水下无线传感器网络路由协议综述

制作和主办：Elsevier埃及信息学杂志19（2018）57审查基于协议操作的水下无线传感器网络路由协议综述Mukhtiar Ahmeda，Mazleena Salleha，M.Ibrahim Channab，马来西亚UTM计算机学院计算机科学系巴基斯坦信德省Nawabshah QUEST科学学院信息技术系b阿提奇莱因福奥文章历史记录：2016年3月31日收到2016年9月9日修订2017年7月9日接受2017年7月23日在线发布关键词：协议操作表驱动源发起数据聚合部署A B S T R A C T水下无线传感器网络（Underwater Wireless Sensor Network，UWSN）由于其广泛的应用，如海洋监测、水下采矿、战术监视、海洋内部野生生物、近海勘探和海洋监测等，成为研究界非常感兴趣的领域大多数研究者采用陆地无线传感器网络（Wireless Sensor Network，WSN）的部署方式和拓扑结构来构建水下传感器网络，但由于水下环境的环境条件限制，这类结构几乎都失效本文从协议操作的角度研究了路由协议的动态结构、路由发现、路由维护本文的研究进一步涵盖了基于协议操作的路由协议的解析分析和数值模拟结果，对路由协议领域的进一步研究具有指导意义©2018制作和主办由Elsevier B.V.代表开罗计算机和信息学院大学这是一篇CC BY-NC-ND许可证下的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。内容1.一、导言. 582.背景和文献综述2.1.信息携带路由协议（ICRP）582.2.位置感知路由（LASR）582.3.数据包克隆路由协议（PackCloning）592.4.临时集群路由（TCBR）592.5.基于逐跳动态地址（H2-DAB）592.6.多路径虚拟宿（MultipathVS）602.7.分布式水下集群方案（DUCS）602.8.多水槽603.通过分析方法进行4.通过数值模拟方法进行分析605.公开研究问题616.结论和今后的工作参考文献62*通讯作者。电子邮件地址：mukhtiar. gmail.com（M. Channa）。开罗大学计算机和信息系负责同行审查http://dx.doi.org/10.1016/j.eij.2017.07.0021110-8665/©2018制作和主办由Elsevier B. V.代表开罗大学计算机和信息学院这是一篇基于CC BY-NC-ND许可证的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。可在ScienceDirect上获得目录列表埃及信息学杂志杂志主页：www.sciencedirect.com58M. Ahmed等/Egyptian Informatics Journal 19（2018）572ð Þ1. 介绍最近，水下无线传感器网络（UWSN）领域是研究界的主要焦点，因为它具有多方面的应用，如：海洋监测，海洋内部野生生物，水下矿物开采和近海勘探[1传感器设备从海底收集信息，并将该信息传输到部署在水面上的汇聚节点，汇聚节点进一步将该数据传输到岸上数据中心以进行进一步校正[5水下传感器网络与陆地网络相似，当我们区分UWSN和陆地无线传感器网络时; UWSN表现出一些独特的个性，如：声学通信，高误码率，传感器设备的存储能力有限，低带宽和高延迟[9由于衰减，射频（RF）信令对于水下无线传感器网络是不可行的[13]。声学信号是水下环境的更好解决方案，因为声学信号速度为1500 m/s[14]。然而，水下传感器网络面临着更多的挑战，如：由于水流，声学信令具有有限的带宽，由于节点移动对水压的动态网络拓扑结构，由于路径损耗，噪声和多普勒扩展对声学信道的影响，以及传感器节点之间的链路仍然非常容易[15]。上述挑战也造成了复杂性，设计了水下环境下的路由协议。大多数研究者设计的路由协议有：基于位置的路由协议、无位置限制的路由协议、多路径路由协议、地理路由协议、分簇路由协议、基于移动性的路由协议和基于协议操作的路由协议。本文研究了基于协议操作的路由协议，并将其分为表驱动、源发起和数据聚集三类。本文的研究将有助于研究者找到合适的差距，以进一步推动这类范畴的发展。第二部分为研究背景和文献综述，第三部分为解析方法分析，第四部分为数值模拟方法分析，第四部分为开放性研究问题，第五部分为结论和未来工作。