2. 解放军装备学院, 北京 101416;
3. 西北工业大学, 陕西西安 710072
水下无线传感器网络(underwater wireless sensor network,UWSN)是指将传感器节点部署到监测海域，节点以无线自组织的方式构成的分布式水下监测网络[1]。UWSN可以被广泛应用在海洋资源勘探、海洋信息监测、水下目标跟踪和定位等领域，具有重要的应用价值和研究意义，是当前信息科学领域的研究热点。UWSN的三维空间、长延迟、高错误率、低带宽和能量受限等特点[2]，使得设计水下传感器网络协议是一项具有挑战的工作。
1 相关研究研究者针对UWSN的研究集中在物理层和MAC层，对于网络层的研究则不够深入[3]。现有的网络层协议可以分为2种：位置信息无关的和基于位置信息的。
1)位置无关的协议。位置信息无关的协议不需要节点的全维度地理位置信息。文献[4]提出了基于距离的路由协议DBR，节点只需要知道距离海平面的深度信息，并根据上一跳转发节点的深度信息和自身的深度信息来决定是否转发分组，但是该协议的应用场景不具有普遍性。文献[5]将传感器节点的剩余能量用来计算转发分组的延迟时间，从而提高了网络的生命周期，但是该算法需要节点周期性发送Hello消息，消耗能量的同时也增加了协议的开销。文献[6]提出了基于距离门限的自适应路由协议ARBDT，该协议采用单路径逐跳信息传输方式，并根据网络密集程度自适应地调整距离门限，但是协议的仿真验证是在二维空间进行的。文献[7]提出了水下传感器网络几何无状态路由协议G-STAR，其思想是分布式建立本地树，动态发现路径，但是该协议针对的是一般三维无线传感器网络，并没有考虑水下传感器网络的环境特点。
2)基于位置信息协议。这类协议假设节点知道自己的地理位置信息，大都设计转发节点和汇聚节点之间的特殊的区域，处在该区域的节点转发分组，区域之外的节点不参与分组的转发。文献[8]提出了一种能量高效的路由协议PER，该协议采用模糊逻辑原理，将传输距离、角度和剩余能量作为模糊输入，解模糊获得节点转发分组的适合性，这种方法节省了通信能量消耗，但是增加了协议的复杂度。文献[9]提出了一种基于矢量的转发路由VBF，接
近从源节点到目的节点矢量的节点优先转发分组，减少了节点的能量消耗。文献[10]改进了VBF算法，通过比较邻居节点与源节点的距离和自身与源节点距离，决定是否转发分组，不足之处是仿真的过程中使用二维空间来代替三维空间。文献[11]提出了逐跳的基于矢量的转发路由HH-VBF，与VBF采用从源节点到目的节点的矢量不同，HH-VBF为每一个转发节点设计路由矢量，从而提高了在稀疏网络环境下转发数据的能力。文献[12]提出了一种延长生命周期的矢量转发路由协议LE-VBF，该协议采用能量均衡的思想减少节点的能量消耗，但是该协议需要节点感知邻居节点的能量信息，增加了分组的开销。文献[9, 10, 11, 12]的缺点是：依靠调节延迟时间来控制转发效率，最优时间不容易确定；节点接收到分组后，延迟转发分组也带来了较高的延迟。另一方面，由于处于边界的节点移出上一跳节点传输范围的可能性很大，从而导致链路断开，协议性能下降[13]，上述协议都没有考虑这一因素。
本文提出了一种新的水下传感器网络自适应转发协议AFP，该协议本质上是一种基于地理位置的协议，采用自适应的方法，结合转发概率和转发区域确定转发分组的概率，从而减少节点之间的冗余、竞争和冲突，提高转发效率。节点只需要了解自己、上一跳节点和目的节点的地理位置信息，不需要了解邻居节点信息和全网络信息，因而协议不需要节点配备额外的存储空间，从而不需要额外增加空间复杂度。
2 AFP协议设计 2.1 AFP网络模型网络模型如图 1所示，设D为目的节点，F为转发节点，节点A、B、C为F的邻居节点，A与F的距离为d(d
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| 图 1 AFP网络模型 |
1)转发概率定义
定义1 转发概率：中间节点收到来自节点F的分组后，转发分组的概率。
AFP的转发概率计算采用如下公式：
式中，θ余弦值计算为
2)分析
由公式(1)进一步分析转发概率与角度和距离的关系，如图 2所示。其中，距离以节点的通信范围R为度量单位，角度的度量单位为π。
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| 图 2 转发概率与角度和距离的关系 |
从图中可以看出，PF∈[0, 1]。当0
3)转发区域
