高等計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)論文

1、水下傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議研究專業(yè)：計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)姓名：周芳學(xué)號：2015216140天津大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院二零一六年一月摘要zhaoo zhao 水下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由一系列具有聲學(xué)通信能力和計(jì)算能力的傳感器節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的水下檢測網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，在海洋資源勘測，水污染檢測、海洋地震監(jiān)控、戰(zhàn)術(shù)監(jiān)視等領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用前景。近些年來，有關(guān)水下傳感器網(wǎng)絡(luò)方面的研究已經(jīng)引起各國政府和研究機(jī)構(gòu)的廣泛關(guān)注，成為當(dāng)前研究熱點(diǎn)之一。水下傳感器網(wǎng)絡(luò)依靠聲音進(jìn)行通信，聲音在水中的傳播速度較低，數(shù)據(jù)往往通過多個中間節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)發(fā)才能傳輸?shù)交?。由于水聲網(wǎng)絡(luò)本身具有能量受限、高延遲、低帶寬、信號衰減、信道質(zhì)量依環(huán)境變化等特點(diǎn)，

2、使得水下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中路徑選擇的研究面臨巨大挑戰(zhàn)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)不同的特點(diǎn), 且與應(yīng)用高度相關(guān)。傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)及移動自組織網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議不能有效地用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò), 因而研究人員提出了眾多的路由協(xié)議。在介紹了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)及路由協(xié)議設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問題之后, 總結(jié)分析了現(xiàn)存的路由協(xié)議的分類方法, 并對各類路由協(xié)議從路由策略、路由協(xié)議的特點(diǎn)、性能等多方面進(jìn)行了對比分析, 指出了各類路由協(xié)議的優(yōu)缺點(diǎn)及其包含的路由協(xié)議。關(guān)鍵字：水下傳感器網(wǎng)絡(luò)，路由協(xié)議，路徑選擇目錄1 緒論.12 水下傳感器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?32.1研究現(xiàn)狀.53 水下網(wǎng)絡(luò)協(xié)議分析.73.1基于深度信息的水下路由協(xié)議.73.2無

3、線傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC 協(xié)議的分析.83.3 VBF路由協(xié)議.103.4 HHVBF路由協(xié)議.134 路由協(xié)議的性能比較.165研究展望 .17參考文獻(xiàn) .171 緒論地球表面的 70%都是海洋，隨著近年來各國對海洋資源開發(fā)的加快，需要對海洋環(huán)境、地質(zhì)變化、海洋資源等進(jìn)行長時間連續(xù)穩(wěn)定的監(jiān)測，因此研究人員對水下信息傳輸技術(shù)的研究越來越重視。由于電磁波在海水中的衰減非常大，而聲波在水中具有更好的傳播性，使得聲音成為水下通信技術(shù)的較好選擇。水下聲學(xué)傳感器網(wǎng)絡(luò)是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的一種典型應(yīng)用，它通常是由水下傳感器節(jié)點(diǎn)、海面的Sink節(jié)點(diǎn)和地面接收基站組成的通信網(wǎng)絡(luò)，水下傳感器網(wǎng)絡(luò)隨機(jī)或者固定地分布于目

4、標(biāo)監(jiān)測區(qū)域，水聲傳感器節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)采集數(shù)據(jù)，并通過多跳的方式傳輸至海面Sink節(jié)點(diǎn)，Sink節(jié)點(diǎn)通過無線網(wǎng)絡(luò)接入到主干網(wǎng)，研究人員可以通過該網(wǎng)絡(luò)從傳感器節(jié)點(diǎn)獲取采集到的數(shù)據(jù)如圖1.1，或者通過修改傳感器的配置達(dá)到控制網(wǎng)絡(luò)的目的。圖 1.1 源節(jié)點(diǎn)向水面發(fā)送報文水下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Underwwater Wireless Sensor Network，UWSN）是指由具有聲學(xué)通信與計(jì)算能力的傳感器節(jié)點(diǎn)所構(gòu)成的水下檢測網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。通過把具有低能耗、能夠在一定距離內(nèi)通信的傳感器節(jié)點(diǎn)分布到指定的海域中，節(jié)點(diǎn)利用傳感器對其所屬的網(wǎng)絡(luò)分布水域內(nèi)的信息進(jìn)行監(jiān)測和信息采集，經(jīng)過對信息進(jìn)行數(shù)據(jù)融合與數(shù)據(jù)壓縮的處理之后

