基于混合基站策略的傳感器網(wǎng)絡(luò)移動(dòng)數(shù)據(jù)收集算法

劉 逵，劉三陽(yáng)

（1.河南師范大學(xué) 數(shù)學(xué)與信息科學(xué)學(xué)院，河南 新鄉(xiāng)453002；2.西安電子科技大學(xué) 數(shù)學(xué)與統(tǒng)計(jì)學(xué)院，西安710071）

0 引 言

由于傳感器節(jié)點(diǎn)的工作環(huán)境通常比較惡劣，因此替換節(jié)點(diǎn)的電池或?qū)﹄姵剡M(jìn)行充電都十分困難，所以如何有效利用節(jié)點(diǎn)的有限能量［1－3］，從而最大化地延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)壽命就變得至關(guān)重要。在監(jiān)控區(qū)域中部署移動(dòng)基站［4－7］來(lái)收集數(shù)據(jù)信息是延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)壽命的一個(gè)重要手段。這是因?yàn)橐苿?dòng)基站通過(guò)在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)部巡回移動(dòng)，可避免近基站節(jié)點(diǎn)的過(guò)早死亡而引發(fā)的路由空洞問(wèn)題，同時(shí)在監(jiān)測(cè)區(qū)域中引入移動(dòng)基站還可以有效減小網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)的傳輸距離，進(jìn)而減少網(wǎng)絡(luò)的通信能耗。目前在移動(dòng)基站方面的研究已有許多成果，如文獻(xiàn)［8］提出的Data Mules策略就是基于移動(dòng)基站思想設(shè)計(jì)的。Data Mules策略是將基站固定在人或動(dòng)物等移動(dòng)載體上，然后采用隨機(jī)行走的方式在監(jiān)控區(qū)域內(nèi)移動(dòng)并就近收集節(jié)點(diǎn)采集到的數(shù)據(jù)信息，但由于移動(dòng)載體是無(wú)序運(yùn)動(dòng)的，從而造成網(wǎng)絡(luò)的通信延遲過(guò)大。文獻(xiàn)［9］提出了一種沿固定軌跡周期運(yùn)行的基站移動(dòng)策略。這種沿固定軌跡周期運(yùn)行機(jī)制可以幫助網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控者收集到監(jiān)控盲區(qū)內(nèi)的數(shù)據(jù)信息，但卻無(wú)法保證信息的適時(shí)性。

針對(duì)移動(dòng)基站在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中存在的弊端，本文提出了一種混合基站策略的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)收集算法。該方法有效解決了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)能耗不均衡及通信延遲過(guò)大的問(wèn)題，進(jìn)而達(dá)到了延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)壽命、保證采集數(shù)據(jù)適時(shí)性的目標(biāo)。同時(shí)本文所提算法還采用了一種中途數(shù)據(jù)攔截策略，這種策略可以有效減少網(wǎng)絡(luò)內(nèi)中轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)的傳輸距離，從而提高數(shù)據(jù)在傳輸過(guò)程中的安全性。

1 網(wǎng)絡(luò)模型

網(wǎng)絡(luò)部署在一個(gè)正方形監(jiān)控區(qū)域內(nèi)，區(qū)域內(nèi)各節(jié)點(diǎn)均被分配一個(gè)ID 號(hào)，節(jié)點(diǎn)利用無(wú)線通信裝置與其一跳通信范圍內(nèi)的鄰居節(jié)點(diǎn)進(jìn)行局部信息傳輸，然后以多跳中繼的方式將數(shù)據(jù)傳輸給基站。網(wǎng)絡(luò)中配備了兩個(gè)基站（一個(gè)移動(dòng)基站和一個(gè)固定基站），固定基站被網(wǎng)絡(luò)操控者固定在監(jiān)控區(qū)域的邊界，充當(dāng)網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)匯聚門戶；移動(dòng)基站被固定在一個(gè)自動(dòng)移動(dòng)裝置上，充當(dāng)網(wǎng)絡(luò)的移動(dòng)數(shù)據(jù)收集者。同時(shí)移動(dòng)裝置上配備有定位裝置，可供移動(dòng)基站適時(shí)了解自己的位置信息，然后根據(jù)監(jiān)控區(qū)域的邊界自動(dòng)修正運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。在基站的軟硬件配置方面，移動(dòng)基站和固定基站一樣，擁有相同的存儲(chǔ)、計(jì)算和通信能力。

