基于阿基米德螺線的雙匯聚節(jié)點(diǎn)重定位策略*

楊 心,馮 勇,黃 祺,郭 龍,吳 淵

(昆明理工大學(xué)云南省計(jì)算機(jī)技術(shù)應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,昆明 650500)

傳感器節(jié)點(diǎn)和移動(dòng)匯聚節(jié)點(diǎn)組成的傳感器網(wǎng)絡(luò)WSN(Wireless Sensor Network)為眾多應(yīng)用提供了多樣化的服務(wù),如搶險(xiǎn)救災(zāi)、醫(yī)療衛(wèi)生和環(huán)境監(jiān)測(cè)等[1]。在這些應(yīng)用中,大量傳感器隨機(jī)部署在監(jiān)測(cè)區(qū)域,然后通過(guò)自組織方式構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)。

由于WSN中傳感器所攜帶的電池能量十分有限,如何高效利用有限的能量是當(dāng)前無(wú)線傳感器研究的一個(gè)重要方向。許多學(xué)者對(duì)WSN的能耗問(wèn)題進(jìn)行了研究。例如文獻(xiàn)[2-3]都提出了一種節(jié)能路由算法來(lái)均衡網(wǎng)絡(luò)中能耗從而延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)壽命;文獻(xiàn)[4]通過(guò)調(diào)整傳感器的位置來(lái)避免能量空洞問(wèn)題,雖然延長(zhǎng)了網(wǎng)絡(luò)壽命,但傳感器節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)也將消耗能量。因此在目前研究中通常使用匯聚節(jié)點(diǎn)來(lái)代替?zhèn)鞲衅鞴?jié)點(diǎn)進(jìn)行重定位,如文獻(xiàn)[5]利用剩余能量信息來(lái)動(dòng)態(tài)改變節(jié)點(diǎn)的傳輸半徑和匯聚節(jié)點(diǎn)移動(dòng)方案。王章權(quán)等人[6]提出了路徑選擇算法(MPSA),即根據(jù)節(jié)點(diǎn)的位置和剩余能量信息找到一條較優(yōu)的匯聚節(jié)點(diǎn)移動(dòng)路徑。

匯聚節(jié)點(diǎn)一般分為靜態(tài)匯聚節(jié)點(diǎn)和移動(dòng)匯聚節(jié)點(diǎn)。如果匯聚節(jié)點(diǎn)始終保持靜止將會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的熱點(diǎn)問(wèn)題和能量空洞[7],這是因?yàn)樵浇咏鼌R聚節(jié)點(diǎn),傳感器節(jié)點(diǎn)就會(huì)被越多的傳輸路徑所共享[8]。所以本文討論的是移動(dòng)匯聚節(jié)點(diǎn),它具有以下優(yōu)點(diǎn)[9]:①能實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的能量均衡,避免熱點(diǎn)問(wèn)題;②能連接稀疏網(wǎng)絡(luò)和斷裂網(wǎng)絡(luò),提高網(wǎng)絡(luò)覆蓋率。在網(wǎng)絡(luò)中部署多匯聚節(jié)點(diǎn)能在很大程度上減少節(jié)點(diǎn)的平均跳數(shù),從而有效減少多跳傳輸?shù)哪芎?降低數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延。阿基米德螺線基本上能覆蓋整個(gè)網(wǎng)絡(luò)且其具有恒定的線速度和角速度等優(yōu)點(diǎn),使得匯聚節(jié)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)變得可控,而且匯聚節(jié)點(diǎn)能直接與網(wǎng)絡(luò)中大多數(shù)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。故本文采用多個(gè)匯聚節(jié)點(diǎn)沿著阿基米德螺線運(yùn)動(dòng)的方法來(lái)減少節(jié)點(diǎn)能耗,最大程度的延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)壽命,文中仿真實(shí)驗(yàn)證明其有很好的性能。

