第 ３１卷第 １１期 ２０１４年 １１月　 计 算 机 应 用 研 究 ＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎＲｅｓｅａｒｃｈｏｆＣｏｍｐｕｔｅｒｓ Ｖｏｌ．３１Ｎｏ．１１ Ｎｏｖ．２０１４ 基于位置和能量的水下无线传感网路由协议  李　龙 ａ ，刘建明 ｂ ，李宏周 ａ ，彭智勇 ａ （桂林电子科技大学 ａ．电子工程与自动化学院；ｂ．计算机科学与工程学院，广西 桂林 ５４１００４） 摘　要：为了保证水下三维无线传感器网络对监测区域的高覆盖率，并减少网络中节点数量以降低组网成本， 选用体心立方格结构进行传感器节点的部署。为了将节点收集到的信息高效地传递给网络使用者，提出了一种 体心立方格部署下的网络路由协议。该协议基于节点位置与能量信息计算对数据包的转发概率，在保证数据包 高投递率的同时减少冲突的发生；利用后续转发节点的反馈信息检测网络空洞的出现，并通过控制发送功率来 改变节点的通信范围以穿越空洞。仿真结果表明，在保证网络连通性及数据包投递率的同时，该协议能够提高 网络能量利用效率、平衡节点的能量消耗。 关键词：体心立方格；转发概率；反馈信息；网络空洞 中图分类号：ＴＰ３９３．０４　　　文献标志码：Ａ　　　文章编号：１００１３６９５（２０１４）１１３４２９０５ ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００１３６９５．２０１４．１１．０５２ ＲｏｕｔｉｎｇｐｒｏｔｏｃｏｌｂａｓｅｄｏｎｐｏｓｉｔｉｏｎａｎｄｅｎｅｒｇｙｆｏｒＵＷＳＮ ＬＩＬｏｎｇａ ，ＬＩＵＪｉａｎｍｉｎｇｂ ，ＬＩＨｏｎｇｚｈｏｕａ ，ＰＥＮＧＺｈｉｙｏｎｇａ （ａ．ＳｃｈｏｏｌｏｆＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ＆Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ，ｂ．ＳｃｈｏｏｌｏｆＣｏｍｐｕｔｅｒＳｃｉｅｎｃｅ＆Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＧｕｉｌｉｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ， ＧｕｉｌｉｎＧｕａｎｇｘｉ５４１００４，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｏｅｎｓｕｒｅｔｈｅ３Ｄｕｎｄｅｒｗａｔｅｒｗｉｒｅｌｅｓｓｓｅｎｓｏｒｎｅｔｗｏｒｋｓ’ｈｉｇｈｃｏｖｅｒａｇｅｏｆｔｈｅｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇａｒｅａ，ａｎｄｄｅｃｒｅａｓｅｔｈｅ ｎｕｍｂｅｒｏｆｎｏｄｅｓｉｎｔｈｅｎｅｔｗｏｒｋｔｏｒｅｄｕｃｅｎｅｔｗｏｒｋｃｏｓｔｓ，ｔｈｉｓｐａｐｅｒｄｅｐｌｏｙｅｄｔｈｅｓｅｎｓｏｒｎｏｄｅｓａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅｂｏｄｙｃｅｎｔｅｒｅｄ ｃｕｂｉｃｌａｔｔｉｃｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅ．Ｍｅａｎｗｈｉｌｅ，ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｄｅｌｉｖｅｒｔｈｅｃｏｌｌｅｃｔｅｄｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎｔｏｎｅｔｗｏｒｋｕｓｅｒｓｅｆｆｉｃｉｅｎｔｌｙ，ｔｈｉｓｐａｐｅｒｐｒｏｐｏｓｅｄ ａｎｅｔｗｏｒｋｒｏｕｔｉｎｇｐｒｏｔｏｃｏｌｂａｓｅｄｏｎｂｏｄｙｃｅｎｔｅｒｅｄｃｕｂｉｃｌａｔｔｉｃｅ．