文摘
类似于地面网络,水下无线网络(UWNs)也援助几个关键任务包括沿海监测、水下污染检测和其他海上应用程序。目前,一旦水下传感器节点部署在不同级别的大海,它几乎是不可能的或者非常昂贵的重新配置硬件,例如,电池。考虑到这个问题,进行了大量的研究,以确保最低能源成本和可靠的水下节点和基站之间的通信。因此,UWN提出了几种不同的网络协议,包括MAC、体育、交通、和路由。最近,一个新的范例介绍了声称声通道和信号导致的间歇性性质设计延迟宽容UWN路由方案,称为一个水下延迟容忍网络。在本文中,我们提供了一个全面的调查水下路由协议与强调限制,挑战,和未来的开放在延迟容忍网络路由问题。
1。介绍
通信和监测水下环境的长期挑战的大量通过水下无线通信的应用程序。这些应用程序的范围涵盖了从海洋污染监测环境、气候、自然干扰,和海洋生态系统搜索和测量操作,监视,海上勘探,导航和防灾。应用,如上述导致一系列的研究调查如何实现更好的沟通和监控在水下无线通信1]。
网络,使水下通信被称为水下无线网络,水声网络,或水声传感器网络,如图1。然而,在这种背景下,我们把它们统称为水下无线网络(UWNs)。UWN由离岸和在岸静态和移动节点。离岸静态节点是电池供电的,感知能力,固定在海底,或休息时,在不同的高度和浮动。另一组节点漂浮在海面或海底,自动或手动控制,被称为海上移动节点(2]。
UWNs的主要目的是合理和监测水下环境以及控制智能水下机器人(auv和离岸中心提供这些信息通过中间数据收集点或水槽漂浮在海面3]。每个UWN节点海面以下配备传感功能收集水下环境的特性和参数。感觉数据转发到岸上站通过电台漂浮在海面(例如,船或浮标)多次反射的方式(4]。
不同的沟通模式,例如,无线电频率(RF)电磁波(5)和声学和/或光信号(6),使用离岸表面之间站和在岸数据中心以及在离岸节点。射频电磁波用于启用节点之间的通信是漂浮在海面和陆地数据收集和控制中心。然而,同样的不能用于海面下面的无线节点之间传播信息因为海水不是由于盐度电磁波的良导体。选择通信方式在水下环境光学通信。然而,在浑浊的水下环境中,光通信严重遭受高散射,这使得它行不通水下通信。
除了射频电磁和光学信号,声信号是使用作为一个使UWNs通信方式。声信号可以在水生环境有效地传播很长的距离(公里)。然而,声音信号和水生频道共同提出了许多限制和挑战需要克服。这些约束构成一个不确定的源和目的节点之间的端到端路径以及频繁的网络分区和断断续续的节点之间的联系。这使得实时通信UWNs(一个具有挑战性的任务7]。因此,有必要了解当前最先进的路由解决方案,了解声通道的限制,阻碍了数据转发在这样一个环境的限制。因此在本文中,我们提供一个全面概述水下通信的路由。本文的主要贡献如下:(我)声音信号的局限性和渠道的概述(部分2)(2)简要讨论了传统路由类UWN(部分3)(3)介绍水下DTN和先进的路由解决方案(部分4)(iv)详细讨论和独特的水下DTN路由协议的分类和比较(部分5)(v)招募现有解决方案的缺陷以及未来研究方向(部分6)
2。UWN局限性
声信号的综合列表和水生通道的限制UWN [8)如下。(1)传播延迟。在水下声信号的主要限制是它高约2×10的传播延迟5倍比陆地环境中的电磁传播慢。声推迟是高度动态的,取决于不同的因素,包括水温、深度和盐度。(2)多元衰减。声学信号面临严重的路径损耗是声学固有渠道,主要取决于信号频率,吸收损失,sender-receiver距离和路径损耗指数。(3)噪声的影响。声信道的频带是受到环境噪声的影响在水生地区。有三个主要类别的环境噪声来源:(i)海洋动物,包括海豚、鲸鱼,和虾。,(2)human activity that consists of on- and offshore exploration, industrial activity, ships, fishing, and communication, and (iii) natural events, ranging from underwater earthquakes to ice cracking, volcano eruption, bubbles, rain, lightning, and wind to the surface waves.