一種路點(diǎn)受限的移動傳感器網(wǎng)絡(luò)移動模型

李曉凱， 呂宏偉

(武警工程大學(xué),陜西 西安 710086)

設(shè)計與制造

一種路點(diǎn)受限的移動傳感器網(wǎng)絡(luò)移動模型

李曉凱， 呂宏偉

(武警工程大學(xué),陜西 西安 710086)

提出了一種基于隨機(jī)路點(diǎn)移動模型的路點(diǎn)受限移動模型。在模型設(shè)計中，對節(jié)點(diǎn)的路點(diǎn)選擇和暫停時間進(jìn)行了設(shè)置，從而保持節(jié)點(diǎn)移動的規(guī)律性，滿足特定場景的需要。利用仿真工具模擬模型的節(jié)點(diǎn)移動軌跡與其它移動模型進(jìn)行比較，并從路由協(xié)議方面進(jìn)行評估。仿真結(jié)果證明:該模型對集體搜索等特定場景具有較好的適用性。

移動傳感器網(wǎng)絡(luò)； 移動模型； 路點(diǎn)受限； 模型仿真

0 引 言

隨著移動通信技術(shù)的發(fā)展，各種便攜式的終端和底層通信技術(shù)的涌現(xiàn)，極大地推進(jìn)了移動傳感器網(wǎng)絡(luò)(mobile sensor networks,MSNs)的應(yīng)用和推廣[1]。移動傳感器網(wǎng)絡(luò)是一種新型的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，不同于傳統(tǒng)靜止的傳感器網(wǎng)絡(luò)，其節(jié)點(diǎn)是移動的。隨著近些年的發(fā)展，已成為無線網(wǎng)絡(luò)的研究熱點(diǎn)之一[2]。

由于現(xiàn)實場景中大規(guī)模部署真實的移動傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)性能研究比較困難，而仿真的研究方式相對具有很多優(yōu)點(diǎn)，所以，仿真研究是目前移動傳感器網(wǎng)絡(luò)相關(guān)研究的主要方式。移動傳感器網(wǎng)絡(luò)性能進(jìn)行仿真分析時，選擇一種與實際情況相符合的、能夠真實描述節(jié)點(diǎn)移動方式的模型非常重要，它直接影響到能否正確評價各層技術(shù)方案對動態(tài)拓?fù)涞倪m應(yīng)性[3]。

目前，已有研究者提出了很多移動模型，包括隨機(jī)合成移動模型、群組移動模型以及針對特定場景提出的移動模型。其中，最常用的模型是基于個體的隨機(jī)移動性，最簡單的就是隨機(jī)行走移動模型，它代表著隨機(jī)移動的系統(tǒng)[4]。在此基礎(chǔ)上又提出了一種改進(jìn)的隨機(jī)路點(diǎn)移動模型[5]，在移動速度和方向之間加入了一個停留時間,允許不同的速度和臨時性穩(wěn)定節(jié)點(diǎn)，使其在仿真軟件中廣泛應(yīng)用。

本文基于隨機(jī)路點(diǎn)移動模型，提出了一種路點(diǎn)受限移動傳感器網(wǎng)絡(luò)移動模型來滿足特定場景的需要。

1 隨機(jī)路點(diǎn)移動模型

隨機(jī)路點(diǎn)移動(random waypoint model，RWP)模型由Johnson D和Maltz D于1996年首次提出[6]。在該模型中節(jié)點(diǎn)從初始位置以一個恒定的速率向目標(biāo)勻速運(yùn)動，到達(dá)目標(biāo)位置后節(jié)點(diǎn)暫停一段時間，然后繼續(xù)下一個周期，其中節(jié)點(diǎn)的速率v在一個范圍中變化,即v∈[vmax,vmin]，節(jié)點(diǎn)的停留時間為t，t∈[tmin,tmax]。在RWP模型中，通過控制vmax和t的大小來控制網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓膭×页潭?，?dāng)vmax較大而t較小則節(jié)點(diǎn)運(yùn)動劇烈，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓^快；當(dāng)vmax較小而t較大則節(jié)點(diǎn)運(yùn)動速率小停留時間長，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓^慢。RWP模型的運(yùn)動軌跡如圖1所示。

圖1 RWP模型運(yùn)動軌跡圖Fig 1 Movement trajectory diagram of RWP model

然而，在很多情況下節(jié)點(diǎn)的暫停不是隨機(jī)而是有限制的。例如:在很多軍事行動中的大規(guī)模搜索，為保持搜索的徹底性必須保持搜索隊形的完整性，節(jié)點(diǎn)的速度和方向同樣受到限制，如圖2。

圖2 搜索示意圖Fig 2 Illustration diagram of search

基于此類場景的特點(diǎn)，本文提出帶有速度和方向限制的受限路點(diǎn)(limited waypoint with speed and direction limit，LWPSDL)移動模型。