由上面的分析可知，在阴影平面下的节点，转发分组，不但不能提高转发效率，还带来了能量消耗和竞争冲突，为了进一步提升协议的性能，AFP对节点的转发区域进行限定。只有处在转发区的节点才能对分组进行转发，处在转发区之外的节点不能转发分组。转发区的设计如图 3所示。转发区域可以用集合表示为：
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| 图 3 转发区域 |
中间节点A接收到来自节点F的分组，分组中包含(xD,yD,zD)和(xF,yF,zF)，分组用源节点和广播ID标识。AFP协议的步骤如下：
步骤1 中间节点A接收到分组时，判断<源节点ID，广播ID>是否在自己存储的列表中。如果是，转步骤7(丢弃分组)，反之，转步骤2；
步骤2 根据地理位置信息计算出与上一跳节点的距离，根据公式(2)计算出夹角余弦值，转步骤3；
步骤3 根据公式(3)计算出节点的转发区域，如果节点不在转发区域，转步骤8，否则转步骤4；
步骤4 根据公式(1)计算出转发概率，转步骤5；
步骤6 如果RAND≤PF，转步骤7，反之，转步骤8；
步骤7 转发分组给下一跳节点，同时将自己的地理位置信息添加分组头中。
步骤8 丢弃分组。
综上所述，AFP倾向于在转发区域内，与上一跳转发节点距离相对远，且与上一跳节点与目的节点的矢量方向近的节点优先转发分组。
2.4 AFP关键代码节点处理接收分组的关键如表 1所示。
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Procedure AFP-Foward(Packet,Handler); /*Receive packet at routing layer*/ hdr-afp*afp = HDR-AFP(packet); position*p1; /*Store the last forward node's location information*/ p1=new position[1]; p1[0].x=afp->info.fx; p1[0].y=afp->info.fy; p1[0].z=afp->info.fz; /*Receive Received this packet before? */ afp-neighborhood *hashPtr= PktTable. GetHash (afp->sender-id, afp->pk-num); if (hashPtr != NULL) { PktTable.put-in-hash(afp,p1); Packet∷free(packet); } else { /*Never receive it before?Put in hash table*/ PktTable.put-in-hash(afp,p1); /*Calculate cos-theta*/ Calculate cos-theta by (2) If the node is in the Forwarding Zone { /*Calculate Forward probability*/ double alpha=(R-d*cos_theta)/R; double =1-(alpha/2); Generate a random number RND over [0,1]; if (RND≤PF) { Rebroadcasts the packet. else DROP(Packet); } delete p1; } else Packet∷:free(p); end Procedure AFP-Foward; |
AFP工作一个实例如图 4所示，图中长方体表示水下的一个三维空间，图中虚线代表节点之间存在通信链路。假设图中的所有节点都知道自己的地理位置信息。源节点为S，目的节点为D。分组的转发过程如下：
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| 图 4 AFP工作实例 |