5、，通過其他的傳感器節(jié)點(diǎn)，將采集到的信息送到部署在水面上或者岸邊的基站。針對具體的應(yīng)用，如海洋資源勘測，水污染檢測、海洋地震監(jiān)控、戰(zhàn)術(shù)監(jiān)視等，水下傳感器節(jié)點(diǎn)可以以不同的部署方式在復(fù)雜多變的海洋環(huán)境中對完成海洋狀況的監(jiān)測。水下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能夠?yàn)楹Ｑ蟓h(huán)境保護(hù)、海洋資源開發(fā)與利用、自然災(zāi)害監(jiān)測、船舶航行、海洋工程和海洋軍事活動等提供高效的技術(shù)設(shè)備和信息交換平臺。所以，研究水下傳感器網(wǎng)絡(luò)具有非常深遠(yuǎn)的意義。作為海洋科學(xué)研究的一種強(qiáng)大技術(shù)支持和手段，水下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有非常廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域56。這些應(yīng)用可以被大體歸納為以下三類：（1）海洋監(jiān)測與災(zāi)害預(yù)警。水下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可以對海洋執(zhí)行污染監(jiān)測（如化學(xué)污

6、染，生物污染、核污染等）、洋流監(jiān)測、海洋生物監(jiān)測（如對魚類或微生物進(jìn)行跟蹤）、海底地震監(jiān)測、海嘯災(zāi)害預(yù)警等。通過對海洋生物的監(jiān)測，能夠了解解和預(yù)測人類活動對海洋生態(tài)系統(tǒng)所造成的影響。通過對海洋行為表現(xiàn)的持續(xù)監(jiān)測，及時進(jìn)行海嘯或地震等災(zāi)害預(yù)警，從而能夠大大避免由災(zāi)害造成的人力及物力大的損失。（2）資源探索。主要是指探索和有效利用海洋資源。海洋蘊(yùn)含有豐富的礦物質(zhì)資源，水下傳感器網(wǎng)絡(luò)可以采集海洋油氣資源勘探所需的數(shù)據(jù)信息，確定水下油田的位置，鋪設(shè)海底電纜，并協(xié)助勘探有價值的礦物質(zhì)資源。（3）軍事應(yīng)用。在國防軍事領(lǐng)域，水下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的傳感器節(jié)點(diǎn)通常分布于海底或者海水中，傳感器節(jié)點(diǎn)之間可以進(jìn)行協(xié)同

7、監(jiān)視，根據(jù)收集到的信息進(jìn)行目標(biāo)偵察與目標(biāo)定位，從而對進(jìn)入特定海域的軍事設(shè)備進(jìn)行及時有效地發(fā)現(xiàn)與監(jiān)控。172 水下傳感器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渌聜鞲衅骶W(wǎng)絡(luò)拓?fù)溲芯渴且粋€開放性的研究領(lǐng)域，對于不同的海洋環(huán)境和應(yīng)用要求需采用不同的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。目前廣泛采用的水下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲饕卸S、靜態(tài)三維、三維帶AUV三種如圖。圖2.1水聲傳感器網(wǎng)絡(luò)二維網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖2.2水聲傳感器網(wǎng)絡(luò)靜態(tài)三維網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)二維靜態(tài)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲械亩S是指獲得的信息維數(shù)。水下傳感器節(jié)點(diǎn)固定在海底，根據(jù)不同的成簇策略傳感器節(jié)點(diǎn)自組形成簇，水下節(jié)點(diǎn)采集的信息監(jiān)測的數(shù)據(jù)經(jīng)由水平鏈路直接或多跳傳送給簇頭節(jié)點(diǎn)，簇頭節(jié)點(diǎn)將融合的數(shù)據(jù)經(jīng)垂直鏈路傳送給水

