無線傳感網(wǎng)中瓶頸節(jié)點的局部探測及其關(guān)鍵性的量化

吳院，馬永強

（西南交通大學(xué) 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，成都610031）

吳院（碩士研究生），研究方向為計算機網(wǎng)絡(luò)與信息系統(tǒng)；馬永強（教授），研究方向為網(wǎng)絡(luò)與信息系統(tǒng)、基于視頻圖像的監(jiān)測技術(shù)、嵌入式系統(tǒng)及其應(yīng)用。

引 言

無線傳感網(wǎng)是由大量能量資源有限的自組織傳感器節(jié)點密集部署而成［1］。所有節(jié)點的能量消耗并不是統(tǒng)一的，那些處在關(guān)鍵位置的節(jié)點會消耗更多的能量，這些關(guān)鍵節(jié)點的移除會導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)的斷裂［2］。為了實現(xiàn)節(jié)點的低成本，通常節(jié)點上都不會帶有GPS定位裝置，這樣節(jié)點就不知道其在網(wǎng)絡(luò)中的準確位置，也不能用定位方法去識別網(wǎng)絡(luò)中的瓶頸節(jié)點。本文提出了一種通過關(guān)鍵性來探測其是否為瓶頸節(jié)點的局部方法。

瓶頸節(jié)點示例如圖1所示。由于隨機部署的原因，連接兩個或多個區(qū)域的瓶頸節(jié)點必須承擔(dān)兩個區(qū)域之間大量數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā)工作，因為在它的周圍沒有其他節(jié)點可以分擔(dān)他的負載。因此，其能量消耗速度比其他普通節(jié)點更快，這些節(jié)點的移除或死亡，會造成整個網(wǎng)絡(luò)的割裂［3］。

本文的目的就是要研究一種局部算法，用來識別瓶頸節(jié)點以及它們的關(guān)鍵性等級。節(jié)點的關(guān)鍵性等級會影響它們在網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)工作的分配。通常，在基于節(jié)點的剩余能量確定其關(guān)鍵性時，假設(shè)對所有的節(jié)點來說，移除任意一個節(jié)點造成整個網(wǎng)絡(luò)被割裂的概率是相等的。

1 節(jié)點能耗假設(shè)

圖2和圖3分別表示存在關(guān)鍵節(jié)點與不存在關(guān)鍵節(jié)點的傳感網(wǎng)中所有節(jié)點的能耗分布［4］。圖2是不理想的節(jié)點能耗直方圖，可明顯知道網(wǎng)絡(luò)中確實存在瓶頸節(jié)點，一些節(jié)點因鄰居節(jié)點少而承擔(dān)少量的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)工作，而其他擁有較多鄰居節(jié)點的節(jié)點會經(jīng)常用來轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，以至能量幾乎消耗殆盡，本文的目的就是要找出此類節(jié)點。圖3是理想的節(jié)點能耗直方圖。盡管兩者的總能耗量是相同的，但圖3中節(jié)點的能耗顯然要比圖2的均衡，這樣它的網(wǎng)絡(luò)生存期也相應(yīng)會長些。

圖1 瓶頸節(jié)點示例

圖2 不理想的節(jié)點能耗直方圖

圖3 理想的節(jié)點能耗直方圖

研究中，假設(shè)所有節(jié)點都是靜止的，網(wǎng)絡(luò)拓撲不發(fā)生變化，沒有基礎(chǔ)設(shè)施支持，且任何兩個位于對方通信半徑內(nèi)的節(jié)點都能互發(fā)消息。

2 局部探測算法

這里將所有的節(jié)點分為兩部分：一部分為根節(jié)點，它們在網(wǎng)絡(luò)初始階段以泛洪方式傳送消息；其他所有節(jié)點負責(zé)轉(zhuǎn)發(fā)各根節(jié)點的獨特消息。所有選出來的根節(jié)點必須保證網(wǎng)絡(luò)的大部分區(qū)域能被監(jiān)控到。這些根節(jié)點有一個重要的特征：相比于其他普通節(jié)點，它們擁有較少數(shù)量的鄰居節(jié)點。因為這樣它們就很可能位于網(wǎng)絡(luò)的邊界處。通過鄰居節(jié)點的數(shù)量，就能選出最合適的根節(jié)點，也就能知道網(wǎng)絡(luò)的邊界節(jié)點。所以在節(jié)點部署完成后，通過節(jié)點的通信半徑來計算它們的鄰居節(jié)點數(shù)。

