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1、水下无线传感网络路由协议摘要目前,水下无线传感器网络(UWSNs)已成为一个有前途的各种水下应用的网络技术。一种能量高效的路由协议在数据传输和实际应用方面起着至关重要的作用。然而,由于 UWSNs 的具体特征,如动态结构、窄带宽、能源消耗迅速,和高延迟,很难构建 UWSNs 路由协议。在本文中,我们专注于测量 UWSNs 现有的路由协议。首先,我们将现有的路由协议分为两类基于决策者。然后现有的路由协议的性能被详细的比较。此外,未来路由协议的研究问题在 UWSNs 中将被仔细分析。简介在过去的几年中,UWSNs 的研究数量迅速增长，由于在许多水下场景中其广泛的应用,例如海洋气候观测、污染跟踪,辅
2、助导航、战术水下监测、防灾等。几乎所有的应用程序需要水下传感器节点能够有效地提供准确的感知数据。然而,由于复杂的水下环境,如何快速、有效地收集到的数据传输到汇聚节点在海洋表面是一个非常具有挑战性的研究问题。实际上,有许多路由协议,提出了陆地无线传感器网络(TWSNs)。然而,这些不适合 UWSNs,主要是因为 UWSNs 的具体特点,如动态结构、窄带宽、快速能源消耗和高速传播。通常，UWSNs 的传感节点是随着洋流移动和自由浮动的，因此，已存在的路由需要定期的更新和维护，这显然介绍高能源消耗。然而,它通常是已知的所有传感器节点能量有限,因此它是为 UWSNs 建造节能路由协议的挑战。在 UWS
3、Ns 路由协议中,决策者的路线可以分为两类:发送方和接收方。在基于发送者的路由协议中,发送节点选择下一跳节点本身,而在基于接收者的路由协议中,选择下一跳节点的邻居节点为发送者。相对基于发送者的路由协议比基于接收者的路由协议更节能,减少通信开销是必需的。因此,在本文中,路由协议是基于两类调查,基于发送者和基于接收者,如图 1 所示本文的其余部分组织如下:协议的施工和设计详细介绍。这些协议的性能比较的在关于能源效率、传输延迟、网络吞吐量方面。最后,在最后一部分是开放的问题,结论。存在的水下路由协议基于接收者的路由协议在本节中,我们将协议分为三个类别:能源路由1,2。地理信息路由3 - 5。混合路由
4、协议6。每一个路由协议都将被仔细分析。能源为基础的路由:1,一个能量优化路径不知道分层路由协议(E-PULRP)提出了 UWSNs,假定一个水槽节点在网络的中心。E-PULRP 由两个阶段组成:一个分层阶段和交流阶段。在分层阶段,构造分层架构基于不同的传感器节点能量水平。一层内传感器节点有相同的跳数到水槽节点。在交流阶段, 中继节点的选择基于他们到水槽节点的距离。传感器节点靠近水槽和最大限度地远离源更有可能被选为一个转发节点。为了延长网络的生命周期,没被选择的传感器节点可以休眠来节约他们的能量。此外,分层网络结构可以平衡整个网络的能耗。然而,传感器节点的流动并不考虑 E-PULRP,因此不适合
5、现实UWSNs”应用。在2中一个名为 QELAR 的节能和 lifetime-aware 路由协议提出了基于强化学习技术。QELAR 采用 q 学习算法提供数据包以最大的程度,即最低成本。q 学习算法,一个行为价值函数(核反应能量),使期望的奖励,可以通过一个操作获得在一个给定的状态,采用计算反馈函数的时候。基于反馈功能,传感器节点可以选择足够的数据包传递。应用 q 学习技术在 QELAR 传感器节点之间的路由协议可以平衡工作负载,减少网络开销,延长网络生命周期。此外,移动 QELAR特别适合 UWSNs。然而,每个传感器节点需要核反应能量计算,记录大量的信息为介绍传感器存储控件的高需求 q