本文中假定移動(dòng)基站采用隨機(jī)行走的移動(dòng)策略，并用函數(shù)Mr來(lái)描述移動(dòng)基站的移動(dòng)狀態(tài)。移動(dòng)基站每次轉(zhuǎn)移之前，函數(shù)Mr首先采用隨機(jī)數(shù)生成法在區(qū)間［－π，π］內(nèi)生成一個(gè)角γ，并將這個(gè)角定義為移動(dòng)基站下一時(shí)刻的移動(dòng)方向。移動(dòng)基站的運(yùn)動(dòng)速度始終保持恒定，同時(shí)為了確定移動(dòng)基站將來(lái)的位置，函數(shù)Mr將在區(qū)間［dmin，dmax］內(nèi)隨機(jī)選取一個(gè)數(shù)作為移動(dòng)基站在方向γ上的移動(dòng)距離。如果移動(dòng)基站的新位置落在了監(jiān)測(cè)區(qū)域以外，則函數(shù)Mr將促使移動(dòng)基站沿原路后退，直至退到監(jiān)測(cè)區(qū)域的邊界。移動(dòng)基站每到一個(gè)位置，就開始利用局部查詢信息構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)的以移動(dòng)基站為根的有限衍生樹，如圖1所示，該有限衍生樹的層數(shù)由局部查詢信息的挖掘深度唯一決定。

圖1 以移動(dòng)基站為根的有限衍生樹Fig.1 Limited propagation tree with the mobile sink as root

節(jié)點(diǎn)的能耗模型采用文獻(xiàn)［10］中的模型，同時(shí)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)各節(jié)點(diǎn)均要建立并維護(hù)一張鄰居信息表并存儲(chǔ)如下信息：節(jié)點(diǎn)本身及其鄰居節(jié)點(diǎn)的ID號(hào)；節(jié)點(diǎn)本身及其鄰居節(jié)點(diǎn)的剩余能量信息；節(jié)點(diǎn)本身及其鄰居節(jié)點(diǎn)的地理位置信息；節(jié)點(diǎn)到達(dá)固定基站的最優(yōu)路由信息，包括該路徑從固定基站出發(fā)依次途經(jīng)各節(jié)點(diǎn)的ID 號(hào)字符串seqn1和該路徑的最優(yōu)路徑度D；節(jié)點(diǎn)到達(dá)移動(dòng)基站的最優(yōu)路由信息，包括該路徑從移動(dòng)基站出發(fā)依次途經(jīng)各節(jié)點(diǎn)的ID 號(hào)字符串seqn2、該路徑的最優(yōu)路徑度Dc和其最后更新時(shí)刻tu。

本文采用文獻(xiàn)［11］中的最優(yōu)路徑評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)側(cè)重考慮了網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點(diǎn)的負(fù)載均衡性，防止過(guò)度使用某些關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)而導(dǎo)致其過(guò)早壞死，進(jìn)而引起網(wǎng)絡(luò)割裂。標(biāo)準(zhǔn)如下：

式中：λ1、λ2、λ3均為非負(fù)偏向參數(shù)，通過(guò)對(duì)其調(diào)控來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)各變量的偏向程度調(diào)整；σ 為路徑上各節(jié)點(diǎn)剩余能量的標(biāo)準(zhǔn)差；E1為路徑上的能量總消耗；E2為路徑上節(jié)點(diǎn)的平均剩余能量；E3為路徑上節(jié)點(diǎn)中的最小剩余能量。

