一种路点受限的移动传感器网络移动模型

李晓凯， 吕宏伟

(武警工程大学,陕西 西安 710086)

设计与制造

一种路点受限的移动传感器网络移动模型

李晓凯， 吕宏伟

(武警工程大学,陕西 西安 710086)

提出了一种基于随机路点移动模型的路点受限移动模型。在模型设计中，对节点的路点选择和暂停时间进行了设置，从而保持节点移动的规律性，满足特定场景的需要。利用仿真工具模拟模型的节点移动轨迹与其它移动模型进行比较，并从路由协议方面进行评估。仿真结果证明:该模型对集体搜索等特定场景具有较好的适用性。

移动传感器网络； 移动模型； 路点受限； 模型仿真

0 引 言

随着移动通信技术的发展，各种便携式的终端和底层通信技术的涌现，极大地推进了移动传感器网络(mobile sensor networks,MSNs)的应用和推广[1]。移动传感器网络是一种新型的无线传感器网络，不同于传统静止的传感器网络，其节点是移动的。随着近些年的发展，已成为无线网络的研究热点之一[2]。

由于现实场景中大规模部署真实的移动传感器网络进行网络性能研究比较困难，而仿真的研究方式相对具有很多优点，所以，仿真研究是目前移动传感器网络相关研究的主要方式。移动传感器网络性能进行仿真分析时，选择一种与实际情况相符合的、能够真实描述节点移动方式的模型非常重要，它直接影响到能否正确评价各层技术方案对动态拓扑的适应性[3]。

目前，已有研究者提出了很多移动模型，包括随机合成移动模型、群组移动模型以及针对特定场景提出的移动模型。其中，最常用的模型是基于个体的随机移动性，最简单的就是随机行走移动模型，它代表着随机移动的系统[4]。在此基础上又提出了一种改进的随机路点移动模型[5]，在移动速度和方向之间加入了一个停留时间,允许不同的速度和临时性稳定节点，使其在仿真软件中广泛应用。

本文基于随机路点移动模型，提出了一种路点受限移动传感器网络移动模型来满足特定场景的需要。

1 随机路点移动模型

随机路点移动(random waypoint model，RWP)模型由Johnson D和Maltz D于1996年首次提出[6]。在该模型中节点从初始位置以一个恒定的速率向目标匀速运动，到达目标位置后节点暂停一段时间，然后继续下一个周期，其中节点的速率v在一个范围中变化,即v∈[vmax,vmin]，节点的停留时间为t，t∈[tmin,tmax]。在RWP模型中，通过控制vmax和t的大小来控制网络拓扑变化的剧烈程度，当vmax较大而t较小则节点运动剧烈，网络拓扑变化较快；当vmax较小而t较大则节点运动速率小停留时间长，网络拓扑变化较慢。RWP模型的运动轨迹如图1所示。

图1 RWP模型运动轨迹图Fig 1 Movement trajectory diagram of RWP model

然而，在很多情况下节点的暂停不是随机而是有限制的。例如:在很多军事行动中的大规模搜索，为保持搜索的彻底性必须保持搜索队形的完整性，节点的速度和方向同样受到限制，如图2。

图2 搜索示意图Fig 2 Illustration diagram of search

基于此类场景的特点，本文提出带有速度和方向限制的受限路点(limited waypoint with speed and direction limit，LWPSDL)移动模型。

2 LWPSDL移动模型

2.1 模型描述

通过上面背景的简单分析，得出LWPSDL模型节点移动有以下规律：

1)队形始终保持“一”字队形，即人员间距相等；

2)搜索过程稳步推进，即有速度的限制；

3)人员按照固定的路线进行移动，即有方向的限制；

4)行进过程中保持驱散过程队形完整，即暂停时间相同。

根据以上特性，模型节点具体移动过程如下：

1)节点从出发点开始，按照限定的方向向统一的路点移动，该路点横坐标位置由用户决定；

2)在[vmin,vmax]随机选择一个速度匀速运动到所选择的路点；

3)到达目标位置后停留T秒；

4)重复以上步骤，直到到达边界停止。

2.2 节点移动仿真

模型仿真模拟参数设置如表1所示，模拟结果如图3所示。

表1 LWPSDL模型仿真模拟参数Tab 1 Parameters of LWPSDL model simulation

图3 LWPSDL模型节点移动轨迹Fig 3 Trajectory of nodes movements by LWPSDL model

从图3中可以看出，仿真开始时，节点在x=0 m处一字排开；经过一段时间运动，节点在指定的位置x=400 m处暂停，同时保持队形的完整性；仿真结束时，所有节点在x=1 000 m处静止。仿真结果证明:模型节点移动轨迹符合场景描述情景。