2. 背景和文献综述水下环境中的路由协议设计是一项复杂的任务，因为水下环境中由于水的不断运动，静态拓扑结构是无效的。动态拓扑设计是水下环境下的最佳解决方案，但由于水流和声学信道带宽有限，动态拓扑也面临着严重的问题[16大多数研究者已经设计出了基于动态拓扑的路由协议，但仍有许多问题需要解决。本文从协议操作的角度对路由协议进行了研究，并将其分为源发起、表驱动和数据聚合三种类型。分类如下：i. ICRPii. LASRiii. 包克隆iv. TCBRv. H2-DABvi. 多路径VSvii. Ducsviii. 多水槽2.1. 信息携带路由协议ICRP是源发起和表驱动的路由协议[21]。ICRP是一种高效节能、可扩展、实时的路由协议，它通过数据包来承载控制包，实现信息共享该路由协议是本地化的自由，只有少量的传感器节点参与路由。在ICRP中，源节点通过数据包负责路由发现机制，如果路由未建立，源节点将携带路由发现消息的数据包当所有的节点都将接收到该消息时，这些节点也将为确认建立反向路由，当源节点将通过反向路由接收到确认时，将考虑成功的分组传递路由的使用取决于时间优先级，如果路由不用于传输，则称为路由生命期。如果路由的生命周期仍然较大，则意味着它是有效的，甚至是未使用的。路由的有效期取决于超时时间，如果超过超时时间，路由将失效。ICRP面临着一些严重的问题：（1）在水下环境中，由于水的连续运动，作者给出的体系结构是不成立的。(ii)如果中间节点不具有路由信息，则这些节点将数据分组传送到目的地，结果目的地将不接受数据分组，结果将发生分组的丢弃，并且这些节点的能量水平也将被浪费。(iii)在水下环境中，由于水压，路线可能在2至3秒内被破坏。2.2. 位置感知路由LASR是基于位置的路由协议，也是DSR（动态源路由）协议的修订形式[22]。LASR是源发起的路由协议，基于协议操作。LASR协议使用了两种额外的方法;一种是位置感知，第二种是链路质量度量。在位置感知方法中，设计了利用隐式信息进行传输的局部网络拓扑结构。局部网络拓扑结构由跟踪系统和用于距离和传输过程的飞行时间组成。作者还使用了TDMA技术的媒体访问控制。链路质量度量使用DSR的跳数和强大的计算方法是适应链路质量的改善。LASR采用鲁棒的链路质量作为跳数，链路质量由两个端点组成，链路质量度量和时间戳。链路质量也使用了预期的拥塞计数（ETX）。ETX可以如等式中给出的那样计算（一）.ETX，1：1个1，1-二氢叶酸由方程式（1）FER表示帧错误率。链路质量协议头由八进制12位组成。时间戳因子用于新的数据链路。LASR还保证无状态链路类型数据可以通过某种机制正确地丢弃LASR使用五种协议选项进行节点转发;协议选项的功能如下所述。a. 显式确认：当LASR发送必须确认的消息或协议选项时，此确认过程称为显式确认。b. 路由请求：在数据包到达时，路由请求选项将携带一条路由，以及从始发者到最后一跳的链路质量和时间戳。c. 路由应答：它携带类似于DSR的路由质量和时间戳。M. Ahmed等/Egyptian Informatics Journal 19（2018）5759d. 路线建议：它删除路线错误，并携带有关各个链接的更新信息路由建议可以使用带有时间戳的hello消息e. 源路由：类似于DSR。它的路由携带链路质量和时间戳。在LASR中，每个路由在每个跳数上被重新计算，路由主要用于扩展网络拓扑，链路缓存机制用新数据更新，然后路由而不是选项被丢弃。当隐式信息出现以构建链接缓存时，可以替换路由。LASR使用Dijkstra路由处理机制将使用协议选项来建立路由链路，这些选项是确认、路由选择和路由应答。在选择权离开之前，该链接可以被丢弃。LASR在路由上传输数据包数时使用了确认延迟保证、hello消息和选项打包这三个特性LASR功能将增加数据包传输率，减少端到端延迟，并提供更新的信息。LASR功能的简要描述如下。a. 确认延迟保证：它是LASR的保证，在时间跨度内，所有消息的确认将被接收到发送方节点。b. Hello消息：如果发送方节点想要传输数据，但它没有准备好发送等选项，则它可以发送路由建议选项作为c. 选择包装：选择包装是由背负式作为一个子选项。piggyback选项将路由和用户数据报文与源路由分离。此选项还负责在单个路由传输上接收来自多个邻居的确认。LASR跟踪系统是递归状态估计滤波器，它使用距离估计来预测网络拓扑。对它的性能进行了建模。