2 混合基站策略的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)收集算法

本文設(shè)計(jì)一種混合基站策略的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)收集方法，該策略在網(wǎng)絡(luò)中布置了兩種不同類型的基站。其中固定基站充當(dāng)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的匯聚門戶，移動(dòng)基站作為網(wǎng)絡(luò)的移動(dòng)數(shù)據(jù)收集者。移動(dòng)基站每到達(dá)一個(gè)新位置，即采用查詢信息來(lái)構(gòu)建局部數(shù)據(jù)采集最小路徑樹，該樹的大小由查詢信息的網(wǎng)絡(luò)挖掘深度唯一決定。實(shí)踐表明［12］，局部查詢信息的挖掘深度設(shè)定為網(wǎng)絡(luò)最優(yōu)路徑平均跳數(shù)的三分之一時(shí)，取得的效果最為顯著。局部數(shù)據(jù)采集最小路徑樹上的節(jié)點(diǎn)，如有信息需要發(fā)送，則立刻沿著該樹將信息發(fā)送給移動(dòng)基站，同時(shí)樹上節(jié)點(diǎn)均開始倒計(jì)時(shí)，當(dāng)?shù)竭_(dá)事先設(shè)定的時(shí)間閾值時(shí)，該樹失效。網(wǎng)絡(luò)中不在局部數(shù)據(jù)采集最小路徑樹上的節(jié)點(diǎn)如有數(shù)據(jù)需要傳輸，則將沿著該節(jié)點(diǎn)路由列表中存儲(chǔ)的到固定基站的最優(yōu)路徑逐級(jí)傳輸給固定基站。如果途經(jīng)節(jié)點(diǎn)在局部數(shù)據(jù)采集最小路徑樹上，則途經(jīng)節(jié)點(diǎn)會(huì)對(duì)中轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行攔截，即將接收到的數(shù)據(jù)按其路由列表中存儲(chǔ)的到移動(dòng)基站的路由進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，進(jìn)而縮短網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的傳輸距離，提高網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)的安全性和適時(shí)性。

2.1 路由初始化

固定基站周期性地向網(wǎng)絡(luò)中發(fā)布查詢信息進(jìn)行路由初始化。查詢信息攜帶有記錄途經(jīng)各節(jié)點(diǎn)ID 號(hào)的字符串seqn、途經(jīng)各節(jié)點(diǎn)的平均剩余能量和途經(jīng)路由的最優(yōu)度D1。路由初始化時(shí)刻，固定基站不停向網(wǎng)絡(luò)里廣播查詢信息。當(dāng)節(jié)點(diǎn)收到查詢信息后，節(jié)點(diǎn)將會(huì)利用從查詢信息中釋放出的數(shù)據(jù)及其自身鄰居表中存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)計(jì)算該查詢信息到達(dá)此節(jié)點(diǎn)所經(jīng)路徑的最優(yōu)路徑度D1，并將D1與自身鄰居表中存儲(chǔ)的Ds（Ds的初始值為∞）進(jìn)行比較，進(jìn)而決定是否更新鄰居列表中存儲(chǔ)的到固定基站的路由信息，路由初始化的偽代碼如下：