Ｔｈｅｐｒｏｔｏｃｏｌｃａｌｃｕｌａｔｅｄｔｈｅｆｏｒｗａｒｄｉｎｇｐｒｏｂａｂｉｌｉｔｙｏｆｅａｃｈ ｐａｃｋｅｔｂａｓｅｄｏｎｎｏｄｅｓ’ｐｏｓｉｔｉｏｎａｎｄｅｎｅｒｇｙｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ，ｅｎｓｕｒｉｎｇｈｉｇｈｐａｃｋｅｔｄｅｌｉｖｅｒｙｒａｔｉｏａｎｄｒｅｄｕｃｉｎｇｔｈｅｏｃｃｕｒｒｅｎｃｅｏｆ ｃｏｎｆｌｉｃｔ．Ａｎｄｉｔｄｅｔｅｃｔｅｄｖｏｉｄａｒｅａｓｂｙｕｓｉｎｇｔｈｅｆｅｅｄｂａｃｋｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎｗｈｉｃｈｗａｓｐｒｏｄｕｃｅｂｙｔｈｅｆｏｌｌｏｗｕｐｆｏｒｗａｒｄｉｎｇｏｆｔｈｉｓ ｐａｃｋｅｔ．Ｂｅｓｉｄｅｓ，ｉｆｖｏｉｄａｒｅａｓｈａｄｏｃｃｕｒｒｅｄ，ｉｔｃｏｕｌｄｃｈａｎｇｅｔｈｅｎｏｄｅ’ｓｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｒａｎｇｅｂｙｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇｔｈｅｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｐｏｗｅｒｔｏｐａｓｓｔｈｒｏｕｇｈｔｈｅｓｅｖｏｉｄａｒｅａｓ．Ｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｐｒｏｔｏｃｏｌｃａｎｎｏｔｏｎｌｙｇｕａｒａｎｔｅｅｔｈｅｎｅｔｗｏｒｋｃｏｎ ｎｅｃｔｉｖｉｔｙａｎｄｐａｃｋｅｔｄｅｌｉｖｅｒｙｒａｔｉｏ，ｂｕｔａｌｓｏｉｍｐｒｏｖｅｎｅｔｗｏｒｋｅｎｅｒｇｙｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙａｎｄｂａｌａｎｃｅｎｏｄｅｓ’ｅｎｅｒｇｙｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｂｏｄｙｃｅｎｔｅｒｅｄｃｕｂｉｃｌａｔｔｉｃｅ； ｆｏｒｗａｒｄｐｒｏｂａｂｉｌｉｔｙ；ｆｅｅｄｂａｃｋｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ；ｎｅｔｗｏｒｋｖｏｉｄａｒｅａｓ 　　水下无线传感网（ＵＷＳＮ）［１］是由许多水下无线传感器节 点以自组织和多跳通信的方式构成的网络，可以实现水下信息 高、水声的传播速度只有 １５００ｍ／ｓ、水流带动节点移动等，这 些特性大大降低了现有无线传感器网络路由协议对于 ＵＷＳＮ 的采集、融合以及传递。将节点以一定的部署策略放置在被监 的适用性。此外，通过水下声学信号的损耗模型得知，信号的 测水域，可以实现水体环境检测、水下目标探测和监视等应用， 传输损耗随着通信距离的增加会产生十分严重的衰减，传播时 能为保护领海、开发和利用丰富的海洋资源提供强有力的技术 支持和信息保障［１，２］，因此，对 ＵＷＳＮ的研究成为无线传感器 网络领域的又一研究和应用热点，特别是针对节点部署与路由 协议方面的研究正在国内外大规模展开。美国康涅狄格大学 的 ＣＵＩＪｕｎｈｏｎｇ等人开发了多种适用于 ＵＷＳＮ的网络协议、 ＭＡＣ协议；国内也有较多的科研院所参与到了 ＵＷＳＮ的研究 中，其中较有代表性的有中国科学院自动化研究所对水下传感 器网络的设计进行了系统的研究、哈尔滨工程大学完成了对水 声信道的建模等工作、中国海洋大学对水下仪器设备进行了较 深入的研究。 与陆基无线传感器网络相比，ＵＷＳＮ具有许多不利于节点 延也会相应增加。