接觸時(shí)間感知的移動(dòng)WSNs路由

賀瑜飛 馬崛 延衛(wèi)軍

摘 ?要： 多數(shù)無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中需要處理節(jié)點(diǎn)移動(dòng)性，為此，面向移動(dòng)無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)（M?WSNs），提出基于接觸時(shí)間的區(qū)路由（CTAR）。CTAR路由先利用源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)的相對(duì)位置信息形成活動(dòng)區(qū)，只有區(qū)內(nèi)的節(jié)點(diǎn)才能參與路由;然后，利用節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)矢量信息選擇能夠最大化接觸時(shí)間的鄰居節(jié)點(diǎn)作為下一跳轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)。仿真數(shù)據(jù)表明，與RoF協(xié)議相比，CTAR協(xié)議的數(shù)據(jù)包傳遞率得到有效提高。

關(guān)鍵詞： 移動(dòng)無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò); 路由; 活動(dòng)區(qū); 接觸時(shí)間; 移動(dòng)矢量; 轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)

中圖分類號(hào)： TN915?34; TPT393 ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)： 1004?373X（2019）12?0161?04

Abstract： The node mobility needs to be processed in most applications of the wireless sensor network. Therefore， a contact time?area based routing （CTAR） is proposed for mobile wireless sensor networks （M?WSNs）. In the CTAR， the relative position information of the source node and destination node is used to form the active region， and only nodes within the region are allowed to participate in routing. The mobility vector information of the node is used to select the neighbor node that can maximize the contact time as the next?hop forwarding node. The simulation data shows that the data packet delivery ratio of the CTAR protocol is effectively improved in comparison with that of the RoF protocol.

Keywords： mobile wireless sensor network; routing; active region; contact time; mobility vector; forwarding node

0 ?引 ?言

目前，移動(dòng)無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)（Mobile Wireless Sensor Networks， M?WSNs）廣泛應(yīng)用于健康監(jiān)測(cè)、車輛跟蹤等[1?2]，而移動(dòng)是這些應(yīng)用的固有特性。為此，M?WSNs內(nèi)的節(jié)點(diǎn)必須應(yīng)對(duì)拓?fù)渥兓?，但這增加了節(jié)點(diǎn)能耗[3]。M?WSNs的能效對(duì)節(jié)點(diǎn)壽命有決定性的影響，而采用休眠?喚醒機(jī)制是降低節(jié)點(diǎn)能耗，提高能效的有效方式[4]。除了能效問(wèn)題，節(jié)點(diǎn)移動(dòng)性是M?WSNs的研究熱點(diǎn)。節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)性也給M?WSNs的節(jié)點(diǎn)部署提出挑戰(zhàn)。

傳統(tǒng)的路由協(xié)議引用路由表傳輸數(shù)據(jù)，但是，在移動(dòng)的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中[5]，建立并維持路由表是非常復(fù)雜的。移動(dòng)環(huán)境容易形成動(dòng)態(tài)拓?fù)?，而在?dòng)態(tài)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中構(gòu)建路由表非常困難，即使建立，也容易加大節(jié)點(diǎn)能量消耗。

目前，研究人員對(duì)M?WSNs的能效路由進(jìn)行了不少的研究。文獻(xiàn)[6]針對(duì)一維隊(duì)列網(wǎng)絡(luò)，分析最小化能量消耗問(wèn)題，其目的在于通過(guò)有效地提高節(jié)點(diǎn)能量，進(jìn)而最大化網(wǎng)絡(luò)壽命，但是，文獻(xiàn)[6]認(rèn)為節(jié)點(diǎn)的位置是預(yù)知的、且不變化。文獻(xiàn)[7]針對(duì)M?WSNs提出了能效?可靠路由協(xié)議，此協(xié)議為層次、簇協(xié)議，每個(gè)簇有一個(gè)簇頭，其負(fù)責(zé)管理簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸。但是，此協(xié)議不適用于高數(shù)據(jù)率情況。文獻(xiàn)[8]針對(duì)低功耗易損網(wǎng)絡(luò)（Low Power and Lossy Network）路由協(xié)議（RPL），采用電暈機(jī)制應(yīng)對(duì)移動(dòng)環(huán)境。此協(xié)議重復(fù)使用相同的控制消息，降低了控制開(kāi)銷。但是此協(xié)議在M?WSNs的性能并不佳，很難滿足M?WSNs中的服務(wù)質(zhì)量（Quality of Service，QoS）。

為此，提出基于接觸時(shí)間的區(qū)路由（Contact time?Area based Routing， CTAR）。CTAR協(xié)議先通過(guò)區(qū)概念降低能耗，即只有在區(qū)內(nèi)的節(jié)點(diǎn)才能參與路由，而區(qū)外的節(jié)點(diǎn)進(jìn)入休眠狀態(tài)，進(jìn)而降低節(jié)點(diǎn)能耗，同時(shí)，利用接觸時(shí)間選擇下一跳轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)，提高了路由穩(wěn)定性，最終提高了數(shù)據(jù)包傳輸率。仿真數(shù)據(jù)表明，提出的CTAR協(xié)議有效地提高了數(shù)據(jù)包傳遞率。

