河海大学提出一种使水下网络更可靠的路由方案


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照片来源韩光

海洋的深处一个鲜有人去过的黑暗深渊,它长期以来一直是神秘的。但这个陌生的环境仍然攸关我们的利益;科学家们想知道哪里的污染最严重,哪里的海底发生地震。被动传感器可以收集这样的数据,但在这种阴暗的环境中传输数据是一个挑战。

河海大学的韩光洁和他的同事提出了一种新方法,自主式水下航行器AUV)通过这种新方法在海洋深处巡航,能更好地收集这些传感器数据。他们的设计于3月27日发表在了IEEE Transactions on Mobile Computing上。

照片来源:韩光洁

在东海下水的“C-shark”自主式水下航行器。

每个传感器称为节点在收集数据时都是静止不动的。与此同时,一AUV被分派到网络上,沿着预定的轨迹巡航,从每个节点收集数据。

无线电波被水吸收,因此水下传感器和航行器通常通过声波信号来发射和接收信息。但是声波在水中传播的速度和距离都不及在空中传播的无线电波。

随着AUV的增多,挑战也越来越多。韩教授特别是,由于水声通信质量差、通信距离短,AUV之间很难直接通信和同步信息。

更重要的是,不靠近AUV计划路径的节点必须将其数据中继到与AUV足够接近的其他节点传输数据。这在网络中创建了“热区”,其中一些节点负担过重可能耗尽能量并停止运转。韩教授说,“在热区的一些节点停止运转后,热附近的节点可能无法找到一个与之通信的邻居节点,从而导致数据丢失。

他们新提出的称为HAMA(High-Availability data collection scheme based on Multi-AUVs,基于多AUV的高可用性数据收集方案方法,AUV能够调整它们巡航轨迹,以缓解热区问题。同样,HAMA具有故障发现和修复机制,避免了在一些AUV发生故障时数据丢失。如果一个节点试图向AUV发送数据时发现AUV已发生故障它使用多跳通信方法通知其他节点。然后,功能良好的AUV将取代故障AUV来收集数据

照片来源:韩光洁

一艘自主式水下航行器在水中巡航。 

研究人员在许多模拟中测试了他们的方法。韩教授模拟结果表明,与其他算法或方案相比,采用HAMA可以延长网络的生存期,降低并平衡节点的能量消耗,提高数据包的交付率。

虽然这种方法确实具有许多优点,但与论文提到的其他方法相比,它会导致接收信息的延迟时间更长。这在需要及时更新信息时(例如,海底火山正在爆发时)可能是有问题的。韩教授和他的团队计划在之后的研究工作中解决这个问题。

韩教授说:“我们认为网络延迟主要是由数据传输时间、数据处理时间和AUV的运动造成的。因此,在未来,我们将从这些方面减少网络延迟

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