无线传感器网络中分区移动服务路由机制

黄思宇， 高 强， 费 礼， 张 旭

0 引言

随着微机电系统、传感器技术、通信技术的发展，无线传感器网络已广泛应用于军事、环境、和家庭等领域[1-4]。在无线传感器网络中，节点的移动曾被作为网络开销加以考虑。近些年来，研究人员发现，利用节点的移动传输数据可有效地提高整个网络的吞吐量[5]。

节点在网络中的移动方式可分为随机移动、可预测的移动和受控移动三类。

随机移动是指，节点按照随机的方式在网络区域中移动。文献[6-9]针对不同的节点随机移动模型，推导了网络中的吞吐量和延时。这些研究工作表明，在节点随机移动的情况下，网络吞吐量和延时性能无法同时改善，只有牺牲其中一个的性能，才能改善另一个的性能。

可预测的移动是指，网络知道移动节点的运动规则，网络可利用运动规则信息来帮助传递数据[10-11]。在这种情况下，节点移动的目的并不是为数据传输提供服务，因此，节点的移动路径与数据传输的路径并不一致。

受控移动是指，节点移动的方式可被网络控制。文献[12]提出一种受控移动机制，在该机制下，节点的移动路径可根据数据传输要求加以规划。移动节点根据规划后的路径移动至静止节点附近接收数据包，然后移动至对应目的节点附近发送数据包，该机制可同时提高网络吞吐量和延时性能。但该机制可能会出现节点移动路径的长度较长、随机性较大的问题，限制了网络吞吐量的进一步提高和数据传输延时的进一步减少，导致延时抖动较大的问题，不能较好地适用于高服务质量要求的业务。

为提高网络性能，本文提出一种新的受控移动机制——分区移动服务路由机制，根据移动节点个数，将网络区域从中心开始平均划分为若干服务区，服务区个数与移动节点个数相同。每个服务区中分配一个移动节点，每个移动节点只在各自服务区内移动，对其服务区内的静止节点数据传输提供中继服务。移动节点按照最近邻点法规划移动路径，根据规划好的移动路径依次移动至各自服务区内静止节点附近，发送、接收数据，然后返回中心，等待其他移动节点的到来。待所有移动节点回到中心位置时，移动节点间相互通信，通信过程结束后重复上述过程。与文献[12]所述路由机制相比，分区移动服务路由机制可进一步提高网络吞吐量，减少数据传输延时和延时抖动，更适用于高服务质量要求的业务。

1 不分区移动服务路由机制简述

2008年加州大学洛杉矶分校Ameesh等人提出一种受控移动服务数据传输机制，本文称为不分区移动服务路由机制[12]，其数据传输过程如图1所示。假设圆形网络区域内随机分布N个静止传感器节点，每个静止节点都可作为源节点产生数据包，并可任意选择另一个静止节点作为该数据包的目的节点，所有数据包长度相同。除静止节点外，网络中还存在M个可作为数据传输中继的移动节点，其移动路径可根据数据传输的要求加以控制，每个移动节点的速度大小相同。当网络中某一个静止节点产生数据包时，将随机选择一个移动节点作为中继，前来接收数据。被选定的移动节点移动至距源节点很近的位置，通过无线链路接收数据包，然后移动至距目的节点很近的位置，通过无线链路发送数据包。在移动节点与静止节点的通信过程中，两者距离很近，可采用较小发射功率进行较高速率数据传输，并可不考虑网络中其他并发传输链路造成的干扰。移动节点在服务一对源节点与目的节点的过程中，可从其他源节点收集数据包，并将其发送至各自目的节点。

图1 不分区移动服务路由机制的数据传输过程

不分区移动服务路由机制存在以下不足：

① 当移动节点个数较少时，每个移动节点可能在服务一对源节点与目的节点的过程中，服务较多远端静止节点，造成移动路径较长的问题；

② 静止节点对移动节点采取随机选取的方式用以中继数据包，造成移动节点在中继数据包的过程中，移动路径长度的随机性较强的问题。

2 分区移动服务路由机制

为提高网络吞吐量，减少数据传输延时和延时抖动，本文提出一种分区移动服务路由机制，其数据传输过程如图 2所示。与文献[12]不同的地方在于，分区移动服务路由机制根据移动节点个数，将整个网络区域平均划分为若干服务区，服务区个数与移动节点个数相同。每个服务区中分配一个移动节点，每个移动节点只在其服务区内移动，对其服务区内的静止节点的数据传输提供中继服务。初始时刻移动节点处于网络区域中心，并已通过相关协议获得所有静止节点的位置[13]。

移动节点采用最近邻点法进行路径规划，对某个分区中的移动节点，其移动路径规划过程分为以下四步：

① 将圆心位置添加到移动节点的回路中；

② 找到服务区中距离刚刚加入回路的上一个静止节点最近的还未加入到回路的静止节点,将其位置加入到回路中；

③ 重复步骤②，直到将该移动节点对应服务区内的所有静止节点位置都加入到回路中；

④ 将最后一个加入回路的静止节点位置与圆心位置连接起来。

图2 分区移动服务路由机制的数据传输过程

分区移动服务路由机制分为移动节点依次与服务区内静止节点相互通信过程和移动节点间相互通信过程。

（1）移动节点依次与服务区内静止节点相互通信过程

按照规划后的移动路径，移动节点从圆心开始，向静止节点所在位置移动，到达两者间距很近的位置时静止。如果移动节点存在要发往此静止节点的数据包，则通过无线链路将数据包依次发出，如果静止节点有数据包要发送，则待移动节点发送完毕后再通过无线链路将数据包发出，两者通信过程结束后，移动节点按规划后的路径向下一个静止节点移动。如果移动节点与此静止节点间没有数据包要传输，则立即按照规划后的路径向下一个静止节点移动。