1 相關(guān)工作

Gu Y等人[10]將匯聚節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)模型分為:不可控移動(dòng)模型(隨機(jī)移動(dòng)UMM)和可控移動(dòng)模型(無(wú)約束移動(dòng)URM和路徑約束移動(dòng)PRM)。在PRM中,匯聚節(jié)點(diǎn)沿著固定的軌跡移動(dòng),其運(yùn)動(dòng)模型簡(jiǎn)單同時(shí)能有效提高系統(tǒng)通信負(fù)載和能量效應(yīng)等性能[11]。故本文采用路徑約束模型(PRM)即匯聚節(jié)點(diǎn)沿著固定軌跡勻速移動(dòng)。

目前許多學(xué)者對(duì)匯聚節(jié)點(diǎn)沿著固定軌跡重定位進(jìn)行了一些研究,如Wang等人[12]提出匯聚節(jié)點(diǎn)沿著固定的圓形軌跡移動(dòng),通過(guò)MECA和FEGASIS兩種路由算法將網(wǎng)絡(luò)分成不同的簇,選擇離匯聚節(jié)點(diǎn)最近的簇頭作為負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)傳送的領(lǐng)導(dǎo)節(jié)點(diǎn)。Tunca 等人[13]提出了一種分布式高效節(jié)能的環(huán)形路由協(xié)議,首先環(huán)節(jié)點(diǎn)通過(guò)地理位置路由算法形成環(huán),然后匯聚節(jié)點(diǎn)在環(huán)上移動(dòng)并接收錨節(jié)點(diǎn)傳送來(lái)的數(shù)據(jù)。Na等人[14]則提出了一種移動(dòng)匯聚節(jié)點(diǎn)路由算法(CRA),在該算法中匯聚節(jié)點(diǎn)沿著圓行軌跡移動(dòng),緩沖區(qū)中的節(jié)點(diǎn)作為骨干節(jié)點(diǎn)來(lái)連接節(jié)點(diǎn)并進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸,但是作者并沒(méi)有提出一個(gè)最優(yōu)的聚類算法來(lái)確定緩沖區(qū)的位置。中南大學(xué)的Weng Yanbin[15]提出使用阿基米德螺線的可控匯聚節(jié)點(diǎn)移動(dòng)策略,作者指出阿基米德螺線具有恒定的線速度和角速度,當(dāng)匯聚節(jié)點(diǎn)沿著該螺線運(yùn)動(dòng)時(shí),軌跡易被控制。

在網(wǎng)絡(luò)中部署多個(gè)匯聚節(jié)點(diǎn)可以有效減少節(jié)點(diǎn)在多跳轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包上消耗的能量,因?yàn)楣?jié)點(diǎn)將會(huì)選擇離它最近的匯聚節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信從而在很大程度上減少了平均跳數(shù),降低了數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延。例如文獻(xiàn)[16]計(jì)算出了多匯聚節(jié)點(diǎn)重定位的最優(yōu)位置,以達(dá)到匯聚節(jié)點(diǎn)的覆蓋度最大化和平均跳數(shù)最小化。Chatterjee 等人[17]提出了一種遵循圖論方法的多匯聚節(jié)點(diǎn)部署技術(shù),以實(shí)現(xiàn)最大化網(wǎng)絡(luò)壽命的同時(shí)減少匯聚節(jié)點(diǎn)的開銷。文獻(xiàn)[18]提出多匯聚節(jié)點(diǎn)以一個(gè)連續(xù)近似和協(xié)作方法移動(dòng)到最佳位置,但其在實(shí)際部署中經(jīng)濟(jì)開銷過(guò)大且沒(méi)有考慮多匯聚節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)融合問(wèn)題。Mirela Marta等人[19]指出當(dāng)傳感器節(jié)點(diǎn)隨機(jī)部署時(shí),可通過(guò)匯聚節(jié)點(diǎn)沿預(yù)定軌跡運(yùn)動(dòng)得到最優(yōu)結(jié)果,并且多匯聚節(jié)點(diǎn)可以有效提高網(wǎng)絡(luò)壽命。