8、面中繼站或船基接收站，然后與岸基接收站或通訊衛(wèi)星進(jìn)行通信。三維靜態(tài)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞乃鹿?jié)點(diǎn)通過錨鏈被固定在海底，通過調(diào)整錨鏈的長度使節(jié)點(diǎn)分布在不同深度，監(jiān)測一定區(qū)域的、不同深度的海洋環(huán)境信息，每個節(jié)點(diǎn)必須能夠中繼信號發(fā)送給水面匯聚節(jié)點(diǎn)，因此要求每個節(jié)點(diǎn)到水面中繼站至少有一條鏈路存在，它比二維網(wǎng)絡(luò)更好的獲得水下采樣。三維帶AUV 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涫菍θS靜態(tài)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞臄U(kuò)充。AUV可以到達(dá)海洋中的不同深度，AUV將采集、監(jiān)測到的數(shù)據(jù)發(fā)送給水底的傳感器網(wǎng)絡(luò)，經(jīng)由水下節(jié)點(diǎn)發(fā)送到水面。圖2.3水下傳感器網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)2.1研究現(xiàn)狀水面網(wǎng)關(guān)主要負(fù)責(zé)水下網(wǎng)絡(luò)與陸地?zé)o線網(wǎng)絡(luò)的通信。因此水面網(wǎng)關(guān)不僅要有聲調(diào)制解調(diào)器，用于水聲網(wǎng)絡(luò)通

9、信，而且要有無線調(diào)制解調(diào)器與衛(wèi)星或岸基的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信。水面網(wǎng)關(guān)可以是以浮標(biāo)為載體，也可以以水面艦船為載體。傳統(tǒng)的水下傳感器網(wǎng)絡(luò)通常部署單個水面網(wǎng)關(guān)，然而對于大范圍、節(jié)點(diǎn)數(shù)目龐大的應(yīng)用場合，水下多條路由會帶來巨大的傳輸延遲。近年來有的學(xué)者提出了多水面網(wǎng)關(guān)的研究思路來解決高延遲和能耗的問題。同陸上傳感器網(wǎng)絡(luò)一樣，路由協(xié)議是水下傳感器網(wǎng)絡(luò)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(diǎn)和水面轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)間建立一條數(shù)據(jù)傳輸路徑。目前陸上傳感器網(wǎng)絡(luò)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、以SPIN 為代表的平面路由協(xié)議、以LEACH 為代表的分層路由協(xié)議、以SPEED 為代表的基

10、于QoS 的路由協(xié)議等。但是大部分陸上無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議不適合水下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，主要原因如下。（1）水下聲學(xué)通信環(huán)境極為惡劣水下聲學(xué)通信是目前唯一有效的水下通信方式，但水下聲學(xué)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(luò)路由協(xié)議設(shè)計(jì)時不曾也不需要考慮的。另外，大部分陸上傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議發(fā)送數(shù)據(jù)前需要進(jìn)行相關(guān)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(diǎn)是否需要該數(shù)據(jù)，或者直接使用洪泛技術(shù)，這些方法嚴(yán)重消耗節(jié)點(diǎn)能量，而水下傳感器

11、網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)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(shè)計(jì)其路由協(xié)議時要考慮的首要問題。（2）水下傳感器網(wǎng)絡(luò)三維拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的動態(tài)變化陸上傳感器網(wǎng)絡(luò)以二維形式為主，顯然水下傳感器網(wǎng)絡(luò)是三維形式的，由于節(jié)點(diǎn)會隨洋流浮動，導(dǎo)致水下傳感器網(wǎng)絡(luò)三維拓?fù)涞膭討B(tài)變化。目前在國外一些水下傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究中， 將水下節(jié)點(diǎn)下錨固定以應(yīng)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(luò)。筆者認(rèn)為，真正意義上的水下傳感器網(wǎng)絡(luò)除了網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)漂浮在水面外， 其大量水下節(jié)點(diǎn)應(yīng)可以直接布撒到預(yù)定海域，然后懸浮在水下各個深度進(jìn)入工作狀態(tài)。水下路由最理想的狀況是水下各個節(jié)點(diǎn)的三維位置信息是互相知道的，轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)自己選擇一

12、條理想的轉(zhuǎn)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(diǎn)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(diǎn)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(jìn)展，同時定位算法需要各個節(jié)點(diǎn)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(luò)無法承受的。目前國內(nèi)外對水下傳感器網(wǎng)絡(luò)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(jìn)行改造。3 水下網(wǎng)絡(luò)協(xié)議分析3.1基于深度信息的水下路由協(xié)議在實(shí)際的水下組網(wǎng)應(yīng)用中，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)位于水面之上，水下傳感器節(jié)點(diǎn)采集到的數(shù)據(jù)最終要被轉(zhuǎn)發(fā)到水面轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)，如圖3.1 所示。隨