2.3. 数据包克隆路由协议（Pack Cloning）通过包克隆的高效数据传输是源发起和表驱动的路由协议，已由[23]引入。作者使用了多路径和节点邻近的方法来提高数据包的交付率。分组克隆路由协议利用选择性分组克隆机制将分组转发到目的地。数据包克隆方案利用节点邻近的思想，在数据包转发到目的地的过程中有选择地克隆数据包。该方案通过链路质量和信道条件来控制数据包克隆的数量，从而使竞争和能量消耗最小化。作者在体系结构中使用了三种类型的节点;它们是源节点、中间中继节点和汇聚节点。中间中继节点作为一个智能节点，它有能力决定一个数据包克隆是否是新的，丢失，重复或迟到。当分组克隆到达中间中继节点时，该节点可以导出关于转发过程的状态的一些信息。该技术对于检测重复和数据包丢失非常有用。中间智能中继节点将丢弃重复的分组，中继新的分组并重新生成丢失的分组。作者声称，这种机制将减少网络流量和负担，并将提高数据传输率。数据包克隆方案具有较好的鲁棒性和增强数据传输的能力，但水声信道带宽较低，无法支持数据包克隆方案这种技术适用于地面网络。2.4. 临时集群路由（TCBR）TCBR是表驱动的水下路由协议。TCBR工作在多跳上，专门为整个网络的相等能耗而设计[24]。作者在设计TCBR网络时采用了两种类型的节点，一种是普通节点，另一种是信使节点。信使节点可以利用自身的动力向其嵌入的机械模块垂直移动;普通传感器节点将以数据包的形式收集数据并将其转发给信使节点;信使节点将利用机械模块的动力将数据传输到表面接收器。TCBR依赖于多宿架构。为了更好地利用电力，节点的通信范围已被设定在300至500米左右。功能强大的信使节点将在指定时间内向普通节点发送hello分组消息，普通节点将观察信使节点的存在并将数据传输到信使节点;信使节点进一步利用机械模块的功率通过使用声学信道将数据推向表面sink。表面接收器与无线电链路信令（RF）连接，通过RF信令将数据发送到陆上数据中心。hello分组将标识信使节点的存在;该格式由四个字段组成：（i）NodeID用于节点标识，（ii）Expiry Time示出信使节点的可用时间，（iii）HopID将对朝向普通节点的跳数进行计数，以及（iv）MaxHop Count用于感测来自3个普通节点的数据;意味着3是该字段的固定值。数据分组格式具有五个字段：（i）源节点ID将标识哪个节点将生成数据分组;（ii）下一个节点ID具有节点的唯一ID，并且几乎更接近信使对于下一跳将相当多，（iii）分组序列号将被设置有数据分组的唯一数量，（iv）DestID，其保持表面接收器的地址，以及（v）数据用于纯数据。作者刚刚在信使节点周围设置了临时集群的概念。TCBR有一些问题：（i）具有机械模块设计的CCBR节点是昂贵的传感器节点，并且功能不可靠，如作者所描述的。（ii）TCBR不适合基于关键时间的场景。2.5. 基于逐跳动态地址（H2-DAB）H2-DAB基于多汇架构;作者声称该协议是可扩展的，鲁棒的和节能的[25]。H2-DAB基于动态地址机制。在H2-DAB体系结构中，采用了动态寻址机制，直到水深，解决了节点在水流中容易移动的问题作者设定了从水面到水底的深度。水面浮标正在收集信息，并将其传递到底层。H2-DAB的寻址机制是基于从水的较小动态地址是由表层接收器加上Hello数据包生成的H2-DAB使用两种分组格式，一种是hello分组格式，第二种是数据分组格式;这两种分组都由sink表面节点生成。接收到数据包的节点采用贪婪算法将数据包转发到上层。当数据包被表面接收器接收时，该传递被认为是成功传递，并且整个表面接收器在每个表面接收器之间被链接。60M. Ahmed等/Egyptian Informatics Journal 19（2018）57其他具有无线电通信链路和地面接收器的设备将数据传送到岸上中心。H2-DAB面临的问题有：（1）没有正确定义跳数机制，也没有定义贪婪方法。(2)由于跳数机制的不合理，能量效率的定义是没有根据的。2.6. 多路径虚拟宿（Multipath VS）多路径VS是表驱动和数据聚合路由协议。本研究论文的作者重点关注了网络架构参数，如网络的可靠性、鲁棒性、能耗、容量和冗余度[26]。作者将网络结构划分为簇的数量，簇又进一步划分为一个或多个聚合点。这些聚合点实际上是通过高速RF链路与本地接收器连接的小型网状当数据在本地接收器上聚集时，本地接收器将创建虚拟接收器。作者设计了多个路径来增加成功数据传输的概率。