船舶自组织网络节能自治运行协议研究

摘要：针对船舶自组织网络存在的网络数据量大、网络链路复杂、传感器网络节点能量有限等问题，研究了其节能自治运行协议，着重研究组网方法、负载均衡控制及网络多跳节能协同调度算法，并通过Matlab仿真，验证该协议在船舶自组织网络的组网和通信中具有较好的节能效果。

关键词：自组织网络；节能；负载均衡

中图分类号：TP393文献标识码：A文章编号：1005-3824（2014）03-0013-05

0引言

自组织通信技术在未来移动互联网络中具有重要地位，也将是未来船舶内部网络和船舶间通信中的关键手段。自组织通信（adhoc communication）网络是一种无中心结构，通讯节点根据实时链路状况、实际环境特点、实时传输人物和自组织的形成通讯网络完成信息传输任务的通讯方式和自组织通讯网络相比传统的基于基础设施的通信网络（infrastructurebased network）具有部属灵活，对环境自适应，可有效融合多种易购网络设备等特点。

船舶自组织通信技术在国内的研究和应用还处于起步阶段，相关研究工作所见报道较少。2006年中国船舶研究院报道了《海底网络中心战传感器网络》[1]主要介绍在水下通过声纳传感的传感器网络在未来战争中的重要应用价值。中国船舶工业公司2012年报道了《多跳水下传感器网络中的功率分配算法》[2]的研究工作，主要介绍在水下传感器网络中，如何对多跳通信进行功率分配，以延长网络运行寿命。但这些工作主要是针对水下传感器网络的研究，对于船舶这一特殊环境的传感器网络的研究非常少，可以说仍鲜见报道。

而船舶自组织通信技术在美国、欧洲和韩国已有一些初步的研究和应用结果。韩国Maritime大学的BuGeun Paik等人在文献[3]中介绍了在一艘3 000吨级训练船上部署自组织网络，实现船舶数据采集，自组织通信的研究案例。在2009年，BuGeun Paik等人在文献[4]即原研究的后续报道中，介绍了舰载自组织网络的实验特性。文中指出舰载传感器网络面临这较强的信道干扰，相比一般应用领域的自组织网络更具挑战性。文献[5]中，Kdouh等汇报了在船舶上的无线传感器网络的实验系统。文献[6]中研究并汇报了船舶上多级传感器网络的设计、实现与实验结果。

在船舶的无线网络传输特性方面，一些前期研究也汇报了一些初步结果。文献[7]汇报了船舶上通信的混合网络，采用有线网络与无线网络相结合的方法，提高船舶自组织网络的鲁棒性与抗灾能力。文献[8]中作者汇报了船舶上双向无线信道实验结果，汇报了船舶上无线信道的多径效应和不对称性等特点。文献[9]中研究并汇报了在船舶船舱等严重遮挡的环境下，用于对人员和船载设备定位的UWB信号的传输特性，进一步表明船舶上信道质量的特点。

在过去10年间，自组织通信技术得到蓬勃的发展和深入的研究。自2002年无线传感器网络被提出后，自组织通讯机制在学术界和工业界吸引了大量的研究，并被应用于各大领域。如今，自组织通讯技术已在各领域中展现其优势，可改善原有基于结构化的通讯网络的不足，提供多种多样的应用便利，催生多种新型的应用模式。然而，自组织通信技术在船舶上和船联网方面的应用和研究还鲜见报道。但从自组织通信技术在其它领域的成功应用可以预言：自组织通信技术将是改善船舶内部通信、船舶之间通信、船舶与岸上通讯设施、与船闸通信等应用中的重要技术。

1船舶自组织网络结构

船舶自组织网络结合了传感网和Internet，设计并实现了规模可扩展的适用于大型船舶的无线传感器网络组织架构。整个系统架构由采集船舶信息的普通传感器网络，连接Internet的骨干传感器网络，Internet端的数据汇集器、数据库和信息服务平台组成。

其中，传感器网络是由低成本、低能耗的无线传感器节点组成，负责各种信息的监测和采集。骨干节点（sink节点）是由功能较强的3G网关设备组成，收集无线传感器节点的数据，进行数据处理和Internet接入。数据汇集器接收经由Internet发送的远程船舶数据，存储在数据库中。信息服务平台从数据库提取船舶信息，利用网页服务器提供web呈现、数据查询、统计分析等功能。

2船舶自组织网络节能自治运行协议研究船舶自组织网络节能自治运行协议研究的关键是研究每个骨干节点领导的传感器网络的组网与节能运行。此处研究问题并非整个网络，而是由骨干节点管理的一簇传感器网络。在船舶应用中，单簇节点个数可达上百个，覆盖面积可达几万平方米。设计单簇内节点的组网路由协议决定着整个网络的运行寿命与工作能力。因此，设计了一种层次化、节能自治的广域传感器网络组网和路由协议：LayerMesh。LayerMesh主要解决3方面的问题：组网与邻域信息学习，路由树的建立与维护，运行阶段的网络节能调度与故障修复。

1） 网络部署后节点基于邻域信息学习的自组网方法。

网络自组织的实现，主要通过无线传感器网络的路由调度控制来实现，目的是针对网络中所有的节点实现自动组网功能，并进行有效地数据传输。节点间建立网络主要需要2个步骤：第一步是sink广播；第二步是普通节点的邻域信息收集与路由初始化，主要实现从邻居中选出合适节点作为父节点，需要确认并保证可以随时根据情况更新节点，保证可靠地数据传输。

