無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中分區(qū)移動服務(wù)路由機(jī)制

黃思宇， 高 強(qiáng)， 費(fèi) 禮， 張 旭

0 引言

隨著微機(jī)電系統(tǒng)、傳感器技術(shù)、通信技術(shù)的發(fā)展，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)已廣泛應(yīng)用于軍事、環(huán)境、和家庭等領(lǐng)域[1-4]。在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點(diǎn)的移動曾被作為網(wǎng)絡(luò)開銷加以考慮。近些年來，研究人員發(fā)現(xiàn)，利用節(jié)點(diǎn)的移動傳輸數(shù)據(jù)可有效地提高整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的吞吐量[5]。

節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)中的移動方式可分為隨機(jī)移動、可預(yù)測的移動和受控移動三類。

隨機(jī)移動是指，節(jié)點(diǎn)按照隨機(jī)的方式在網(wǎng)絡(luò)區(qū)域中移動。文獻(xiàn)[6-9]針對不同的節(jié)點(diǎn)隨機(jī)移動模型，推導(dǎo)了網(wǎng)絡(luò)中的吞吐量和延時(shí)。這些研究工作表明，在節(jié)點(diǎn)隨機(jī)移動的情況下，網(wǎng)絡(luò)吞吐量和延時(shí)性能無法同時(shí)改善，只有犧牲其中一個(gè)的性能，才能改善另一個(gè)的性能。

可預(yù)測的移動是指，網(wǎng)絡(luò)知道移動節(jié)點(diǎn)的運(yùn)動規(guī)則，網(wǎng)絡(luò)可利用運(yùn)動規(guī)則信息來幫助傳遞數(shù)據(jù)[10-11]。在這種情況下，節(jié)點(diǎn)移動的目的并不是為數(shù)據(jù)傳輸提供服務(wù)，因此，節(jié)點(diǎn)的移動路徑與數(shù)據(jù)傳輸?shù)穆窂讲⒉灰恢隆?/p>

受控移動是指，節(jié)點(diǎn)移動的方式可被網(wǎng)絡(luò)控制。文獻(xiàn)[12]提出一種受控移動機(jī)制，在該機(jī)制下，節(jié)點(diǎn)的移動路徑可根據(jù)數(shù)據(jù)傳輸要求加以規(guī)劃。移動節(jié)點(diǎn)根據(jù)規(guī)劃后的路徑移動至靜止節(jié)點(diǎn)附近接收數(shù)據(jù)包，然后移動至對應(yīng)目的節(jié)點(diǎn)附近發(fā)送數(shù)據(jù)包，該機(jī)制可同時(shí)提高網(wǎng)絡(luò)吞吐量和延時(shí)性能。但該機(jī)制可能會出現(xiàn)節(jié)點(diǎn)移動路徑的長度較長、隨機(jī)性較大的問題，限制了網(wǎng)絡(luò)吞吐量的進(jìn)一步提高和數(shù)據(jù)傳輸延時(shí)的進(jìn)一步減少，導(dǎo)致延時(shí)抖動較大的問題，不能較好地適用于高服務(wù)質(zhì)量要求的業(yè)務(wù)。

為提高網(wǎng)絡(luò)性能，本文提出一種新的受控移動機(jī)制——分區(qū)移動服務(wù)路由機(jī)制，根據(jù)移動節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)，將網(wǎng)絡(luò)區(qū)域從中心開始平均劃分為若干服務(wù)區(qū)，服務(wù)區(qū)個(gè)數(shù)與移動節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)相同。每個(gè)服務(wù)區(qū)中分配一個(gè)移動節(jié)點(diǎn)，每個(gè)移動節(jié)點(diǎn)只在各自服務(wù)區(qū)內(nèi)移動，對其服務(wù)區(qū)內(nèi)的靜止節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸提供中繼服務(wù)。移動節(jié)點(diǎn)按照最近鄰點(diǎn)法規(guī)劃移動路徑，根據(jù)規(guī)劃好的移動路徑依次移動至各自服務(wù)區(qū)內(nèi)靜止節(jié)點(diǎn)附近，發(fā)送、接收數(shù)據(jù)，然后返回中心，等待其他移動節(jié)點(diǎn)的到來。待所有移動節(jié)點(diǎn)回到中心位置時(shí)，移動節(jié)點(diǎn)間相互通信，通信過程結(jié)束后重復(fù)上述過程。與文獻(xiàn)[12]所述路由機(jī)制相比，分區(qū)移動服務(wù)路由機(jī)制可進(jìn)一步提高網(wǎng)絡(luò)吞吐量，減少數(shù)據(jù)傳輸延時(shí)和延時(shí)抖動，更適用于高服務(wù)質(zhì)量要求的業(yè)務(wù)。

