基于地理路由和參與者協(xié)作模型的WSAN的通信機(jī)制

趙海軍，賀春林，蒲斌，崔夢(mèng)天

（1. 西華師范大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院，四川 南充 637009；2. 西南民族大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，四川 成都 610041）

1 引言

無線傳感器和參與者網(wǎng)絡(luò)（WSAN, wireless sensor and actor network）[1]是一種分布式異構(gòu)設(shè)備無線通信系統(tǒng)，異構(gòu)設(shè)備主要是傳感器和參與者，其網(wǎng)絡(luò)物理結(jié)構(gòu)如圖1所示。這里的參與者不同于傳統(tǒng)的執(zhí)行器的概念，它除了能夠通過幾個(gè)執(zhí)行器在環(huán)境中工作外，還是一個(gè)執(zhí)行與網(wǎng)絡(luò)相關(guān)功能的單一網(wǎng)絡(luò)實(shí)體，即接收、發(fā)送和轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)。在大多數(shù)應(yīng)用中，參與者是資源豐富的超大處理能力和高傳輸功率設(shè)備及長(zhǎng)壽命的電池。

圖1 無線傳感器和參與者網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)物理結(jié)構(gòu)

WSAN中的不少應(yīng)用與加強(qiáng)和補(bǔ)充現(xiàn)有的傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用有關(guān)。在這些應(yīng)用中，執(zhí)行活動(dòng)主要是通過啟用或擴(kuò)展其監(jiān)控能力來增強(qiáng)傳感器網(wǎng)絡(luò)的操作。例如，移動(dòng)參與者可以準(zhǔn)確地部署傳感器，實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境的自適應(yīng)采樣，從近距離的傳感器拾取數(shù)據(jù)、緩沖數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)發(fā)送到有線接入點(diǎn)，或者執(zhí)行能量收集[2-4]。

關(guān)于WSAN的研究，文獻(xiàn)[5]針對(duì)靜態(tài)WSAN的通信和協(xié)作問題提出了一種框架，并提出了傳感器-參與者協(xié)作和參與者-參與者協(xié)作的概念，以及集中式最佳解決方案和分布啟發(fā)式解決方案。文獻(xiàn)[6]提出了一種適用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的單純事務(wù)管理模型，主要包括事務(wù)并發(fā)控制策略和事務(wù)原子提交協(xié)議。在事務(wù)并發(fā)控制方面，結(jié)合無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)使用了輕量級(jí)的向前驗(yàn)證的樂觀并發(fā)控制；在事務(wù)原子提交協(xié)議方面，提出了基于緩存和定時(shí)器的二階段提交協(xié)議，為參與者提供了緩存機(jī)制，有效利用協(xié)調(diào)者的廣播信息，降低能量消耗。在協(xié)調(diào)者和參與者中加入了定時(shí)器，定時(shí)器觸發(fā)后會(huì)提供事務(wù)處理統(tǒng)一的結(jié)果（提交或撤銷）；此外，還為協(xié)調(diào)者加入了心跳算法來提高協(xié)議的可靠性；但該模型最大的不足是未考慮協(xié)調(diào)者和參與者之間的通信機(jī)制問題。文獻(xiàn)[7-8]研究了傳感器網(wǎng)絡(luò)中的實(shí)時(shí)通信問題，但并未就傳感器和參與者之間的數(shù)據(jù)交換和協(xié)作進(jìn)行研究。文獻(xiàn)[9]針對(duì)傳感器網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)發(fā)送的能量消耗和時(shí)延之間的權(quán)衡進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)[10-11]采用地理位置信息對(duì)傳感器網(wǎng)絡(luò)的可擴(kuò)展路由進(jìn)行了研究，以減少傳感器之間協(xié)作所需要的信號(hào)強(qiáng)度和能耗。

本文針對(duì)有移動(dòng)參與者的 WSAN中的協(xié)作和通信問題進(jìn)行研究，提出的主動(dòng)位置管理方案以最小能量消耗來管理參與者的移動(dòng)性。參與者廣播其位置的更新，基于Voronoi圖限制其范圍，而傳感器基于先前接收到的更新卡爾曼濾波來預(yù)測(cè)參與者的移動(dòng)；然后得到一種基于地理路由的最佳能量感知轉(zhuǎn)發(fā)規(guī)則作為傳感器-參與者之間的通信，并采用功率控制來控制數(shù)據(jù)傳輸過程的時(shí)延，通過迫使多個(gè)參與者成為在事件區(qū)域中生成流量的接收者來解決網(wǎng)絡(luò)擁塞；最后基于事件特征提出了參與者-參與者之間的協(xié)作模型來對(duì)參與者之間的移動(dòng)進(jìn)行協(xié)調(diào)，以最佳地完成任務(wù)。仿真結(jié)果表明，本文提出的關(guān)于WSAN的通信機(jī)制是有效的。

