無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點移動性研究

翁艷彬

【摘 要】無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通過節(jié)點的移動給整個網(wǎng)絡(luò)的性能帶來了極大的提升。越來越多的人開始著手于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)移動性的研究。文章針對傳感器網(wǎng)絡(luò)移動性研究中的關(guān)鍵技術(shù)做了較為全面的分析比較，對移動性研究具有較強的借鑒作用。

【關(guān)鍵詞】無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；節(jié)點移動；數(shù)據(jù)收集

【中圖分類號】TP212.9 【文獻標識碼】A 【文章編號】1674-0688（2016）11-0046-03

0 概述

由于傳感器節(jié)點一般需要通過電池供電，因此有限的電池能量和網(wǎng)絡(luò)壽命是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)面臨的主要挑戰(zhàn)。目前，很多研究機構(gòu)都致力于如何減少及均衡節(jié)點的能量消耗來提高系統(tǒng)的生命周期的數(shù)據(jù)收集機制研究。早期的研究。主要集中在如何通過合理路由降低能量消耗，但這些協(xié)議都主要是針對傳感器節(jié)點進行路由設(shè)計，關(guān)注的重點是傳感器節(jié)點，匯聚節(jié)點則固定不動地收集數(shù)據(jù)。在這種方式下，匯聚節(jié)點周圍的鄰居節(jié)點要負擔比自身多得多的全網(wǎng)的其他節(jié)點的數(shù)據(jù)傳輸，節(jié)點的負載無法均衡。因此，這些節(jié)點要比其他節(jié)點更早地耗盡能量而死亡，這就是大家常說的熱點問題（Hot Spot Problem）[1-2]。該問題成為阻礙傳感器網(wǎng)絡(luò)進一步發(fā)展的瓶頸。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，移動性的引入能夠很好地解決靜態(tài)網(wǎng)絡(luò)中存在的一些根本性無法解決的問題。例如，網(wǎng)絡(luò)的連通、能量的消耗不均衡等，均可通過移動性的合理設(shè)計加以解決。而對于移動來說，匯聚節(jié)點的移動尤為重要。如果我們能將研究的重心從單純的對傳感器節(jié)點的路由的關(guān)注轉(zhuǎn)移到對匯聚節(jié)點移動及路由相結(jié)合的關(guān)注上來，則系統(tǒng)的性能將得到極大的提升。同時，在采用匯聚節(jié)點移動收集數(shù)據(jù)的方式下，傳感器節(jié)點的覆蓋度及連通度也會受到相應(yīng)的影響，利用匯聚節(jié)點的移動性能夠降低對傳感器節(jié)點密度的要求，減少傳感器節(jié)點的數(shù)量，從而節(jié)約開發(fā)成本。

1 數(shù)據(jù)收集模式

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)收集的目標是將監(jiān)測區(qū)域中所有傳感器節(jié)點收集到的數(shù)據(jù)完整地發(fā)送給匯聚節(jié)點，從而獲知監(jiān)測區(qū)域中用戶感興趣的信息，因此數(shù)據(jù)收集是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)關(guān)注的重點。

在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，數(shù)據(jù)的收集模式可以分為樹形數(shù)據(jù)收集模式、簇形數(shù)據(jù)收集模式和多路徑數(shù)據(jù)收集模式3種[3]。

在樹形收集模式中，傳感器節(jié)點和匯聚節(jié)點構(gòu)成一棵以匯聚節(jié)點為根節(jié)點、傳感器節(jié)點為葉子節(jié)點及中間節(jié)點的生成樹。傳感器節(jié)點作為葉子節(jié)點和中間節(jié)點收集數(shù)據(jù)后，從葉子節(jié)點經(jīng)由中間節(jié)點一直傳送位于根節(jié)點的匯聚節(jié)點。在匯聚節(jié)點需要向傳感器節(jié)點發(fā)布任務(wù)時，通過樹形根節(jié)點逐級往下傳遞，直到到達葉子節(jié)點，從而使所有節(jié)點獲得如任務(wù)信息等匯聚節(jié)點想要傳遞給傳感器節(jié)點的信息，而在數(shù)據(jù)收集階段則正好相反。