在聚集点上，作者发展了与当地汇连接的多条途径。存在将跳数消息传送到传感器节点的本地sink的责任;每个传感器节点将接收跳数消息，传感器节点将向该消息添加一个步长，并且将该消息传送到本地sink。以这种方式，路径将被开发，并且数据包将从传感器节点传输到链接的本地接收器。该机制将通过多个传感器节点的多个本地汇点集中传输。作者提出了多路径的好策略，但这种架构将面临一个严重的问题，如：如果数据传输将发生终止，那么由于水下环境，很难解决这个问题。2.7. 分布式水下分簇方案DUCS是数据聚合路由协议，由[27]介绍。DUCS是一种能量高效、可扩展的路由协议.该路由协议基于长期但非时间关键应用的节点移动性[28]。DUCS是一种自组织路由协议，基于分布式算法将网络划分为多个簇。节点分为簇头节点和非簇头节点。一个簇头节点将成为非簇头节点的簇。非簇头节点或簇成员节点将数据分组传送到相应的簇头节点。从非簇头节点到簇头节点的传输是单跳的。当簇头节点接收到数据包后，簇头节点利用汇聚功能，通过多跳方式将数据包转发给其他簇头节点，最后由簇头节点将数据包转发给sink节点。DUCS基于两个阶段，一个是建立阶段，另一个是操作阶段。在建立阶段，DUCS形成簇，并且在操作阶段，DUCS向宿传送数据簇内成员节点与簇头节点之间的协调称为簇内协调，簇头节点与其他簇头节点之间的通信称为簇间协调。在运行阶段，簇成员节点向簇头节点发送多个帧，每个帧由一系列具有调度的数据消息组成。DUCS面临着一些严重的问题：（i）连续节点移动-这将影响簇的结构，结果簇的寿命将缩短。（二）在运行阶段，数据如果簇头节点由于水流而远离路由，则递送率可能降低2.8. 多水槽该协议的作者已将具有2D准静态的网状网络结构适用于浅水[29]。作者使用了五种类型的组件。水下传感器节点部署成一个疲惫的架构，水面浮标通过电线直接与UW-汇节点连接。网格节点是传感器节点的邻居，具有较高的存储能力和较长的传输距离，并具有较高的处理能力。作者在水下传感器节点和监测中心之间采用了声学网状网络。水面浮标放置在水面上，并通过RF信号与监测中心直接连接。网格节点可以在水下控制车辆的帮助下充电。网格节点用于数据汇聚;当传感器节点将数据传输到网格节点时，网格节点首先将数据汇聚，然后通过声学多希望信道将数据传输到UW-sink节点; UW-sink节点直接与水面浮标连接，将数据传输到水面浮标，水面浮标将相同的数据传输到监测中心。这是一个设计良好的协议，可以顺利地将数据传输到目的地。由于传感器节点的同时传输，该方案将提高数据包的交付率。Multi-sink协议的设计将面临一些严重的问题，如：（i）Mesh节点存储整个网络中所有节点的节点ID和地理区域等信息;（ii）准静态结构3. 分析法分析该方法从路由协议的设计和体系结构两个方面对不同参数的路由协议进行评价。在表1中，我们已经通过具有其不同参数的分析方法观察到了协议行为;例如，如果我们考虑表1中的LASR协议，并且通过使用端到端延迟机制的数据转发方法评估LASRLASR体系结构将链路质量度量与源索引操作相结合。LASR是基于hello消息连接的传感器节点与位置感知指示器之间的通信。表2集中分析了所提出的路由协议的性能指标，并基于以下参数：性能、成本效率、可靠性、带宽效率、能源效率、延迟效率和数据包投递率。在表2中，如果我们考虑TCBR协议，则其可靠性、带宽效率、能量效率和分组递送率是公平的，而其性能、成本效率和延迟效率是低的。在表2中，我们可以用相同的方法观察具有相同参数的其余路由协议。4. 数值模拟分析数值模拟方法主要是对路由协议的分组投递率进行模拟在该方法中，我们使用了具有AquaSim功能的NS2.30模拟器，不同的模拟参数如表3所示。我们观察了350个节点（部署）的数据包交付率M. Ahmed等/Egyptian Informatics Journal 19（2018）5761×p××××××表1通过架构参数进行分析。包克隆多汇逐跳节点邻近度SITD×pp多接收器逐跳中继TDH2-DAB多汇逐跳深度寻址TDp多径VS多宿逐跳中继TD DApDUCS单宿逐跳中继DAp×基于2D DA × ×的多汇逐跳网格SI：源启动，TD：表驱动，DA：数据聚合。表2通过性能指标进行分析。