13、著數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)，其所經(jīng)過的轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)的深度將越來越小，直至到達(dá)水面，相比水下三維位置信息，水下傳感器節(jié)點(diǎn)深度信息的獲取極為簡單，只需要在節(jié)點(diǎn)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(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)的深度信息，并且隨著每一跳進(jìn)行更新。當(dāng)節(jié)點(diǎn)接收到數(shù)據(jù)后，將其攜帶的深度信息與自身的深度進(jìn)行對比，如果其來自更深節(jié)點(diǎn)則結(jié)合自身剩余能量的多少來決定是否轉(zhuǎn)發(fā)該數(shù)據(jù)， 否則將其拋棄， 以此類推并輔以相應(yīng)的轉(zhuǎn)發(fā)策略，直至將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到水面轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)。為解決水下轉(zhuǎn)發(fā)方向的不確定性，可以設(shè)置多個水面轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)，每個水面節(jié)點(diǎn)配備有無線收發(fā)裝置和水聲調(diào)制解

14、調(diào)器，只要數(shù)據(jù)到達(dá)任意一個水面轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)都可以發(fā)送到最終目的節(jié)點(diǎn)。和現(xiàn)有水下傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議相比，該方法不需要節(jié)點(diǎn)知道其自身以及其他節(jié)點(diǎn)的三維位置信息，因此節(jié)點(diǎn)間信息交換量極少，可以顯著減少通信量，能有效應(yīng)對網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞膭討B(tài)變化， 進(jìn)而達(dá)到節(jié)省能量、延長網(wǎng)絡(luò)生存時間的目的。圖 3.1水下傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)示意3.2無線傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC 協(xié)議的分析MAC 協(xié)議決定信道的使用方式, 在通信節(jié)點(diǎn)之間分配有限的通信資源, 是保證網(wǎng)絡(luò)高效通信的關(guān)鍵網(wǎng)絡(luò)協(xié)議之一。 在傳統(tǒng)的Ad Ho c 網(wǎng)絡(luò)中, 吞吐量是MAC 協(xié)議首要考慮的目標(biāo). Ad Hoc 網(wǎng)絡(luò)中有些MAC 協(xié)議也考慮了節(jié)能, 如文獻(xiàn)中提出的BLA

15、M 協(xié)議考慮使全網(wǎng)負(fù)載均衡, 延長網(wǎng)絡(luò)的生存期. 但是BLAM 協(xié)議是基于IEEE 802. 11DCF 協(xié)議的, 節(jié)點(diǎn)空閑偵聽消耗的能量很大, 所以節(jié)能的效果很差, 不適合用于WSN 中.節(jié)能的WSN MAC 協(xié)議目前得到了廣泛的研究。 在WSN 研究中所提出的MAC 協(xié)議主要分為兩類: 固定分配和隨機(jī)競爭。固定分配常用的是T DMA方式, 給每個傳感器節(jié)點(diǎn)分配固定的無線信道使用時段。 TRAMA 協(xié)議是基于TDMA 的MAC協(xié)議, 根據(jù)局部兩跳內(nèi)的鄰居節(jié)點(diǎn)信息, 采用分布式選舉機(jī)制確定每個時槽的無沖突發(fā)送者. 基于T DMA的固定分配MAC 協(xié)議的缺點(diǎn)是需要較高的時間同步, 而且不大適應(yīng)網(wǎng)

16、絡(luò)流量的變化.在基于競爭的MAC 協(xié)議中, SMAC是WSN具有代表性的MAC 協(xié)議之一, 它采用周期性的睡眠喚醒機(jī)制, 把時間軸分成固定長度的周期, 每個周期由固定的偵聽時間和睡眠時間組成, 并且采用了虛擬簇的概念, 同一個簇內(nèi)的節(jié)點(diǎn)保持相同的時間調(diào)度. SMAC 比傳統(tǒng)的IEEE802. 11DCF 協(xié)議節(jié)省了很多能量, 但仍存在不足: 1) SMAC 采用固定的競爭窗口, 在競爭頻繁時發(fā)生沖突的概率較大2) SMAC采用固定的占空比, 不適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)流量的變化。 T MA C也是將時間軸分成固定長度的周期, 但是每個周期內(nèi)節(jié)點(diǎn)活躍的時間是可變的。TMAC 的缺點(diǎn)是引入了”早睡”問題。SMAC