本文就上述問(wèn)題提出了一種基于阿基米德螺線的多匯聚節(jié)點(diǎn)重定位策略ATSR(Archimedean spiral based Two-Sink Relocation)。該策略采用了多匯聚節(jié)點(diǎn)(如雙匯聚節(jié)點(diǎn))同時(shí)沿著對(duì)稱的兩條阿基米德螺線運(yùn)動(dòng)的方式來(lái)提升網(wǎng)絡(luò)壽命。同時(shí)對(duì)其進(jìn)行了優(yōu)化,使本策略的性能得到了進(jìn)一步的提升。

圖1 網(wǎng)絡(luò)模型

2 網(wǎng)絡(luò)模型

在構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)模型(如圖1所示)前,需要制定以下假設(shè)條件:①n個(gè)無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)以隨機(jī)部署的方式靜態(tài)(即靜止)分布在區(qū)域環(huán)境中。②傳感區(qū)域是半徑為R的圓形,所有的傳感器節(jié)點(diǎn)的傳輸半徑均為rs,且均有一個(gè)不同的ID。③傳感器節(jié)點(diǎn)具有等量且有限的電池電量,匯聚節(jié)點(diǎn)移動(dòng)能力不受限制,能量視為有限,每當(dāng)它們沿著阿基米德螺線運(yùn)動(dòng)完一個(gè)循環(huán)回到初始位置時(shí),都要去網(wǎng)絡(luò)中心的基站補(bǔ)充能量。④本文使用與文獻(xiàn)[20]相同的無(wú)線通信能量模型。在該能量模型中,發(fā)送和接收消息是主要能耗。當(dāng)a傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)送k位的數(shù)據(jù)給另一個(gè)距離它d遠(yuǎn)的節(jié)點(diǎn)b時(shí),可用式(1)計(jì)算能耗,b接收此消息所消耗的能量可用式(2)計(jì)算:

Es(k,d)=Eelec·k+εamp·k·dm

(1)

Er(k,d)=Eelec·k

(2)

在本文提出的多匯聚節(jié)點(diǎn)重定位策略中,采用了阿基米德螺線作為匯聚節(jié)點(diǎn)的預(yù)設(shè)移動(dòng)軌跡。阿基米德螺線又被稱為等速落線,當(dāng)一個(gè)點(diǎn)在阿基米德螺線上運(yùn)動(dòng)時(shí),其具有恒定的線速度v和角速度w,r為極徑。用rstart代表螺線的初始移動(dòng)極徑。由阿基米德螺線的極坐標(biāo)方程可得:

(3)

那么一旦確定螺線的起始位置,則可以通過(guò)式(3)等比例得出角速度和線速度。由于每條阿基米德螺線都具有一條對(duì)稱螺線,其極坐標(biāo)公式中,二者的θ互為相反數(shù),即一條θ<0,另一條θ>0。若將其中一條螺線旋轉(zhuǎn)90°或者270°即可得到另外一條螺線。二者在原點(diǎn)處能夠平滑的連接,阿基米德螺線最大特點(diǎn)是,螺距即螺線每條臂的距離都是相等的,即2rn,且在笛卡爾坐標(biāo)系中,當(dāng)y為0時(shí),x為2rn。

3 ATSR和IATSR

3.1 ATSR

3.1.1 多匯聚節(jié)點(diǎn)