2 傳感器和參與者的位置管理

假設(shè)網(wǎng)絡(luò)由NS個(gè)傳感器和NA個(gè)參與者構(gòu)成，且NS＞＞NA。每個(gè)傳感器配備一個(gè)低數(shù)據(jù)速率的無線接口，每個(gè)參與者配備2個(gè)無線發(fā)射器，一個(gè)低數(shù)據(jù)速率發(fā)射器用于與傳感器進(jìn)行通信，一個(gè)高速率無線接口用于參與者-參與者之間的通信。

根據(jù)傳感器網(wǎng)絡(luò)路由算法[5,12-13]，本文基于地理路由范式來實(shí)現(xiàn)傳感器-參與者之間的協(xié)作管理，因?yàn)檫@樣可以在不增加信令開銷的情況下對(duì)網(wǎng)絡(luò)規(guī)模進(jìn)行擴(kuò)展，且路由判決本質(zhì)上是局部化的。但在具有移動(dòng)節(jié)點(diǎn)和多個(gè)接收者的網(wǎng)絡(luò)中，還依賴于有效的位置管理策略，才能夠提供任何時(shí)刻與移動(dòng)節(jié)點(diǎn)位置相關(guān)的節(jié)點(diǎn)。為此，本文提出了一種主動(dòng)位置管理方法，該方法基于移動(dòng)參與者發(fā)送給傳感器的更新消息。在 WSAN中，每個(gè)參與者是一個(gè)等效的信息接收者，因而傳感器-參與者之間的通信是局部的，即每個(gè)傳感器發(fā)送信息給它的最近參與者。因此，在空域中，廣播可以基于 Voronoi圖[14]進(jìn)行限制；同時(shí)，參與者的移動(dòng)在某種程度上是可預(yù)測(cè)的，因?yàn)樗怯蓞⑴c者-參與者之間的協(xié)作過程驅(qū)動(dòng)的。因而在時(shí)域中，位置更新可以被限制到參與者的位置，這個(gè)位置不能在傳感器一側(cè)被預(yù)測(cè)。當(dāng)參與者的實(shí)際位置“遠(yuǎn)”于根據(jù)過去測(cè)量值在傳感器上可預(yù)測(cè)的位置時(shí)，位置更新將在參與者上被觸發(fā)。

2.1 限制廣播空間

本文采用Voronoi圖來限制由參與者發(fā)起的位置更新范圍。一組離散站點(diǎn)的Voronoi圖將平面分割成一組凸多邊形，使多邊形內(nèi)的全部點(diǎn)都僅離一個(gè)站點(diǎn)最近。如果一個(gè)傳感器s的位置位于一個(gè)參與者a的Voronoi圖單元中，就說傳感器s由參與者a控制。每個(gè)參與者負(fù)責(zé)其Voronoi圖單元中傳感器的位置更新，并調(diào)節(jié)其功率，以限制超出其Voronoi圖單元的最遠(yuǎn)點(diǎn)的干擾，因此每個(gè)傳感器希望從控制它的參與者處接收位置更新。如果參與者能夠在一跳中到達(dá)其Voronoi圖單元中的全部傳感器（這在許多實(shí)際情況下是可能的），則大部分的能量消耗在參與者上。

2.2 限制廣播時(shí)間

在二維坐標(biāo)系中，第i個(gè)參與者的動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)模型可以采用狀態(tài)空間法[15]得到其等價(jià)的離散時(shí)間動(dòng)態(tài)方程，即

式(1)表示系統(tǒng)的狀態(tài)轉(zhuǎn)移方程，描述了第i個(gè)參與者在時(shí)間步k-1和k之間的運(yùn)動(dòng)，其中，有

時(shí)間步k與第i個(gè)參與者觀察到的位置和狀態(tài)有關(guān)，可用測(cè)量方程表示為

卡爾曼濾波[16]提供了一組高效計(jì)算的遞歸方程來估計(jì)參與者的動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)過程的狀態(tài)，本文利用它來估計(jì)參與者的位置，并在傳感器上預(yù)測(cè)參與者的位置，從而減少信息交換。參與者的位置可以基于在參與者上得到的測(cè)量值z(mì)ik并在參與者的Voronoi圖單元中的傳感器上進(jìn)行估計(jì)和預(yù)測(cè)，通過參與者廣播。在時(shí)間步k，第i個(gè)參與者的Voronoi圖單元中的每個(gè)傳感器s根據(jù)式(4)更新狀態(tài)（參與者的位置和速度）。