(4)有限的带宽。声带宽减少到一个小范围的不同因素,包括高影响的声音在低频率和大的介质吸收声波的频率更高。(5)时变多径传播。每一声雷产生的声学源遵循一条不同的路有不同延迟。多个路径是紧随其后的是每个由于边界反射射线(如海面、海底)或其他物体悬浮在海水,和折射不同声音是由配置文件在不同的深度。作为回应,遥远的接收器将收到多个副本有不同的优势和延误,导致不稳定的相位响应。(6)高传输功率。需要高传输功率传播声波信号,这限制了网络的生命周期。(7)误比特率。高误比特率发生由于时变特性和多路径干扰声信道的特性。(8)断断续续的连接。暂时失去连通性有经验是由于阴影区域(地区声学信号无法到达或信号强度很低)。(9)有限的能量收获选项。水下环境中的能量收获是很困难的,这限制了UWN节点限制无线通信时间延长网络生命周期。(10)没有位置信息。不可预知的洋流和水生的内在特征通道很难在UWNs提供位置信息。
上述约束未能提供确定性的端到端连接源和目的地之间的和连续的网络分区。所有这些限制,很难实现实时通信。因此,现有的地面网络路由解决方案不能直接应用于UWNs。因此,路由协议的新范式,容忍延误和中断,叫做延迟容忍网络(DTN)路由UWN,探索了研究人员。
下降(9]介绍了延迟容忍网络的概念,提出了架构。在DTN架构中,作者通信延迟和频繁的网络分区特征由于断断续续的连接。设计路由协议等网络始终是一个挑战,没有连续路径从源到目的地,因此传统的路由协议通常失败。我们所知,每个DTN路由协议遵循储运和转发机制,在传感器节点需要保持消息缓冲区,直到他们遇到一个中间节点或直接目的地(大多数方案不考虑直接交付启用基于继电器DTN路由)。代表方案DTN储运和转发(SCAF)方法是流行路由(10),每个消息复制到每个节点转发。流行在本质上是基于洪水路由方案,从而消耗网络资源。为了应对资源利用率问题,王等人提出了喷雾等(11),只有有限数量的消息副本复制节点之一。一个汽车改善DTN MaxProp [12),是优先考虑节点在一些标准同时也为特征而转发消息。
在水下DTN进行数据转发SCAF机制。在跳连接不可用的情况下,一个中间节点存储接收到的数据包(s)。数据包转发到下一跳节点时机会连接到下一跳节点。这种方法提供了最终的数据交付到目的地有一定概率的。作者在13)提供一个广义的水下dtn路由协议的调查和分类基于链接的自然UWN节点之间的联系。
3所示。路由功能UWNs
可靠和节能数据传递以最小的延迟从源到目标节点电池的多次反射网络的首要设计目标路由层。一个高效的路由协议第一次发现合适的路径(s),然后将数据转发到目的节点遵循选择性路径(s) (14]。有大量的路由解决方案提出了地面多次反射网络。也有类似的路由解决方案测试UWNs和已被证明导致表现不佳是因为UWNs的内在特征。
在地面多次反射网络中,路由协议进行分类的基础上,网络特点,路由发现、路由信息管理和/或数据通信机制。分类参数包括路径探索机制(按需和周期性或被动和主动的),网络拓扑结构(平面和层次),拓扑管理(集中式和分布式),数量的路径(单个和多个路径),数据通信机制(单播、多播和广播)位置信息(geocasting有或没有洪水)。同样,UWN路由协议的分类围绕相同的特性,如图2,其中一些在下面讨论。
节点位置/本地化。位置信息,如全球定位系统(GPS)没有直接可用UWN节点下的海面。然而,漂浮在海面上的节点接收的位置信息和分享它与水下节点通过声束。同样,位于海平面以下节点的位置信息是通过深度和压力传感器。实现数据转发的路由协议基于上述信息被归类为定位,地,pressure-based路由算法。
信息扩散机制。高效的信息扩散是任何路由协议的主要目的。UWN路由协议使用各种信息传播方法和相应的分类。例如,信息可以传播到单身,多个或全部UWN节点单播、多播,分别或广播的方式。然而,每种方法都有自己的缺点。例如,高控制开销需要保持UWN拓扑信息单播,广播或洪水时消耗大量的能量,因为网络中消息重复。
数量的路径。UWN源节点的数据(s)到目的地或水槽节点转发通过单个或多个路径。多个路径生成算法提高可靠性和健壮性的数据交付在一个如UWN断断续续的通信环境。
