基于水下无线传感器网络路由协议的仿真

靳晓珂 李莉 路晨贺 魏宗博 李进

摘要：水下环境的复杂特性是水下传感器网络（UWSN）设计路由协议时面临的挑战。为了在源节点和目的节点之间建立高效、可靠的传输路径，分别对基于压力的路由协议、节能型路由协议及基于矢量转发的路由协议进行论述和分析，对各种路由协议性能进行了评述。并采用Aqua-Sim仿真软件对基于矢量转发的VBF协议和HH-VBF协议进行了仿真分析。结果表明，HH-VBF协议在数据包传递率和平均剩余能量方面要优于VBF协议，该仿真验证了理论分析的正确性。

关键词：水下传感器网络；路由协议；VBF协议；HH- VBF协议；仿真；Aqua- Sim

中图分类号：TP393文献标志码：A文章编号：1008-1739（2022）01-60-5

0引言

水下传感器网络（UWSN）被认为是探索和开发海洋的重要途径，和陆地传感器网络一样，其路由技术是保证数据传输的重要机制，选择怎样的路径将数据包从源节点传送到目的节点（路由）是构建水下传感器网络协议栈的关键问题之一。但是由于海洋环境复杂多变、噪声高、多普勒频移和多径效应严重等问题影响水下传感器网络的通信性能。因此，在水下传感器网络中提供一种可靠、可扩展的路由协议对水下网络的通信起着至关重要的作用。

目前，已经提出的部分水下传感器网络路由协议改善了能量消耗大、数据传输率低和节点空洞等问题。本文对此进行了相关的论述，并对其中的VBF和HH-VBF协议的能耗和数据传递率等性能进行了仿真分析。

1水下传感器网络路由协议

水下传感器网络路由协议可以分为基于压力的路由协议、节能型路由协议和基于矢量转发的路由协议。

基于压力的路由协议的特点是使用水压以及节点深度信息作为评判标准，通常为每个节点配置压力传感器，并结合水压和深度信息生成一个候选列表。在列表中，越靠近水面的节点其优先级越高。

节能型路由协议主要考虑能量优先，在选择最优路径时需要考虑节点的能量消耗以及网络能量均衡使用的问题，从而延长整个网络的生存周期。

基于矢量转发的路由协议进行路由选择时主要依据节点的位置信息。数据包从源节点转发到Sink节点（目的节点）的过程中，转发节点根据不同节点所处位置进行选择。转发节点的选择基于源节点和目的节点之间设计的特殊形状区域（如虚拟管道、圆锥和带状等），只有位于设计区域内的节点才能参与数据包的转发。所以，区域范围的设定对于网络的性能产生直接影响，区域范围设定越大，网络中参与转发数据包的节点越多，数据包的成功传递率也就越大，反之则小。

1.1基于压力的路由协议

2008年YanH提出的基于深度的DBR协议[1]是第一个基于压力的路由协议。DBR协议无需知道节点的位置信息，只需在传感器上安装一个压力传感器，就可以获得各个节点的深度信息。根据传感器节点的深度信息选择传输路径，将数据传输给目的节点。DBR协议可以有效减少节点能量消耗、延长网络的生命周期，但是存在冗余包和节点空洞问题。

为了避免节点空洞问题，2013年Noh，Youngtae等提出了基于信标的空洞感知压力路由协议（VAPR）[2]。该协议是一种地理和机会路由协议，通过信标机制从而避免网络空洞问题。该协议使用信标消息来共享网络中节点的深度和方向信息，每个节点在信标进程开始之前初始化其信标信息。每个信标包含发送者的深度、跳数、数据转发方向和序列号信标信息。VAPR协议对动态拓扑具有鲁棒性，但是增加了过多的开销。

Nasir等人[3]为水下传感器网络提出了一种基于深度合作的路由协议（CoDBR），主要目的是提高网络的可靠性和吞吐量。CoDBR协议和DBR协议一样无需定位，只需知道传感器节点的深度信息，每个节点都有其相邻节点的深度信息。CoDBR可靠性高于DBR，但能源消耗大、網络寿命短。

Uichin等人[4]提出Hydrocast协议，是一种基于水压的选播机会路由协议，该协议的所有节点都配备了一个压力传感器。为了减少数据包重复传输，Hydrocast协议采用了贪婪的启发式算法，以确保下一跳候选集没有隐藏终端问题。其次引入空洞处理机制来处理局部极大值问题。Hydrocast能够处理网络中的通信漏洞，然而协议的算法复杂、网络能耗大，从而缩短了网络寿命。