1 不分區(qū)移動服務(wù)路由機(jī)制簡述

2008年加州大學(xué)洛杉磯分校Ameesh等人提出一種受控移動服務(wù)數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制，本文稱為不分區(qū)移動服務(wù)路由機(jī)制[12]，其數(shù)據(jù)傳輸過程如圖1所示。假設(shè)圓形網(wǎng)絡(luò)區(qū)域內(nèi)隨機(jī)分布N個(gè)靜止傳感器節(jié)點(diǎn)，每個(gè)靜止節(jié)點(diǎn)都可作為源節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生數(shù)據(jù)包，并可任意選擇另一個(gè)靜止節(jié)點(diǎn)作為該數(shù)據(jù)包的目的節(jié)點(diǎn)，所有數(shù)據(jù)包長度相同。除靜止節(jié)點(diǎn)外，網(wǎng)絡(luò)中還存在M個(gè)可作為數(shù)據(jù)傳輸中繼的移動節(jié)點(diǎn)，其移動路徑可根據(jù)數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊蠹右钥刂疲總€(gè)移動節(jié)點(diǎn)的速度大小相同。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中某一個(gè)靜止節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生數(shù)據(jù)包時(shí)，將隨機(jī)選擇一個(gè)移動節(jié)點(diǎn)作為中繼，前來接收數(shù)據(jù)。被選定的移動節(jié)點(diǎn)移動至距源節(jié)點(diǎn)很近的位置，通過無線鏈路接收數(shù)據(jù)包，然后移動至距目的節(jié)點(diǎn)很近的位置，通過無線鏈路發(fā)送數(shù)據(jù)包。在移動節(jié)點(diǎn)與靜止節(jié)點(diǎn)的通信過程中，兩者距離很近，可采用較小發(fā)射功率進(jìn)行較高速率數(shù)據(jù)傳輸，并可不考慮網(wǎng)絡(luò)中其他并發(fā)傳輸鏈路造成的干擾。移動節(jié)點(diǎn)在服務(wù)一對源節(jié)點(diǎn)與目的節(jié)點(diǎn)的過程中，可從其他源節(jié)點(diǎn)收集數(shù)據(jù)包，并將其發(fā)送至各自目的節(jié)點(diǎn)。

圖1 不分區(qū)移動服務(wù)路由機(jī)制的數(shù)據(jù)傳輸過程

不分區(qū)移動服務(wù)路由機(jī)制存在以下不足：

① 當(dāng)移動節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)較少時(shí)，每個(gè)移動節(jié)點(diǎn)可能在服務(wù)一對源節(jié)點(diǎn)與目的節(jié)點(diǎn)的過程中，服務(wù)較多遠(yuǎn)端靜止節(jié)點(diǎn)，造成移動路徑較長的問題；

② 靜止節(jié)點(diǎn)對移動節(jié)點(diǎn)采取隨機(jī)選取的方式用以中繼數(shù)據(jù)包，造成移動節(jié)點(diǎn)在中繼數(shù)據(jù)包的過程中，移動路徑長度的隨機(jī)性較強(qiáng)的問題。

2 分區(qū)移動服務(wù)路由機(jī)制

為提高網(wǎng)絡(luò)吞吐量，減少數(shù)據(jù)傳輸延時(shí)和延時(shí)抖動，本文提出一種分區(qū)移動服務(wù)路由機(jī)制，其數(shù)據(jù)傳輸過程如圖 2所示。與文獻(xiàn)[12]不同的地方在于，分區(qū)移動服務(wù)路由機(jī)制根據(jù)移動節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)，將整個(gè)網(wǎng)絡(luò)區(qū)域平均劃分為若干服務(wù)區(qū)，服務(wù)區(qū)個(gè)數(shù)與移動節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)相同。每個(gè)服務(wù)區(qū)中分配一個(gè)移動節(jié)點(diǎn)，每個(gè)移動節(jié)點(diǎn)只在其服務(wù)區(qū)內(nèi)移動，對其服務(wù)區(qū)內(nèi)的靜止節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸提供中繼服務(wù)。初始時(shí)刻移動節(jié)點(diǎn)處于網(wǎng)絡(luò)區(qū)域中心，并已通過相關(guān)協(xié)議獲得所有靜止節(jié)點(diǎn)的位置[13]。

