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=N_n∪N_s，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n_i)需要向目的节点(假定为节点s_θ)传输数据包，n_i就从它的邻居节点集N_i(t)搜索离自己最远和最近的信宿，即则节点n_i的候选转发节点集Γ_i：

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n_i需进一步从Γ_i中挑选一部分节点构成转发节点簇Ψ^[7，8]。

    对于节点n_c∈Γ_i，首先计算它的归一化权重值NADV(n_c)：

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E_d、E_d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n_a为接收节点，n_b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|N_s|=45。而水下传感节点数从150～450变化，传感节点的通信半径r_c=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。

参考文献

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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)