根據(jù)螺線公式可知,在其他環(huán)境參數(shù)不變的情況下,多匯聚節(jié)點(diǎn)(n個(gè)匯聚節(jié)點(diǎn))的螺距是單匯聚節(jié)點(diǎn)螺距的n倍,此時(shí)多匯聚節(jié)點(diǎn)具有較好的性能,因?yàn)榕c單匯聚節(jié)點(diǎn)相比,在單位時(shí)間內(nèi)它能接收更多的數(shù)據(jù)同時(shí)減少了數(shù)據(jù)傳輸?shù)钠骄鴶?shù),大大減少了多跳傳輸?shù)哪芎暮蛡鬏斞舆t。本論文取n=2,主要研究雙匯聚節(jié)點(diǎn)的情況。當(dāng)單匯聚節(jié)點(diǎn)的螺距設(shè)置為4rs,對(duì)應(yīng)的雙匯聚節(jié)點(diǎn)則設(shè)置為8rs,rs=5,如圖2和圖3所示。

圖中的兩種虛線代表兩個(gè)匯聚節(jié)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡。圖3為圖2所在坐標(biāo)系中第1象限局部圖,圖2左圖為單匯聚節(jié)點(diǎn)在坐標(biāo)系中的表示,圖2右圖為雙匯聚節(jié)點(diǎn)在坐標(biāo)系中的表示,其中可以很明顯的看出左圖中單個(gè)匯聚節(jié)點(diǎn)運(yùn)行的軌跡長(zhǎng)度要遠(yuǎn)大于右圖中一個(gè)匯聚節(jié)點(diǎn)運(yùn)行的軌跡長(zhǎng)度,因此雙匯聚節(jié)點(diǎn)一次循環(huán)的周期遠(yuǎn)小于單匯聚節(jié)點(diǎn)。在實(shí)際應(yīng)用時(shí),如果能夠保持一個(gè)較短的循環(huán)周期,也就意味著成本的降低。為了最大化網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的覆蓋,本論文在提出的策略中使用了兩個(gè)匯聚節(jié)點(diǎn)。

圖2 螺距對(duì)比整體圖

圖3 螺距對(duì)比局部圖

3.1.2 匯聚節(jié)點(diǎn)重定位

初始時(shí)匯聚節(jié)點(diǎn)SA和SB位于螺線的中心,且兩條螺線相互對(duì)稱,隨后SA和SB分別以恒定的線速度沿著螺旋軌跡移動(dòng)。網(wǎng)絡(luò)中部署的雙匯聚節(jié)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)是對(duì)稱的,即當(dāng)匯聚節(jié)點(diǎn)SA的坐標(biāo)為(XA,YA),匯聚節(jié)點(diǎn)SB的坐標(biāo)為(XB,YB)時(shí),XA=-XB,YA=-YB。當(dāng)匯聚節(jié)點(diǎn)到達(dá)區(qū)域邊緣時(shí)會(huì)立即沿直線返回初始出發(fā)點(diǎn),進(jìn)行下一次運(yùn)動(dòng)。通過(guò)這種方法,匯聚節(jié)點(diǎn)在傳輸和接收信息時(shí)能節(jié)省大量能量。圖4通過(guò)偽代碼顯示了具體實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)。

圖4 ATSR的偽代碼

3.1.3 收集數(shù)據(jù)

當(dāng)匯聚節(jié)點(diǎn)沿著阿基米德螺線軌跡移動(dòng)時(shí),會(huì)收集兩跳以內(nèi)的鄰居節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)信息。假定每次的數(shù)據(jù)傳輸成功率均為100%,即節(jié)點(diǎn)會(huì)在極短的時(shí)間內(nèi)將數(shù)據(jù)信息傳輸給匯聚節(jié)點(diǎn),無(wú)延時(shí)無(wú)丟包。本文假設(shè)傳感器節(jié)點(diǎn)和匯聚節(jié)點(diǎn)的傳輸半徑均為R,整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)消息的傳輸采取最少跳數(shù)路由,即傳感器節(jié)點(diǎn)選取到匯聚節(jié)點(diǎn)跳數(shù)最少的路徑來(lái)傳輸數(shù)據(jù)。如圖5所示,由于本文中匯聚節(jié)點(diǎn)可以收集兩跳內(nèi)的數(shù)據(jù)信息,以其為圓心,匯聚節(jié)點(diǎn)最大可以收集半徑3R范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)信息,最小可以收集半徑R范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)信息。當(dāng)匯聚節(jié)點(diǎn)在自身軌跡上運(yùn)動(dòng)時(shí),會(huì)間隔R個(gè)單位長(zhǎng)度收集一次數(shù)據(jù),來(lái)確保數(shù)據(jù)的收集。