A＝［］；%記錄查詢信標(biāo)途經(jīng)節(jié)點(diǎn)剩余能量的矩陣

seqn＝［］；%記錄查詢信標(biāo)途經(jīng)節(jié)點(diǎn)ID 號(hào)的字符串

E1；%查詢信標(biāo)途經(jīng)路由的總能耗

Eij；%節(jié)點(diǎn)i和節(jié)點(diǎn)j之間的通信能耗

e1；%節(jié)點(diǎn)i的剩余能量

Algorithm 1

／＊node i receive a setup beacon message come from the node j＊／

2 updates the information contain by this setup beacon message

3 A＝［A，ei］；seqn＝［seqn，IDi］；E1＝E1＋Eij；E3＝min（A1，A2，…，Astze（A））；

4 E2＝sum（A1，A2，…，Astze（A））／size（A）；

5 σ＝sqrt（（A1－E2）＾2＋（A2－E2）＾2＋，…，＋（Astze（A）－E2）＾2）

6 D1＝sqrt（λ1＊σ＾2＋（λ2＊E1／λ3＊E2＋λ4＊E3）＾2）；

7 if（D1＜D5）

8 node i will update its route optimal level by assigning D5＝D1；

9 node i will update the old seqn1by assigning seqn1＝seqn；

10 node i will broadcast this setup beacon message to its neighbors；

11 else if（D1＝D5）

12 node i compare size（seqn1）with size（seqn）

13 if（size（seqn1）＞size（seqn））

14 node i will update the old seqn1 by assigning seqn1＝seqn；

15 node i will broadcast this setup beacon message to its neighbors；

16 else

17 node i drops this beacon message packet；

18 end

19 else

20 node i drops this beacon message packer；

21 end

22 end

如果D1＜Ds，那么接收節(jié)點(diǎn)將開始更新其存儲(chǔ)的到固定基站的路由信息：首先更新最優(yōu)路徑度，將D1賦值給Ds；其次更新記錄的最優(yōu)路徑，將字符串seqn賦值給seqn1。結(jié)束后，接收節(jié)點(diǎn)開始更新查詢信息中存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)：首先將其ID 號(hào)存儲(chǔ)到字符串seqn尾端第一個(gè)空格中，然后將其剩余能量信息也加入到該查詢信標(biāo)中，最后按能耗公式計(jì)算并更新查詢信標(biāo)中存儲(chǔ)的由字符串seqn記錄的路由總能耗。接收節(jié)點(diǎn)更新完查詢信息后，即向其鄰居節(jié)點(diǎn)廣播該查詢信息。

如果D1＝Ds，那么該接收節(jié)點(diǎn)首先從查詢信息中提取出字符串seqn，然后比較其鄰居表中存儲(chǔ)的字符串seqn1與字符串seqn的長(zhǎng)度。如果字符串seqn的長(zhǎng)度大于字符串seqn1的長(zhǎng)度，那么接收節(jié)點(diǎn)丟棄該查詢信息；否則，接收節(jié)點(diǎn)將首先更新其存儲(chǔ)在鄰居表中的最優(yōu)路徑信息，將字符串seqn賦值給seqn1。然后更新查詢信息，并向其鄰居節(jié)點(diǎn)廣播該查詢信息。

如果D1＞Ds，接收節(jié)點(diǎn)丟棄這個(gè)查詢信息。初始化結(jié)束之后，網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點(diǎn)均形成并各自維護(hù)一張存儲(chǔ)有到固定基站最優(yōu)路徑信息的鄰居表。

2.2 構(gòu)建局部數(shù)據(jù)采集最小路徑樹

移動(dòng)基站每到達(dá)一個(gè)新位置就開始廣播查詢信標(biāo)來(lái)構(gòu)造新的最小路徑樹。查詢信標(biāo)中攜帶有如下信息：移動(dòng)基站的有效停留時(shí)間tthres、查詢信標(biāo)的剩余轉(zhuǎn)發(fā)次數(shù)ttl、記錄途經(jīng)各節(jié)點(diǎn)ID 號(hào)的字符串seqn0、途經(jīng)各節(jié)點(diǎn)的平均剩余能量和所經(jīng)路徑的最優(yōu)度D2。網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點(diǎn)均保存有其到移動(dòng)基站的最優(yōu)路徑度Dc，Dc的初始值為∞，同時(shí)設(shè)置一個(gè)時(shí)間戳tu來(lái)記錄Dc的上次更新時(shí)刻。當(dāng)節(jié)點(diǎn)在時(shí)刻tb接收到查詢信標(biāo)，則節(jié)點(diǎn)將利用其鄰居表中存儲(chǔ)的信息和從查詢信標(biāo)中釋放出的信息來(lái)計(jì)算該查詢信標(biāo)所經(jīng)路由的路徑度D2，然后決定是否更新其到移動(dòng)基站的路由信息。構(gòu)建最小路徑樹算法的偽代碼如下：