3 仿真分析

为了衡量和判断移动模型对路由协议性能的影响，需要通过定性和定量的评估指标来度量。本文选择了平均消息传递率、平均传输延迟和平均跳数三种定量指标来对仿真结果进行分析，这些指标能够比较全面地反映Ad Hoc网络的不同特性。限于时间和篇幅的限制，在本节的模拟测试中，选择AODV这种经典的协议进行评测。

首先对LWPSDL模型和RWP模型的节点平均消息传递率进行对比分析，如图4。

图4 平均消息传递率Fig 4 Average message delivery rate

从图4中可以看出:在节点数为20，数据产生率为100%的条件下，LWPSDL模型整体上的消息传递率要略高于RWP，说明在1～8 m/s范围内消息分组丢失率较低。

对LWPSDL模型和RWP模型的平均传输延迟进行对比分析，如图5。

图5 平均传输延迟Fig 5 Average transmission delay

从图5中可以看出:随着速度的增大，两者的平均传输延迟亦增大，但LWPSDL模型的平均传输延迟较RWP模型在相同速度下略低，网络连通性更好。

对LWPSDL模型和RWP模型的平均跳数进行对比分析，如图6。

图6 平均跳数Fig 6 Average hop number

从图6中可以看出:刚开始LWPSDL模型比RWP模型的平均跳数略高，说明在较低速度条件下RWP模型节点在不同方向移动后，数据分组从源节点发送到目的节点所经

跳数之和较少；但随着速度的增加，RWP模型节点不同方向移动距离之和增大，而LWPSDL模型节点维持队形不变，所以,LWPSDL模型数据分组从源节点发送到目的节点所经跳数之和较RWP模型较小，平均跳数变少。

4 结束语

本文基于随机路点移动模型提出了一种路点受限的移动模型，模型中移动节点的移动性会受到一些条件的限制而在同一位置集体暂停。通过仿真实验可以看出:LWPSDL模型节点移动轨迹比较接近于真实场景情况。选择了AODV协议进行比较LWPSDL移动模型与经典的RWP移动模型对路由协议性能的影响，结果证明:LWPSDL移动模型具有良好的适用性。

[1] Sanchez M,Manzoni P A.A Java-based simulator for Ad Hoc networks[J].Future Generation Compute Systems,2001,17(5):573-583.

[2] Tracy C,Jeff B,Vanessa D.A survey of mobility models for Ad Hoc network research[J].Wireless Communication and Mobile Computing(WCMC),2002,2(5):483-502.

[3] Christian B,Hannes H,Xavier P C．Stochastic properties of the random waypoint mobility model[J].ACM/Kluwer Wireless Networks:Special Issue on Modeling and Analysis of Mobile Networks,2004,10(5):555-567.

[4] Einstein A.Investigations on the theory of the Brownian movement[M].New York:Dover Publications,1956:211-233.

[5] Johnson D,Mahz D.Dynamic source routing in Ad Hoc wireless networks[J].Mobile Computing,1996,353:153-181.

[6] Navidi W,Camp T.Stationary distributions for the random waypoint mobility model[J].IEEE Transactions on Mobile Computing,2004,3(1):99-108.

A mobility model with limited waypoint for mobile sensor networks

LI Xiao-kai, LU Hong-wei

(Engineering University of CAPF,Xi’an 710086，China)

Propose a limited waypoint mobility model based on random waypoint model.In the process of model design,waypoints selection of node and pause time are set up to maintain regularity of node mobility,and meet demand for special scenarios.Use simulation tool to simulate trajectory of node movements and compare with the other models,meantime evaluate routing protocol.Simulation results indicate that this model has good applicability for special scenario such as collective search.

mobile sensor networks(MSNs)； mobility model; limited waypoint; model simulation

10.13873/J.1000—9787(2014)08—0062—03

2014—05—12

TP 393

A

1000—9787(2014)08—0062—03

李晓凯(1989-)，男，山东安丘人，硕士研究生，主要研究方向为军事信息学。