圖5 匯聚節(jié)點(diǎn)傳輸半徑示意圖

當(dāng)WSN工作時(shí),傳感器每隔固定單位時(shí)間收集數(shù)據(jù)信息。當(dāng)匯聚節(jié)點(diǎn)沿著阿基米德螺線運(yùn)動(dòng)進(jìn)入節(jié)點(diǎn)的傳輸半徑時(shí),軌跡周邊一跳或者兩跳鄰居節(jié)點(diǎn)將把收集的數(shù)據(jù)信息傳輸給匯聚節(jié)點(diǎn)。而離匯聚節(jié)點(diǎn)nR遠(yuǎn)的節(jié)點(diǎn)將以多跳方式把數(shù)據(jù)傳送給鄰居節(jié)點(diǎn)直至傳送給匯聚節(jié)點(diǎn),如圖6所示。

圖6 數(shù)據(jù)的收集

3.2 IATSR

數(shù)據(jù)收集間隔是匯聚節(jié)點(diǎn)每次移動(dòng)的判斷,如果匯聚節(jié)點(diǎn)移動(dòng)的直線距離大于給定閾值則向周邊節(jié)點(diǎn)發(fā)送一個(gè)請(qǐng)求信息并開始收集數(shù)據(jù),反之則不。在ATSR中,當(dāng)收集間隔過(guò)小時(shí),會(huì)導(dǎo)致某些節(jié)點(diǎn)重復(fù)收到匯聚節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)請(qǐng)求信息,帶來(lái)額外的能量消耗。

如圖7所示,假定T時(shí)刻,匯聚節(jié)點(diǎn)在位置PositionA向周邊節(jié)點(diǎn)p發(fā)送一個(gè)請(qǐng)求數(shù)據(jù)包。節(jié)點(diǎn)q在p的傳輸半徑內(nèi),而不在匯聚節(jié)點(diǎn)的傳輸半徑內(nèi),節(jié)點(diǎn)p必然向q發(fā)送一個(gè)信息,告知其匯聚節(jié)點(diǎn)需要收集數(shù)據(jù)。假定節(jié)點(diǎn)q已存儲(chǔ)一定量數(shù)據(jù),這時(shí)節(jié)點(diǎn)q必然會(huì)反向沿著請(qǐng)求消息路徑,向匯聚節(jié)點(diǎn)傳輸數(shù)據(jù)。而在T+1時(shí)刻匯聚節(jié)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到PositionB,PositionA和PositionB的直線距離小于傳輸半徑R。由于節(jié)點(diǎn)p仍在匯聚節(jié)點(diǎn)的傳輸半徑內(nèi),則會(huì)重復(fù)發(fā)送消息,對(duì)節(jié)點(diǎn)p和節(jié)點(diǎn)q的電池電量造成了不必要的損耗。由能耗模型可知,節(jié)點(diǎn)p額外接收和發(fā)送一次消息,節(jié)點(diǎn)q額外接收一次消息。最小額外能耗Emin為節(jié)點(diǎn)p的一次接收能耗:

ESink→p(k)=Eelec*k

(4)

圖7 額外能耗示意圖

最大額外能耗Emax為兩次接受和一次發(fā)送能耗:

Emax=ESink→p(k,dSink→p)+Ep→q(k,dp→q)+Ep→q(k)

(5)

式中:

(6)

即:

(7)