1 ?CTAR路由

1.1 ?系統(tǒng)模型

圓角矩形區(qū)域如圖1所示。假定傳感網(wǎng)絡(luò)由M個(gè)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)構(gòu)成，并隨機(jī)分布于區(qū)域A內(nèi)，基站的位置為[xb，yb]。第[i]個(gè)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的速度為[?i]，且[i=1，2，…，M]。此外，所有節(jié)點(diǎn)引用休眠?喚醒機(jī)制，降低能耗。假定每個(gè)節(jié)點(diǎn)休眠時(shí)間為[T]，喚醒時(shí)間為[ΔT]，且[ΔT<圖1 ?圓角矩形區(qū)域

同時(shí)，假定源節(jié)點(diǎn)與基站間的通信區(qū)域?yàn)閳A角矩形區(qū)域[R]。CTAR路由先建立圓角矩形區(qū)，并使得圓形區(qū)域內(nèi)的節(jié)點(diǎn)保持喚醒狀態(tài)，而區(qū)域外的節(jié)點(diǎn)進(jìn)入休眠狀態(tài)，從而降低網(wǎng)絡(luò)能耗。然后，源節(jié)點(diǎn)從區(qū)域內(nèi)中選擇一個(gè)節(jié)點(diǎn)作為下一跳，即利用節(jié)點(diǎn)的相觸時(shí)間（Contact Time，CT）選擇下一跳節(jié)點(diǎn)，進(jìn)而利用下一跳節(jié)點(diǎn)傳輸數(shù)據(jù)。CTAR路由區(qū)域構(gòu)建和數(shù)據(jù)傳輸兩個(gè)階段構(gòu)成。接下來(lái)，分析區(qū)域構(gòu)建、數(shù)據(jù)傳輸兩個(gè)階段的過(guò)程。

1.2 ?區(qū)域構(gòu)建

一旦節(jié)點(diǎn)有數(shù)據(jù)需要傳輸，它就進(jìn)入?yún)^(qū)域構(gòu)建階段。區(qū)域構(gòu)建的目的是形成源節(jié)點(diǎn)至目的節(jié)點(diǎn)的活動(dòng)區(qū)域[10]，且活動(dòng)區(qū)域內(nèi)的所有節(jié)點(diǎn)均保持活動(dòng)節(jié)點(diǎn)。

具體而言，CTAR路由利用源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)的位置信息構(gòu)建連接源節(jié)點(diǎn)至目的節(jié)點(diǎn)間的區(qū)域。首先，源節(jié)點(diǎn)、目的節(jié)點(diǎn)以自己位置為圓心，以[r]為半徑形成一個(gè)圓，再一切為半;然后，將采用長(zhǎng)為[a]、寬為2[r]的矩形連通這兩個(gè)半圓，因此，矩形區(qū)域的面積為[S]：

1.3 ?數(shù)據(jù)傳輸階段

1.3.1 ?接觸時(shí)間

僅區(qū)域[R]內(nèi)的節(jié)點(diǎn)才參與數(shù)據(jù)傳輸階段。若節(jié)點(diǎn)（源節(jié)點(diǎn)）有數(shù)據(jù)傳輸，它就從[R]內(nèi)選擇一個(gè)鄰居節(jié)點(diǎn)作為下一跳轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)。為此，它先向鄰居節(jié)點(diǎn)廣播數(shù)據(jù)請(qǐng)求包[datareq]。一旦鄰居節(jié)點(diǎn)接收了[datareq]，節(jié)點(diǎn)就啟動(dòng)定時(shí)器[T]，其與接觸時(shí)間[（CT）]成比，如下：

接觸時(shí)間表示鄰居節(jié)點(diǎn)停留在自己通信范圍內(nèi)的時(shí)間。具體而言，假定在[t0]時(shí)刻，兩個(gè)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)[si]和[sj]在彼此通信范圍內(nèi)，而[Xit0]，[Xjt0]分別表示節(jié)點(diǎn)[si]，[sj]的位置矢量，其包含節(jié)點(diǎn)位置、速度，如圖2所示。

圖2 ?節(jié)點(diǎn)位置矢量示意圖

1.3.2 ?下一跳節(jié)點(diǎn)的選擇

當(dāng)節(jié)點(diǎn)（源節(jié)點(diǎn)）有數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，它就向鄰居節(jié)點(diǎn)廣播數(shù)據(jù)請(qǐng)求包[datareq]，其包含了自己的位置信息、速度以及目的節(jié)點(diǎn)ID。一旦接收了[datareq]，先判斷自己是否為目的節(jié)點(diǎn)，若是目的節(jié)點(diǎn)，就直接回復(fù)確認(rèn)包ACK。當(dāng)源節(jié)點(diǎn)接收了ACK，就直接向此節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)包。