17、 TMAC 都采用固定的競爭窗口, 當(dāng)競爭頻繁時發(fā)生沖突的概率較大, 而當(dāng)競爭很小時則引入較大的等待時延。 REA-MAC 改進(jìn)了SMAC的競爭退避機(jī)制, 動態(tài)調(diào)整競爭窗口的大小, 并考慮了節(jié)點(diǎn)的剩余能量, 讓剩余能量大的節(jié)點(diǎn)以更大的概率接入信道, 減小了沖突, 并達(dá)到了負(fù)載均衡。在REA-MAC 中, tBF從一個正態(tài)分布的隨機(jī)變量X 中選取, 正態(tài)分布的均值和當(dāng)前競爭窗口大小以及節(jié)點(diǎn)剩余能量有關(guān), 方差和當(dāng)前競爭窗口大小有關(guān), 關(guān)系如下:式中: Enow 是節(jié)點(diǎn)的當(dāng)前剩余能量; Emax 是節(jié)點(diǎn)的初始最大能量. tBF 由正態(tài)分布函數(shù)產(chǎn)生, 并且向下取整為整數(shù)個時隙. 正態(tài)分布的范圍為(

18、- , + ) , 而REAMAC中的t BF 要滿足:從式中可以看出, 剩余能量大的節(jié)點(diǎn), 正態(tài)分布的均值比較小, 所以會以較大的概率選擇較小的tBF 。 而剩余能量小的節(jié)點(diǎn), 分布的均值比較大, 相應(yīng)會以較大的概率選擇較大的tBF 。D(X ) 的選擇和CW 有關(guān), 當(dāng)發(fā)生沖突時CW 會增大, CW 變大時隨機(jī)變量X 分布的方差變大, 趨向于均勻分布, 這樣有利于減小沖突。 t BF 的上下限是隨著當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的剩余能量動態(tài)變化的, 剩余能量大則上下限都比較小, 剩余能量小則上下限都比較大, 目的是讓能量大的節(jié)點(diǎn)以較大的概率取得較小的tBF , 而讓能量小的節(jié)點(diǎn)以較大的概率取得較大的tBF 。

19、 給剩余能量大的節(jié)點(diǎn)以優(yōu)先權(quán)接入信道, 就可以使這些節(jié)點(diǎn)承擔(dān)更多的數(shù)據(jù)發(fā)送任務(wù), 從而平衡了網(wǎng)絡(luò)中能量的分布. 在路由發(fā)現(xiàn)的過程中, 剩余能量較小的節(jié)點(diǎn)接入信道的概率較小, 從而使路由選擇以較大的概率避開這些能量較小的節(jié)點(diǎn), 這些節(jié)點(diǎn)就可以盡量不轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù), 而只是發(fā)送自己采集的數(shù)據(jù), 從而達(dá)到負(fù)載均衡.如圖1 所示, 由于節(jié)點(diǎn)3 相對于節(jié)點(diǎn)2 和4 具有較大的剩余能量, 故節(jié)點(diǎn)3 具有優(yōu)先權(quán)接入信道.節(jié)點(diǎn)3將作為節(jié)點(diǎn)1的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)之一, 從源節(jié)點(diǎn)到匯聚節(jié)點(diǎn)選擇的路由是1 3 6 7 8, 這樣就防止節(jié)點(diǎn)2 和4 把能量消耗在轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)上, 從而達(dá)到網(wǎng)絡(luò)能量均衡. 節(jié)點(diǎn)2 和4 就可以利用有限的

20、能量來發(fā)送自己采集的數(shù)據(jù)。圖3.2 路由選擇3.3 VBF路由協(xié)議VBF協(xié)議假定網(wǎng)絡(luò)中的每一個節(jié)點(diǎn)均知道自己的位置信息，同時，每個數(shù)據(jù)包中都會有三個字段，分別記錄源節(jié)點(diǎn)、目標(biāo)節(jié)點(diǎn)（Sink節(jié)點(diǎn)）和中間轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)的位置坐標(biāo)。VBF協(xié)議的基本思想是在源節(jié)點(diǎn)與Sink節(jié)點(diǎn)之間定義一個虛擬管道3.3，如果接收到數(shù)據(jù)包的節(jié)點(diǎn)發(fā)現(xiàn)自身位于虛擬管道內(nèi)，則會將自己的位置信息加入數(shù)據(jù)包中，之后對數(shù)據(jù)包進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，否則，將對數(shù)據(jù)包做簡單的丟棄處理。圖3.3 VBF虛擬管道從圖3.4中可以看出，VBF協(xié)議基于虛擬管道的數(shù)據(jù)傳輸模式實(shí)現(xiàn)起來較為簡單，只要節(jié)點(diǎn)位于虛擬管道內(nèi)，就可以參與數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā)。然而，在節(jié)點(diǎn)較為密集的網(wǎng)