UWN拓扑。UWN路由协议进一步分类的网络拓扑平坦或分层。在一个平面拓扑UWN,同样参与路由任务,所有节点和路由协议具有较高的控制开销维护拓扑信息。相比之下,在分层拓扑UWN,路由协议将网络分成小组,称为集群,基于本地化或其他参数。每个集群分配一组交头接耳或集群,集团成员之间有效地管理网络资源。因此,空间网络中可以实现网络资源的重用,减轻网络容量。
流动性的影响。感觉一个巨大的水下区域,水下网络稀疏部署由于水下传感器节点的高成本,导致水下网络延迟或中断宽容。稀疏也可能造成由于海洋和自然的力量,例如,水流,风,水的深度15]。因此,水下机器人是用来收集数据的稀疏网络。主要,水下有一个计划网络遍历路径,适用于静态或准静态网络,从网络收集数据。这条路可能是基于计算节点之间的充分接触时间来收集数据。然而,水下传感器节点移动性可能破坏这种接触时间,改变了网络性能。除此之外,各种水下通信技术传输范围的多样化特点,带宽、通信延迟和功耗。例如,一个声通道一直范围,小带宽、延迟和高和射频+磁感应短距离,高带宽,和温和的延迟。因此,很难选择多快或多远的沟通是必需的。因此,水下机器人的移动模式和部署的水下节点的性能产生重大影响水下DTN路由方案。
4所示。在水下DTN路由
DTN的概念指的是网络通信延迟和频繁的网络架构,展品分区由于断断续续的连接。设计路由协议等网络始终是一个挑战,没有连续从源到目的地的路径,因此,传统的路由协议通常失败。因此,最近的范式转变促使我们对这样的路由解决方案,确保网络性能较低的网络资源成本。
每一个水下DTN路由协议遵循SCAF机制,在水下节点需要存储消息缓冲区,直到他们遇到一个中间节点或直接目的地,如图3。因此,每个水下DTN路由协议必须解决上述约束DTN并提供能源效率、最低的端到端延迟,最大化网络的整体性能。
作者在13]调查现有水下DTN路由协议和分类他们基于节点之间的通信链路的本质。有两种主要的路由协议假定将通信链路或节点之间的联络也可以是计划内或计划外。此外,未安排的接触计划分为投机取巧和预测接触。请参阅[13为更多的细节。
在这个调查中,我们概述近期的进步在水下DTN路由方案和分类基于转发和路由决策,信息的副本,和性能指标。下面是分类参数的详细描述。
沟通起始机制。一般来说,数据通信通过水下网络协议是Sender-initiated(基于推的)或Receiver-initiated(基于)。在前,数据发送方传感器节点,中继节点选择其转发数据进一步显示目的地。然而,在后者,接收者节点发起请求启动数据通信。
基础设施援助。水下DTN路由方案,根据提供的信息执行路由决策基础设施节点,例如,网关(s),节点(s)安装在浮筒(s),船,船,被称为infrastructure-assisted方案。这些基础设施节点定期或按需维持网络拓扑信息,这些信息用于水下DTN中的每个节点。
路由决定。路由决策的方法被定义为一个水下DTN选择转发节点根据本地或全球网络拓扑信息。我们分类路由决策分为两大类,即集中式或分布式。路由协议基于全局拓扑信息执行路由决策被称为集中式方案。另一方面,水下DTN节点执行转发决策受到当地发现的拓扑信息。这些计划称为分布式路由方案。
位置信息的依赖。位置信息的一个主要路由度量进行高效的路由。我们考虑的位置信息作为一个指标对水下DTN路由方案进行分类。
消息副本数量。源节点在水下DTN路由协议生成和相同的单个或多个副本数据消息转发网络中确保数据交付到目标节点。
绩效指标。每一个路由协议提出了动机提高网络性能指标度量(s)。性能指标可以吞吐量、端到端延迟、控制开销,能耗、网络寿命,等等。
接下来,我们先进的水下DTN路由方案的简要调查维持上述分类参数,如图4作为比较的基准。
5。水下延迟容忍网络路由协议
最近,许多水下DTN路由协议提出了改善不良的水下环境下网络性能。下面是一个简短的调查研究路由协议方面的最新进展,特别是对于水下dtn。
5.1。PASR