2 LWPSDL移動模型

2.1 模型描述

通過上面背景的簡單分析，得出LWPSDL模型節(jié)點(diǎn)移動有以下規(guī)律：

1)隊形始終保持“一”字隊形，即人員間距相等；

2)搜索過程穩(wěn)步推進(jìn)，即有速度的限制；

3)人員按照固定的路線進(jìn)行移動，即有方向的限制；

4)行進(jìn)過程中保持驅(qū)散過程隊形完整，即暫停時間相同。

根據(jù)以上特性，模型節(jié)點(diǎn)具體移動過程如下：

1)節(jié)點(diǎn)從出發(fā)點(diǎn)開始，按照限定的方向向統(tǒng)一的路點(diǎn)移動，該路點(diǎn)橫坐標(biāo)位置由用戶決定；

2)在[vmin,vmax]隨機(jī)選擇一個速度勻速運(yùn)動到所選擇的路點(diǎn)；

3)到達(dá)目標(biāo)位置后停留T秒；

4)重復(fù)以上步驟，直到到達(dá)邊界停止。

2.2 節(jié)點(diǎn)移動仿真

模型仿真模擬參數(shù)設(shè)置如表1所示，模擬結(jié)果如圖3所示。

表1 LWPSDL模型仿真模擬參數(shù)Tab 1 Parameters of LWPSDL model simulation

圖3 LWPSDL模型節(jié)點(diǎn)移動軌跡Fig 3 Trajectory of nodes movements by LWPSDL model

從圖3中可以看出，仿真開始時，節(jié)點(diǎn)在x=0 m處一字排開；經(jīng)過一段時間運(yùn)動，節(jié)點(diǎn)在指定的位置x=400 m處暫停，同時保持隊形的完整性；仿真結(jié)束時，所有節(jié)點(diǎn)在x=1 000 m處靜止。仿真結(jié)果證明:模型節(jié)點(diǎn)移動軌跡符合場景描述情景。

3 仿真分析

為了衡量和判斷移動模型對路由協(xié)議性能的影響，需要通過定性和定量的評估指標(biāo)來度量。本文選擇了平均消息傳遞率、平均傳輸延遲和平均跳數(shù)三種定量指標(biāo)來對仿真結(jié)果進(jìn)行分析，這些指標(biāo)能夠比較全面地反映Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的不同特性。限于時間和篇幅的限制，在本節(jié)的模擬測試中，選擇AODV這種經(jīng)典的協(xié)議進(jìn)行評測。

首先對LWPSDL模型和RWP模型的節(jié)點(diǎn)平均消息傳遞率進(jìn)行對比分析，如圖4。

圖4 平均消息傳遞率Fig 4 Average message delivery rate

從圖4中可以看出:在節(jié)點(diǎn)數(shù)為20，數(shù)據(jù)產(chǎn)生率為100%的條件下，LWPSDL模型整體上的消息傳遞率要略高于RWP，說明在1～8 m/s范圍內(nèi)消息分組丟失率較低。

對LWPSDL模型和RWP模型的平均傳輸延遲進(jìn)行對比分析，如圖5。

圖5 平均傳輸延遲Fig 5 Average transmission delay

從圖5中可以看出:隨著速度的增大，兩者的平均傳輸延遲亦增大，但LWPSDL模型的平均傳輸延遲較RWP模型在相同速度下略低，網(wǎng)絡(luò)連通性更好。

對LWPSDL模型和RWP模型的平均跳數(shù)進(jìn)行對比分析，如圖6。

圖6 平均跳數(shù)Fig 6 Average hop number

從圖6中可以看出:剛開始LWPSDL模型比RWP模型的平均跳數(shù)略高，說明在較低速度條件下RWP模型節(jié)點(diǎn)在不同方向移動后，數(shù)據(jù)分組從源節(jié)點(diǎn)發(fā)送到目的節(jié)點(diǎn)所經(jīng)

跳數(shù)之和較少；但隨著速度的增加，RWP模型節(jié)點(diǎn)不同方向移動距離之和增大，而LWPSDL模型節(jié)點(diǎn)維持隊形不變，所以,LWPSDL模型數(shù)據(jù)分組從源節(jié)點(diǎn)發(fā)送到目的節(jié)點(diǎn)所經(jīng)跳數(shù)之和較RWP模型較小，平均跳數(shù)變少。

4 結(jié)束語

本文基于隨機(jī)路點(diǎn)移動模型提出了一種路點(diǎn)受限的移動模型，模型中移動節(jié)點(diǎn)的移動性會受到一些條件的限制而在同一位置集體暫停。通過仿真實驗可以看出:LWPSDL模型節(jié)點(diǎn)移動軌跡比較接近于真實場景情況。選擇了AODV協(xié)議進(jìn)行比較LWPSDL移動模型與經(jīng)典的RWP移動模型對路由協(xié)議性能的影響，結(jié)果證明:LWPSDL移動模型具有良好的適用性。

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[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

李曉凱(1989-)，男，山東安丘人，碩士研究生，主要研究方向為軍事信息學(xué)。