接觸時間感知的移動WSNs路由

賀瑜飛 馬崛 延衛(wèi)軍

摘 ?要： 多數(shù)無線傳感網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中需要處理節(jié)點移動性，為此，面向移動無線傳感網(wǎng)絡(luò)（M?WSNs），提出基于接觸時間的區(qū)路由（CTAR）。CTAR路由先利用源節(jié)點和目的節(jié)點的相對位置信息形成活動區(qū)，只有區(qū)內(nèi)的節(jié)點才能參與路由;然后，利用節(jié)點的移動矢量信息選擇能夠最大化接觸時間的鄰居節(jié)點作為下一跳轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點。仿真數(shù)據(jù)表明，與RoF協(xié)議相比，CTAR協(xié)議的數(shù)據(jù)包傳遞率得到有效提高。

關(guān)鍵詞： 移動無線傳感網(wǎng)絡(luò); 路由; 活動區(qū); 接觸時間; 移動矢量; 轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點

中圖分類號： TN915?34; TPT393 ? ? ? ? ? ? ? 文獻標(biāo)識碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號： 1004?373X（2019）12?0161?04

Abstract： The node mobility needs to be processed in most applications of the wireless sensor network. Therefore， a contact time?area based routing （CTAR） is proposed for mobile wireless sensor networks （M?WSNs）. In the CTAR， the relative position information of the source node and destination node is used to form the active region， and only nodes within the region are allowed to participate in routing. The mobility vector information of the node is used to select the neighbor node that can maximize the contact time as the next?hop forwarding node. The simulation data shows that the data packet delivery ratio of the CTAR protocol is effectively improved in comparison with that of the RoF protocol.

Keywords： mobile wireless sensor network; routing; active region; contact time; mobility vector; forwarding node

0 ?引 ?言

目前，移動無線傳感網(wǎng)絡(luò)（Mobile Wireless Sensor Networks， M?WSNs）廣泛應(yīng)用于健康監(jiān)測、車輛跟蹤等[1?2]，而移動是這些應(yīng)用的固有特性。為此，M?WSNs內(nèi)的節(jié)點必須應(yīng)對拓撲變化，但這增加了節(jié)點能耗[3]。M?WSNs的能效對節(jié)點壽命有決定性的影響，而采用休眠?喚醒機制是降低節(jié)點能耗，提高能效的有效方式[4]。除了能效問題，節(jié)點移動性是M?WSNs的研究熱點。節(jié)點的移動性也給M?WSNs的節(jié)點部署提出挑戰(zhàn)。

傳統(tǒng)的路由協(xié)議引用路由表傳輸數(shù)據(jù)，但是，在移動的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中[5]，建立并維持路由表是非常復(fù)雜的。移動環(huán)境容易形成動態(tài)拓撲，而在動態(tài)拓撲結(jié)構(gòu)中構(gòu)建路由表非常困難，即使建立，也容易加大節(jié)點能量消耗。

目前，研究人員對M?WSNs的能效路由進行了不少的研究。文獻[6]針對一維隊列網(wǎng)絡(luò)，分析最小化能量消耗問題，其目的在于通過有效地提高節(jié)點能量，進而最大化網(wǎng)絡(luò)壽命，但是，文獻[6]認為節(jié)點的位置是預(yù)知的、且不變化。文獻[7]針對M?WSNs提出了能效?可靠路由協(xié)議，此協(xié)議為層次、簇協(xié)議，每個簇有一個簇頭，其負責(zé)管理簇內(nèi)節(jié)點的數(shù)據(jù)傳輸。但是，此協(xié)議不適用于高數(shù)據(jù)率情況。文獻[8]針對低功耗易損網(wǎng)絡(luò)（Low Power and Lossy Network）路由協(xié)議（RPL），采用電暈機制應(yīng)對移動環(huán)境。此協(xié)議重復(fù)使用相同的控制消息，降低了控制開銷。但是此協(xié)議在M?WSNs的性能并不佳，很難滿足M?WSNs中的服務(wù)質(zhì)量（Quality of Service，QoS）。

為此，提出基于接觸時間的區(qū)路由（Contact time?Area based Routing， CTAR）。CTAR協(xié)議先通過區(qū)概念降低能耗，即只有在區(qū)內(nèi)的節(jié)點才能參與路由，而區(qū)外的節(jié)點進入休眠狀態(tài)，進而降低節(jié)點能耗，同時，利用接觸時間選擇下一跳轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點，提高了路由穩(wěn)定性，最終提高了數(shù)據(jù)包傳輸率。仿真數(shù)據(jù)表明，提出的CTAR協(xié)議有效地提高了數(shù)據(jù)包傳遞率。