21、絡(luò)中，會有大量的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行相同數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā)，這將導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)中產(chǎn)生大量無意義的數(shù)據(jù)傳輸沖突及能量耗費(fèi)，針對這種情況，研究人員引入了渴望因子（Desirableness Factor）DF參數(shù)，在原始的VBF協(xié)議基礎(chǔ)上提出了一種自適應(yīng)算法，并通過渴望因子的值來衡量節(jié)點(diǎn)是否能夠參與數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)過程。圖3.4 水下傳感器網(wǎng)絡(luò)VBF路由協(xié)議的運(yùn)行模式圖3.5 VBF中渴望因子的計(jì)算如圖3.5所示，S1為源節(jié)點(diǎn)，S0為目標(biāo)節(jié)點(diǎn)（Sink節(jié)點(diǎn)），源節(jié)點(diǎn)和目標(biāo)節(jié)點(diǎn)形成的向量矢量記為，以節(jié)點(diǎn)A為例，節(jié)點(diǎn)A接收到的數(shù)據(jù)包的上一跳轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)記為F，記節(jié)點(diǎn)A和節(jié)點(diǎn)F之間的距離為d，節(jié)點(diǎn)A到路由矢量的距離記為p，與之間形成的夾角

22、記為，R表示數(shù)據(jù)傳輸半徑，W表示虛擬的路由管道的半徑。由于VBF協(xié)議中的數(shù)據(jù)包均會攜帶有關(guān)源節(jié)點(diǎn)（S1）、Sink節(jié)點(diǎn)（S0）和中間轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)（F）的位置信息，因此渴望因子中所用到的d、p、的值均可通過位置坐標(biāo)計(jì)算出。節(jié)點(diǎn)渴望因子的計(jì)算為公式（3-1）。從公式（3-1）中可以看到，如果一個節(jié)點(diǎn)的渴望因子值比較大，這也就意味著它到路由矢量(從源節(jié)點(diǎn)到目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的管道中心線)的距離比較大，或者距離上一跳轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)的距離比較小，因此，該節(jié)點(diǎn)并不適合進(jìn)行數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā)。而另一方面，如果某個節(jié)點(diǎn)的渴望因子值較小，取最小的值為0，則說明該節(jié)點(diǎn)既位于從源節(jié)點(diǎn)到目標(biāo)節(jié)點(diǎn)形成的管道中心線上，又處于上一跳節(jié)點(diǎn)傳輸范圍的邊

23、緣（即上一跳轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)的可通信鄰居節(jié)點(diǎn)中相距最遠(yuǎn)的節(jié)點(diǎn)），則該節(jié)點(diǎn)非常適合對數(shù)據(jù)包進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。 （3-1）自適應(yīng)算法建立在渴望因子的基礎(chǔ)之上，其目的是為了選擇比較適合進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的節(jié)點(diǎn)。以節(jié)點(diǎn)A為例，VBF自適應(yīng)算法的具體運(yùn)行過程為：節(jié)點(diǎn)A接收到來自節(jié)點(diǎn)F的數(shù)據(jù)包，它將首先判斷自己是否在預(yù)設(shè)的虛擬管道內(nèi)，如果是，則該節(jié)點(diǎn)先將此數(shù)據(jù)包保持一段時間Twait并同時等待，Twait值大小與自身渴望因子有關(guān)，而不是發(fā)現(xiàn)自身位于虛擬管道內(nèi)就立即對收到的數(shù)據(jù)包進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。等待時間Twait的計(jì)算為公式（3-2）。 （3-2）其中，Td是預(yù)先設(shè)定好的一個最大延遲的值，Va是聲音信號在水中的傳播速度，d是節(jié)點(diǎn)A與上