如果節(jié)省這部分能耗,將會(huì)極大的提高網(wǎng)絡(luò)壽命,比如通過(guò)調(diào)整匯聚節(jié)點(diǎn)在螺線上的收集間隔來(lái)避免額外能耗。正如前面所討論的,當(dāng)數(shù)據(jù)收集間隔過(guò)小時(shí),將導(dǎo)致一些節(jié)點(diǎn)頻繁的接收匯聚節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)請(qǐng)求消息,從而帶來(lái)額外的能量消耗。相反當(dāng)收集間隔過(guò)大時(shí)不利于匯聚節(jié)點(diǎn)與鄰居節(jié)點(diǎn)的通信和數(shù)據(jù)傳輸。因此在仿真實(shí)驗(yàn)中,本論文針對(duì)IATSR的收集間隔進(jìn)行了測(cè)試,測(cè)試結(jié)果見(jiàn)下一節(jié)。

4 仿真實(shí)驗(yàn)

前一節(jié)詳細(xì)介紹了基于阿基米德螺線的多匯聚節(jié)點(diǎn)重定位策略及其改進(jìn)策略,本節(jié)對(duì)兩種策略的性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。匯聚節(jié)點(diǎn)的初始位置分別為(R,0)、(-R,0),匯聚節(jié)點(diǎn)的角速度也與傳感器半徑的大小有關(guān),二者成反比。最終實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖菫榱颂岣呔W(wǎng)絡(luò)生存壽命,故實(shí)驗(yàn)結(jié)果均以網(wǎng)絡(luò)壽命為對(duì)比,其中網(wǎng)絡(luò)壽命被定義為從網(wǎng)絡(luò)初始時(shí)刻開始到網(wǎng)絡(luò)中第1個(gè)節(jié)點(diǎn)能量耗盡退出網(wǎng)絡(luò)為止所經(jīng)歷的時(shí)間[21]。在實(shí)驗(yàn)中,每隔一段時(shí)間隨機(jī)選取某些節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生等大的數(shù)據(jù)包,默認(rèn)實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置如表1所示。

表1 默認(rèn)實(shí)驗(yàn)參數(shù)

4.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

對(duì)于IATSR和ATSR的區(qū)別,上文已詳細(xì)闡述。數(shù)據(jù)消息的收集間隔以傳感器傳輸半徑R作為基準(zhǔn),即nR,通過(guò)實(shí)驗(yàn)得到n的大小。實(shí)驗(yàn)中,節(jié)點(diǎn)數(shù)量設(shè)為1 200個(gè),其他參數(shù)參考表1。得到的數(shù)據(jù)如圖8所示。

可以看出,n為1時(shí)網(wǎng)絡(luò)壽命最低。當(dāng)n從1變化到1.6時(shí),網(wǎng)絡(luò)壽命呈上升趨勢(shì),急劇增加。而n從1.6變化到4時(shí),大體保持平衡,但在n為3.2時(shí),有一個(gè)較大的下降變化。考慮到本實(shí)驗(yàn)中,傳感器節(jié)點(diǎn)均采取隨機(jī)部署,對(duì)網(wǎng)絡(luò)壽命的性能會(huì)有一定的影響,當(dāng)n等于2時(shí),基本處于中間水平,所以本文中取n為2。

圖8 參數(shù)n從1變化到4時(shí)對(duì)網(wǎng)絡(luò)壽命的影響

在本文中,假設(shè)數(shù)據(jù)以每個(gè)信息10 s的平均速度產(chǎn)生成數(shù)據(jù)包,數(shù)據(jù)傳輸延遲被定義為信息從產(chǎn)生到傳送給匯聚節(jié)點(diǎn)的時(shí)間間隔。如圖9所示,可以看出匯聚節(jié)點(diǎn)數(shù)量從0增加到6時(shí),傳輸延遲減少了近10倍(從1 130 s～153 s),兩個(gè)匯聚節(jié)點(diǎn)的傳輸延遲也要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于單個(gè)匯聚節(jié)點(diǎn)。這是因?yàn)樵谙嗤沫h(huán)境中,多匯聚節(jié)點(diǎn)的傳輸延遲小于單個(gè)匯聚節(jié)點(diǎn),即多匯聚節(jié)點(diǎn)在單位時(shí)間內(nèi)能收集和傳送更多的數(shù)據(jù)。