因此，通过选择合理的节点部署策略，在保 证节点间较好的连通性、监测区域高覆盖率的同时，更需要开 发一种高效的水下通信路由协议，以提高 ＵＷＳＮ的性能。 本文选择体心立方格的部署方式搭建 ＵＷＳＮ，并开发了一种 基于节点位置与能量信息的高效水下通信路由协议（ｐｏｓｉｔｉｏｎａｎｄ ｅｎｅｒｇｙｂａｓｅｄｒｏｕｔｉｎｇ，ＰＥＢＲ），该协议中利用节点在转发数据包时 产生的反馈信息，提供了一种网络空洞检测与处理机制。  　水下无线传感网 　网络结构 ．   部署以及降低节点间通信质量的特性，如水声信道的误码率较 为实现对指定水域的检测，并将获得的监测数据传递给网 收稿日期：２０１３１０１３；修回日期：２０１３１１２６　　基金项目：国家自然科学基金资助项目（６１２６２０７４）；广西可信软件重点实验室开放课题 （ｋｘ２０１１０１）；广西高校优秀人才基金资助项目（桂教人 ２０１０６５）；广西自然科学回国基金资助项目（２０１２ＧＸＮＳＦＣＡ０５３００９） 作者简介：李龙（１９８９），男，山东潍坊人，硕士研究生，主要研究方向为网络组网工程、无线传感器网络 （ｗｅｌｃｏｍｅｒａｉｎ＠１２６．ｃｏｍ）；刘建明 （１９７５），男，广西桂林人，教授，硕导，博士（后），主要研究方向为计算机及通信网络组网工程；李宏周（１９７９），男，湖南湘潭人，讲师，硕士研究生， 主要研究方向为数字图像处理；彭智勇（１９８１），男，湖南娄底人，讲师，硕士研究生，主要研究方向为信号与信息处理． 

·０３４３· 　 络使用者，ＵＷＳＮ需要包含许多具有通信功能的传感器节点以 计 算 机 应 用 研 究 维部署，以获取区域内不同位置的信息［５，６］。 第 ３１卷 　 及多种水下设备，它们通过声波携带数据实现相互之间的联机 传感器网络的部署策略大体可分为随机部署和确定性部 与通信，并且通过自组织的方式构成多跳网络。 ＵＷＳＮ的基本结构如图 １所示，其中普通节点部署于被监 署两类。当监测区域的环境恶劣或者特性未知的时候，往往借 助飞机或者潜艇将节点随机布撒在监测区域。随机部署简单 测水域，负责数据的收集、融合、转发等工作；汇聚节点位于水 易行，但是节点分布相当不均匀，容易出现覆盖漏洞。若监测 表面，负责收集水域中普通节点收集到的数据，并通过空中无 区域的特性已知，往往采用确定性部署，即基于预定义的结构 线网络将其传递给控制中心的网络使用者或者其他中继设备。 将节点安置于监测区域。 此外，网络使用者也可以通过汇聚节点将控制指令传递给水域 中的普通节点［２］。 ． 　水下声信道传输损耗模型   为在仿真过程中实现水声信道传输损耗的量化，并通过计 相比于陆基无线传感器节点，水下无线传感器节点（尤其 是可移动节点）需要配备移动装置、水声换能器以及体积较大 的电池，因此造价昂贵，成本会高达上万美元［１］。ＵＷＳＮ中若 采用随机部署策略，为了较高的覆盖率，就需要布撒较多的节 点，这会大大增加网络的运营成本，因此，ＵＷＳＮ宜采用确定性 部署策略。体心立方格结构被证明是实现三维空间确定性覆 盖的较理想方式，效果要优于面心立方格和简单立方格［２］。 体心立方格结构示意图如图 ２所示，图中球体半径为 Ｒ，网络 中的传感器节点位于每一球体的中心。 算进一步得出节点的发送功率以及接收功率阈值，以确定通信 距离及进行功率控制，本文采用 Ｂｅｒｋｈｏｖｓｋｉｋｈ等人提出的传输 损耗模型［２］。 对于水声通信网络，传播损耗 ＴＬ由扩展损耗和衰减损耗 两部分构成，即 ＴＬ＝１０ｎｌｏｇｒ＋αｒ。其中 ｒ为声波的传播距离， 即节点间的通信距离；ｎ为声波的传播因子，其取值与传播方 式有关，若声波以球面扩展传播则取值为 ２，以柱面波扩展传 播则取值 １，浅水环境中声波一般取值为 １．５，因此，本文在仿 真中将 ｎ的值取为 １．