水下无人系统学报
Journal of Unmanned Undersea Systems
2024年第4期
空海跨域通信专栏
基于模糊逻辑的水下光传感器网络机会式路由协议
署名作者：
沈睿1, 郝继强2, 付东民2, 杨明2, 韩硕1, 岳鹏1, 孙诚2
作者单位：
1. 西安电子科技大学 通信工程学院, 陕西 西安, 710071
2. 黑龙江省公安厅 科技信息化总队, 黑龙江 哈尔滨, 150008
基金项目：
国家重点研究计划项目资助(2022YFC3330800).
摘要
水下无线光传感器网络相比传统声传感器网络具有高带宽、低时延等显著优势, 是实现水空跨域通信中水下数据高速实时传输的研究热点。但由于水下光节点的传输易受阻挡且节点需要指向对准等问题, 传统水下传感器网络路由协议不可避免地会出现路由空洞和冗余数据传输情况。针对上述问题, 文中提出了一种基于模糊逻辑的水下无线光传感器网络机会式路由协议。首先, 提出基于模糊逻辑系统的水下光信道链路评价算法, 结合水下复杂通信环境建模, 设计了路由度量指标的多因素融合评估; 然后, 基于实时链路评估数据设计节点, 数据转发概率和数据包保持时间的动态设定机制; 最后, 提出基于概率性的冗余抑制转发算法。仿真结果表明, 在典型海洋通信环境下, 所提路由协议可有效提高传输效率及减少端到端时延, 具有良好的网络动态适应性。
引言
随着我国深耕海洋战略目标的推进, 复杂海洋内波、涡旋、跃层等环境探测以及海底监测网络需求维护面临新的挑战, 需要形成跨域弥合的协同网络[1]。作为水下信息传输的重要组成部分, 水下无线光传感器网络是由部署在检测区域内的大量不同功能的微型传感器节点组成, 能够实现水下信息的协作感知、采集和处理, 是实现海洋环境一体化保障数据传输的关键[2-3]。
目前, 应用较为广泛的水下传感器组网依托于声波通信。虽然水下声波能够支持水下单跳数十公里的长距离通信, 但由于其机械波特性, 具有难以解决的高延迟及低带宽问题。随着语音、图像和视频等高带宽业务需求增加, 水下无线光通信(underwater wireless optical communication, UWOC)具有的高速率、低时延的高带宽传输特性显现出不可比拟的优势, 将是实现高速水下网络的重要研究方向。表1对水声通信、水下射频通信和UWOC等3种常用的水下通信方式进行了对比[4]。
表 1 水下无线通信技术对比
由于海洋的复杂环境, 节点受水流移动性明显, 水体对声、光、电磁等信号造成吸收、衰减以及方向改变等影响, 水下路由协议的设计发展仍面临诸多挑战, 目前研究的方向大致可分为: 基于能源的协议、基于数据的协议以及基于地理位置的协议[5]等。
水下节点的能量受限, 且重新部署花费时间较长, 基于节省能量的路由算法研究受到关注, 如能量平衡和寿命扩展路由协议(energy balanced and lifetime extended routing protocol, EBLE)[6] , 其核心在于传输候选集转发及数据传输2个过程, 根据成本函数和残余能级信息选择最优路径, 有效平衡了网络能耗, 延长网络寿命。
基于数据的路由协议聚焦于数据的有效传递率, 可分为基于泛洪的路由协议(如定向扩散(directed diffusion, DD) 协议[7])以及方向感知协议(如水下传感器网络的能源感知和无效可避免路由协议(energy-aware and void-avoidable routing protocol, EAVARP)[8])。基于泛洪的路由协议算法简单且有较好容错性, 如DD协议通过泛洪查询消息, 以接收信息的指向作为传输路径确定方式, 无需维护网络拓扑。但由于泛洪特性, 能源浪费不可避免。相比之下, 方向感知路由协议实现较为复杂, 但能够兼顾稳定性与能量的节省。如EAVARP算法, 通过机会定向转发策略, 建立路由分层及数据收集实现步骤, 能够兼顾同层传感器节点的剩余能量与数据传递有效性。
基于位置的路由协议通常需要获取传感器节点的位置, 尽管由于电磁衰减及水流影响, 在水下环境中获得节点位置信息较为困难, 但仍有相当多的节点定位研究能够支撑此类路由协议的进展。其中较为经典的有基于深度的路由(depth-based routing, DBR)算法[9], 根据节点深度和前一个节点深度决定数据包转发, 转发过程中节点深度不断减小, 直至到达水面。基于深度的设计思想, 2020年, 水下网络的可靠路径选择和机会路由协议(reliable path selection and opportunistic routing protocol, RPSOR)[10]被提出, 该协议设计基于3个因素: 基于深度的推进因子、基于能量的可靠性指数和基于临节点平均深度的最短路径指数。该协议减少了网络中的空洞信息和重复数据包。
除上述几种传统算法之外, 近几年有几种基于深度学习的水下光路由协议被提出。为减少网络中路由空洞的影响, Dai等[11]于2022年提出了一种双跳拓扑感知方法, 通过维护两跳内的相邻节点拓扑信息有效降低了遇到路由空洞的概率, 从而提高传输成功率和网络能量利用率。Li等[12]将强化学习应用于路由协议中, 提出了分布式多代理强化学习路由(distributed multiagent reinforcement learning routing, DMARL)协议, 使用了基于位置的Q值初始化和根据环境动态调整学习率2种优化策略, 提高了算法的收敛速度, 节省了网络能量。
综上所述, 现有水下无线传感器网络路由研究大多基于水声无线通信方式, 采用的声网络研究模型节点数量较为稀疏, 而针对水下光传感器网络的路由协议研究较少。同时, 现有算法大多假设忽略网络空洞区域情况, 这与光无线节点现实传输场景有一定偏差。此外, 由于海洋环境下光通信节点大多使用发光二极管(light emitting diode, LED)作为光源, 其通信的建立不仅需要链路相邻节点在相互的通信范围内, 其节点间的精确对准问题及水下信道带来的信号噪声问题等也将严重影响通信效果。节点间通信易受遮挡而发生中断, 且对准偏差过大问题时有发生, 机会路由的容断特性极为适配。因此, 在机会式路由基础上, 提出一种可融合考虑多种因素影响的, 基于模糊逻辑的概率转发机会式路由(fuzzy logic-based probabilistic forwarding opportunistic routing, FPOR)协议, 并通过仿真, 在模拟海洋信道传输情况下验证了该算法的性能及适用性。
结束语
针对水空跨域通信中的水下数据高速传输需求, 提出FPOR算法, 考虑路由空洞等问题, 并结合水下光节点传输环境对路由性能进行了仿真研究。仿真结果表明, 所提算法数据包投递率和有效数据包投递率性能突出, 端到端时延短, 同时兼顾了能量消耗的节省, 能够有效支撑海洋环境下数据的容断传输需求。对比经典算法, 有效提高传输效率及网络资源利用率, 并且能够很好适应网络动态性。但文中设计的路由协议为基于接收端进行候选集选择的机会路由协议, 因此路由过程中仅考虑了便于接收端获取的3个路由度量指标, 未来可以进一步对多种路由度量指标及其获取方式进行研究, 以获得更加完善的链路评价, 同时可进一步研究存在多种影响因素的UWOC复合信道模型, 从而使研究结果更有贴近于实际场景的应用。
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参考文献略
文章有删减，原文刊登于《水下无人系统学报》2024年第32卷第4期，点击阅读原文可查看。
