)送出去,。其他節(jié)點(diǎn)收到數(shù)據(jù)之后,，借助于深度傳感器來(lái)計(jì)算自身的深度信息并且與發(fā)送節(jié)點(diǎn)的深度作比較。如果其深度小于發(fā)送節(jié)點(diǎn)的深度,，則具有轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)的資格,，然后它將對(duì)收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的處理，并同樣通過(guò)廣播形式將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)出去,，否則將簡(jiǎn)單丟棄數(shù)據(jù)包,。

　　DBR在能量控制方面主要存在以下缺陷：(1)在DBR中，所有的節(jié)點(diǎn)都要時(shí)刻保持工作狀態(tài),，隨時(shí)準(zhǔn)備好接收數(shù)據(jù)包并且做出相應(yīng)的處理工作,，在節(jié)點(diǎn)密度較大的情況下，這使得能量白白消耗,，縮短了網(wǎng)絡(luò)的生存周期,；(2)數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)采用的是洪泛機(jī)制，如果每個(gè)節(jié)點(diǎn)都參與數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā),，將增加網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜度,，產(chǎn)生大量的冗余數(shù)據(jù),，導(dǎo)致過(guò)多的節(jié)點(diǎn)能量消耗，并且降低了網(wǎng)絡(luò)的寬帶利用率,。同時(shí),，所有接到數(shù)據(jù)包的節(jié)點(diǎn)每次都計(jì)算自己的深度信息，同樣耗能,。

　　2 引入局部更新后的改進(jìn)算法

　　在傳統(tǒng)的DBR協(xié)議傳感器網(wǎng)絡(luò)中,，滿足深度小于當(dāng)前節(jié)點(diǎn)條件的鄰居節(jié)點(diǎn)都會(huì)參與到數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā)工作中，這不可避免地造成多個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)轉(zhuǎn)發(fā)相同數(shù)據(jù)包,，造成數(shù)據(jù)冗余和能耗,。本文針對(duì)DBR協(xié)議提出一種局部更新策略來(lái)減少DBR的能量消耗。

　　2.1 網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)

　　基于局部更新策略的DBR改進(jìn)機(jī)制采用多Sink節(jié)點(diǎn)體系結(jié)構(gòu),，如圖1所示,。水面上的為Sink節(jié)點(diǎn)，水下的為一般的傳感器節(jié)點(diǎn),，以三維立體結(jié)構(gòu)部署在需要監(jiān)測(cè)的區(qū)域內(nèi),。Sink節(jié)點(diǎn)彼此之間采用RF調(diào)制解調(diào)器通信，包括將數(shù)據(jù)傳到基站,；同時(shí),，應(yīng)用水聲調(diào)制解調(diào)器將接收到的水下節(jié)點(diǎn)的信息傳送至基站。每個(gè)水下節(jié)點(diǎn)都配備深度傳感器,，可以隨時(shí)確定自己的深度信息,。水下節(jié)點(diǎn)主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的采集，同時(shí)通過(guò)多次轉(zhuǎn)發(fā)最終將數(shù)據(jù)傳送至海面上任意一個(gè)Sink節(jié)點(diǎn)即可,。通過(guò)RF調(diào)制解調(diào)器,，Sink節(jié)點(diǎn)可以高速、準(zhǔn)確地將數(shù)據(jù)包傳送給靠近基站的Sink節(jié)點(diǎn),，最終成功將數(shù)據(jù)傳至基站,。本文中設(shè)定將數(shù)據(jù)傳至任意一個(gè)Sink節(jié)點(diǎn)即認(rèn)為數(shù)據(jù)成功到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)。

　　2.2 改進(jìn)算法工作機(jī)制

　　在網(wǎng)絡(luò)部署初期,，初始節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)時(shí),，通過(guò)簡(jiǎn)單的洪泛廣播來(lái)轉(zhuǎn)發(fā)，所有節(jié)點(diǎn)深度比它小的節(jié)點(diǎn)可以進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā),，并且通知前一節(jié)點(diǎn)自己進(jìn)行了轉(zhuǎn)發(fā),；上一級(jí)節(jié)點(diǎn)將返回的信息存儲(chǔ)在一個(gè)消息隊(duì)列中，每隔一段時(shí)間t處理一次,，具體為隨機(jī)選取隊(duì)列中的部分節(jié)點(diǎn)并發(fā)送關(guān)閉消息來(lái)使其關(guān)閉休眠,，其余節(jié)點(diǎn)繼續(xù)參與整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的轉(zhuǎn)發(fā)工作。這樣,，在經(jīng)過(guò)幾輪的轉(zhuǎn)發(fā)過(guò)程之后,，網(wǎng)絡(luò)中會(huì)有相當(dāng)一部分節(jié)點(diǎn)處在睡眠狀態(tài),，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的能量消耗減少。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中的某一節(jié)點(diǎn)能量快要耗盡時(shí),，它將發(fā)送警告信息通知它的上一跳節(jié)點(diǎn)，上一跳節(jié)點(diǎn)將會(huì)洪泛一個(gè)消息喚醒它睡眠的鄰居節(jié)點(diǎn)再次參與到網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳送工作中來(lái),。節(jié)點(diǎn)處理數(shù)據(jù)具體流程如圖2所示,。