1 ?CTAR路由

1.1 ?系統(tǒng)模型

圓角矩形區(qū)域如圖1所示。假定傳感網(wǎng)絡(luò)由M個移動節(jié)點構(gòu)成，并隨機分布于區(qū)域A內(nèi)，基站的位置為[xb，yb]。第[i]個移動節(jié)點的速度為[?i]，且[i=1，2，…，M]。此外，所有節(jié)點引用休眠?喚醒機制，降低能耗。假定每個節(jié)點休眠時間為[T]，喚醒時間為[ΔT]，且[ΔT<圖1 ?圓角矩形區(qū)域

同時，假定源節(jié)點與基站間的通信區(qū)域為圓角矩形區(qū)域[R]。CTAR路由先建立圓角矩形區(qū)，并使得圓形區(qū)域內(nèi)的節(jié)點保持喚醒狀態(tài)，而區(qū)域外的節(jié)點進入休眠狀態(tài)，從而降低網(wǎng)絡(luò)能耗。然后，源節(jié)點從區(qū)域內(nèi)中選擇一個節(jié)點作為下一跳，即利用節(jié)點的相觸時間（Contact Time，CT）選擇下一跳節(jié)點，進而利用下一跳節(jié)點傳輸數(shù)據(jù)。CTAR路由區(qū)域構(gòu)建和數(shù)據(jù)傳輸兩個階段構(gòu)成。接下來，分析區(qū)域構(gòu)建、數(shù)據(jù)傳輸兩個階段的過程。

1.2 ?區(qū)域構(gòu)建

一旦節(jié)點有數(shù)據(jù)需要傳輸，它就進入?yún)^(qū)域構(gòu)建階段。區(qū)域構(gòu)建的目的是形成源節(jié)點至目的節(jié)點的活動區(qū)域[10]，且活動區(qū)域內(nèi)的所有節(jié)點均保持活動節(jié)點。

具體而言，CTAR路由利用源節(jié)點和目的節(jié)點的位置信息構(gòu)建連接源節(jié)點至目的節(jié)點間的區(qū)域。首先，源節(jié)點、目的節(jié)點以自己位置為圓心，以[r]為半徑形成一個圓，再一切為半;然后，將采用長為[a]、寬為2[r]的矩形連通這兩個半圓，因此，矩形區(qū)域的面積為[S]：

1.3 ?數(shù)據(jù)傳輸階段

1.3.1 ?接觸時間

僅區(qū)域[R]內(nèi)的節(jié)點才參與數(shù)據(jù)傳輸階段。若節(jié)點（源節(jié)點）有數(shù)據(jù)傳輸，它就從[R]內(nèi)選擇一個鄰居節(jié)點作為下一跳轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點。為此，它先向鄰居節(jié)點廣播數(shù)據(jù)請求包[datareq]。一旦鄰居節(jié)點接收了[datareq]，節(jié)點就啟動定時器[T]，其與接觸時間[（CT）]成比，如下：

接觸時間表示鄰居節(jié)點停留在自己通信范圍內(nèi)的時間。具體而言，假定在[t0]時刻，兩個移動節(jié)點[si]和[sj]在彼此通信范圍內(nèi)，而[Xit0]，[Xjt0]分別表示節(jié)點[si]，[sj]的位置矢量，其包含節(jié)點位置、速度，如圖2所示。

圖2 ?節(jié)點位置矢量示意圖

1.3.2 ?下一跳節(jié)點的選擇

當(dāng)節(jié)點（源節(jié)點）有數(shù)據(jù)傳輸時，它就向鄰居節(jié)點廣播數(shù)據(jù)請求包[datareq]，其包含了自己的位置信息、速度以及目的節(jié)點ID。一旦接收了[datareq]，先判斷自己是否為目的節(jié)點，若是目的節(jié)點，就直接回復(fù)確認包ACK。當(dāng)源節(jié)點接收了ACK，就直接向此節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)包。