式(4)描述了在接收測(cè)量值之前（先驗(yàn)估計(jì)值）傳感器s如何預(yù)測(cè)參與者的狀態(tài)。注意，控制輸入在傳感器上是未知的，同時(shí)被用于參與者更新狀態(tài)；然后，傳感器s預(yù)先預(yù)測(cè)協(xié)方差矩陣，在接收到來自參與者的測(cè)量值后，更新卡爾曼增益（如式(5)所示），并根據(jù)測(cè)量值校正狀態(tài)估計(jì)值（如式(6)所示）和協(xié)方差矩陣（如式(7)所示），即

在每個(gè)時(shí)間步k，每個(gè)參與者都試圖在它的Voronoi圖單元中的傳感器上執(zhí)行預(yù)測(cè)過程，通過對(duì)新的測(cè)量值濾波，計(jì)算其實(shí)際新的位置，并廣播新的測(cè)量值如果傳感器s在時(shí)間步k沒接收到位置更新，則假設(shè)即預(yù)測(cè)的位置與參與者實(shí)際的新的位置一致，在此基礎(chǔ)上，按式(5)～式(7)更新參與者的狀態(tài)估計(jì)值。

3 傳感器-參與者之間的通信

本文提出了一種可靠性概念，即由一個(gè)參與者感知到的事件可靠性r是在一個(gè)判決間隔中的可靠數(shù)據(jù)分組與接收到的全部數(shù)據(jù)分組的比值，如果在給定的時(shí)延范圍內(nèi)數(shù)據(jù)分組被接收，則認(rèn)為這個(gè)數(shù)據(jù)分組是可靠的；事件可靠性閾值rth是所要求的最小的事件可靠性。本文的目標(biāo)是當(dāng)數(shù)據(jù)必須在一個(gè)給定的時(shí)間限制內(nèi)以一個(gè)給定的可靠性閾值rth交付時(shí)，換取的能量消耗時(shí)延。

3.1 基于功率控制的能量時(shí)延調(diào)節(jié)

大多關(guān)于地理路由的研究主要考慮貪婪轉(zhuǎn)發(fā)，即將數(shù)據(jù)分組轉(zhuǎn)發(fā)給最接近目的端的節(jié)點(diǎn)，然而，這通常需要選擇將轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)連接到位于傳輸范圍邊界附近的鄰居。當(dāng)考慮一個(gè)實(shí)際的物理層時(shí)，這種連接很可能是不穩(wěn)定的，容易產(chǎn)生高分組差錯(cuò)率，故本文提出在節(jié)能鏈路上轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)分組，使在每個(gè)單跳上的能量消耗達(dá)到最小化。本文不考慮大多數(shù)路由研究所采用的單位圓盤圖假設(shè)，而是考慮一個(gè)更精確的連通模型，即首先得到在快速衰落信道下的節(jié)能轉(zhuǎn)發(fā)距離，然后提出一種通過增加發(fā)射功率來減少端到端時(shí)延的機(jī)制。

考慮轉(zhuǎn)發(fā)器vi和vj之間的通信，用dij表示2個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)器之間的距離，則vj接收由vi發(fā)送的數(shù)據(jù)分組的概率可以表示為

其中，Eamp是一個(gè)常數(shù)，單位為J/(bit?m)，Emarg是包含允許期望分組差錯(cuò)率項(xiàng)的調(diào)整項(xiàng)，單位為J/(bit?m)，表示在有α損耗下每米每比特所需要的能量。較高的Emarg值會(huì)導(dǎo)致較高的能量消耗，同時(shí)增加接收器成功接收的概率，減少預(yù)期的重發(fā)次數(shù)。

考慮節(jié)點(diǎn)vi向其距離為D的目標(biāo)參與者ak轉(zhuǎn)發(fā)一個(gè)數(shù)據(jù)分組，且鏈路指標(biāo)E=2Eelec+Eampdα，其中Eelec是收發(fā)器電路發(fā)送或接收1 bit所需的能量，單位為J/bit，則端到端能量消耗可以表示為

其中，P(vi,ak)表示vi和ak之間的路徑。理想情況下，當(dāng)數(shù)據(jù)在一組位于連接源和目的線路節(jié)點(diǎn)上（節(jié)點(diǎn)間距離等距dopt）轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)，端到端能量消耗就達(dá)到最小化。通過將式(10)代入式(12)，并考慮重發(fā)可得到