1.2节能型路由协议

为了减少网络的能量消耗，Jorne等人提出了聚焦束路由协议（FBR）[5]，该协议采用不同的传输功率水平来降低能耗。在FBR中，源节点只需知道自身位置和目的节点位置，并且FBR不需要时间同步。协议构建了一个从源节点指向目的节点角度为的圆锥体，并规定位于圆锥体内的节点具有转发数据包的资格。在初始阶段，源节点首先以最低的能量寻找下一跳节点，若没有找到则增加能量直至找到下一跳节点。FBR协议可以避免不必要的泛洪，但是它不适用于稀疏网络。

Wahid A等人提出了基于深度能量的高效路由协议（EEDBR）[6]。在EEDBR中，每个传感器节点与其相邻节点共享其剩余能量和深度。EEDBR利用传感器节点的剩余能量信息进行能量平衡，每个转发节点收到数据后并不是马上转发，而是保留一段时间再进行转发。保持时间与节点的剩余能量成反比，与具有低能量的节点相比，具有高剩余能量的节点具有较短的保持时间。因此，高能量节点先转发分组数据，低能量节点在收到等效分组数据的传输时取消转发。EEDBR实现了传感器节点能量消耗的平衡，但是大量发送Hello数据包也造成了额外的能量浪费。

针对水下网络拓扑结构动态变化和节点分布不均匀的特性，2016年刘晓龙提出了基于距离的能量均衡动态自适应路由协议（DEAR）[7]。在DEAR中，每个节点在接收信息的同时，记录其邻居节点的信息并维护一个邻居节点表，在发送数据前，根据邻居节点的分布情况，只选择特定区域的邻居节点接收其发送的消息，每次只有少量且综合性能优越的节点转发消息。DEAR协议有效降低了能量消耗，而且针对区域节点密度的不同，DEAR能够自适应地调整接收区域的大小，动态适应网络拓扑的变化。DEAR具有较高的性能优势，尤其是在应对网络拓扑结构动态变化方面具有明显的能耗优势。

2018年秦灏提出了一种基于水下无线传感器网络的能量平衡和深度控制路由协议（EBDCR）[8]，主要针对网络节点能量消耗不均衡问题进行研究。离汇聚节点近的节点将要转发更多的数据，所以它的能耗比离汇聚节点远的节点更大，由于这种能耗不均匀，降低了网络生存的时间。因此，EBDCR协议通过调整节点的深度，使用节点替换策略，用高能量的节点替换低能量的节点，从而在整个网络中实现均衡的能量消耗以达到网络生存时间的延长。

2018年Khasawneh等人[9]提出基于压力的可靠节能路由协议（RE-PBR），以提高路由的能效性。RE-PBR协议的主要特点是在转发过程中用三角形度量来精确测量链路质量，它考虑了链路质量和深度以及可靠传输的剩余能量。该协议和EEDBR协议相比，具有更好的数据包投递率，同时更节省能量，但是随着节点数目的增多，RE-PBR协议能量开销更大。

由于传统DBR协议采用了洪泛传播机制，增加了水下传感器网络的冗余数据包，导致能量消耗过多且分布不均衡。因此，张美燕[10]提出了基于水下传感器节点能量均衡与延时优化的DBR优化改进策略，根据水下传感器节点的深度值以及剩余能量来计算中继节点的转发概率。改进后的深度路由协议在数据传输成功率和能耗均衡性能等方面均优于传统的DBR协议，但该协议由于搜索范围过小导致局部容易优化，然而全局不能达到最优。

1.3基于矢量转发的路由协议

2006年Xie P等人[11]提出了VBF协议，就是典型的基于地理位置的UWSN路由协议，该算法采用了虚拟管道技术实现数据包的定向传输，VBF在源节点和Sink节點（目的节点）之间建立虚拟管道，数据分组沿着管道进行传输，只有在管道内的节点才能转发数据包。VBF协议利用虚拟管道减少了网络的通信量，提高分组投递率并能有效地节约能量，但该协议通信开销较大，且在稀疏网络中性能较差，易于出现空洞问题。2007年Nicolaou提出了基于逐跳矢量转发的路由协议（HH-VBF）[12]，该协议也采用了虚拟管道技术，但在数据从源节点传输到目的节点的过程中，HH-VBF协议的每个节点在转发信息时会重新计算管道的大小并实时更新管道的方向。与VBF协议相比，HH-VBF具有较高的数据包传递率，并且能够很好地适应网络节点稀疏的情况，但该协议增加了额外的计算量，因此它比VBF需要花费更大的开销。

2007年孙桂芝、桑恩方提出了一个基于矢量距离的转发协议（PVBF）[13]，PVBF协议只需要提出关于矢量距离的计算方式，无需指定管道半径。此协议不会增加额外的能耗，适用于缺乏运算能力的水下传感器网络中。