５；α为吸收因子，单位 ｄＢ／ｋｍ，其取值与 发射频率 ｆ相关，具体可由 Ｔｈｏｒｐ经验公式得出   １０ｌｏｇα（ｆ）＝    １＋ｆ２＋４４ ｆ２ ０．１１ ｆ２ ０．００２＋０．１１ ｆ ４１００＋ｆ２＋２．７５×１０－４ｆ２＋０．００３　ｆ≥０．４ １＋ｆ＋０．０１１ｆ　　　　　　　　　　ｆ＜０． ４ 那么，若发送节点以功率 Ｐｔ将数据包发送出去，接收节点在接 收该数据包时的接收功率可以通过以下公式计算得出： Ｐｒ＝ １０αｌｏｇ１０ｒ＋ｒｌｏｇα（ｆ） Ｐｔ 通过以上分析可以看出，节点间通信距离的增加会使得接 收概率 Ｐｒ急剧减小，也极易造成网络空洞的出现，此时若要保 证节点间数据的正确传输，就需要增大发送概率，这又会导致发 送节点的能耗增加。因此，不论是在仿真中还是在实际应用过 程中都需要对网络进行合适的部署，在保证网络连通性及监测 区域覆盖率的前提下，提高网络在其他各方面的性能表现。  　节点部署与网络性能 　节点部署策略 ． 网络部署［３，４］是指在目标监测区域内，以某种合理的部署 方式安置网络中的无线传感器节点，以满足系统对覆盖成本、   监测区域覆盖率、覆盖可靠性（无盲覆盖）的多重要求，它直接 与 ＵＷＳＮ的运营成本和性能相关。如果只需要获得监测水域 某一二维平面的信息，可仿照陆基无线传感网对 ＵＷＳＮ进行 二维部署，在此方面已有多种较完善的部署策略，但是绝大多 数的 ＵＷＳＮ应用都需要将节点布置在三维水域实现节点的三 本文在设计 ＵＷＳＮ时，将水域中的节点按照体心立方格 结构进行确定性部署，即不考虑节点移动性且其位置信息已 知。该部署中，同层相邻节点间的距离为 ２Ｒ，即每一个小的立 方格边长均为 ２Ｒ，源节点位于结构的最底层，多个汇聚节点位 于水面。由于水面节点更易受到水流或风力的影响，本文不对 水面节点的位置进行限制，节点部署如图 ３所示。   ． 　转发概率对网络性能的影响 本文采用体心立方格结构对 ＵＷＳＮ中的节点进行部署， 由图 ２、３可知，此部署方式中节点间的位置关系是对称的，至 少有分布于上下两层的 ８个节点与某节点之间的距离是相同 的，因此，若节点对数据包的转发概率较大，即有多个相邻的节 点同时转发此数据包，接收节点处必然会发生数据包的冲突， 这不但会降低数据包的投递率，还会大大增加网络能耗。为研 

第 １１期 李　龙，等：基于位置和能量的水下无线传感网路由协议 ·１３４３· 　　　 究转发概率对网络性能的影响，本文将节点对数据包的转发概 率分别设定为 ０．５、０．７、０．９，并基于 ＮＳ２仿真平台对网络进行 多次仿真。仿真结果如图 ４、５所示。 　  " 协议 本文采用体心立方格结构对 ＵＷＳＮ中的节点进行部署， 由图 ４、５中的仿真结果可知，数据包的转发概率对网络性能影 响较大，随着转发概率 Ｐ＿ｆｉｘｅｄ的加大，网络中数据包接收量加 大，但是网络总能耗也会相应增加。因此需要研究相应的路由 转发策略以平衡数据包接收量与网络总能耗之间的关系。同 时为了更好地表征网络性能，本文使用能量利用效率，即网络 总能耗与数据包接收量的比值作为网络性能衡量指标之一。 本文在充分研究体心立方格结构特性的基础之上，根据水 声网络的特性，设计完成了基于节点位置及能量信息的路由协 议 ＰＥＢＲ。该协议的主要设计思想是节点接收到数据包之后， 根据网络中节点的位置以及能量信息求取对该数据包的转发 概率 Ｐ，并生成随机数 Ｒ，若 Ｒ＜Ｐ，则转发该数据包，否则不转 发。此外，ＰＥＢＲ协议还包含空洞检测与处理机制，即能够根 据后续转发节点的反馈信息来检测节点是否处于空洞之中，并 在发现空洞之后通过控制节点的发射功率来改变通信距离以 穿越空洞水域，将数据包发送给距离较远的节点，以此来增强 网络的可靠性，提升网络性能。   ． 　