移動節(jié)點(diǎn)采用最近鄰點(diǎn)法進(jìn)行路徑規(guī)劃，對某個(gè)分區(qū)中的移動節(jié)點(diǎn)，其移動路徑規(guī)劃過程分為以下四步：

① 將圓心位置添加到移動節(jié)點(diǎn)的回路中；

② 找到服務(wù)區(qū)中距離剛剛加入回路的上一個(gè)靜止節(jié)點(diǎn)最近的還未加入到回路的靜止節(jié)點(diǎn),將其位置加入到回路中；

③ 重復(fù)步驟②，直到將該移動節(jié)點(diǎn)對應(yīng)服務(wù)區(qū)內(nèi)的所有靜止節(jié)點(diǎn)位置都加入到回路中；

④ 將最后一個(gè)加入回路的靜止節(jié)點(diǎn)位置與圓心位置連接起來。

圖2 分區(qū)移動服務(wù)路由機(jī)制的數(shù)據(jù)傳輸過程

分區(qū)移動服務(wù)路由機(jī)制分為移動節(jié)點(diǎn)依次與服務(wù)區(qū)內(nèi)靜止節(jié)點(diǎn)相互通信過程和移動節(jié)點(diǎn)間相互通信過程。

（1）移動節(jié)點(diǎn)依次與服務(wù)區(qū)內(nèi)靜止節(jié)點(diǎn)相互通信過程

按照規(guī)劃后的移動路徑，移動節(jié)點(diǎn)從圓心開始，向靜止節(jié)點(diǎn)所在位置移動，到達(dá)兩者間距很近的位置時(shí)靜止。如果移動節(jié)點(diǎn)存在要發(fā)往此靜止節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)包，則通過無線鏈路將數(shù)據(jù)包依次發(fā)出，如果靜止節(jié)點(diǎn)有數(shù)據(jù)包要發(fā)送，則待移動節(jié)點(diǎn)發(fā)送完畢后再通過無線鏈路將數(shù)據(jù)包發(fā)出，兩者通信過程結(jié)束后，移動節(jié)點(diǎn)按規(guī)劃后的路徑向下一個(gè)靜止節(jié)點(diǎn)移動。如果移動節(jié)點(diǎn)與此靜止節(jié)點(diǎn)間沒有數(shù)據(jù)包要傳輸，則立即按照規(guī)劃后的路徑向下一個(gè)靜止節(jié)點(diǎn)移動。

（2）移動節(jié)點(diǎn)間相互通信過程

過程（1）結(jié)束后，移動節(jié)點(diǎn)返回圓心，等待其他移動節(jié)點(diǎn)的到來。當(dāng)所有移動節(jié)點(diǎn)回到圓心位置時(shí)，移動節(jié)點(diǎn)按照“先到達(dá)圓心位置先發(fā)送數(shù)據(jù)包”的順序依次將目的節(jié)點(diǎn)不在自己服務(wù)區(qū)內(nèi)的數(shù)據(jù)包發(fā)送給相應(yīng)的移動節(jié)點(diǎn)。所有移動節(jié)點(diǎn)發(fā)送完畢后，回到過程（1）。

無論是在過程（1）還是過程（2）中，與靜止節(jié)點(diǎn)間距相比，相互通信的兩節(jié)點(diǎn)間距都很近，可采用較高數(shù)據(jù)傳輸速率，且可以不考慮網(wǎng)絡(luò)中其他并發(fā)傳輸鏈路的干擾。