tb：% 查詢信標(biāo)被接收時(shí)的時(shí)刻

ttl：% 時(shí)間戳

tthres：% 局部衍生樹有效壽命

Algorithm2

／＊node i receive a beacon message come from the node j＊／

1 if a beacon message is received by node i

2 updates the information contain by this setup beacon message

3 A＝［A，ei］；seqn0＝［seqn0，IDi］；E3＝min（A1，A2，…，Asize（A））；

4 E1＝E1＋Eij；E2＝sum（A1，A2，…，Asize（A））／size（A）；

5 σ＝sqrt（（A1－E2）＾2＋（A2－E2）＾2＋，…，＋（Asize－E2）＾2；

6 D2＝sqrt（λ1＊σ＾2＋（λ2＊E1／λ3＊E2＋λ4＊E3）＾2）；

7 if（D2＜Dc）

8 node i will update its route optimal level by assigning Dc＝D2；

9 node i will update the old seqn2by assigning seqn2＝seqn0；

10 node i will assign tu＝ib and assign ttl＝ttl－1；

11 if（ttl＞0）

12 node i broadcasis this beacon message to its neighbors；

13 else

14 node i drops this beacon message packet；

15 end

16 else if（D2≥Dcand tb＞tb＋tthres）

17 node i will update its route optimal level by assigning Dc＝D2；

18 node i will update the old seqn2by assigning seqn2＝seqn0；

19 node i will assign tu＝ib and assign ttl＝ttl－1；

20 if（ttl＞0）

21 node i broadcasis this beacon message to its neighbors；

22 else

23 node i drops this beacon message packet；

24 end

25 else

26 node i drops this beacon message packer；

27 end

28 end

如果D2＜Dc，則接收節(jié)點(diǎn)將首先更新其到移動(dòng)基站的最優(yōu)路徑信息：將D2賦值給Dc、將tb賦值給時(shí)間戳tu、將字符串seqn0賦值給seqn2；然后按如下規(guī)則更新查詢信標(biāo)中存儲(chǔ)的信息：將其ID號(hào)存儲(chǔ)在字符串seqn0尾端第一個(gè)空格中；將剩余能量信息相應(yīng)加入到該查詢信標(biāo)中；計(jì)算并更新查詢信標(biāo)中存儲(chǔ)的由字符串seqn0記錄的路由總能耗；按公式解ttl＝ttl－1修正查詢信標(biāo)的剩余轉(zhuǎn)發(fā)次數(shù)。如果修正后的ttl值大于零，則接收節(jié)點(diǎn)向其鄰居節(jié)點(diǎn)廣播該查詢信標(biāo)；否則接收節(jié)點(diǎn)丟棄此查詢信標(biāo)。

如果D2≥Dc且tb＞tu＋tthres，則接收節(jié)點(diǎn)首先開始更新其到移動(dòng)基站的最優(yōu)路徑信息：將D2賦值給Dc，將tb賦值給時(shí)間戳tu，將字符串seqn0賦值給seqn2；然后接收節(jié)點(diǎn)更新查詢信標(biāo)，并借助剩余轉(zhuǎn)發(fā)次數(shù)ttl來(lái)判斷是否轉(zhuǎn)發(fā)該查詢信標(biāo)。

如果D2≥Dc且tb≤tu＋tthres，則接收節(jié)點(diǎn)丟棄此查詢信標(biāo)。查詢過(guò)程結(jié)束時(shí)形成一個(gè)由移動(dòng)基站為根的局部數(shù)據(jù)采集最小路徑樹，局部數(shù)據(jù)采集最小路徑樹的大小由網(wǎng)絡(luò)操控者事先設(shè)定好的查詢信標(biāo)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)ttl確定。

2.3 網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)收集過(guò)程

網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點(diǎn)均保存著其到達(dá)不同基站的最優(yōu)路徑信息，當(dāng)節(jié)點(diǎn)有數(shù)據(jù)需要傳輸給基站時(shí)，節(jié)點(diǎn)首先要判斷當(dāng)前是否存在通往移動(dòng)基站的有效路由。例如網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)A 有數(shù)據(jù)需要傳輸給基站時(shí)，節(jié)點(diǎn)A 首先需要核查其鄰居表中存儲(chǔ)的信息來(lái)判斷是否存在有通往移動(dòng)基站的有效路由。如果A 鄰居表中存儲(chǔ)的到移動(dòng)基站的最優(yōu)路徑度Dc≤∞且tb＜tu＋tthres，則說(shuō)明此刻節(jié)點(diǎn)A 在以移動(dòng)基站為根的局部數(shù)據(jù)采集最小路徑樹上，因此節(jié)點(diǎn)A 將沿著其鄰居表中存儲(chǔ)的到移動(dòng)基站的最優(yōu)路徑把數(shù)據(jù)逐級(jí)傳輸給移動(dòng)基站。如果節(jié)點(diǎn)A 鄰居表中存儲(chǔ)的到移動(dòng)基站的最優(yōu)路徑度Dc＝∞或Dc≤∞，但tb＞tu＋tthres，則說(shuō)明此刻節(jié)點(diǎn)A 沒(méi)有通往移動(dòng)基站的有效路徑。因此節(jié)點(diǎn)A 需要沿著其存儲(chǔ)的到固定基站的最優(yōu)路徑將數(shù)據(jù)逐級(jí)傳輸給固定基站。數(shù)據(jù)傳輸途中，如果途經(jīng)節(jié)點(diǎn)處在以移動(dòng)基站為根的網(wǎng)絡(luò)局部數(shù)據(jù)采集最小路徑樹上，則該途經(jīng)節(jié)點(diǎn)將會(huì)對(duì)傳輸過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行攔截，并將攔截到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給移動(dòng)基站。借助這種策略可將途經(jīng)局部數(shù)據(jù)采集最小路徑樹上節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行有效攔截，進(jìn)而減少網(wǎng)絡(luò)的通信延遲和近基站節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)量。數(shù)據(jù)收集算法的偽代碼如下：