节点深度信息 建立 ＵＷＳＮ的目的是采集监测三维水域的信息并将其传递 给水面汇聚节点［７］，因此数据包的传递方向应该是由下往上的，即 位于体心立方格结构最底层的源节点发出数据包，距离水面更近 的转发节点将收到的多个数据包进行融合后转发，经过多跳转发， 数据包最终到达水面汇聚节点，这是 ＰＥＢＲ协议的基本设计思想 之一。与此相反，来自网络使用者的控制指令经由水面汇聚节点 由上往下传输，并最终传递给水底节点［８，９］。 ． 　转发概率的计算   体心立方格部署中，可以设定所有节点的转发概率为固定 值 Ｐ＿ｆｉｘｅｄ，Ｐ＿ｆｉｘｅｄ取值不同则网络性能不同（参考图 ４、５）。 为了获得最佳网络性能，本文充分利用节点的位置以及能量信 息，提出了转发概率动态求取算法。 ３．２．１　位置信息 通信距离越长，需要的转发次数往往越多，导致网络的能 耗也就会越高，因此候选转发节点在计算转发概率时必须考虑 各种位置信息以减少转发次数［１０，１１］。ＰＥＢＲ协议中，候选转发 节点通过比较周围各个节点与汇聚节点的通信距离，得出基于 距离的转发概率 Ｐ＿ｄｉｓｔａｎｃｅ。 如图 ６所示，鉴于体心立方格结构的特性，节点 Ｓ发出的 数据包会同时到达 Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ四个完全对称的候选转发节点， 此处仅以节点 Ａ为例来说明 Ｐ＿ｄｉｓｔａｎｃｅ的求取算法。 节点 Ａ在收到节点 Ｓ发来的数据包之后，从数据包中读取 节点 Ｓ的位置信息 （Ｘｓ，Ｙｓ，Ｚｓ）以及汇聚节点 Ｔ的位置信息 （Ｘｔ，Ｙｔ，Ｚｔ）；点 Ｏ是 Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ四个点相互连接所构成矩形的 几何中心，因此该点位于点 Ｓ的正上方，可以求得其位置信息 为（Ｘｓ，Ｙｓ，Ｚｓ＋Ｒ）。进一步推导出 Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ四个节点的位置 信息分别为（Ｘｓ＋Ｒ，Ｙｓ＋Ｒ，Ｚｓ＋Ｒ）、（Ｘｓ＋Ｒ，Ｙｓ－Ｒ，Ｚｓ＋Ｒ）、 （Ｘｓ－Ｒ，Ｙｓ＋Ｒ，Ｚｓ＋Ｒ）、（Ｘｓ－Ｒ，Ｙｓ－Ｒ，Ｚｓ＋Ｒ），因此，可以求 出此四个节点与汇聚节点之间的距离分别为 ｄ１、ｄ２、ｄ３、ｄ４，通 过比较得出 ｄ＿ｍａｘ＝ｍａｘ｛ｄ１，ｄ２，ｄ３，ｄ４｝ ｄ＿ｍｉｎ＝ｍｉｎ｛ｄ１，ｄ２，ｄ３，ｄ４｝ 则节点 Ａ根据位置信息生成的转发概率为 Ｐ＿ｄｉｓｔａｎｃｅ＝ ｄ１－ｄ＿ｍｉｎ ｄ＿ｍａｘ－ｄ＿ｍｉｎ ３．２．２　能量信息 水下三维传感网中的节点通过电池供电，电量十分受限， 而且由于网络环境比较特殊，往往不允许网络使用者对节点上 的电池进行更换或者充电等续航操作。因此，为了延长网络的 寿命，增加网络的使用价值，要尽量降低网络在运行过程的总 体能耗，同时也要使得节点间的能耗尽可能均衡［１２］。为满足 上述要求，ＰＥＢＲ协议所传递的数据包中必须包含该数据包传 递链路上所有节点的能耗信息，节点收到该数据包后提取其中 的能量信息并与自身能量信息作比较，通过进一步计算得出 Ｐ＿ｅｎｅｒｇｙ，并计入转发概率 Ｐ。 为降低控制信息在数据包中所占的比重，使得数据包能够 携带更多的环境监测信息，数据包中并不存储沿途所有节点的 能量信息，而是仅仅记录两个变量 Ｅ＿ｍａｘ、Ｅ＿ｍｉｎ，分别用来记 录沿途节点剩余能量的最大值、最小值 假设候选节点的剩余能量为 Ｐ＿ｃｕｒｒｅｎｔ，则基于能量信息 计算得出的转发概率为 Ｐ＿ｅｎｅｒｇｙ＝Ｅ＿ｃｕｒｒｅｎｔ－Ｅ＿ｍｉｎ Ｅ＿ｍａｘ－Ｅ＿ｍｉｎ 　　可见，如果本节点的剩余能量高于沿途节点剩余能量的最 小值，即 Ｐ＿ｅｎｅｒｇｙ＞０，则转发概率应加大；反之，转发概率应 减小。 需要指出一点，若 本 节 点 决 定 转 发 该 数 据 包，则 ＰＥＢＲ 协议在将数据包传递给数据链路层之前需要更新数据包中 的能量信息，其目的是 为 下 一 候 选 节 点 计 算 转 发 概 率 提 供 参考。 ３．２．３　转发概率 ＰＥＢＲ协议中求取的转发概率包含两部分，即基于节点位 置信息的 Ｐ＿ｄｉｓｔａｎｃｅ和基于节点能量信息的 Ｐ＿ｅｎｅｒｇｙ。 由以上分析可知，求取 Ｐ＿ｄｉｓｔａｎｃｅ是存在 ｄ＿ｍａｘ与 ｄ＿ｍｉｎ 相等的特殊情况，此时将 Ｐ＿ｄｉｓｔａｎｃｅ计入转发概率就不再有意 义；同样，当 Ｅ＿ｍａｘ＝Ｅ＿ｍｉｎ时，也不应考虑节点的能量信息。 