在能量受限的傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的擴大，所有傳感器節(jié)點都直接將數(shù)據(jù)傳遞給匯聚節(jié)點顯然是不現(xiàn)實的，為了均衡能量消耗，出現(xiàn)了基于層次結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)收集模式，也就是是簇形數(shù)據(jù)收集模式。在這種數(shù)據(jù)收集模式下，傳感器節(jié)點根據(jù)其分布情況，被劃分為若干個獨立的小區(qū)域，稱之為簇。在每個簇里，節(jié)點之間都是相互連通并可以直接通信的，而被選舉出的簇首節(jié)點，負責本簇內(nèi)所有節(jié)點數(shù)據(jù)的發(fā)送。

樹形結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)收集方式由于其中間節(jié)點失效而造成系統(tǒng)健壯性問題。為了克服這個缺陷，很多學者提出了多路徑數(shù)據(jù)收集模式。在這種模式下，數(shù)據(jù)通過多個鄰居節(jié)點進行轉(zhuǎn)發(fā)，在源節(jié)點和目標節(jié)點之間有很多條路徑，每條路徑所經(jīng)由的中間節(jié)點亦不相同。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)由于其能量有限性，使得節(jié)能和負載均衡成為其研究的主要目標，而數(shù)據(jù)收集協(xié)議則是根據(jù)各種不同的網(wǎng)絡(luò)需求而提出的針對某些具體場景的路由方式。根據(jù)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的不同，可以將數(shù)據(jù)收集協(xié)議分為基于平面的、基于分層的和基于地理位置的數(shù)據(jù)收集協(xié)議3類[4]。

基于平面的數(shù)據(jù)收集協(xié)議中，所有傳感器節(jié)點都是同構(gòu)的，并且在傳感器網(wǎng)絡(luò)中的地位也是平等的，它們主要實現(xiàn)數(shù)據(jù)收集任務(wù)及與匯聚節(jié)點通信等功能。匯聚節(jié)點將查詢需求發(fā)送給傳感器節(jié)點之后，傳感器節(jié)點就會將收集到的數(shù)據(jù)按一定的路由方式傳遞給匯聚節(jié)點。典型協(xié)議包括Flooding、Gossiping、SPIN、Directed diffusion等。

基于分層的數(shù)據(jù)收集協(xié)議實際上就是采用分簇的方式來進行路由。隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的增大，長距離通信會造成較大的網(wǎng)絡(luò)負載，使用分簇的方法，通過選取不同的節(jié)點作為簇頭，輪流傳輸數(shù)據(jù)，能夠均衡節(jié)點的能量消耗，降低網(wǎng)絡(luò)負載，其代表性協(xié)議主要有LEACH、TEEN、APTEEN、PEGASIS、PEACH、HEED等。

基于地理位置的路由協(xié)議假定傳感器節(jié)點知道自己及目標區(qū)域的位置信息，能利用傳感器節(jié)點的位置信息精確定位傳感器節(jié)點。節(jié)點可以根據(jù)目標節(jié)點的具體位置信息來進行路由選擇，從而避免了信息在整個網(wǎng)絡(luò)洪泛，造成能量的無謂損耗。典型代表性協(xié)議包括GEAR、GAF、SPEED等。

2 移動性的優(yōu)勢與挑戰(zhàn)

在靜態(tài)傳感器網(wǎng)絡(luò)，由于其匯聚節(jié)點和傳感器節(jié)點都靜止不動，因此存在傳感器節(jié)點能量消耗不均衡、生命周期短等問題。在系統(tǒng)中引入移動，主要有以下優(yōu)勢[5]。

（1）解決熱點問題。隨著節(jié)點的移動，其鄰居節(jié)點也相應(yīng)發(fā)生變化，因此網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點可以輪流充當匯聚節(jié)點的鄰居節(jié)點，從而解決能量消耗不均而造成的熱點問題。

