基于無線基站移動傳感器的傳輸與網絡優化

杜剛

摘 要：在現如今無線傳感器網絡的快速發展中，其存在的問題也隨之而來：相距無線基站一跳的節點由于考慮盡可能縮短跳數，導致其在傳輸信息和數據的過程中，既作為基站傳輸樞紐又要作為其他節點的中繼站，過度的負荷導致這些節點快速的能量消耗，直至“消亡”。文章就這一難點問題，結合無線基站移動的區域和方式，讓更多節點更替作業，實現整個網絡節點的能量平衡，達到網絡優化的目的。

關鍵詞：無線基站移動傳感器；能量消耗；網絡優化

近些年來，以傳感器為載體的無線傳感器網絡發展迅速。無線傳感器網絡是包含無線通信、傳感器、網絡傳輸與基站移動等多種學科于一體的處理信息和傳輸技術。通過網絡對周圍信息進行采集和網絡友好交互，能夠更好地幫助人類處理信息和數據，并通過傳感器的節點跳傳來實現信息的快速有序傳遞，達到通信與交換的目的。但由于一跳節點不僅要傳輸自身的數據信息，還要被其他節點用作中繼站進行“被動服務”，這導致這些節點能量耗盡，停止工作，從而引起整個網絡的癱瘓。相比較靜止的基站來說，移動基站移動方式和目標區域的合理設計對整體網絡的負載平衡有著很大的作用和意義。本文在無線基站移動傳輸的基礎上，分析研究現有模型的利弊，提出改進方式，實現網絡的優化。

1 無線基站移動的傳輸模型

1.1 基站隨機移動模型

基站隨機移動有兩種方式，一種是在移動物體本身配置數據收集工具，比如手機、車聯網中的傳感器等，目標物體在整個無線傳輸網絡中隨機移動，當目標物體靠近傳感器節點探測范圍內時，相鄰目標物體的節點將數據傳輸到對應的目標物體上，在通過移動的目標物體將數據傳送到基站。另一種方式是在傳感器網絡內放置一個隨機移動的基站，它的移動方向和運動距離是隨機可變的。在基站隨機移動模型中常用的算法有：數據騾子算法、移動數據收集器算法、基站完全隨機移動算法和基站部分隨機移動算法。

數據騾子算法是指將可以移動的目標實體作為傳感器網絡中的“一跳節點”，即當數據騾子靠近傳感器節點時，這些節點將自動將需要傳遞給基站的數據信息發送到數據騾子身上，通過它們的移動，再直接傳遞給基站，從而省去了一些節點的中繼傳輸，有效的避免了熱點問題。但數據騾子隨機性太大，不能保證數據的及時傳輸，這種算法還存在一定的弊端。移動數據收集器算法的思想是設置多個移動目標體在對應的無線傳感器網絡內，與傳感器節點相互連接成路由樹，節點選擇強度最大的信號進行傳輸，即最近移動目標實體，縮短傳輸時間和距離，降低網絡負載。但問題是網絡內移動實體的隨機性對路由樹的建立和選擇路徑影響較大，優化效果有限。基站完全隨機移動算法和部分隨機移動算法則是通過基站移動的方向和距離進行條件約束，限制基站移動范圍始終在傳感器一跳節點的傳輸范圍內，而降低中繼節點的使用，從而節約節點資源。但不能兼顧每一個傳感器節點，仍有問題出現。

1.2 基站固定軌跡移動模型

基站按事先設計好的軌跡進行移動來實現整體網絡地信息傳輸，這之中最常見的算法有：網絡邊緣移動算法、移動協助數據收集模式算法、基站基于線性規劃的移動算法和受控移動實體移動算法。

網絡邊緣移動算法是考慮到網絡區域所能覆蓋的范圍，形狀一般以圓形區域最為基礎和實用，因而將基站的移動軌跡設置為沿著圓形范圍的邊界移動。這個算法的優點在于使邊緣網絡情況更加穩定，且網絡生存時間較固定模式提高400%，但缺點是圓形模式固定，缺乏靈活性。移動協助數據收集模式算法是在網絡邊緣移動算法的基礎上改進而來的，采用基站環形區域移動的方式，通過緩沖區使數據傳輸過程中的能量消耗降低，但容易丟失數據，網絡區域局限。

2 無線基站移動傳感器網絡優化

2.1 網絡模型的建立

設網絡為一個L×L的規則方形區間。在這個規則方形區間內安放N個傳感器節點，并且使這些節點的位置符合參數為λ的泊松分布。N個節點之間互相連通互相通信，每兩個節點之間不少于一條直達路徑的存在。一旦將某個節點安放好，它的位置即為固定位置，不會移動。這個網絡區間中還安放一個移動基站，假設它的能量不會消耗完且數據傳輸資源完善，擁有計算能力、路由傳輸能力等，且基站能預先了解該網絡的邊界和任何一個傳感器的方位。傳感器和基站之間互相可以通過GPS獲取相關位置。

2.2 能量消耗模型

2.3 優化算法描述

無線基站移動傳感器網絡的優化在于基站的移動，這個復雜的過程影響著網絡的傳輸性能和速度，網絡的優化可以從基站的移動條件、移動目的地、移動方式這三方面入手，來構建新的傳輸網絡模型。

基站移動條件。這一部分的算法設計決定了基站移動的基礎參數，評估參數有利的情況下，移動基站；反之，基站保持不動。用一下參數進行基站的定位說明：

SR1：小于基站距離D時，且在一跳區域內的節點；

Pa：每個時間段內通過節點a的數據包數量；

PT：一組包含SR1每個節點數據流量的節點，并按升序排列；

E（TR）：節點a傳輸一個數據包到下一跳節點所消耗的能量。

基站移動目的地。方法為將基站移動到需要傳輸數據包最多的那個節點上。根據資源有限和地形的局限，基站無法進行距離較遠的移動運動：一方面這樣的遠距離移動會引起基站與其它節點和數據收集處的聯系丟失；二方面是無線網絡的動態拓撲結構會發生變化，從而使該點位置無法成為當前情況下的最優位置點。為了達到相近的結果，本文在處理過程中試著把基站移動到中繼節點周圍，也能同時路由大量的信息。

基站移動方式。假設基站不考慮能量和計算能力限制，傳感器節點被排列后即為不可移動的，可自行控制基站的移動。在本模型中，基站根據目標位置與所處位置和所有兩跳的相鄰節點的能量損耗來改變移動方向。通過數據收集，上述滿足條件的傳感器節點將自己的位置信息和能量信息都發送給基站。如果是一跳以外兩跳以內范圍的點，基站就盡可能靠近這個節點。

3 結束語

通過研究無線基站移動的傳感器網絡的傳輸模型，本文在這些基礎上改進了移動模型，結果表明，該模型延長了網絡生存時間，實現了網絡優化。

參考文獻

[1]丁煦，韓江洪，石雷，等.多基站可充電無線傳感器網絡建模及優化研究[J].電子測量與儀器學報，2015（4）：519-530.

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