網(wǎng)絡(luò)拓撲中關(guān)鍵節(jié)點［5］的探測分兩步進行。

（1）尋找根節(jié)點

每個節(jié)點中都有一個可復(fù)位的定時器。如果超時，節(jié)點的等級標識值就會成為無窮大，沒有任何泛洪數(shù)據(jù)包［6］，成為一個孤立的節(jié)點。同樣，每個節(jié)點也有一個發(fā)送定時器，每個發(fā)送周期過后，它都會被重置。在每個發(fā)送定時器周期里，泛洪消息傳送都會發(fā)生。發(fā)送定時器的重要性不及可復(fù)位定時器。

節(jié)點部署完后，每個節(jié)點都會發(fā)送一個PⅠNG消息，在其傳輸半徑內(nèi)的鄰居節(jié)點都會收到它。接收到消息的節(jié)點都會回復(fù)一個ACK消息，并且每個節(jié)點都會把它的鄰居節(jié)點信息保存下來［7］。鄰居節(jié)點的數(shù)量將成為判斷節(jié)點是否能成為根節(jié)點的依據(jù)。在一個節(jié)點分布密集的傳感網(wǎng)中，這些根節(jié)點很顯然會位于網(wǎng)絡(luò)拓撲的邊界處。

有一點必須要注意的是，被選出的任何兩個根節(jié)點不能位于彼此的通信半徑之內(nèi)。這樣是為了避免造成對瓶頸節(jié)點錯誤的探測。

每個節(jié)點將其鄰居節(jié)點的數(shù)量發(fā)送給它的每一個鄰居節(jié)點，這樣每個節(jié)點就能知道它自己和每個鄰居節(jié)點的鄰居節(jié)點數(shù)。只有一個鄰居節(jié)點的節(jié)點將被判別為根節(jié)點。被選出來的根節(jié)點會發(fā)送泛洪數(shù)據(jù)包給其鄰居節(jié)點，然后每個鄰居節(jié)點會依次向更遠處轉(zhuǎn)發(fā)收到的泛洪消息［8］。如果所有的節(jié)點都有多個鄰居，這樣將沒有根節(jié)點。一旦超時，并且沒有收到泛洪消息，每個節(jié)點會重置它的發(fā)送定時器，并且增大用來作為根節(jié)點判斷依據(jù)的鄰居節(jié)點數(shù)這一閾值。

值得注意的是，為了能更好地估算出鄰居節(jié)點數(shù)，節(jié)點的通信半徑須取其最大可能值。這樣選出來的根節(jié)點位于網(wǎng)絡(luò)邊界的幾率最大。

（2）探測關(guān)鍵節(jié)點

假設(shè)整個網(wǎng)絡(luò)拓撲中有n個根節(jié)點，這些等級為0的節(jié)點開始發(fā)送泛洪消息，收到從0等級節(jié)點發(fā)送來的泛洪請求的鄰居節(jié)點會將它們自身等級標記為1，并向遠處傳播泛洪消息。其后依次進行。n個根節(jié)點就會在網(wǎng)絡(luò)中傳播n種不同的泛洪消息。每個節(jié)點會繼續(xù)轉(zhuǎn)發(fā)收到的泛洪消息，只要這個消息能使當(dāng)前節(jié)點等級更高，否則，就丟棄這個消息［9］。