6、值计算。地理信息路由:为了处理节点移动性的问题,基于(H2 - DAB)路由协议的点对点动态寻址被提出了在3中,其中每个传感器节点分配的可路由地址由两部分组成:节点 ID 和跳 ID。基于可路由地址、H2 - DAB 路由协议是可用的甚至一些传感器节点随着洋流运动离开网络,因为每个传感器节点可以动态地获取其地址,不参与任何静态配置。此外,H2-DAB 是光和能量高效的路由协议,因为它不需要任何位置信息或维持复杂的路由表。然而,如何更新及时的可路由地址,直接影响信息的有效传播,这是一个紧迫的问题,需要进一步的调查研究。在4中，基于深度的路由(DBR)协议提出了 UWSNs。在 DBR,每个传感器
7、节点使自己的决定数据包转发基于其深度和之前的发送方的深度。如图 2 所示,节点 S 是一个发送者,以及所有的邻居节点,如 n1、n2 和 n3,将将会收到它的包。然而,只有 n1 和 n2 选为候选转发节点因为它们接近水面上的汇聚节点。此外,节点 n1 优先转发数据包相比节点 n2。节点 n2 的转发被阻止如果接收到来自 n1 的数据包在自己的计划发送数据包之前。DBR 可以动态高效的处理网络信息而没有要求全面的传感器节点的位置信息。但是,如果网络中有很多的邻居节点,很有可能多个节点发出了相同的包并且一个传感器节点可能会收到相同的数据包多次,导致大量的数据包碰撞和高传输延迟和能量消耗。因此,在
8、5中延迟敏感的路由(DSDBR)协议被提出，它可以保持时间最小化的端到端延迟。停留时间可以继续接收节点接收到的数据包。保持时间外的数据包会被丢弃,最终限制了数据包传输延迟。混合路由协议:在6中，一个新颖的路由协议,被称为链路状态自适应反馈路由(LAFR)为被提出为 UWSNs。不同于上述的路由协议,水声通信链路的不对称性值得 LAFR 考虑。根据下游节点表中记录的id 的传感器节点,可以检测到通信链路对称或不对称,这在路由的过程中扮演着重要的角色。传感器节点可以直接传输数据包没有路由查询，如果传感器节点及其邻居节点由一个对称的链接连接,它可以为路由查询节省大量的资源。此外,提出了一种基于时间的
9、优先转发机制,防水路由请求包洪泛，并且采用以信用为基础的路由表更新机制,以避免能量耗散引起路由表的频繁更新。然而,传感器节点的流动并不考虑直接影响水下通信链路的不对称的 LAFR。基于发送者的路由协议在这部分，路由协议也是被分成了上面提到的三类。能源路由:7中提出了一种新颖的基于类型的消息和应用程序需求自适应路由协议(ARP)。数据包被分配了不同的优先级基于数据包的特征,如紧急程度和年龄(即网络中的停留时间),和节点的状态,如剩余电量和邻居的的密度。如图 3 所示,转发区域被介绍。更高的转发优先级对应于一个更大区域的转发。显然,“更重要”包可以在更短的延迟交付。ARP 达到良好的权衡在传递和端
10、对端延迟。然而,转发区域的直径仍需要进一步的研究。在8Mobicast 路由协议(MRP)被提出为 UWSNs。在 MRP、移动水槽或自主水下航行器(AUV)作为数据收集器收集数据从水下环境。所有的传感器节点数据收集器周围形成一个三维地理区,被称为作为一个 3 d 区参考(三维佐尔)。节省能源消耗 ,只有三维佐尔的传感器节点需要传输数据到接收者,而其他传感器节点可以休眠。MRP 包括两个阶段:收集数据在三维佐尔,传感器节点在接下来的 3 d 醒来，在试图避免拓扑洋流造成的漏洞。为了解决这一问题的拓扑结构洞,一个苹果片的技术用于环绕黑洞。我们所知,MRP 是第一个研究开发一个水下路由协议为了收集
11、处于休眠模式的节点的数据，并且避免了动态拓扑导致的路由漏洞。地理信息路由:9基于相对距离的转发(RDBF)路由协议提出了UWSNs,这是一个基于位置的路由协议。在 REBF,基于水槽节点的距离来判断是否适合一个传感器节点数据包转发的有效因素被定义。靠近水槽的邻居节点更容易被选择作为下一跳。为了限制代理的数量,避免数据包碰撞,另一个参数 b 介绍,也就是说,如果一个节点听到和 b 相同的数据包,就将简单地丢弃数据包。此外,在 REBF 中能量平衡问题被考虑。残余能量阈值被定义,并且如果一个传感器节点的剩余能量低于这个阈值时,它会停止转发数据包。很明显,只有一些传感器节点参与包传输,大大降低了能源