t；%

tu；%

Algorithm 3

1 star＝false

2 while star＝false

3 the node whick has data packets to relay to the sinks extract the local

4 information like Dctu，ttherstored by itself；

5 if（Dc＜∞＆t＜tu＋tther）

6 this node will relay data packets to the mobile sink along the route

7 recording by seqn2 whick is stored by itself；

8 star＝true

9 else

10 this node will relay data packers to its father neighbor node

11 along the route recording by seqn1which is stored by itself

12 if the ID of node that received data packets is same as the static sink

13 star＝true；

14 end

15 end

16 end

3 仿真實(shí)驗(yàn)

將本文提出的混合基站數(shù)據(jù)收集算法（MDCA）與文獻(xiàn)［9］提出的混合基站數(shù)據(jù)收集算法（MSSM）、文獻(xiàn)［11］提出的移動(dòng)代理聯(lián)合優(yōu)化路由算法（MACORA）以及文獻(xiàn)［12］提出的基于遺傳算法的移動(dòng)基站算法（GA）進(jìn)行了仿真對(duì)比。在仿真實(shí)驗(yàn)中，選擇節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)包的產(chǎn)生速率為變量。這是因?yàn)楣?jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)包的產(chǎn)生速率越高，其對(duì)應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)負(fù)載也就越大。網(wǎng)絡(luò)負(fù)載的高低直接影響數(shù)據(jù)包的通信延遲和傳輸成功率兩個(gè)指標(biāo)。網(wǎng)絡(luò)負(fù)載越大，對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)包的平均通信延遲就越大，同時(shí)對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)包的傳輸成功率也就越低。在實(shí)驗(yàn)中，對(duì)不同算法取得的性能指標(biāo)值進(jìn)行了依次比較，所有對(duì)比數(shù)據(jù)都是經(jīng)過(guò)50次仿真實(shí)驗(yàn)后求平均值獲得的。仿真實(shí)驗(yàn)借助NS－2 軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)中的主要參數(shù)設(shè)置如下：實(shí)驗(yàn)區(qū)域是一個(gè)900m×900m 的正方形區(qū)域，該區(qū)域內(nèi)隨機(jī)分布了250個(gè)節(jié)點(diǎn)；網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)的通信半徑設(shè)定為R＝60m，并設(shè)定移動(dòng)基站的速度在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中始終保持5 m／s；網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)的初始能量為7J；假定每個(gè)數(shù)據(jù)包為400bytes、查詢信息包為20bytes；實(shí)驗(yàn)中移動(dòng)基站發(fā)布的局部查詢信息的網(wǎng)絡(luò)挖掘深度為4。

圖2為不同網(wǎng)絡(luò)負(fù)載下在同一網(wǎng)絡(luò)中4種算法的平均通信延遲對(duì)比。平均通信延遲為網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)包從源節(jié)點(diǎn)傳輸?shù)交镜钠骄臅r(shí)。由該圖可以看出，隨著網(wǎng)絡(luò)負(fù)載的加大，網(wǎng)絡(luò)的平均通信延遲也逐漸提升，但本文所提的MDCA 算法與其他算法相比增速最為緩慢。主要原因如下：首先，MDCA 算法在監(jiān)控區(qū)域內(nèi)引入了移動(dòng)基站。由于移動(dòng)基站可以在監(jiān)控區(qū)域中自由移動(dòng)，其附近的節(jié)點(diǎn)可將數(shù)據(jù)包沿著局部數(shù)據(jù)采集最小路徑樹傳輸給移動(dòng)基站，從而縮短了數(shù)據(jù)包在網(wǎng)絡(luò)中的傳輸距離、降低了網(wǎng)絡(luò)的通信延遲。其次，從偏遠(yuǎn)區(qū)域傳輸給固定基站的數(shù)據(jù)包如果途經(jīng)由移動(dòng)基站構(gòu)建的局部數(shù)據(jù)采集最小路徑樹上的節(jié)點(diǎn)，則該節(jié)點(diǎn)將會(huì)對(duì)接收數(shù)據(jù)進(jìn)行攔截，然后沿著局部數(shù)據(jù)采集最小路徑樹將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給移動(dòng)基站，因此有效縮小了網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)包的傳輸距離，進(jìn)而減小了網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)包的平均通信延遲。