郭et al。16)提出了一个通用的方案称为prediction-assisted单副本为水下dtn路由(PASR)以减少交货延迟。PASR单副本路由协议,作者把路由操作分为两个阶段,即学习和路由阶段。在学习阶段,短期跟踪收集在连接网络和描述是由使用离线贪婪算法。积极的时间投影图(ACPG)算法用于学习阶段。正如我们所知,如果一个节点移动模式为最长时间是稳定的,其历史可以预测。在路由阶段,历史信息,比如最近的轨迹,平均持续时间接触和intercontact,最后接触和联系的频率被收集并用来预测流动路线。这些模式的基础上,一个发送者自适应地选择最优的路线,同时将数据转发给下一跳。作者在17)提出了一种自适应路由方案水下网络延迟/中断宽容。该计划假定每个节点知道它的3 d位置通过本地化计划。任何数据包的优先级计算和分配的基础上不同属性的一个节点,数据包包括节点密度、剩余能量,岁包,包的紧迫性。协议实现良好的能源消耗之间的权衡,延迟,和交付配给。
5.2。DDD
大肠Magistretti et al。18)提出了一种延迟容忍数据海豚(DDD)方法适用于资源受限的水下环境。为确保能源效率,移动收藏家,叫做海豚,介绍了。为了限制多次反射通道的利用率,水下传感器有义务在一个跳通信传输范围内当海豚。基本原理是提高整个网络的生命周期。因此,传感器可以节省电力通过限制他们的传播只移动海豚和避免多次反射通信。一旦交付数据,传感器的内存和数据安全中揪出了巴博海豚的记忆。海豚是准备传输周期性信标告知传感器抵达该地区。一旦节点确定的海豚,他们打开声学调制解调器和上传存储事件海豚。后来,当海豚一个基站的通信范围内移动,它上传所有聚集事件。然而,调整最佳的海豚的轨迹和速度仍然是一个重要的问题。
5.3。Azad et al . UDTN
自治沿海水下网络监测是为数不多的几个应用程序。大多数情况下,水下部署在海岸监控一个给定的区域。然而,水下机器人依赖于一个固定的轨迹。即使轨迹是适应性,在关键数据的情况下,他们需要时间来达到一个基站进行数据传递。为应对这个问题,自由等。19)提出了一个潜在的两个水下机器人之间的通信,可以最小化数据延迟交付在沿海监视。通常,给定的面积很大,所以部署多个水下机器人和每个AUV的目的是达到基站在完成其全身的轨迹,导致很长的延迟。因此,核心思想是将两个或多个水下机器人之间的数据转发交换信标后,信息,和响应消息。信息作为响应消息发送信标,包括身份、路线和移动速度的AUV(年代)。这些信息可以确保决策,要么传输数据到AUV (s)经过。
5.4。清洁工
影响无线通信的一个重要因素是天线功能。在[12),作者提出了一个新的方案叫做"清洁工,认为中央节点的自适应定向天线阵列。这种天线阵形成一束在一个特定的方向和宽度,称为下行,这意味着中央节点可以与正常的水下传感器节点在特定区域内。中央节点发送一个唤醒或查询消息,它包含一个特定任务的特定区域中的正常节点通过下行。接收节点(s)首先计算(s)深度级别使用接收信号强度指示器来估计该地区。唤醒消息的成功接收后,在该地区正常节点发送他们的感知数据对中央节点到达通过相同的方向,也就是说,上行方向。以这种方式,中央节点扫收集数据,跟踪正常节点的位置信息。
5.5。Tier-Based跨层
一个水下DTN tier-based跨层路由协议提出了在20.]。网络分为层与从水槽节点的引用。在一层,发射机和接收机都应该在彼此的传播范围和最大范围的定义是。的价值决心实现一定程度的信道容量,因为通道容量是高度受发射机和接收机之间的距离。跨层优化是通过同步MAC和路由功能在一起碰撞导致延迟最小化。如果一个节点层想与水槽,它发送请求发送消息层信息和节点(s)在上层,与清除发送回复(CTS)消息。在收到来自上层的多个CTSs节点,节点的源节点发送intent-to-send充当跳路由节点的数量。下一跳节点的选择是基于最小距离要求小传输能量。因此,该协议具有最小延迟和高准确率和消耗更少的能量。
5.6。QDTR
在[10),提出Q-Learning-based水下dtn路由协议。q学习的强化学习算法,用于优化数据转发决策。在给定的协议,水下节点转发单或multicopy数据包的开始和喷雾包在最后目的地的邻居,而达到更好的网络性能和能量。
然而,该协议不承担任何节点移动模式,通常用于陆地dtn,可以预测未来会议事件的援助流动模型。拟议中的协议能够适应数据包优先级。当最后期限临近,节点比平常更多的数据包的副本,这是一个权衡能源和更短的延迟。
5.7。RBAR