圖9 多匯聚節(jié)點(diǎn)的傳輸延遲

圖10 節(jié)點(diǎn)能量從1 J變化到5 J時(shí)的網(wǎng)絡(luò)壽命的變化

從圖10中可以看出,當(dāng)單個(gè)節(jié)點(diǎn)初始總能量從1 J變化到5 J時(shí),任何一種重定位策略也都會(huì)增加,并且基本為一條直線,起伏不大。IATSR和One-Sink相比,網(wǎng)絡(luò)壽命分別提升了88.56%、72.96%、72.42%、71.46%和73.22%,性能提升了大約70%到80%。和Two-Sink相比,網(wǎng)絡(luò)壽命分別提升了57.09%、46.23%、48.67%、52.74%和52.84%,性能提升了大約45%到60%。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)較為規(guī)律,這是必然的。節(jié)點(diǎn)能量的增加使得單個(gè)節(jié)點(diǎn)可持續(xù)運(yùn)作的時(shí)間也增加了。IATSR的改進(jìn),使得能耗得以進(jìn)一步降低,提高了網(wǎng)絡(luò)壽命。

當(dāng)傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)目從1 200個(gè)改變到2 000個(gè)時(shí),所有的策略都呈下降趨勢(shì),但I(xiàn)ATSR依然比其他策略的性能要好,如圖11所示。和One-Sink相比,網(wǎng)絡(luò)壽命分別提升了68.08%、78.44%、76.78%、81.71%和81.30%,性能提升了大約70%到80%。和ATSR相比,網(wǎng)絡(luò)壽命分別提升了54.88%、57.97%、61.30%、53.10%和58.96%,性能提升了大約50%到60%。出現(xiàn)該結(jié)果的原因可能是沒(méi)有對(duì)路由進(jìn)行優(yōu)化,只是簡(jiǎn)單的使用了最少條數(shù)路由。使用最少跳數(shù)必然會(huì)有重復(fù)接收消息的節(jié)點(diǎn),這是無(wú)法避免的。節(jié)點(diǎn)數(shù)目的增多,意味著單位面積內(nèi)的節(jié)點(diǎn)密度也會(huì)增加。那么會(huì)有更多的數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)在匯聚節(jié)點(diǎn)兩次收集間隔的重復(fù)區(qū)域。這必然會(huì)帶來(lái)更多的能量消耗,導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)數(shù)目越多網(wǎng)絡(luò)壽命反而下降的情況。