若自己不是數(shù)據(jù)包的目的節(jié)點（自己將成為中間節(jié)點），就利用式（8）計算接觸時間，并利用式（3）設(shè)置定時器。一旦定時結(jié)束，就直接回復(fù)ACK包。在等待定時器定時過程中，若監(jiān)聽到其他節(jié)點發(fā)送了ACK包，就取消定時器。當(dāng)源節(jié)點接收了ACK包，它就向此節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)包。這個過程如圖3所示。

圖3 ?中間節(jié)點接收數(shù)據(jù)包的示意圖

圖4顯示了產(chǎn)生下一跳節(jié)點的過程。從圖4可知，源節(jié)點是將第一時間回復(fù)ACK包的節(jié)點作為下一跳轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點，通過此策略，可以降低傳輸時延，提高數(shù)據(jù)包傳輸率。

2 ?數(shù)值仿真

2.1 ?仿真環(huán)境

為了更好地分析CTAR性能，選用Castalia軟件建立平臺。假定55個移動節(jié)點隨機分布于[200 m×200 m]區(qū)域，且每個移動節(jié)點引用Random?waypoint移動模型進行移動，數(shù)據(jù)包尺寸為128 B。同時，選用基于接收器的機會轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議（Receiver based Opportunistic Forwarding， ROF）[11]和貪婪邊界轉(zhuǎn)發(fā)路由（Greedy Perimeter Stateless Routing， GPSR）[12]。ROF協(xié)議并不需要建立源節(jié)點與目的節(jié)點間的全局路由。ROF協(xié)議依據(jù)競爭機制產(chǎn)生下一跳轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點，而GPSR協(xié)議是依據(jù)實時鄰居信息決策下一跳轉(zhuǎn)發(fā)，并采用貪婪轉(zhuǎn)發(fā)策略傳輸數(shù)據(jù)包。

圖4 ?下一跳節(jié)點的選擇過程

2.2 ?數(shù)值分析

首先分析數(shù)據(jù)包傳遞率隨數(shù)據(jù)包發(fā)送率的變化情況，且移動速度為0.5 m/s，如圖5所示。

圖5 ?數(shù)據(jù)包傳遞率隨發(fā)送率的變化曲線

從圖5可知，提出的CTAR協(xié)議的數(shù)據(jù)包傳遞率最高，優(yōu)于RoF和GPSR協(xié)議，而GPSR協(xié)議的數(shù)據(jù)包傳遞率最低。這要歸功于CTAR協(xié)議源節(jié)點和目的節(jié)點構(gòu)建轉(zhuǎn)發(fā)區(qū)域，并利用接觸時間設(shè)置定時器，選擇最優(yōu)的下一跳轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點。此外，數(shù)據(jù)包傳遞率隨發(fā)送率的增加而呈降低趨勢。原因在于：發(fā)送率越大，網(wǎng)絡(luò)內(nèi)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包數(shù)就越多，網(wǎng)絡(luò)擁塞越嚴重，降低數(shù)據(jù)包傳遞率。

然后，分析移動速度對數(shù)據(jù)包傳遞率的影響，且移動速度從0.5～10 m/s變化，源節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)包率為20 pps，如圖6所示。

圖6 ?數(shù)據(jù)包傳遞率隨車速的變化情況

從圖6可知，車速的增加降低了數(shù)據(jù)包傳遞率，原因在于：車速的增加，減少了接觸時間，降低了鏈路的持續(xù)時間，最終降低了數(shù)據(jù)包傳遞成功率。與RoF和GPSR協(xié)議相比，提出的CTAR協(xié)議的數(shù)據(jù)包傳遞率得到有效提升。

圖7顯示了平均接觸時間數(shù)隨車速變化情況，從圖7可知，車速的增加降低了平均接觸時間。這主要是因為：車速的提高，降低了鏈路連通時間。與RoF協(xié)議相比，提出的CTAR協(xié)議的平均接觸時間得到很大的提高。例如，當(dāng)車速為5 m/s，CTAR協(xié)議的平均接觸時間為83 s，而RoF協(xié)議的平均接觸時間為62 m/s。

圖7 ?平均接觸時間隨車速變化情況

3 ?結(jié) ?語

針對移動的傳感網(wǎng)絡(luò)，本文提出基于接觸時間的區(qū)路由CTAR。CTAR路由引用喚醒?休眠機制，并采用區(qū)概念，降低節(jié)點能耗。同時，引用接觸時間變量，并利用接觸時間選擇下一跳節(jié)點。仿真結(jié)果表明，提出的CTAR路由有效地提高了數(shù)據(jù)包傳遞率，并降低了平均接觸時間。

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