基于冗余的自适应路由(RBAR) [21)提出了水下dtn允许一个节点来保存数据包尽可能长的时间,直到它必须做出另一个复制延迟满足其要求。为了实现这一目标,RBAR利用从一个基于二叉树的转发过程,这有助于明确确定数据包复制过程。的主要贡献RBAR是包转发的过程。
5.8。PBDTP
张等人为了解决水下dtn的信道吞吐量问题[22]。由于不一致的声信道延迟,许多传统的通信协议因为他们依赖于准确的RTT估计不足,也就是说,两个节点之间的往返时间。为了应对长期延误,Prediction-Based延迟宽容协议已经提出,预测数据丢失任何传感器节点在集群是由集群头。这个协议背后的核心理念是基于两个假设:(a)一个传感器节点很可能将与小的时间间隔发送相同的数据,(b)相邻传感器节点也将报告几乎相同的感知数据。在数据包丢失的情况下,该算法预测缺失值基于先前特定的传感器节点的值或其邻居的值。另一方面,预测也正在通过两者的结合。在与此同时,丢失的数据包在簇头节点避免额外的延迟补偿造成的重传请求发送并等待传感器重新发送数据。
表1显示了水下DTN协议的总结前面讨论的分类参数。这表明PASR利用移动预测的离线贪婪算法。基于移动模式存档在学习阶段,两种不同的方案已经测试了随机流动痕迹(16]。在选择转发,发送者信息的最优路线的目的地。这将导致低拥堵和开销传输数据的单一副本。因此,它属于sender-initialized沟通。
有争议的是,DDD (18)使用海豚,移动水下机器人,如数据收集器。海豚发起沟通和收集的数据单UWN节点在移动。成功接收数据的海豚,每个UWN节点刷新缓冲区。tier-based水下DTN路由方案(20.]是完全基于基础设施节点。我们认为infrastructure-dependent方案必须依靠相关理想假设显示出更好的性能比那些没有依赖基础设施。
如前所述,总体网络生命周期的解剖学UWN是非常重要的。为实现这一点,清洁工(12)提供了一个集中的本地化计划,中央节点席卷整个网络传感器节点的位置估计。进一步对比选择的协议中阐述了表1。接下来,我们现在目前的挑战和开放在水下DTN路由问题。
6。挑战和开放的问题
在这里,我们进一步确定剩下的挑战和问题,为研究人员提供简明指南。正如我们前面所讨论的,在水下dtn路由是一个关键的挑战随机流动性和间歇环境复杂化声通道。是很重要的选择下一个跃点使用时变信息同时考虑使用链接的质量和缓冲区空间以及能量。然而,仍然存在以下挑战和开放问题需要调查。(我)协议使用多条路径传输策略提供可靠性和鲁棒性。这些协议也有较低的端到端延迟。然而,鲁棒性与重传的成本进一步提高。重复限制协议的整体性能和维护更多路径的复杂性加大处理开销,需要有效的努力,以避免重发。更具体地说,发送相同的数据包通过多种路线可以以一种聪明的方式加以解决。(2)交货率之间总是存在一个权衡,能源约束和端到端延迟而在水下dtn应用不同的方法。人工intelligence-aware路由可以最小化的权衡。(3)大量的路由协议都是基于历史信息被用于选择跳通信。问题是确定的信息收集机制。精度的随机运动或未来的移动节点可以让它更具挑战性。(iv)在大多数情况下,研究人员强调能源约束在调查路由问题。然而,重新分配缓冲区空间和最大使用其他资源也可以解决为了测试算法在实时实验。(v)此外,智能路由器应该配置为支持许多路由算法使用模糊逻辑技术。它应该是一个伟大的努力加强和提供多个路由决策在一个特定的网络。
虽然很多文献中对于dtn路由算法存在和水声网络,提供实时分析数量仍然是非常有限的。因此,有必要开发算法,便于实时分析。
7所示。结论
在本文中,我们首先概述了水下通信的路由,然后提出延迟容忍特性适应UWN研究范式。这个调查的主要目的是使研究人员和行业熟悉的成员最近技术在水下传感器网络领域的融合。为此,我们总结了先进的路由协议没有考虑端到端连接。此外,我们还提供了一系列开放的挑战和未来的发展方向,后跟一个比较分析所选的水下DTN协议。我们希望这篇文章将进一步激励研究水下dtn的兴趣。
相互竞争的利益
没有利益冲突有关的出版。
确认
这项研究受到了基础科学研究项目通过韩国国家研究基金会(NRF)由教育部、科学技术(NRF - 2016 r1d1a3b01015510)。