圖11 節(jié)點(diǎn)數(shù)目從1 200個(gè)變化到2 000個(gè)時(shí)的網(wǎng)絡(luò)壽命的變化

圖12 匯聚節(jié)點(diǎn)速度從1 m/s～5 m/s時(shí)網(wǎng)絡(luò)壽命的變化

圖12所示的改變匯聚節(jié)點(diǎn)速度時(shí)網(wǎng)絡(luò)壽命的變化。IATSR和One-Sink相比,網(wǎng)絡(luò)壽命分別提升了76.10%、24.96%、46.12%、61.02%和49.21%,性能提升了大約25%到75%。和ATSR相比,網(wǎng)絡(luò)壽命分別提升了51.16%、25.23%、52.05%、70.81%和67.86%,性能提升了大約50%到70%。圖中,匯聚節(jié)點(diǎn)線速度小于2 m/s時(shí),網(wǎng)絡(luò)壽命會(huì)保持一定水平,當(dāng)增加到3 m/s時(shí),會(huì)有小幅度提升。而一旦線速度繼續(xù)增加時(shí),網(wǎng)絡(luò)壽命就會(huì)呈現(xiàn)下降趨勢(shì),且ATSR在線速度超過(guò)2 m/s時(shí),網(wǎng)絡(luò)壽命就一直比One-Sink還要低。這是因?yàn)閰R聚節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)速度即為螺線的線速度,在保持螺距不變的情況下,移動(dòng)速度增大(減小),角速度也會(huì)增大(減小)。那么在單位時(shí)間內(nèi),匯聚節(jié)點(diǎn)每次移動(dòng)的間隔同樣會(huì)增大(減小),而數(shù)據(jù)收集間隔是匯聚節(jié)點(diǎn)每次移動(dòng)的判斷,如果其大于閾值則不收集,反之則不,并且線速度越大,所形成的螺線軌跡越不光滑,變得如蜘蛛網(wǎng)一樣,所以說(shuō)匯聚節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)速度會(huì)在一定程度上影響到網(wǎng)絡(luò)壽命。

由于上文提到,傳感器節(jié)點(diǎn)的傳輸半徑和角速度大小成反比。為了方便計(jì)算,以及能讓網(wǎng)絡(luò)中部署雙匯聚節(jié)點(diǎn)時(shí),能和One-Sink做對(duì)比,傳輸半徑選擇了4種變化,分別是5 m、10 m、20 m和40 m,那么對(duì)應(yīng)的角速度分別設(shè)置為0.157 rad/s、0.078 5 rad/s、0.039 25 rad/s、0.019 625 rad/s,結(jié)果如圖13所示。和One-Sink相比,網(wǎng)絡(luò)壽命分別提升了58.38%、82.69%、103.23%和141.64%,性能提升了大約60%～140%。和Two-Sink相比,網(wǎng)絡(luò)壽命分別提升了44.57%、56.19%、85.49%和96.85%,性能提升了大約45%到95%。雖然3種策略整體呈下降趨勢(shì),但I(xiàn)ATSR仍然比One-Sink和ATSR要好。從得到的仿真實(shí)驗(yàn)性能提升比可以看出,隨著傳輸半徑的增加,性能提升比顯著上升了。隨著傳輸半徑的增加,匯聚節(jié)點(diǎn)傳輸半徑內(nèi)可以接受到的節(jié)點(diǎn)數(shù)目也在增加。由于本仿真實(shí)驗(yàn)采用的是最少路徑路由,最多為兩跳,由能耗公式可知,半徑越大其能耗會(huì)急劇增加,從而導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)壽命的下降。

圖13 節(jié)點(diǎn)傳輸半徑分別為5 m、10 m、20 m和40 m時(shí)網(wǎng)絡(luò)壽命的變化

5 總結(jié)

匯聚節(jié)點(diǎn)重定位是一種能有效延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)壽命的方法,它避免了匯聚節(jié)點(diǎn)在一個(gè)地方停留太久而過(guò)度損耗鄰近節(jié)點(diǎn)的能量。當(dāng)傳感器節(jié)點(diǎn)以隨機(jī)的方式均勻分布時(shí),匯聚節(jié)點(diǎn)沿著預(yù)設(shè)軌道可以獲得最優(yōu)效果,并且多匯聚節(jié)點(diǎn)能夠有效提升網(wǎng)絡(luò)壽命。本文提出了一種多匯聚節(jié)點(diǎn)重定位策略(ATSR),它在阿基米德螺線的基礎(chǔ)上使用了兩個(gè)匯聚節(jié)點(diǎn)。同時(shí)本文對(duì)該策略進(jìn)行了改進(jìn)并提出了一個(gè)性能更好的策略(IATSR),它通過(guò)改變匯聚節(jié)點(diǎn)在螺線上數(shù)據(jù)收集間隔的大小節(jié)省了更多的能耗,仿真結(jié)果表明在延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)壽命方面本文兩個(gè)策略優(yōu)于對(duì)比策略。

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