24、一跳轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)F的距離?？释蜃又翟叫?，其等待時間越短。如果在該等待時間Twait內(nèi)，節(jié)點(diǎn)A仍然不斷地收到來自其他k個上一跳節(jié)點(diǎn)（非F節(jié)點(diǎn)）發(fā)送過來的重復(fù)的數(shù)據(jù)包，那么，利用這些來自不同上一跳節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)包所攜帶的信息，節(jié)點(diǎn)A將能夠計(jì)算出與每個數(shù)據(jù)包的上一跳轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)相關(guān)的k個渴望因子DF的值：1，2，.，k，加上與F節(jié)點(diǎn)相關(guān)的渴望因子值0，找出（k+1）個渴望因子中的最小值，記為min。如果該min比預(yù)先設(shè)定的某個閾值常數(shù)小，則節(jié)點(diǎn)A就會轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包，否則將進(jìn)行丟棄處理。從該自適應(yīng)算法的執(zhí)行過程可以看到，通過調(diào)整預(yù)設(shè)的閾值，具有自適應(yīng)算法的VBF協(xié)議能夠在某種程度上選擇性地選取一部分節(jié)點(diǎn)參與數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)

25、發(fā)，避免了原始VBF運(yùn)行過程中產(chǎn)生的所有落在管道內(nèi)的節(jié)點(diǎn)均參與轉(zhuǎn)發(fā)的問題。從VBF路由協(xié)議的工作過程可以看出，VBF協(xié)議的基本思路較為簡單，并且，通過引入自適應(yīng)算法，VBF能夠在一定程度上提高傳輸帶寬和能量的有效利用率。但同時VBF仍然存在缺陷：（1） VBF通過預(yù)設(shè)的管道半徑，限制了能夠參與數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的節(jié)點(diǎn)的位置。而對于節(jié)點(diǎn)分布較為稀疏的網(wǎng)絡(luò)而言，如果恰好沒有節(jié)點(diǎn)落在從源節(jié)點(diǎn)到Sink節(jié)點(diǎn)形成的虛擬管道內(nèi)，即使實(shí)際上在該管道外存在有從源節(jié)點(diǎn)到目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的路徑，但這些管道外的節(jié)點(diǎn)形成的路徑不能被VBF發(fā)現(xiàn)，因此數(shù)據(jù)包也不能進(jìn)行傳輸。（2） 由于使用單一的從源節(jié)點(diǎn)到Sink節(jié)點(diǎn)的路由矢量，使得VBF

26、路由協(xié)議對于虛擬管道的半徑大小很敏感。一般情況下，VBF的數(shù)據(jù)傳輸成功率與管道半徑有關(guān)。管道半徑越大，落在該管道中的節(jié)點(diǎn)越多，VBF就可以選擇更適合的一部分節(jié)點(diǎn)參與轉(zhuǎn)發(fā)。但是，對于節(jié)點(diǎn)分布不均勻的網(wǎng)絡(luò)而言，很難確定一個大小合適的管道半徑。而對與水下場景而言，往來的船舶和游動的魚群等各種環(huán)境因素都可能造成節(jié)點(diǎn)分布不均勻，從而使得管道半徑值的選擇變得更加困難。3.4 HHVBF路由協(xié)議為了克服VBF在節(jié)點(diǎn)分布較為稀疏的網(wǎng)絡(luò)中可能產(chǎn)生的源節(jié)點(diǎn)與Sink節(jié)點(diǎn)間不存在轉(zhuǎn)發(fā)路徑，以及在節(jié)點(diǎn)分布不均勻的網(wǎng)絡(luò)中難以選擇單一管道半徑的問題，在VBF的基礎(chǔ)上，提出了HHVBF路由協(xié)議。與VBF中單一的源節(jié)點(diǎn)到Si