·２３４３· 　 计 算 机 应 用 研 究 第 ３１卷 　 若出现极特殊的情况，即不考虑距离以及能量信息，则节点会 以某一固定概率 Ｐ＿ｆｉｘｅｄ转发该数据包。综合各种情况，得出 如下转发概率算法： ｉｆ（ｄ＿ｍａｘ＝＝ｄ＿ｍｉｎ）｛ 　ｉｆ（Ｅ＿ｍａｘ＝＝Ｅ＿ｍｉｎ） 　　　　Ｐ＝Ｐ＿ｉｎｉｔｉａｌ； 　ｅｌｓｅ　Ｐ＝α·Ｐ＿ｅｎｅｒｇｙ； 　｝ ｅｌｓｅ｛ 　ｉｆ（Ｅ＿ｍａｘ＝＝Ｅ＿ｍｉｎ） 　　　　Ｐ＝β·Ｐ＿ｄｉｓｔａｎｃｅ； 　ｅｌｓｅ　Ｐ＝γ·（Ｐ＿ｅｎｅｒｇｙ＋Ｐ＿ｄｉｓｔａｎｃｅ）； ｝ 上述算法中，α、β、γ表示权值因子，具体取值随网络状况 以及具体应用而定。 ．   　空洞检测与功率控制 由于本文 ＵＷＳＮ中的传感器节点采用稀疏部署方式，若 存在失效节点，极易产生网络空洞，因此必须开发相应的空洞 检测与处理机制。ＰＥＢＲ协议利用后续转发节点转发数据包 时产生的反馈信息，提供了一种简单有效的空洞检测机制，并 在检测到空洞之后，通过功率控制来调整通信距离以穿越空洞 水域。为实现这一功能，需要在节点上以及数据包中设置三个 变量。节点 上 设 置 计 数 器 ｆａｉｌｕｒｅ＿ｔｉｍｅｓ、标 志 符 ｖｏｉｄ＿ａｒｅａ＿ ｎｏｄｅ。前者用于统计本节点连续转发数据包失败的次数，后者 用于标记是否有后续节点能够接收本节点发出的数据包，即本 节点是否 处 于 空 洞 之 中。数 据 包 中 设 置 标 志 符 ｖｏｉｄ＿ａｒｅａ＿ ｐａｃｋｅｔ，用于 标 记 该 数 据 包 的 上 一 转 发 节 点 是 否 处 于 空 洞 之中。 ＰＥＢＲ协议将数据包传递给数据链路层之后，会启动反馈 计时器，若节点在设定的时间阈值内监听到后续节点的转发信 息，则将 ｆａｉｌｕｒｅ＿ｔｉｍｅｓ、ｖｏｉｄ＿ａｒｅａ＿ｎｏｄｅ均置为零；若节点在设定 的时间阈值内未收到其他节点反馈回来的转发信息，则将节点 上的转发失败次数 ｆａｉｌｕｒｅ＿ｔｉｍｅｓ加 １，等到此计数器达到某值， 即连续发包失败次数达到某 一 数 值 时，将 节 点 标 志 符 ｖｏｉｄ＿ ａｒｅａ＿ｎｏｄｅ被置为 １，标志着本节点处于空洞之中。若节点上的 空洞标志符 ｖｏｉｄ＿ａｒｅａ＿ｎｏｄｅ为 １，该节点在转发数据包之前会 将数据包中的空洞标志符 ｖｏｉｄ＿ａｒｅａ＿ｐａｃｋｅｔ置为１，表示该数据 包来自空洞水域节点；节点在发送该数据包时会加大发送功 率，目的是让距离该节点更远的其他传感器节点也能够接收到 本节点转发的数据包。针对来自空洞水域节点的数据包，即数 据包中空洞标志符为 １，为提高数据包投递率并告知网络使用 者此处出现空洞需进行补盲重构，本节点转发该数据包的概率 为 １，即一定会转发该数据包。若节点上的空洞标志符 ｖｏｉｄ＿ ａｒｅａ＿ｎｏｄｅ为 １，但又收到了后续节点的反馈信息，则将 ｆａｉｌｕｒｅ＿ ｔｉｍｅｓ、ｖｏｉｄ＿ａｒｅａ＿ｎｏｄｅ均设置为零，即表示本节点所处的空洞已 消失。 ．  # 　路由协议流程 通过阐述 ＰＥＢＲ协议中的核心算法，可见该协议具有高 效、高可靠性等特点，能够很好地适用于 ＵＷＳＮ。 图 ７所示为该路由协议的完整流程。其中 ｆｚ、ｎｏｄｅ＿ｚ分别 表示数据包的上一转发节点、本节点的深度信息，其数值越大， 表示距离水面越近。 　仿真分析与比较 　仿真场景设置 ． 