一個(gè)穩(wěn)定點(diǎn)的充分條件是一個(gè)極小值，該極小值通過Hessian ?2Ee-e在穩(wěn)定點(diǎn)計(jì)算得到。最佳轉(zhuǎn)發(fā)距離dopt與D無關(guān)，D為轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)和目的端之間的距離。式(13)可以解釋為距離無關(guān)和距離有關(guān)的能量消耗之間的最佳折中，并且適合于局部轉(zhuǎn)發(fā)規(guī)則。在理想信道情形且Emarg=0時(shí)，當(dāng)時(shí)，式(13)就達(dá)到最小化。

當(dāng)Eelec=50 nJ/bit，Eamp=100 pJ/(bit.m)，α=2.5時(shí)，對(duì)于理想信道來說，最佳轉(zhuǎn)發(fā)距離dopt=13.47 m。求解式(13)得到一個(gè)瑞利衰落信道上的dopt=8.00 m且Eoptmarg=86 pJ/(bit.m)，即Eoptmarg≈Eamp。因此，當(dāng)在一個(gè)瑞利衰落信道上的期望最佳轉(zhuǎn)發(fā)距離比理想信道情況低時(shí)，所需的發(fā)射功率就更高。

于是得到結(jié)論：能量最優(yōu)路徑是通過將數(shù)據(jù)分組轉(zhuǎn)發(fā)給位于dopt（單位為 m）之外連接轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)的線路上來得到的，稱這個(gè)二維平面上的點(diǎn)為最佳轉(zhuǎn)發(fā)點(diǎn)。一個(gè)實(shí)用的轉(zhuǎn)發(fā)規(guī)則應(yīng)該選擇與這一點(diǎn)有最小距離的下一跳。當(dāng)下一跳比最佳轉(zhuǎn)發(fā)點(diǎn)更接近目的節(jié)點(diǎn)時(shí)，期望的能量消耗會(huì)明顯增加。因此，在這種情況下，把下一跳選擇為離最佳轉(zhuǎn)發(fā)點(diǎn)最近的節(jié)點(diǎn)，即那些不比最佳轉(zhuǎn)發(fā)點(diǎn)更靠近目的節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)。

可靠性可通過參與者反饋信息來控制。當(dāng)事件發(fā)生時(shí)，全部傳感器都以最大轉(zhuǎn)發(fā)范圍開始傳輸。然后，根據(jù)觀察到的參與者反饋的可靠性，傳感器可以減小它們的轉(zhuǎn)發(fā)范圍，直至可靠性接近所要求的事件可靠性閾值rth，或達(dá)到最佳轉(zhuǎn)發(fā)范圍。當(dāng)在最大轉(zhuǎn)發(fā)范圍內(nèi)觀察到的可靠性較低時(shí)，參與者就啟動(dòng)網(wǎng)絡(luò)層擁塞控制程序。

3.2 基于參與者驅(qū)動(dòng)的擁塞控制

每當(dāng)參與者ai檢測(cè)到由過度時(shí)延和數(shù)據(jù)分組丟失造成非常低的可靠性時(shí)，則選擇另一個(gè)參與者重新發(fā)送來自其Voronoi圖單元中的一半傳感器的流量給這個(gè)參與者。每個(gè)參與者ak被ai分配一個(gè)權(quán)值wk，這個(gè)權(quán)值用于度量它成為一個(gè)在部分事件區(qū)域得到的流量接收者的合理性。權(quán)值

1) 擁塞因子ηk(0≤ηk≤1)。這個(gè)值反映了在參與者ak上觀察到的可靠性，即如果r＜rth-ε，則ηk=1，當(dāng)r-rth增大時(shí)，ηk單調(diào)減??；對(duì)于那些沒接收流量的參與者來說，ηk=0。其中ε表示可靠性的適當(dāng)裕量，以避免不穩(wěn)定。