为了解决能量问题，2013年Bo Wei等人在VBF协议的基础上提出了节能路由协议ES-VBF[14]。该协议在计算转发因子时充分考虑剩余能量和位置信息，根据节点的位置信息优先考虑剩余能量多的节点转发数据包，提高了剩余能量，降低了均方误差，延长了网络寿命。

2014年魏博提出了基于矢量转发的能量路由协议（E-VBF）[15]，该协议不仅考虑了节点的位置信息和剩余能量来选择转发节点，而且通过节点的位置信息选择具有较高剩余能量的节点转发数据包，避免因能量不足而造成节点的消亡。该协议与VBF协议相比平衡了整个网络的能量开销，使得网络生存时间延长。该协议适用于静态网络，对于动态变化的网络也有较好的适应性。

2018年Mazinani等人在VBF协议的基础上，引入了一种算法，该算法将管道半径作为环境尺寸、范围和节点数量的函数，根据网络的传输范围和节点数量等因素确定通信管道半径。该算法可以根据网络密度相应地改变路由管道的宽度来减少能量消耗，从而有效避免了空洞问题。

2020年Imran Ullah Khan等人[16]提出了基于矢量的逐跳自适应转发协议（AHH-VBF），该协议的新颖之处在于采用锥形管道进行转发，锥形参数根据网络结构来确定，从而提高传输的可靠性。该路由协议根据网络结构自适应地调整圆锥的高度和开口，通过减少重复分组和平衡节点之间的能量有效地提高了网络的性能。这种方法降低了能量消耗，减少了端到端的时延并提高了数据包投递率。

综上所述，基于压力的路由协议主要考虑节点的深度信息进行路径选择，节能型路由协议考虑节点的能量进行路径选择，基于矢量转发的路由协议根据节点的地理位置信息进行下一跳节点的选择。基于矢量转发的路由协议可扩展性好、数据包冲突概率低、网络能耗小，因此，本文主要对基于矢量转发路由协议中的VBF协议和HH-VBF协议进行研究，从数据包投递率和平均剩余能量这2个方面进行分析。

2水下传感器网络路由协议仿真

2.1仿真平台

为了对VBF和HH-VBF两种协议性能进行研究，基于Aqua-Sim仿真平台对采用2种协议的水下传感器网络进行仿真。Aqua-Sim是由美国康涅狄格大学水下传感器网络实验室在NS2的基础上开发而成，是一个专门模拟水下传感器网络的仿真软件。Aqua-Sim独立于NS2的其他模拟程序模块，易于扩展和完善，并且延续了NS2面向对象的特点，使用C++语言实现，通过编写OTCL脚本文件建立实验仿真环境。

2.2仿真参数设置与性能指标

实验设置的模拟时间分组共分为10组，各组模拟时间分别从50～500 s不等。协议采用100个节点的多跳拓扑结构，通信系统模型采用BPSK，数据链路层采用Broadcast Mac协议，基本参数设置如表1所示。

为了减少实验误差，该实验对10组不同的模拟时间分别进行10次仿真实验，并选取结果均值进行统计。

2.3仿真结果与分析

实验分别对VBF和HH-VBF两种不同的协议在多跳拓扑结构下进行仿真，通过计算得到的2种协议的数据包投递率和平均剩余能量的性能参数，如图1和图2所示。

从1图中可以看出，随着模拟时间的增加，HH-VBF数据包的传递率始终高于VBF。在图2中，随着模拟时间的增加，VBF和HH-VBF协议中节点的平均剩余能量随着时间的增加呈现较稳定的下降，VBF与HH-VBF相比，HH-VBF协议的平均剩余能量高于VBF协议的平均剩余能量，因此，HH-VBF协议更加节能，然而VBF协议的能量消耗更多。

3结束语

近几年，水下传感器网络的研究得到了很大的发展，但仍面临许多问题，例如在节点定位技术、网络节能问题以及数据传输可靠性等方面还远远落后于陆上无线传感器网络。本文重点研究了水下传感器网络的路由协议，综述了目前水下传感器网络路由协议的主要分类、各类路由协议的工作原理及优缺点。其次，利用Aqua-Sim仿真平台在100个节点的多跳拓扑结构下模拟了VBF和HH-VBF协议的传输过程，分析比较了2种协议在数据包投递率和平均剩余能量方面的差异。在數据包投递率方面，HH-VBF协议明显优于VBF，而通过平均剩余能量的比较，HH-VBF耗能更少，所以HH-VBF协议也更加节能。因此，对于本文研究的多跳拓扑结构的水下传感器网络来看，HH-VBF协议适合于对节能要求较高的应用场景，而VBF协议适用于可靠性要求高的应用场景。

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