若自己不是數(shù)據(jù)包的目的節(jié)點(diǎn)（自己將成為中間節(jié)點(diǎn)），就利用式（8）計(jì)算接觸時(shí)間，并利用式（3）設(shè)置定時(shí)器。一旦定時(shí)結(jié)束，就直接回復(fù)ACK包。在等待定時(shí)器定時(shí)過(guò)程中，若監(jiān)聽(tīng)到其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送了ACK包，就取消定時(shí)器。當(dāng)源節(jié)點(diǎn)接收了ACK包，它就向此節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)包。這個(gè)過(guò)程如圖3所示。

圖3 ?中間節(jié)點(diǎn)接收數(shù)據(jù)包的示意圖

圖4顯示了產(chǎn)生下一跳節(jié)點(diǎn)的過(guò)程。從圖4可知，源節(jié)點(diǎn)是將第一時(shí)間回復(fù)ACK包的節(jié)點(diǎn)作為下一跳轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)，通過(guò)此策略，可以降低傳輸時(shí)延，提高數(shù)據(jù)包傳輸率。

2 ?數(shù)值仿真

2.1 ?仿真環(huán)境

為了更好地分析CTAR性能，選用Castalia軟件建立平臺(tái)。假定55個(gè)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)隨機(jī)分布于[200 m×200 m]區(qū)域，且每個(gè)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)引用Random?waypoint移動(dòng)模型進(jìn)行移動(dòng)，數(shù)據(jù)包尺寸為128 B。同時(shí)，選用基于接收器的機(jī)會(huì)轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議（Receiver based Opportunistic Forwarding， ROF）[11]和貪婪邊界轉(zhuǎn)發(fā)路由（Greedy Perimeter Stateless Routing， GPSR）[12]。ROF協(xié)議并不需要建立源節(jié)點(diǎn)與目的節(jié)點(diǎn)間的全局路由。ROF協(xié)議依據(jù)競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制產(chǎn)生下一跳轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)，而GPSR協(xié)議是依據(jù)實(shí)時(shí)鄰居信息決策下一跳轉(zhuǎn)發(fā)，并采用貪婪轉(zhuǎn)發(fā)策略傳輸數(shù)據(jù)包。

圖4 ?下一跳節(jié)點(diǎn)的選擇過(guò)程

2.2 ?數(shù)值分析

首先分析數(shù)據(jù)包傳遞率隨數(shù)據(jù)包發(fā)送率的變化情況，且移動(dòng)速度為0.5 m/s，如圖5所示。

圖5 ?數(shù)據(jù)包傳遞率隨發(fā)送率的變化曲線

從圖5可知，提出的CTAR協(xié)議的數(shù)據(jù)包傳遞率最高，優(yōu)于RoF和GPSR協(xié)議，而GPSR協(xié)議的數(shù)據(jù)包傳遞率最低。這要?dú)w功于CTAR協(xié)議源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)構(gòu)建轉(zhuǎn)發(fā)區(qū)域，并利用接觸時(shí)間設(shè)置定時(shí)器，選擇最優(yōu)的下一跳轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)。此外，數(shù)據(jù)包傳遞率隨發(fā)送率的增加而呈降低趨勢(shì)。原因在于：發(fā)送率越大，網(wǎng)絡(luò)內(nèi)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包數(shù)就越多，網(wǎng)絡(luò)擁塞越嚴(yán)重，降低數(shù)據(jù)包傳遞率。

然后，分析移動(dòng)速度對(duì)數(shù)據(jù)包傳遞率的影響，且移動(dòng)速度從0.5～10 m/s變化，源節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)包率為20 pps，如圖6所示。

圖6 ?數(shù)據(jù)包傳遞率隨車速的變化情況

從圖6可知，車速的增加降低了數(shù)據(jù)包傳遞率，原因在于：車速的增加，減少了接觸時(shí)間，降低了鏈路的持續(xù)時(shí)間，最終降低了數(shù)據(jù)包傳遞成功率。與RoF和GPSR協(xié)議相比，提出的CTAR協(xié)議的數(shù)據(jù)包傳遞率得到有效提升。

圖7顯示了平均接觸時(shí)間數(shù)隨車速變化情況，從圖7可知，車速的增加降低了平均接觸時(shí)間。這主要是因?yàn)椋很囁俚奶岣?，降低了鏈路連通時(shí)間。與RoF協(xié)議相比，提出的CTAR協(xié)議的平均接觸時(shí)間得到很大的提高。例如，當(dāng)車速為5 m/s，CTAR協(xié)議的平均接觸時(shí)間為83 s，而RoF協(xié)議的平均接觸時(shí)間為62 m/s。

圖7 ?平均接觸時(shí)間隨車速變化情況

3 ?結(jié) ?語(yǔ)

針對(duì)移動(dòng)的傳感網(wǎng)絡(luò)，本文提出基于接觸時(shí)間的區(qū)路由CTAR。CTAR路由引用喚醒?休眠機(jī)制，并采用區(qū)概念，降低節(jié)點(diǎn)能耗。同時(shí)，引用接觸時(shí)間變量，并利用接觸時(shí)間選擇下一跳節(jié)點(diǎn)。仿真結(jié)果表明，提出的CTAR路由有效地提高了數(shù)據(jù)包傳遞率，并降低了平均接觸時(shí)間。

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