圖2給出該機(jī)制運(yùn)行的一個(gè)例子。網(wǎng)絡(luò)區(qū)域中共有4個(gè)移動節(jié)點(diǎn) M1、M2、M3、M4，依次分配到服務(wù)區(qū) 1、服務(wù)區(qū)2、服務(wù)區(qū)3、服務(wù)區(qū)4中。S1、S2、S3為源節(jié)點(diǎn)，分別產(chǎn)生數(shù)據(jù)包 P1、P2、P3，對應(yīng)目的節(jié)點(diǎn)為 D1、D2、D3。M1從圓心位置開始，向 D2所在位置移動，到達(dá)兩者間距很近的位置時(shí)停下，此時(shí)二者間沒有數(shù)據(jù)包要傳輸，因此 M1將立即向S1移動，到達(dá)距離S1很近的位置時(shí)靜止，接收數(shù)據(jù)包P1，接收完畢后，繼續(xù)向S2、S3移動，依次接收數(shù)據(jù)包P2、P3。當(dāng)M1到達(dá)與D3間距很近的位置時(shí)，將數(shù)據(jù)包P3發(fā)送至D3，發(fā)送完畢后，M1返回圓心位置，等待M2、M3、M4的到來。待M2、M3、M4都到達(dá)圓心位置后，M1將P1發(fā)送至M3，由M3負(fù)責(zé)將其發(fā)送至 D1。移動節(jié)點(diǎn)間相互通信過程結(jié)束后，M1將移動至距離D2很近的位置，將P2發(fā)出。

與不分區(qū)移動服務(wù)路由機(jī)制相比，分區(qū)移動服務(wù)路由機(jī)制具有以下優(yōu)點(diǎn)：

① 根據(jù)網(wǎng)絡(luò)中移動節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)，將整個(gè)網(wǎng)絡(luò)區(qū)域平均劃分為若干服務(wù)區(qū)，移動節(jié)點(diǎn)只在各自服務(wù)區(qū)內(nèi)移動，有效減小了移動路徑的長度；

② 移動節(jié)點(diǎn)采用最近鄰點(diǎn)法對移動路徑進(jìn)行規(guī)劃和設(shè)置，有效減小了移動路徑長度的隨機(jī)性。

3 仿真結(jié)果及分析

為比較不分區(qū)移動服務(wù)路由機(jī)制與分區(qū)移動服務(wù)路由機(jī)制下的網(wǎng)絡(luò)吞吐量和延時(shí)性能，本文采用OPNET仿真工具進(jìn)行了性能仿真。在半徑為50 m的圓形網(wǎng)絡(luò)區(qū)域內(nèi)，隨機(jī)分布500個(gè)靜止節(jié)點(diǎn)，針對移動節(jié)點(diǎn)數(shù)目從1～20的不同情況進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，兩種機(jī)制下的仿真參數(shù)取值相同，移動節(jié)點(diǎn)速度均為1 m/s，數(shù)據(jù)傳輸速率均為1 Mbit/s，數(shù)據(jù)包長度均為160 bit+1024 bit（包頭+數(shù)據(jù)）。

圖3 分區(qū)移動服務(wù)路由機(jī)制與不分區(qū)移動服務(wù)路由機(jī)制吞吐量性能比較

從圖3中可以看出，無論采用哪種機(jī)制，吞吐量都隨移動節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)的增多而增大。因?yàn)楫?dāng)移動節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)增多時(shí)，平均每個(gè)移動節(jié)點(diǎn)需要服務(wù)的靜止節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)都隨之減少，平均每個(gè)靜止節(jié)點(diǎn)都可以在相同時(shí)間內(nèi)成功接收到更多數(shù)據(jù)，吞吐量將增大。此外，當(dāng)移動節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)較少時(shí)，分區(qū)移動服務(wù)路由機(jī)制下吞吐量大于不分區(qū)移動服務(wù)路由機(jī)制下吞吐量，例如，當(dāng)移動節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)為2時(shí)，分區(qū)移動服務(wù)路由機(jī)制下的吞吐量可提高約25%；當(dāng)移動節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)較多時(shí)，二者逐漸接近。因?yàn)楫?dāng)移動節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)較少時(shí)，平均每個(gè)移動節(jié)點(diǎn)將要服務(wù)較多靜止節(jié)點(diǎn)，不分區(qū)移動服務(wù)路由機(jī)制可能出現(xiàn)移動節(jié)點(diǎn)在服務(wù)某一對源節(jié)點(diǎn)與目的節(jié)點(diǎn)的過程中，服務(wù)較多遠(yuǎn)端靜止節(jié)點(diǎn)，造成移動路徑較長，數(shù)據(jù)包傳輸時(shí)間較長的問題，導(dǎo)致相同時(shí)間內(nèi)靜止節(jié)點(diǎn)成功接收到的數(shù)據(jù)較少；分區(qū)移動服務(wù)路由機(jī)制通過劃分服務(wù)區(qū)減小了移動路徑長度，使靜止節(jié)點(diǎn)可在相同時(shí)間內(nèi)成功接收到更多的數(shù)據(jù)。當(dāng)移動節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)較多時(shí)，上述問題得到緩解，兩種機(jī)制下吞吐量逐漸接近。