为了评估本文提出的 ＰＥＢＲ协议的合理性和有效性，并在  # # 网络能量消耗、数据包投递率等方面衡量网络性能，本文以 ＮＳ２为仿真平台，针对完全相同的仿真场景，分别对固定转发 概率的路由协议、ＰＥＢＲ协议进行多次仿真，并对仿真结果进 行分析比较。仿真场景参数设置如表 １所示。 表 １　仿真参数设置 参数 数值 参数 数值 参数 数值 参数 数值 发包间隔 网络分层 １１层 立方格半径 Ｒ １００ｍ ２ｓ 权值因子 β １ 汇聚节点 ４个 预设通信距离 １８０ｍ 数据包大小 ５０Ｂｙｔｅ 权值因子 λ ０．７ 源节点 ２个 权值因子 α １ 网络运行时间 ５００ｓ 节点初始能量 １００Ｊ ． 　仿真结果分析 ４．２．１　转发概率对网络性能的影响 #  为量化体心立方格部署下的水下三维传感网中节点转发 概率对网络性能的影响，本文分别对转发概率固定的网络、应 用 ＰＥＢＲ协议的网络进行仿真，得出转发概率与网络能耗关系 图（图 ４）、转发概率与数据包投递率关系图（图 ５）。由图 ４、５ 可见，转发概率越大，数据包的投递率也越大，但是能耗也会相 应增加。 ４．２．２　ＰＥＢＲ协议的有效性 为了衡量协议的有效性，本文对 ＰＥＢＲ协议进行了仿真。 由图４、５中仿真曲线可以得出，与转发概率固定为 ０．７、０．９的 网络相比，ＰＥＢＲ在保证数据包投递量的同时，可以大幅度降低 网络总能耗。 为进一步量化网络性能，本文对不同转发概率下网络的能 量利用效率（网络总能耗与数据包接收量的比值）进行了对 比，如图 ８所示。通过图 ８可以得出 ＰＥＢＲ算法大大提高了网 络的能量利用效率，从而延长了网络的生命周期。网络运行结 束后，通过统计所有节点的能量消耗，得出图 ９所示的节点能 耗分布图。通过图 ９中的节点能量消耗曲线可以发现，与转发 

第 １１期 概率固定的网络相比，由于 ＰＥＢＲ协议在求取转发概率时考虑 李　龙，等：基于位置和能量的水下无线传感网路由协议 性等方面都有比较好的表现，与仿真前的设想一致。但是本文 ·３３４３· 　　　 了节点的位置以及能量信息，使得网络节点的能耗更加均衡。 中提出的空洞处理机制稍显简单，应该开发相应的补盲重构策 略，即利用备用节点替代损坏节点以消除出现的空洞，这也是 接下来的工作重点之一。 ４．２．３　空洞检测与处理机制的有效性 本文设计了简单的链形网络来验证空洞检测与处理机制 的有效性，网络参数设置如表 ２所示。 表 ２　简单链形网络参数设置 参数 网络分层 汇聚节点 源节点 发包间隔 数据包大小 数值 参数 预设通信距离 加大通信距离 ５层 ０ ４ ２ｓ ５０Ｂｙｔｅ 网络运行时间 首次发包时间 转发概率 数值 １８０ｍ ２２０ｍ １ １ｓ ６０ｓ 　　网络初始化结构如图 １０（ａ）所示，共有五个节点，相互之 间的间距均为 １５０ｍ。节点 ４为源节点，从 １ｓ开始发送数据 包，发包间隔为 ２ｓ；节点 ０为汇聚节点，负责统计收到的数据 包数量；其他节点均为转发节点，负责数据包的转发。将 ＰＥ ＢＲ协议中空洞检测计数阈值设置为 ３，即在检测到节点连续 丢失 ３个数据包之后认为出现空洞，此时通过功率控制加大节 点通信距离。为验证机制的有效性，设置网络结构在 ２０ｓ时 改变如图 １０（ｂ）所示，并于 ４０ｓ时再次改变如图 １０（ｃ）所示。 参考文献： ［１］ ＰＡＲＴＡＷ Ｊ，ＫＵＲＯＳＥＪ，ＬＥＶＩＮＥＢＮ．Ａｓｕｒｖｅｙｏｆｐｒａｃｔｉｃａｌｉｓｓｕｅｓｉｎ ｕｎｄｅｒｗａｔｅｒｎｅｔｗｏｒｋｓ［Ｃ］／／Ｐｒｏｃｏｆｔｈｅ１ｓｔＡＣＭ ＳＩＧＭＯＢＩＬＥＷｏｒｋ ｓｈｏｐｏｎＵｎｄｅｒｗａｔｅｒＮｅｔｗｏｒｋｓ．ＮｅｗＹｏｒｋ：ＡＣＭＰｒｅｓｓ，２００７：２３３３． ［２］ 张亚斌．水下传感器网络分层—分簇路由与仿真平台研究［Ｄ］． ［３］ 傅质馨，徐志良，黄成，等．