源节点S广播分组给邻居节点，分组中包含自己的地理位置信息和目的节点D的地理位置信息；S的邻居F接收到分组后，根据3个节点的地理位置信息可以计算出与源节点的距离及与源节点与目的节点的矢量的夹角，即可根据公式(3)和公式(1)分别计算出转发区域和转发分组的概率，节点F转发分组。节点F的2个邻居节点P和A接收到分组后，相比P，A的转发概率大，因而倾向于A转发分组。节点A收到分组后，节点A的邻居节点R和B，由于节点R不在节点A的转发区域内，因而只有节点B转发分组。最终分组被转发到目的节点D。转发路径为S→F→A→B→D。如果不采用AFP协议，分组的转发路径也可能是S→F→A→R→K→G→D或S→F→A→R→K→B→D。由此可以看出，AFP更倾向于处在转发区域内靠近源节点和目的节点矢量的节点转发分组，从而减少了不必要的转发和能量消耗，提高了分组到达目的节点的速度，有利于提高转发效率。实际的水下无线传感器网络中，传感器网络节点密度很大，一个节点可能同时有多个邻居节点，源节点到目的节点的可能同时存在多条路径，AFP协议的效果将会更明显。
3 仿真分析 3.1 仿真环境仿真环境是NS-2[14]，仿真场景为500 m×500 m×500 m，节点的传输半径为100 m，节点的初始能量为10 000 J，发送功率、接收功率和空闲功率分别为2.0 W、0.75 W和0.008 W。仿真节点的数量分别为150和390，每次仿真增加的节点数量为30。源节点和目的节点固定不动，其他节点均匀分布在仿真场景中，以最大移动速度为3 m/s,最小移动速度为0.2 m/s，在水平方向上随机移动。MAC层采用适用于水下环境的UnderwaterMac，信道采用UnderwaterChannel。网络层仿真协议：(1)AFP;(2)VBF，宽度分别为100 m和200 m 2种情况。仿真实验结果均为10次实验的平均值。详细的仿真参数如表 2所示。
| 参数名称 | 数值 |
| 信道 | UnderwaterChannel |
| 仿真时间/s | 500 |
| 数据流 | CBR |
| 移动模型 | RWP |
| MAC协议 | UnderwaterMac |
| 队列长度 | 50 |
| 传播模型 | TwoRayGround |
| 天线 | OmniAntenna |
| 源节点坐标 | (250,200,10) |
| 目的节点坐标 | (100,300,500) |
1) 分组投递率
式中：Pr代表目的节点接收到的分组数量，Ps代表源节点发送的分组数量。
2) 平均端对端延迟Dav
式中：N表示成功传输的数据分组数，Rtime(i)表示第i个分组到达目的节点的时间，Stime(i)表示第i个分组的发送时间。
3) 平均能量消耗Eav
式中：Einitial(i)表示节点i的初始能量，Efinal(i)为仿真完成后，节点i的剩余能量。
3.3 仿真结果图 5表明，AFP的分组投递率高于VBF协议。原因是AFP让更倾向于目的节点方向的节点以高概率转发分组，减少了不能够到达目的节点的路径的传输。随着网络中节点数量的增加，分组投递率明显增加，原因是网络中节点数量增加，网络连通度增加。
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| 图 5 分组投递率与节点数量的关系 |
图 6表明，AFP的端对端延迟好于VBF协议。原因是AFP让更倾向于目的节点方向的节点以高概率转发分组，因而距离目的节点路径跳数小的路径优先转发分组，从而减少了平均端对端延迟。随着网络中节点数量的增加，延迟明显减少，原因是网络中节点数量增加，网络连通度增加。
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| 图 6 端对端延迟与节点数量的关系 |
图 7表明，AFP平均能量消耗，在节点数量少时优于VBF，节点数量多时与VBF相差无几。更为重要的是，AFP的能耗曲线随着节点数量的增加呈现平稳特性，而VBF变化剧烈，说明AFP对网络拓扑的动态变化适应性好。
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| 图 7 平均能量消耗与节点数量的关系 |
本文提出了一种三维水下传感器网络自适应转发协议AFP。AFP采用自适应概率的方法，倾向于转发区域内与上一跳节点距离远和与源节点和目的节点方向矢量距离近的节点转发分组，从而提高了转发效率。NS-2仿真结果表明，AFP是一种高效的转播协议，其分组投递率和平均端对端延迟性能优于VBF协议。下一步的工作，可以考虑将博弈论、能量均衡算法引入到协议中，进一步提升协议的节能性能。
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2. Academy of Equipment, Beijing 101416, China;
3. Northwestern Polytechnical University, Xi'an 710072, China