　　對(duì)于水下網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)而言，可以大致分為3類,，如圖3所示,。圖中實(shí)線表示傳送數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)路徑，虛線為返回上級(jí)信息包路徑,。源節(jié)點(diǎn)向外洪泛數(shù)據(jù)包后,，只有深度比該節(jié)點(diǎn)小的鄰居節(jié)點(diǎn)會(huì)將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)出去并向上級(jí)發(fā)送確認(rèn)信息；而源節(jié)點(diǎn)處理消息隊(duì)列后隨機(jī)產(chǎn)生的睡眠節(jié)點(diǎn)將不再參與此次數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā)工作,。

　　由于水下無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)處在水聲環(huán)境中,，因此每個(gè)節(jié)點(diǎn)的位置不是固定不變的。因?yàn)楸疚牡乃惴〞?huì)關(guān)閉部分節(jié)點(diǎn)來(lái)達(dá)到節(jié)能的目的,，所以不可避免地會(huì)遇到路由空洞的問題,。在此提出一個(gè)解決方法：由于存在多個(gè)節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，當(dāng)某一節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)無(wú)法再轉(zhuǎn)發(fā)出去時(shí)不能說(shuō)明整個(gè)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境一定存在路由空洞,。解決思路為：將數(shù)據(jù)包回退至第一個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)超過(guò)2個(gè)節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn),，并保留一段時(shí)間t，如在時(shí)間t內(nèi)沒有接收到另外幾路分支的回退數(shù)據(jù),，則說(shuō)明其中有一條分支是可以走通,，將空洞分支中的所有節(jié)點(diǎn)關(guān)閉并將回退數(shù)據(jù)舍棄；如果同樣收到其余分支的回退數(shù)據(jù),，說(shuō)明此節(jié)點(diǎn)不通,，將所有下游節(jié)點(diǎn)全部關(guān)閉并將數(shù)據(jù)回退到上一節(jié)點(diǎn)再繼續(xù)檢測(cè)，依次往復(fù),。如果數(shù)據(jù)回退到最下層節(jié)點(diǎn),，則說(shuō)明整個(gè)水下傳感器網(wǎng)絡(luò)存在路由空洞，這時(shí)可以簡(jiǎn)單地洪泛一條消息來(lái)將所有節(jié)點(diǎn)喚醒,，并開始重新生成優(yōu)化網(wǎng)絡(luò),。

　　3 仿真結(jié)果

　　本文采用MATLAB來(lái)仿真分析傳統(tǒng)DBR路由協(xié)議和基于局部更新的改進(jìn)后協(xié)議的性能，通過(guò)在相同環(huán)境下比較二者性能來(lái)驗(yàn)證改進(jìn)算法的有效性,，重點(diǎn)觀察整個(gè)網(wǎng)絡(luò)在正常工作一段時(shí)間后,，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中的傳感器的平均剩余能量。

　　節(jié)點(diǎn)隨機(jī)部署在500 m×500 m×500 m的三維區(qū)域中,，水面Sink節(jié)點(diǎn)數(shù)量為5,，假設(shè)節(jié)點(diǎn)在所有場(chǎng)景中都是靜止的,，MAC層采用802.11算法，信道帶寬設(shè)為1 Mb/s,，數(shù)據(jù)分組的大小為4 KB,，節(jié)點(diǎn)的初始能量為1 000 J，傳送和接收數(shù)據(jù)分組消耗1 J,。

　　能耗比較示意圖如圖4所示,。可以看出,，隨著節(jié)點(diǎn)數(shù)目的增多,，由于采用了局部更新算法，非必要傳輸節(jié)點(diǎn)會(huì)關(guān)閉節(jié)點(diǎn)以減小能耗,，改進(jìn)DBR算法平均耗能明顯小于傳統(tǒng)DBR,。

　　傳輸率比較示意圖如圖5所示。隨著網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)數(shù)量的增加,，出現(xiàn)路由空洞機(jī)率減小,，改進(jìn)前DBR與改進(jìn)后協(xié)議的傳輸正確率均有提高；而在相同情況下,，改進(jìn)后協(xié)議比傳統(tǒng)DBR有明顯優(yōu)勢(shì),。

　　本文研究了一個(gè)基于深度信息的路由協(xié)議DBR，在此基礎(chǔ)上提出了一個(gè)新的局部更新策略,，并將兩者結(jié)合運(yùn)用于水聲傳感器網(wǎng)絡(luò),。實(shí)驗(yàn)表明，改進(jìn)后的算法大大降低了整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的能量消耗,，并且提高了傳輸率,，達(dá)到了比較良好的性能。

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