（2）降低能量消耗，提高生命周期。由于匯聚節(jié)點在網(wǎng)絡(luò)中移動收集數(shù)據(jù)，距離匯聚節(jié)點較遠的節(jié)點可以等待匯聚節(jié)點移近后再將數(shù)據(jù)發(fā)送出去，從而降低了數(shù)據(jù)發(fā)送的總能量消耗。節(jié)點的能量消耗降低，同時傳感器節(jié)點能夠均等地成為匯聚節(jié)點的鄰居節(jié)點，從而均衡了節(jié)點間的能量消耗，其生命周期也相應(yīng)得以延長。

（3）收集不連通網(wǎng)絡(luò)信息。通過使網(wǎng)絡(luò)具有移動性的方式，可以在匯聚節(jié)點移動到節(jié)點附近或其鄰居節(jié)點附近時，將其數(shù)據(jù)收集過去，使得不連通的稀疏網(wǎng)絡(luò)或者因某些節(jié)點失效造成的不連通網(wǎng)絡(luò)也能夠完成全網(wǎng)數(shù)據(jù)的收集和發(fā)送。

（4）減少節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)，增加系統(tǒng)的安全性。由于節(jié)點的移動性，使得原來需要通過多跳傳輸?shù)絽R聚節(jié)點的數(shù)據(jù)可以在匯聚節(jié)點移動至其感應(yīng)范圍時直接發(fā)送，這就使得節(jié)點的轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)量大為減少。同時，由于轉(zhuǎn)發(fā)過程中可能發(fā)生的數(shù)據(jù)被竊取或篡改的概率也相應(yīng)減少，匯聚節(jié)點所收集到的信息也更加安全、可靠了。

傳感器網(wǎng)絡(luò)中引入節(jié)點的移動性帶來諸多優(yōu)勢的同時，也給傳感器網(wǎng)絡(luò)帶來了諸多挑戰(zhàn)。主要有以下幾個方面[5]：{1}增加了位置更新信息開銷。由于節(jié)點的移動帶來了其位置信息的不斷變化，為了讓網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點知道其具體位置以便將數(shù)據(jù)傳送出去，移動節(jié)點必須不斷向全網(wǎng)廣播其位置信息，這就造成了不必要的能量消耗。{2}增加了數(shù)據(jù)發(fā)送延遲。傳感器網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點的移動導致其位置信息發(fā)生變化，為了及時將最新消息傳送至匯聚節(jié)點，其接收到的數(shù)據(jù)也需要不斷轉(zhuǎn)發(fā)，從而增加了數(shù)據(jù)延遲。{3}增加了丟包率。由于傳感器節(jié)點能量有限，存儲容量有限，因此一個傳感器節(jié)點一次收到太多數(shù)據(jù)而不及時發(fā)送出去，就會溢出造成數(shù)據(jù)包的丟失。匯聚節(jié)點更新自身信息的速度及其移動速度等都會造成數(shù)據(jù)包的丟失，從而使收集到的數(shù)據(jù)不完整。

雖然傳感器網(wǎng)絡(luò)的移動性存在一些問題，但總體來說，其傳感器節(jié)點能量消耗的減少與均衡仍然給網(wǎng)絡(luò)帶來了很多的好處，而這些存在的問題，也可以逐步進行改善與解決。

3 節(jié)點移動分類

傳感器網(wǎng)絡(luò)的移動性根據(jù)移動節(jié)點的類型不同，可以分為匯聚節(jié)點移動、傳感器節(jié)點移動及傳感器節(jié)點和匯聚節(jié)點都移動3種[6]。

匯聚節(jié)點移動的數(shù)據(jù)收集方式是現(xiàn)在研究最為廣泛的一種模式。在這種模式下，傳感器節(jié)點不動，匯聚節(jié)點根據(jù)其具體的移動方案在全網(wǎng)移動來收集數(shù)據(jù)。一般來說，我們認為匯聚節(jié)點所攜帶的能量很大且能夠及時進行補充，因此我們不需要考慮它的能量消耗。通過匯聚節(jié)點在全網(wǎng)范圍內(nèi)移動進行數(shù)據(jù)收集的方式，能夠極大地節(jié)約節(jié)點的能量消耗，提高網(wǎng)絡(luò)的生命周期。根據(jù)匯聚節(jié)點移動的方式，又可以分為隨機移動、預(yù)定軌跡移動和可控移動3種。