协议性能成本效率可靠性带宽效率能源效率延迟效率数据包投递率ICRP ×p× ± ± × ×LASR ±p± ± × ±包克隆±p± × × ±pTCBR ×H2-DAB ±Multipath-VS ±± ± ± ±± ± ±pp×p±×± ±Ducs多汇±p高：p，一般：±，低：×。× ± ± × ±× ± × ± ±100908070605040302010表3NS2.30仿真参数。参数评级号节点350部署尺寸（3D）500× 500× 500 m节点速度1数据包大小512字节数据发送速率1 packet/sMAC标准IEEE 802.1150 100 150 200 250 300 350节点数ICRPLASR包装克隆TCBRH2-DAB多路径VSDUCS多sink大小为500米× 500米× 500米），通信范围为100米，几乎被所有提出的路由协议所使用。我们将节点速度设置为1到3 m/s，数据包发送速率为1 packet/s;而数据包大小为512字节。MAC标准是IEEE802.11，其余参数单独考虑用于拟议的路由协议。图1聚焦于基于协议操作的建议路由协议的分组递送率;我们观察到H2-DAB的分组递送率大于其他建议路由协议，因为H2-DAB是基于实时参数的。不同路由协议的数据包传输率与节点数的比较见表4。5. 开放研究问题基于以上讨论的工作和问题，显然路由协议的设计需要进一步改进和研究。以下开放研究问题是：- 设计可扩展的、健壮的、可靠的路由协议是非常必要的，而且必须是无本地化的。- 水下传感器节点的三维部署需要考虑节点随时间的移动性。- 去除空隙区域也是必须解决的主要问题Fig. 1. 节点数量与建议RP的数据包交付率。在传感器节点的部署期间考虑。表4建议的路由协议的数据包投递率的比较数据包交付率（%）节点数量ICRPLASR包克隆TCBRH2-DAB多径VSDucs多sink5084868686888885861008688888890908788150889090909292899020090929292949491922509294949496969394300929696969896959535092969896100969796数据包传输率（%）议定书单水槽或多水槽逐跳/端到端架构组成方法可操作性Hello消息需要本地化ICRPLASR单水槽单水槽端到端端到端链接质量SI TDSI×p×62M. Ahmed等/Egyptian Informatics Journal 19（2018）57- 在现实世界条件下的路由协议的设计，考虑到相对于水下的挑战，如：高误码率，由于衰落，有限的带宽，高传播延迟和持续的水压和盐度受损的信道。- 在密集、恶劣的水下环境中，最大限度地降低传感器节点部署过程中的能量消耗- 对于电池充电，应考虑水流情况进行调查。6. 结论和今后的工作水下环境下路由协议的设计也是一个具有挑战性的问题。本文主要研究基于协议操作的路由协议设计问题我们还解释了源发起的，表驱动的和基于协议操作的数据聚集路由协议的问题本文还介绍了传感器节点的部署、动态拓扑结构、路由发现机制和基于协议操作的路由协议数据本文通过解析和数值模拟的方法进一步分析了其性能。在分析方法中，我们定义了路由协议的结构参数和性能度量参数数值模拟的方法重点提出的路由协议的性能，通过数据包投递率。我们观察到，由于H2-DAB是基于实时参数的，所以它的分组投递率比其他路由协议要未来的研究是基于网络性能通过服务质量（QoS）的实时应用和安全性也是军事应用的主要问题在深海环境中，节点的运动是不可控的，其引用[1] [10]杨文辉，李文辉，李文辉.水下传感器网络的应用、研究挑战与时间同步。2015年国际工程研究技术期刊。[2] Darehshoorzadeh A，Boukerche A.水下传感器网络：机会路由协议的新挑战。通信杂志，IEEE2015;53：98-107。[3] [10] 韩 G ， 蒋 J ， 包 N ， 万 L ， Guizani M. 水 下 无 线 传 感 器 网 络 路 由 协 议 。Communicat Magazine，IEEE 2015;53：72-8.[4] Javaid N，Jafri M，Ahmed S，Jamil M，Khan Z，Qasim U，et al.，Delay-sensitiverouting schemes for underwater acoustic sensor networks. 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