圖2 平均通信延遲Fig.2 Average delay of communication

圖3 為相同網(wǎng)絡(luò)負(fù)載下不同算法對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)包平均傳輸成功率之間的比較。由圖3可知：網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)包的產(chǎn)生速率對(duì)網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)包的平均傳輸成功率有非常明顯的影響。原因主要是隨著數(shù)據(jù)包產(chǎn)生速率的增高，網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)包之間的報(bào)文沖突也將急劇增加，進(jìn)而影響數(shù)據(jù)包的平均傳輸成功率。采用MDCA 算法可以小幅提升網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)包的平均傳輸成功率，與MACORA 算法相比，數(shù)據(jù)包的平均傳輸成功率提升6%～19%；與GA 算法相比，數(shù)據(jù)包的平均傳輸成功率提升4%～13%；與MSSM 算法相比，數(shù)據(jù)包的平均傳輸成功率提升2%～7%。主要是由于MDCA 算法在監(jiān)控區(qū)域中引入了移動(dòng)基站，進(jìn)而可以保證收集到網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控盲區(qū)及偏遠(yuǎn)斷裂區(qū)域內(nèi)的數(shù)據(jù)信息。同時(shí)，由于移動(dòng)基站可以降低網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)包的傳輸距離，因此該策略可以有效減少數(shù)據(jù)包長(zhǎng)途傳輸過(guò)程中的出錯(cuò)率，達(dá)到提升數(shù)據(jù)包傳輸成功率的目標(biāo)。

圖3 數(shù)據(jù)包的傳遞成功率Fig.3 Success rate of packet transmission

圖4 為4種算法對(duì)應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)壽命情況。由該圖可得，本文提出的MDCA 算法能明顯提升網(wǎng)絡(luò)的壽命，主要是因?yàn)楸疚乃崴惴ㄓ腥缦聝?yōu)點(diǎn)：首先，在監(jiān)控區(qū)域中引入了移動(dòng)基站，通過(guò)移動(dòng)基站靠近源節(jié)點(diǎn)和在數(shù)據(jù)傳輸途中實(shí)施攔截來(lái)減少數(shù)據(jù)的傳輸距離，進(jìn)而達(dá)到減少網(wǎng)絡(luò)中轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)量和網(wǎng)絡(luò)能耗的目標(biāo)；其次，MDCA 算法采用了一種能綜合兼顧跳數(shù)、路由總能耗和節(jié)點(diǎn)剩余能量的最優(yōu)路徑評(píng)價(jià)準(zhǔn)則，該評(píng)價(jià)準(zhǔn)則可以促使節(jié)點(diǎn)在選擇最優(yōu)路徑時(shí)，避開剩余能量小的節(jié)點(diǎn)，這樣可以保證網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的能量均衡性衰退，并避免某些關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)被頻繁使用而過(guò)早死亡，進(jìn)而導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)路由空洞或網(wǎng)絡(luò)割裂的情況。雖然在相同情況下，GA 算法取得的網(wǎng)絡(luò)壽命最高，但是GA算法是以高通信延遲為代價(jià)來(lái)?yè)Q取網(wǎng)絡(luò)高壽命的。這是因?yàn)镚A 算法在監(jiān)控區(qū)域中只配置了移動(dòng)基站，因此網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)在采集數(shù)據(jù)信息后必須等待移動(dòng)基站到達(dá)其附近來(lái)開始傳輸數(shù)據(jù)，所以產(chǎn)生了如上的以犧牲通信延遲來(lái)獲取網(wǎng)絡(luò)壽命的狀況。