圖4 分區(qū)移動服務(wù)路由機(jī)制與不分區(qū)移動服務(wù)路由機(jī)制延時(shí)性能比較

從圖4中可以看出，無論采用哪種機(jī)制，平均延時(shí)都隨移動節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)增多而減小。其原因與圖3中吞吐量隨移動節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)增多而增大的原因類似，當(dāng)移動節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)增多時(shí)，平均每個(gè)移動節(jié)點(diǎn)需要服務(wù)的靜止節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)隨之減少，平均延時(shí)也隨之減小。此外，當(dāng)移動節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)較少時(shí)，分區(qū)移動服務(wù)路由機(jī)制下的平均延時(shí)小于不分區(qū)移動服務(wù)路由機(jī)制下的平均延時(shí)，例如，當(dāng)移動節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)為2時(shí)，分區(qū)移動服務(wù)路由機(jī)制下的平均延時(shí)約為不分區(qū)移動服務(wù)路由機(jī)制下平均延時(shí)的 5%；當(dāng)移動節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)較多時(shí)，二者逐漸接近。其原因與圖3中兩種機(jī)制吞吐量比較情況的原因類似，當(dāng)移動節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)較少時(shí)，不分區(qū)移動服務(wù)路由機(jī)制可能出現(xiàn)移動路徑較長，平均延時(shí)較長的問題；分區(qū)移動服務(wù)路由機(jī)制通過劃分服務(wù)區(qū)減小了移動路徑長度，從而減小了平均延時(shí)。當(dāng)移動節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)較多時(shí)，上述問題得到緩解，兩種機(jī)制下平均延時(shí)逐漸接近。

經(jīng)過仿真計(jì)算可以得出，分區(qū)移動服務(wù)路由機(jī)制下的數(shù)據(jù)包傳輸延時(shí)標(biāo)準(zhǔn)差大約為不分區(qū)移動服務(wù)路由機(jī)制下的數(shù)據(jù)包傳輸延時(shí)標(biāo)準(zhǔn)差的10%。也就是說，分區(qū)移動服務(wù)路由機(jī)制下的延時(shí)抖動要比不分區(qū)移動服務(wù)路由機(jī)制下的延時(shí)抖動小。在不分區(qū)移動服務(wù)路由機(jī)制下，靜止節(jié)點(diǎn)對移動節(jié)點(diǎn)采取隨機(jī)選取的方式用以中繼數(shù)據(jù)包，造成節(jié)點(diǎn)移動路徑長度的隨機(jī)性較強(qiáng)，延時(shí)抖動較大的問題。分區(qū)移動服務(wù)路由機(jī)制采用最近鄰點(diǎn)法對節(jié)點(diǎn)的移動路徑進(jìn)行規(guī)劃，減小了延時(shí)抖動。

4 結(jié)語

本文提出了一種新的受控移動機(jī)制——分區(qū)移動服務(wù)路由機(jī)制。該機(jī)制根據(jù)移動節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)平均劃分服務(wù)區(qū)，采用最近鄰點(diǎn)法對節(jié)點(diǎn)移動路徑進(jìn)行規(guī)劃，利用移動節(jié)點(diǎn)對所在服務(wù)區(qū)的靜止節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸提供中繼服務(wù)。網(wǎng)絡(luò)仿真表明，與不分區(qū)移動服務(wù)路由機(jī)制相比較，分區(qū)移動服務(wù)路由機(jī)制可以提高網(wǎng)絡(luò)吞吐量，減少數(shù)據(jù)傳輸延時(shí)和延時(shí)抖動，從而提高網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)質(zhì)量。

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