如果節(jié)點能同時收到兩個不同根節(jié)點發(fā)送來的消息，這個節(jié)點就是關(guān)鍵節(jié)點。如果這個關(guān)鍵節(jié)點或其子節(jié)點又收到另一根節(jié)點發(fā)送來的消息，那么它將比先前的關(guān)鍵節(jié)點更關(guān)鍵，因為這個節(jié)點連接著3個根節(jié)點。依此類推，節(jié)點的關(guān)鍵度取決于其所收到的不同泛洪消息的數(shù)量。這樣，在進行實際的數(shù)據(jù)傳輸之前，每個節(jié)點就能知道它的關(guān)鍵度。對于這一步，需選取最適宜的通信半徑來節(jié)省節(jié)點能量，并且不能有孤立節(jié)點存在。

3 性能分析與仿真

本節(jié)通過Matlab仿真說明網(wǎng)絡(luò)中瓶頸節(jié)點所占的比例，并將其歸類，最高類的瓶頸節(jié)點最關(guān)鍵。

仿真平臺采用Matlab。仿真時，假設(shè)160個節(jié)點隨機分布在一塊1 000m×1 000m的區(qū)域內(nèi)，每個節(jié)點的傳輸半徑為185m，初始等級為無窮大，并用ⅠD號標識。選擇出的根節(jié)點分別位于方形區(qū)域的各個角落。

在任一拓撲網(wǎng)絡(luò)［10］中，感知數(shù)據(jù)的傳輸大多數(shù)時間都會穿越整個網(wǎng)絡(luò)，這樣可利于各節(jié)點關(guān)鍵度的探測，并通過采取合適的路由策略來延長網(wǎng)絡(luò)的生存期。每個根節(jié)點的關(guān)鍵度等級設(shè)為0，它們在網(wǎng)絡(luò)中廣播帶ⅠD編號的泛洪消息，其收到消息的鄰居節(jié)點的等級將被指派為1。當(dāng)節(jié)點能收到兩個不同消息時，它就屬于第1類瓶頸節(jié)點，并且其所有子節(jié)點也將是瓶頸節(jié)點，因為它們必須通過父節(jié)點才能與各根節(jié)點相連。如果任何一個第1類瓶頸節(jié)點又收到來自第3個根節(jié)點的消息，那么它和它所有的子節(jié)點將屬于第2類瓶頸節(jié)點。這里的子節(jié)點是指所有與其相連而未收到任何根節(jié)點消息的節(jié)點。如果有n個根節(jié)點，則最多有（n－1）類瓶頸節(jié)點，第（n－1）類最關(guān)鍵，因為它們與n個根節(jié)點都存在通路，可能承擔(dān)整個網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)工作。

表1列出了任一拓撲網(wǎng)絡(luò)中各類瓶頸節(jié)點的百分比。此仿真中，選取了4個根節(jié)點，所以總共有3類瓶頸節(jié)點，其中第3類最關(guān)鍵。

表1 瓶頸節(jié)點的百分比

圖4中黑色圓點表示隨機部署在網(wǎng)絡(luò)中的傳感器節(jié)點。圖5表示根節(jié)點的選取，其中用矩形圈住的圓點為根節(jié)點。在圖6中，被矩形圈住的星狀點為第1類瓶頸節(jié)點，被三角形圈住的星狀點為第2類瓶頸節(jié)點，被圓形圈住的星狀點為最關(guān)鍵的第3類瓶頸節(jié)點。

圖4 傳感器節(jié)點的部署

圖5 選取根節(jié)點

圖6 瓶頸節(jié)點的探測

4 結(jié) 論

本文提出了一種傳感網(wǎng)中瓶頸節(jié)點的局部探測算法，并對其關(guān)鍵性進行量化。理論分析與仿真實驗表明，此算法對網(wǎng)絡(luò)中關(guān)鍵節(jié)點檢測的準確度較高，在每個節(jié)點進行實際的數(shù)據(jù)傳輸之前，就能知道它的關(guān)鍵度，從而減少關(guān)鍵節(jié)點的能量消耗，延長網(wǎng)絡(luò)的生存期，提高整個網(wǎng)絡(luò)的連通性和覆蓋率［11］，節(jié)省網(wǎng)絡(luò)維護的成本。

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