圖4 網(wǎng)絡(luò)壽命Fig.4 Network lifetime

圖5 為4種算法對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)包的平均能耗情況。由于MDCA 算法在監(jiān)控區(qū)域中引入了移動(dòng)基站，減小了網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)包的平均傳輸距離，因此相應(yīng)減小了網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)包的平均能耗。同時(shí)，減小數(shù)據(jù)包的傳輸距離還可以相應(yīng)提高數(shù)據(jù)包的安全性，進(jìn)而減少數(shù)據(jù)包的傳遞失誤率，達(dá)到降低數(shù)據(jù)包的平均能耗目標(biāo)。由圖5可知：MDCA 算法對(duì)應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)包的平均能耗與MACORA 算法相比降低了49%～57%；與MSSM 算法相比降低了33%～40%；與GA 算法相比降低了7%～17%。總之，采用MDCA 算法后，網(wǎng)絡(luò)對(duì)應(yīng)的平均通信延遲等性能指標(biāo)均不同程度地有所提升。雖然移動(dòng)基站在監(jiān)控區(qū)域中移動(dòng)也會(huì)耗費(fèi)一定的能量，但給網(wǎng)絡(luò)帶來(lái)的利益要比移動(dòng)基站的花費(fèi)大得多，所以本文所提的混合基站數(shù)據(jù)收集算法是可行的。

圖5 數(shù)據(jù)包的平均能耗Fig.5 Average energy consumption per packet

在上述實(shí)驗(yàn)區(qū)域內(nèi)隨機(jī)拋灑100個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)生成監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)令節(jié)點(diǎn)初始能量等參數(shù)的設(shè)置與上述實(shí)驗(yàn)保持相同。將本文所提算法與文獻(xiàn)［13］提出的ASLEEP 算法及文獻(xiàn)［14］提出的ADAPT 算法進(jìn)行仿真對(duì)比。圖6描述了不同算法在網(wǎng)絡(luò)斷裂時(shí)各節(jié)點(diǎn)剩余能量的分布情況。由圖可知：本文所提策略可均衡網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點(diǎn)的能量消耗，避免近基站節(jié)點(diǎn)被過(guò)多使用而造成其過(guò)早死亡，并引起路由空洞的問(wèn)題。這是因?yàn)橐苿?dòng)基站減少了近基站節(jié)點(diǎn)傳輸數(shù)據(jù)的工作量，降低了關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的通信能量消耗；其次采用的最優(yōu)路徑評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)能綜合兼顧路由跳數(shù)、路由總能耗和節(jié)點(diǎn)剩余能量等因素，促使源節(jié)點(diǎn)在構(gòu)建最優(yōu)路徑時(shí)避開剩余能量小的節(jié)點(diǎn)。這兩方面因素均能彌補(bǔ)網(wǎng)絡(luò)能耗不均衡的缺陷。

圖6 網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點(diǎn)的剩余能量Fig.6 Residual energy of each node in network

4 結(jié)束語(yǔ)

提出了一種應(yīng)用于事件驅(qū)動(dòng)型傳感器網(wǎng)絡(luò)的混合基站策略的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)移動(dòng)數(shù)據(jù)收集算法。這種混合基站數(shù)據(jù)收集算法在監(jiān)控區(qū)域內(nèi)配置了兩個(gè)基站：在網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)收集過(guò)程中充當(dāng)網(wǎng)絡(luò)關(guān)口的作用的固定基站，在網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)收集過(guò)程中充當(dāng)一個(gè)數(shù)據(jù)騾子作用的移動(dòng)基站。實(shí)驗(yàn)表明，混合基站數(shù)據(jù)收集算法能顯著提高網(wǎng)絡(luò)的性能。因?yàn)椴捎脙煞N不同類型的基站可以取得互補(bǔ)所短的效果。同時(shí)移動(dòng)基站在網(wǎng)絡(luò)中自由移動(dòng)可以近距離接觸源節(jié)點(diǎn)，進(jìn)而減少數(shù)據(jù)包在網(wǎng)絡(luò)中的傳遞距離，達(dá)到節(jié)省網(wǎng)絡(luò)能耗、提高數(shù)據(jù)安全性的目標(biāo)，而固定基站的存在則可以使網(wǎng)絡(luò)的通信延遲保持在一個(gè)可接受的范圍，即保證采集數(shù)據(jù)的適時(shí)性。

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