12、消耗。此外,使用选定的和更合适的传感器节点传输数据提高传输效率和限制的端到端传输延迟。然而,REBF 要求每个节点准确地获取其位置信息,这很难保证,因为在动态水下环境很难及时获得准确的位置信息。在10中，一个新颖的 Geocast 技术和 UWSNs 的洞检测机制被提出。该模型是基于路由和多播树 Geocasting(RMTG),由以下六个部分:邻居表的形成,这是用来提供所有传感器节点与邻居节点的位置信息。路由发现,到目标节点最近的下一跳邻居节点。路由维护,用于解决这一问题,没有邻居节点作为下一跳,和解决链路中断的问题。多播树的形成,负责构建一个多播最短路径传输数据包。孔检测。边界路由 geo
13、cast 周围区域。RMTG 提供了一个高效的路由协议为 UWSNs 在节省节点的内存,移动性处理和可接受的端到端延迟方面。然而,贪婪转发方法,使用不够节能,这可能会导致大量的包阻塞。此外,类似于 RDBF 协议9中讨论的所有传感器节点 RMTG 也需要知道他们的地理坐标。在11一个对角线和垂直路由协议(DVRP)被提出为 UWSNs。在同一深度水平水平传感器节点之间的通信总是没用,浪费大量的通信开销,DVRP采用三角不等式定理,以避免平行通信。如图 4 所示,当传输数据包时,源节点 S 将选择邻居节点 N,而不是 M 作为转发节点。然而,精确的三维坐标信息是必需的,这是在水下环境中的一个挑战
14、。在12中，一个基于深度的路由协议,名叫 Void-Aware 压力路由协议(VAPR)被提出为,使用跳数和深度信息来决定下一跳节点。相比较而言,获取深度信息比 UWSNs 坐标信息容易得多。VAPR 由两个阶段组成:增强的指引和有机会的定向数据转发。在第一阶段中,每个传感器节点追杀信标信息,例如它的深度,跳数,数据转发方向等。在第二个阶段,传感器节点转发数据包只根据数据转发方向和下一跳数据转发方向,从而确保可以将数据包转发上升到水面。基于周期性信标信号,VAPR对于网络动态,如节点移动性和失败是健壮的。混合路由协议:13一种低功耗路由协议被提出为 UWSNs。PER包含两个阶段:选择转发节点
15、和转发树的修剪。在第一阶段,基于距离、夹角两个邻近的传感器节点,传感器节点的剩余能量,两个候选人选择转发节点。在第二个阶段,转发树的修剪是基于每个传感器节点收到的重复数据包的数量,可以用来限制过多的数据包转发,防止不必要的能耗。然而,PER 需要所有邻居节点的信息来选择转发节点,它引入了更高的内存利用率和更多的通信开销。在14中，Channel-Aware 路由(CARP)协议被提出为 UWSNs,链接质量和跳数被考虑在进行路由选择的时候。一个传感器节点的链路质量评估是基于过去的成功传输其邻居节点。通常,最小跳数和包传输的最佳链接质量的通信链路被选择。我们所知,CARP 是第一个考虑了链路状态
16、的水下路由协议。然而,由于 UWSNs 的动态特性,相同的链接质量传输变化频繁。在数据传输的过程中很难及时维护和更新的链接状态信息。在15，DBR 协议4扩展到一个节能地路由(EEDBR)协议。在DBR,只有使用传感器节点的深度信息,而在 EEDBR,深度信息和剩余能量传感器节被考虑当做下一跳节点。此外,DBR 是基于接收者的路由协议,也就是说,发送方广播数据包到邻居节点,然后邻居节点决定是否转发接收的数据包。在这种情况下,可能存在大量的冗余传输，由于缺少相邻节点的信息。在 EEDBR,根据相邻节点的深度和剩余能量信息,发送者可以选择一套合适的邻居节点转发数据包,以避免不必要的传输。因此,与 DBR 相比,EEDBR 更节能对于冗余数据传输。然而,为了有效地传输数据包,邻居节点的信息,如深度信息和剩余能量水平,需要定期更新。研究问题的开放和讨论正如前面分析的,基于发送者的路由协议,发送节点本