匯聚節(jié)點隨機移動是指匯聚節(jié)點的移動沒有一個具體的路線，對其運行軌跡也沒有任何限制，匯聚節(jié)點可以根據(jù)其需要訪問網(wǎng)絡(luò)中的任何一個地方。匯聚節(jié)點按預(yù)定軌跡移動是指匯聚節(jié)點的移動軌跡可預(yù)測，如沿著公路、鐵路運行，我們可以根據(jù)其可預(yù)測到的下一個位置來進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)脑O(shè)置。匯聚節(jié)點可控移動是指網(wǎng)絡(luò)或觀測者能夠控制匯聚節(jié)點的移動性來達到某些特殊的目標，這些目標是由具體的應(yīng)用來決定的，大部分是用來提高網(wǎng)絡(luò)生命周期、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)效率及降低數(shù)據(jù)傳輸延遲以適應(yīng)實時通信的需求。

傳感器節(jié)點移動的數(shù)據(jù)收集方式則是匯聚節(jié)點固定，傳感器節(jié)點移動進行數(shù)據(jù)收集。通常有2種方式：一種是部分傳感器節(jié)點移動，如在網(wǎng)絡(luò)中出現(xiàn)能量空洞的時候，這些可以移動的節(jié)點會移動到節(jié)點能量耗盡的區(qū)域，代替原來的節(jié)點收集數(shù)據(jù)，從而保證網(wǎng)絡(luò)的覆蓋與連通。另一種則是傳感器節(jié)點被放置在移動設(shè)備上，譬如飛機、火車、輪船等，當這些設(shè)備移動時，經(jīng)過固定的匯聚節(jié)點時就會進行數(shù)據(jù)的傳輸。這種模式常常應(yīng)用于鐵路沿線，固定安裝匯聚節(jié)點收集所經(jīng)過列車的信息，可以對火車當前的運行狀況進行監(jiān)控。

傳感器節(jié)點和匯聚節(jié)點都移動的數(shù)據(jù)收集方式相對來說比較復雜，在這種方式下，傳感器節(jié)點和匯聚節(jié)點的位置都在不斷地變化中，這就導致其網(wǎng)絡(luò)拓撲要不斷地變化更新，而相應(yīng)的數(shù)據(jù)發(fā)送的路由也必須不斷重構(gòu)。針對這種數(shù)據(jù)收集方式的研究目前比較少。

4 結(jié)語

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中利用移動節(jié)點進行數(shù)據(jù)收集的模式研究是當前傳感器網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域的研究重點，而移動性的引入使得傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)收集在傳感器節(jié)點的能耗方面有較大的降低，從而也極大地延長了網(wǎng)絡(luò)的生命周期。同時，對于非連通網(wǎng)絡(luò)，匯聚節(jié)點可以通過移動到其數(shù)據(jù)傳輸范圍進行數(shù)據(jù)收集，確保了數(shù)據(jù)的完整性，同時也降低了因多跳而可能產(chǎn)生的錯誤。因此，節(jié)點移動性研究對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展具有重要的推進作用。

參 考 文 獻

[1]Akyildiz LF，Su WL，Sankarasubramaniam Y，et al.A Survey on Sensor Networks[J].IEEE Communica-tions Magazine，2002，40（8）：102-114.

[2]Cullar D，Estrin，Strvastava M.Guest EditorsIn-troduction：Overview of Sensor Networks[J].Com-puter，2004，37（8）：41-49.

[3]Agrawal C.A survey of data collection techniquesin wireless sensor network[J].International Journal of Advances in Engineering & Technology，2014，6（4）：1664-1773.

[4]Khan M I，Gansterer W N，Haring G.Static vs. mo-bile sink：The influence of basic parameters on energy efficiency in wireless sensor networks[J].Computer Communications，2013，36（9）：965978.

[5]Silva R，Silva J S，Boavida F.Mobility in wireless sensor networks Survey and proposal[J].Computer Communications，2014，52：1-20.

[6]Khan A W，Abdullah A H，Anisi M H，et al.A co-mprehensive study of data collection schemes using mobile sinks in wireless sensor networks[J].Sensors，2014，14（2）：2510-2548.

[責任編輯：鐘聲賢]