在数据转发过程中利用MAC层的时间同步方法，实现全网节点与sink的时间同步；节点监听所有邻域节点的数据包，以学习邻域节点信息，建立一个邻域节点信息列表（neighborhood list），统计同邻节点链路质量；每个节点根据neighborhood list信息，计算自身层数，并以层数、链路质量和负载平衡为指标寻找最佳的邻域节点作为路由的父节点。在每个节点确定父节点之后，自组织形成全网节点到sink节点的多跳路由树。

在自组网阶段，通过数据包MAC层接收时，在时间同步位记时间戳的方法时间，所有节点实现同sink节点的时间同步。算法如图 1所示。

在需要更新的邻居表内容中，采用指数平滑法来计算多次通信中的通信成功次数，保证链路质量。为了得到最少跳数的数据传输路径，本地节点找出链路质量符合要求，且在数据收集树中层次最小的邻居节点作为父节点。

2）负载均衡控制。

自组网中的分布式负载均衡问题类似社会生活中的分布式决策问题（例如投资决策），单个节点的知识缺乏和无指导决策是导致负载震荡和负载不均衡的主要原因。负载不均衡会造成网络寿命缩短，网络通讯拥塞，通讯延时增大等传感器网络的一系列问题。而不同点在于自组网络中同层节点的负载期望均衡点可以作为节点优化决策的指导，而且项目前期工作中发现此期望负载均衡点可以在算法推导过程中消掉，并不需要实际计算。所以算法设计方面，采用基于虚拟指导的，由每个节点周期性对负载分配概率进行演化计算的方法。数据周期性的逐层采集和汇聚，外层比内层先发送数据。分布式概率调整发生在数据处理之后，数据发送之前。同层节点同时调整概率。

（1）简单易用，完全分布式。仅需要局部信息和局部计算。

（2）算法的稳定状态是图（不是树），图的边的权重代表传输概率，同传统中心式算法构造负载平衡树不同。

（3）虚拟先知的方法使算法非常灵活，可以扩展到异构多跳网络，交通网络，排队网络等。

3） 网络多跳协同节能调度算法

无线传感器网络中MAC层的调度算法是解决节点能耗问题的最重要的方法，其核心思想是在全网所有节点时间同步的前提下，根据节点所在的层的不同，设定其工作休眠时间，使得相邻层的节点可以互相通讯，最终将数据发送到sink节点。

算法包含2个主要的机制：阶梯状的时间调度机制和反向时间同步机制。

节点的时间调度主要是对节点的不同状态分配相应的时间片，网络中节点的状态如图 6所示，阶梯状的时间调度就是为节点的这些状态在一个采样周期内分配合适的时间片，使其能够和相邻层的节点进行协同工作。

采样周期被划分为等长的M个时隙，各层的节点在绝大多数时间都处于节能的休眠状态。对于第i层的节点，它会从每个采样周期的第一个时隙开始休眠，直到第（n-i-1）个时隙，然后在第（n-i）个时隙醒来进入工作状态。节点的活动时间会持续3个时隙，然后节点继续回到节能休眠状态，直到整个采样周期结束。

这种多层联合调度机制的多跳通讯可靠性性能和能耗性能，给出第i层的通讯可靠性的下界为

（7）式中：N（i）是第i层的平均节点数，l是数据包大小，Eelec和εamp是数据收发时电路能耗参数和增益能耗参数，γ是增益系数。实验结果表明，上述多跳通讯与节能的协同设计协议可以即保证多跳通讯的可靠性，又能保证网络的节能运行。

3仿真结果

在项目研究中，通过Matlab仿真对所提的理论和算法结果进行了分析和论证。图7介绍了在自组织节能调度方案下节点的节能性能，随着节点层数的增加节点耗能逐渐减小，而节点的能耗低于1mA，从而验证了公式7中所列出的指标。

4结语

本文提出的LayerMesh多跳网络节能通讯协议，基于时间同步的台阶调度算法（stair scheduling），解决船舶自组织传感器网络节能通讯的关键问题。所提方法既具有理论上的先进性，又具有重要的应用价值。

1）协议支持超大规模的网络。随着网络规模的增大，网络的数据汇聚量会增大，节点通讯跳数增加，信道竞争更为激烈，通讯冲突概率增大。组网和路由协议设计需要解决大规模网络中的上述问题，所提协议为分布式算法，具有极好的可扩展性。

2）超大规模网络的组网和路由协议自治运行。所提LayerMesh方法在初始化阶段节点自治学习周围邻域信息，自治组网和建立路由树；在运行阶段，当部分节点出现故障，或者环境发生变化导致部分链路出现故障时，通过自诊断和自修复方法，使得网络有自修复的能力。

3）所提台阶调度方法具有良好的节能性。由于节点能量有限，节能是传感器网络最为重要的要求之一，所提Layer协议和台阶调度算法能够保证节点能够长时间处于休眠状态，并在短暂的活跃时隙协同工作完成数据采集、汇聚、多跳通信等功能。

4）易用性。所提算法简单易用，并已经在船舶信息监测系统中示范应用。易于实施、易于操作。参考文献：

[1] 梁炎.海底网络中心战传感器网络[J].船舶科学技术，2006，28（1）：109112.

[2]张莉，张春红.多跳水下传感器网络中的功率分配算法[J].船舶科学技术，2012，34（8）：7375，78.

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