27、nk節(jié)點(diǎn)虛擬管道不同的是，HHVBF為每一個候選節(jié)點(diǎn)重新定義管道，圖3.6直觀顯示了HHVBF與VBF在管道定義上的區(qū)別。圖3.6 HHVBF中的每一跳虛擬管道在圖3.6中，A、B、C為不同的源節(jié)點(diǎn)，以各個源節(jié)點(diǎn)為中心的灰色圓虛線表示信號的傳輸范圍。以源節(jié)點(diǎn)A為例，而VBF中從源節(jié)點(diǎn)A到Sink節(jié)點(diǎn)只存在一條虛擬管道，只有落在該管道內(nèi)的節(jié)點(diǎn)，才有資格參與從源節(jié)點(diǎn)A到目的節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸。在圖3-6中，從源節(jié)點(diǎn)A開始的每一個轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)都會建立一個虛擬管道，從而使下一跳的繼續(xù)選擇中能夠包含更多的節(jié)點(diǎn)，而這些節(jié)點(diǎn)并不落在最初的從源節(jié)點(diǎn)到Sink節(jié)點(diǎn)的管道中。與VBF相比，這種逐跳建立虛擬管道的方式使找到

28、從源節(jié)點(diǎn)到Sink節(jié)點(diǎn)傳輸路徑的概率得到提升。仍然以圖3-4為例，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中的某個節(jié)點(diǎn)A接收到來自上一跳節(jié)點(diǎn)F的數(shù)據(jù)包時，節(jié)點(diǎn)A將會計(jì)算從節(jié)點(diǎn)F到Sink節(jié)點(diǎn)之間的矢量，圖3-4中即為，并且以該矢量為中心軸，采用新的公式(3-3)計(jì)算渴望因子的值。其中，d是節(jié)點(diǎn)A與上一跳節(jié)點(diǎn)F之間的距離，為向量與之間的夾角，R為信號傳輸距離。 (3-3)HHVBF的自適應(yīng)算法與VBF相比有所變化。在上小節(jié)中提到，VBF在節(jié)點(diǎn)密度較低的稀疏網(wǎng)絡(luò)中，源節(jié)點(diǎn)與Sink節(jié)點(diǎn)之間可能不存在轉(zhuǎn)發(fā)路徑。為了在這類網(wǎng)絡(luò)中提高數(shù)據(jù)包傳輸成功率，HHVBF在其自適應(yīng)過程中引入冗余策略。在HHVBF中，當(dāng)節(jié)點(diǎn)接收到一個數(shù)據(jù)包時，此時

29、與VBF中自適應(yīng)算法相似，該節(jié)點(diǎn)將根據(jù)數(shù)據(jù)包中攜帶的信息計(jì)算出的渴望因子值，并根據(jù)該值等待一段時間Twait，該時間值的計(jì)算與VBF中等待時間的具體計(jì)算方式相同。等待時間Twait超時后，開始進(jìn)行數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā)，且最小渴望因子值對應(yīng)的節(jié)點(diǎn)將會最先進(jìn)行數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā)。通過這種方式，每一個鄰居節(jié)點(diǎn)都有可能多次接收到相同的數(shù)據(jù)包。HHVBF中對重復(fù)數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)的控制過程為：節(jié)點(diǎn)根據(jù)這些接收到的相同的數(shù)據(jù)包攜帶的信息，分別計(jì)算每個數(shù)據(jù)包的上一跳節(jié)點(diǎn)到Sink節(jié)點(diǎn)之間的向量矢量，并分別計(jì)算節(jié)點(diǎn)本身到這些矢量的垂直距離。若這些垂直距離中的最小值dmin，比預(yù)設(shè)的距離閾值小，則節(jié)點(diǎn)將轉(zhuǎn)發(fā)該數(shù)據(jù)包。因此，HHVBF

30、可以通過調(diào)整距離閾值的大小，來對數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā)冗余度進(jìn)行控制。與VBF路由協(xié)議相比，HHVBF的主要優(yōu)勢是逐跳建立虛擬管道。該路由思路也相對簡單，相比于VBF建立從源節(jié)點(diǎn)到Sink節(jié)點(diǎn)單一的虛擬管道方式相比，逐跳建立虛擬管道的思想在兩方面可以有所提升。一方面是在節(jié)點(diǎn)分布稀疏的網(wǎng)絡(luò)中，HHVBF可以找到更多路徑進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。另一方面，逐跳建立虛擬管道的方式也使HHVBF對路由管道半徑不那么敏感，從而使管道半徑的設(shè)定在一定程度上變得相對簡單。HHVBF的出現(xiàn)使得水下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸成功率得到改善。然而，HHVBF實(shí)際上上仍然屬于靜態(tài)路由協(xié)議的范疇，無論是VBF還是HHVBF路由協(xié)議，都是基于節(jié)