张 琳 郭世俊
（上海海事大学传感与数据传输实验室，中国 上海 201306）
【摘 要】海上搜救无线传感网络面临的环境复杂，而搜救目标多是落水人员，因此求救信号的传输成功率是十分重要的。本文提出一种基于认知包的机会路由，首先，在数据传输包中引入MEMS的感知数据包，并运用人工智能的思想，学习不断变化的网络拓扑，使得信号传输适应多变的海上环境。仿真结果表明，本文路由在海上应用背景下数据传输成功率平均比另两种路由平均高出15%。
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关键词 海上搜救；无线传感网；MEMS；机会路由
作者简介：张琳(1988—),上海海事大学硕士研究生。
郭世俊（1990—），上海海事大学硕士研究生。
０ 引言
海上交通运输一直是各国与世界经济沟通的重要枢纽。海上搜救是国家履行国际义务，保障海洋运输安全以及维护国家声誉的一项重要社会职责[1]。利用现代科技手段提高海上搜救效率，最大程度的减少海难带来的损失对整个航运业乃至国民经济的发展有着重要的推动作用。由于无线传感网络技术能为海上工作带来诸多便捷，因此在海事领域的应用也开始逐渐普及，如海上溢油检测、海事监控等。无线传感网络的优势在于低成本，低能耗，体积小，并能自组织成一个通信网络来收集有用信息，因此非常适合于应用在海上搜救领域[2]。本文将在搜救目标处配备传感器节点，在海上恶劣环境中节点可以自组织成一个无线多跳通信网络，将搜救目标信息传输给基站。相对其他技术，无线传感网络能更好的将各节点处信息传输给网络中心，实现搜救目标的主动示位。但将无线传感网络技术应用在海上搜救时，搜救目标多是落水人员，要解决的一个重要问题就是尽可能保证路由的数据传输成功率。
海上搜救无线传感网络包含船舶终端，设置于船舶，通过外接的卫星与互联网建立通信连接；汇聚节点，设置于救生艇筏，该汇聚节点与搜救终端（船舶）无线通讯连接；传感器节点设置于救生衣，该传感器节点实时探测汇聚节点并与汇聚节点无线通讯连接。
落水后，传感器节点可以由穿着救生衣的人员或遇水打开，通过ZigBee协议自组织形成一个无线多跳网，在海上风浪等的影响下造成货物或落水人员与其携带的传感器节点位置相对不稳定，相对较稳定的是母船，搜救船舶以及搜救直升机，为了保证搜救目标尽可能被网络覆盖到，搜救方将加入人工抛撒的一些节点[3]。
无线传感网络形成后，节点收集自身信息，如生命体征，地理位置等，再将其信息传输至汇聚节点，汇聚节点再通过网络或卫星等方式将有效信息传输至搜救终端。
1 基于认知包的机会主义路由
1.1 基于MEMS的搜救节点
海上搜救无线传感网络的节点配置在救生衣或救生圈等个体求生者所用设备上，通常每个船员固定一个救生衣，每个设备拥有自己的唯一编号。节点有四大模块，分别是电源、传感器、微处理器、无线收发模块，其中传感器部分除了常规的温度、定位、体征监测等，本文还加入了基于MEMS的加速度传感器。节点在海面上随着风、浪等呈现动态的起伏流动，通过MEMS可以监测到节点的运行状态[4]。
1.2 机会主义路由
机会主义路由的基本思想是源节点向目的节点发送数据时，路由协议并不是按一条固定的最佳路径传输，而是利用无线网络的广播特性，得到中转的候选节点组，根据某一测度，再从该节点组中选出最优节点进行转发。
1.3 基于认知包的机会主义路由
机会路由很重要的一方面是潜在的中继节点之间进行协调的能力。本文通过改进机会主义路由测度，来提高候选节点对海上环境的适应能力。基本模式如下，一个有向图G={N，L}，N为WSN中节点个数，L为链路。所有节点组成一个集合。S为源节点，D为目的节点，节点a、b、c、d是节点S的邻居节点，且能够和S进行有效的通信，这些节点即为源节点S的潜在中继节点。当S有数据要发送的时候，向周围广播“hello”包，节点a、b、c、d监听到了数据包后，它们建立转发节点集列表并根据与源节点通信质量及离目的节点的距离等确立优先级，然后由最高优先级的节点发送数据包。若最高级节点发送失败，则按顺序由下一个优先级的节点发送直至数据发送成功。
与其他应用环境不同，海上搜救的主要任务是将信息发送给搜救者，而海上节点移动性也较强。对于机会主义路由，数据传输成功率是保障QoS的决定性因素。因此，为了能选择出可靠的链路，本文将节点的移动性考虑进去。
对于机会路由，当有节点要发送数据时，它会计算出自己相应的路由测度权值，然后列出带有优先级的转发节点列表。本研究中的认知包包含通信链路质量分数，在ACK应答中传给源节点，源节点可以根据认知包中的通信链路质量分数判断潜在的转发节点是靠近自己还是远离自己，对于靠近的中继节点，提高相应的权值；对于远离的中继节点，则相应的降低权值。源节点通过对变化的网络拓扑进行学习，了解实际环境后选择相对可靠的链路传输数据，可以有效的提高数据的传输成功率。
2 分析
本研究利用EXata平台进行仿真平台进行计算机仿真。其中参数设置如下：在2000m×2000m的正方形传感区域内，随机分散着200个节点。每个节点的带宽为1MB。仿真中将本文提出的路由协议简称为M-OR,并将其与ExOR[5]和CORP[6]比较。仿真实验中能量模型取：
数据包大小为500byte，广播数据包大小为25byte，节点初始能量为0.5J，每轮数据收集次数n=10。
总体来说，网络节点数量较多时，数据转发率较高，因为当转发率较低时，机会路由允许多个节点参与转发提高其传输率，整体数据传输成功率会随着节点数目增加而上升。而在相同节点数的情况下，由于M-OR引入了认知包，可以不断学习网络的拓扑变化，每一跳均选出合适转发节点，因此数据传输成功率要高于另外两者。
3 结论
本研究以海上搜救为应用背景，重点提高海上无线传感网络数据传输成功率，提出了基于认知包的机会主义路由。源节点有对变化的网络拓扑进行学习的能力，熟悉环境后选择相对可靠的链路传输数据。通过仿真分析，本研究的路由算法数据传输成功率平均比另两种路由平均高出15%。
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参考文献
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［２］Wu,Huafeng,et al.An energy distribution and optimization algorithm in wireless sensor networks for maritime search and rescue[J]. International Journal of Distributed Sensor Networks,2013.
［3］戴超.基于无线自组织网络的智能路由协议研究[D].北京邮电大学,2012.
［4］李少龙.GMDSS模拟器系统性能的完善及1nmarsat--F船站的仿真研究[D].大连:大连海事大学,2007.
［5］S.Biswas,R.Morris,ExOR:Opportunistic Multi-Hop Routing for Wireless Networks[C]// Conference of the Special Interest Group on Data Communication (SIGCOMM),2005,35(4):133-143.
［6］Anitha,R.U.,Enhanced cluster based routing protocol for mobile nodes in wireless sensor network [C]// Pattern Recognition,Informatics and Mobile Engineering (PRIME),2013:187-193. doi:10.1109/ICPRIME.2013.6496470.
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