（2）移动节点间相互通信过程

过程（1）结束后，移动节点返回圆心，等待其他移动节点的到来。当所有移动节点回到圆心位置时，移动节点按照“先到达圆心位置先发送数据包”的顺序依次将目的节点不在自己服务区内的数据包发送给相应的移动节点。所有移动节点发送完毕后，回到过程（1）。

无论是在过程（1）还是过程（2）中，与静止节点间距相比，相互通信的两节点间距都很近，可采用较高数据传输速率，且可以不考虑网络中其他并发传输链路的干扰。

图2给出该机制运行的一个例子。网络区域中共有4个移动节点 M1、M2、M3、M4，依次分配到服务区 1、服务区2、服务区3、服务区4中。S1、S2、S3为源节点，分别产生数据包 P1、P2、P3，对应目的节点为 D1、D2、D3。M1从圆心位置开始，向 D2所在位置移动，到达两者间距很近的位置时停下，此时二者间没有数据包要传输，因此 M1将立即向S1移动，到达距离S1很近的位置时静止，接收数据包P1，接收完毕后，继续向S2、S3移动，依次接收数据包P2、P3。当M1到达与D3间距很近的位置时，将数据包P3发送至D3，发送完毕后，M1返回圆心位置，等待M2、M3、M4的到来。待M2、M3、M4都到达圆心位置后，M1将P1发送至M3，由M3负责将其发送至 D1。移动节点间相互通信过程结束后，M1将移动至距离D2很近的位置，将P2发出。

与不分区移动服务路由机制相比，分区移动服务路由机制具有以下优点：

① 根据网络中移动节点个数，将整个网络区域平均划分为若干服务区，移动节点只在各自服务区内移动，有效减小了移动路径的长度；

② 移动节点采用最近邻点法对移动路径进行规划和设置，有效减小了移动路径长度的随机性。

3 仿真结果及分析

为比较不分区移动服务路由机制与分区移动服务路由机制下的网络吞吐量和延时性能，本文采用OPNET仿真工具进行了性能仿真。在半径为50 m的圆形网络区域内，随机分布500个静止节点，针对移动节点数目从1～20的不同情况进行仿真实验，两种机制下的仿真参数取值相同，移动节点速度均为1 m/s，数据传输速率均为1 Mbit/s，数据包长度均为160 bit+1024 bit（包头+数据）。

图3 分区移动服务路由机制与不分区移动服务路由机制吞吐量性能比较

从图3中可以看出，无论采用哪种机制，吞吐量都随移动节点个数的增多而增大。因为当移动节点个数增多时，平均每个移动节点需要服务的静止节点个数都随之减少，平均每个静止节点都可以在相同时间内成功接收到更多数据，吞吐量将增大。此外，当移动节点个数较少时，分区移动服务路由机制下吞吐量大于不分区移动服务路由机制下吞吐量，例如，当移动节点个数为2时，分区移动服务路由机制下的吞吐量可提高约25%；当移动节点个数较多时，二者逐渐接近。因为当移动节点个数较少时，平均每个移动节点将要服务较多静止节点，不分区移动服务路由机制可能出现移动节点在服务某一对源节点与目的节点的过程中，服务较多远端静止节点，造成移动路径较长，数据包传输时间较长的问题，导致相同时间内静止节点成功接收到的数据较少；分区移动服务路由机制通过划分服务区减小了移动路径长度，使静止节点可在相同时间内成功接收到更多的数据。当移动节点个数较多时，上述问题得到缓解，两种机制下吞吐量逐渐接近。

图4 分区移动服务路由机制与不分区移动服务路由机制延时性能比较

从图4中可以看出，无论采用哪种机制，平均延时都随移动节点个数增多而减小。其原因与图3中吞吐量随移动节点个数增多而增大的原因类似，当移动节点个数增多时，平均每个移动节点需要服务的静止节点个数随之减少，平均延时也随之减小。此外，当移动节点个数较少时，分区移动服务路由机制下的平均延时小于不分区移动服务路由机制下的平均延时，例如，当移动节点个数为2时，分区移动服务路由机制下的平均延时约为不分区移动服务路由机制下平均延时的 5%；当移动节点个数较多时，二者逐渐接近。其原因与图3中两种机制吞吐量比较情况的原因类似，当移动节点个数较少时，不分区移动服务路由机制可能出现移动路径较长，平均延时较长的问题；分区移动服务路由机制通过划分服务区减小了移动路径长度，从而减小了平均延时。当移动节点个数较多时，上述问题得到缓解，两种机制下平均延时逐渐接近。

经过仿真计算可以得出，分区移动服务路由机制下的数据包传输延时标准差大约为不分区移动服务路由机制下的数据包传输延时标准差的10%。也就是说，分区移动服务路由机制下的延时抖动要比不分区移动服务路由机制下的延时抖动小。在不分区移动服务路由机制下，静止节点对移动节点采取随机选取的方式用以中继数据包，造成节点移动路径长度的随机性较强，延时抖动较大的问题。分区移动服务路由机制采用最近邻点法对节点的移动路径进行规划，减小了延时抖动。

4 结语

本文提出了一种新的受控移动机制——分区移动服务路由机制。该机制根据移动节点个数平均划分服务区，采用最近邻点法对节点移动路径进行规划，利用移动节点对所在服务区的静止节点的数据传输提供中继服务。网络仿真表明，与不分区移动服务路由机制相比较，分区移动服务路由机制可以提高网络吞吐量，减少数据传输延时和延时抖动，从而提高网络的服务质量。

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