无线传感器网络节点部署问题研究 桂林：桂林电子科技大学，２０１２． ［Ｊ］．传感器与微系统，２００８，２７（３）：１１６１２０． ［４］ ＹＡＮＨａｉ，ＳＨＩＺｈｉｊｉｅ，ＣＵＩＪｕｎｈｏｎｇ．ＤＢＲ：ｄｅｐｔｈｂａｓｅｄｒｏｕｔｉｎｇｆｏｒ ｕｎｄｅｒｗａｔｅｒｓｅｎｓｏｒｎｅｔｗｏｒｋｓ［Ｃ］／／Ｐｒｏｃｏｆｔｈｅ７ｔｈＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＩＦＩＰ ＴＣ６ＮｅｔｗｏｒｋｉｎｇＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅ．Ｂｅｒｌｉｎ：Ｓｐｒｉｎｇｅｒ，２００８：７２８６． ［５］ 刘爱平，刘忠，罗亚松．一种水下无线传感器网络的连通性覆盖算 法［Ｊ］．传感技术学报，２００９，２２（１）：１１６１２０． ［６］ 刘彬，许屏，裴大刚，等．无线传感器网络的节点部署方法的研究 进展［Ｊ］．传感器世界，２００９，１５（８）：１０１４． ［７］ ＬＩＵＧｕａｎｇｚｈｏｎｇ，ＬＩＺｈｉｂｉｎ．Ｄｅｐｔｈｂａｓｅｄｍｕｌｔｉｈｏｐｒｏｕｔｉｎｇｐｒｏｔｏｃｏｌ ｆｏｒｕｎｄｅｒｗａｔｅｒｓｅｎｓｏｒｎｅｔｗｏｒｋ［Ｃ］／／Ｐｒｏｃｏｆｔｈｅ２ｎｄＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ ＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅｏｎＩｎｄｕｓｔｒｉａｌＭｅｃｈａｔｒｏｎｉｃｓａｎｄＡｕｔｏｍａｔｉｏｎ．２０１２：２６８ ２７０． ［８］ ＸＩＡＯＸｉｏｎｇ，ＪＩＸｉａｏｐｅｎｇ，ＹＡＮＧＧｕａｎｇ，ｅｔａｌ．ＬＥＶＢＦ：ｌｉｆｅｔｉｍｅｅｘ ｔｅｎｄｅｄｖｅｃｔｏｒｂａｓｅｄｆｏｒｗａｒｄｉｎｇｒｏｕｔｉｎｇ［Ｃ］／／ＰｒｏｃｏｆＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ ＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅｏｎＣｏｍｐｕｔｅｒＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＳｅｒｖｉｃｅＳｙｓｔｅｍ．２０１２：１２０１ １２０３． ［９］ 王常颖，张杰，王岩峰，等．ＶＢＦ水下传感器网络路由协议的路径 优化与模拟［Ｊ］．中国海洋大学学报，２００９，３９（６）：１２６１１２６４． ［１０］田炜，杨震．ＷＳＮ地理位置路由算法研究［Ｊ］．中国通信，２０１０，７ （３）：１５３１５７． ［１１］徐明，刘广钟．三维水声传感器网络中高效路由协议的研究［Ｊ］． 计算机科学，２０１２，３９（１０）：９０１２４． ［１２］万智萍，王凤．基于能量和地理信息的水下传感器网络协作传输 技术研究［Ｊ］．计算机应用研究，２０１２，２９（７）：２５９７２５９９． 仿真结果如图１１、１２所示。由图１１可以看出，由于节点２ 的位置在 ２０ｓ时发生改变，使得节点 ３无法与之通信，此时空 洞检测与处理机制发生作用，节点 ３在丢失三个包之后（如图 １２），于 ２７ｓ时通过改变发送功率加大了自身通信距离，因此 得以与节点 ２建立连接，并始终保持此通信距离不变，数据包 不再丢失；由于节点 ２的位置在 ４０ｓ时再次发生改变，节点 ３ 通过检测节点 ２在转发数据包时产生的反馈信息，得知通信恢 复正常并立即（４３ｓ时）减小其发送功率以减少能耗。 　结束语 $ 为了在保证对监测水域覆盖率的同时提高网络性能，本文 按照体心立方格结构对 ＵＷＳＮ进行确定性部署，并提出一种 ＰＥＢＲ协议来适应这一特殊部署结构。通过仿真表明，该路由 协议在提高网络能量利用效率、平衡节点能耗、提高网络可靠