2) 指向性因子δk。這個(gè)值反映了參與者ak相對(duì)于參與者ai和事件區(qū)域中心的相對(duì)角位置。

圖2說明了參與者ai正從事件區(qū)域的一部分接收數(shù)據(jù)的情況。圖2中，Cev為事件區(qū)域的中心，表示傳感器位置的加權(quán)和，位于ai的Voronoi圖單元中的事件區(qū)域的部分中心為Cev,i。在圖 2給出的事例中，事件區(qū)域被分成兩部分，且另一個(gè)參與者從事件區(qū)域的第二部分接收數(shù)據(jù)。在一般情況下，事件區(qū)域在多個(gè)參與者間被劃分，假設(shè)全局事件的中心Cev已由參與的參與者合作重建，這樣，將給予位于關(guān)于Cev,i的ai的同方向的參與者更高的權(quán)值，因?yàn)檫@將導(dǎo)致在ai方向的流量增加，或在關(guān)于Cev,i的Cev方向的流量增加，從而增加事件區(qū)域的流量；相反，對(duì)于遠(yuǎn)離這2個(gè)方向（圖2中的最佳方向）的那些參與者的指向性因子應(yīng)該是最大的。角度α、β和θk分別描述了Cev,i與ai、Cev和ak的相對(duì)角位置。

圖2 指向性因子δi的計(jì)算

參與者ak的指向性因子的計(jì)算式為

一個(gè)擁塞的參與者ai選擇具有最小權(quán)值wk?的最佳參與者ak?。然后，參與者ai計(jì)算并告知ak?的一個(gè)新的虛擬位置給其 Voronoi圖單元中的傳感器。虛擬位置必須位于連接參與者的實(shí)際位置xk?和事件區(qū)域Cev,i的線路上，而且對(duì)應(yīng)于Cev,i中的一半傳感器更接近于ai的點(diǎn)，而另一半傳感器更接近于ak?。每個(gè)傳感器將選擇其接收參與者，對(duì)于參與者ak?，采用虛擬位置而實(shí)際位置xk?仍用于執(zhí)

3) 距離因子Δk。它是參與者距離事件中心Cev,i的距離，歸一化為監(jiān)控區(qū)域的直徑，即當(dāng)距離最大時(shí)，Δk=1。行實(shí)際的轉(zhuǎn)發(fā)功能。虛擬位置允許以這種方式最佳地劃分傳感器，只有那些更接近ak?的傳感器重新發(fā)送它們的流量給ak?，并通知傳感器。這個(gè)過程由在流量分割后仍然擁擠的參與者遞歸運(yùn)用。

4 參與者-參與者之間的協(xié)作通信

本節(jié)構(gòu)建多個(gè)參與者任務(wù)分配問題，其目標(biāo)是協(xié)調(diào)它們的移動(dòng)性。一般而言，選擇最好的參與者構(gòu)成參與者團(tuán)隊(duì)，并控制它們向作用區(qū)域移動(dòng)。

通過上述分析可知，生成讀數(shù)的傳感器的位置定義了事件區(qū)域。作用區(qū)域表示參與者應(yīng)當(dāng)起作用的區(qū)域，并通過處理事件數(shù)據(jù)來識(shí)別。通常情況下，事件區(qū)域和作用區(qū)域可能是不同的。

根據(jù)從作用區(qū)域收集到的事件的特征，在事件空間Ω中發(fā)生的每個(gè)事件ω可以用數(shù)組Ψ(ω)={F(ω),Pr(ω),A(ω),S(ω),I(ω),D(ω)}來描述，其中，F(xiàn)(ω)描述事件的類型，即事件所屬的類別；Pr(ω)描述的是優(yōu)先級(jí)；A(ω)描述的是事件區(qū)域，單位為 m2；S(ω)描述的是作用區(qū)域，單位為m2；I(ω)描述的是強(qiáng)度，單位為 J/m2；D(ω)描述的是作用完成的時(shí)間限制，即從事件被感知到完成相關(guān)作用的最大允許時(shí)間，單位為 s。這些確定每個(gè)發(fā)生事件的特征參數(shù)由接收傳感器信息的參與者分布式重構(gòu)，并構(gòu)成多個(gè)參與者任務(wù)分配問題的輸入；多個(gè)參與者分配問題包括選擇一個(gè)參與者團(tuán)隊(duì)和它們的速度，以最佳地劃分作用工作量，使完成作用所需的能量最小化，同時(shí)滿足作用完成的約束時(shí)間。盡管參與者是資源豐富的節(jié)點(diǎn)，但作用和移動(dòng)所需能量的數(shù)量級(jí)要高于通信所需的數(shù)量級(jí)，因此，重要的是要節(jié)省作用和移動(dòng)的能量，以延長(zhǎng)參與者的壽命周期。本文把多個(gè)參與者的分配問題構(gòu)建為一個(gè)混合整數(shù)非線性規(guī)劃（MINLP, mixed integer non-linear program）。

首先假設(shè)：1)執(zhí)行作用的能量（作用和移動(dòng)能量）比通信所需要的能量要高；2)由于缺乏資源，只有當(dāng)與更高優(yōu)先級(jí)的事件相關(guān)的作用無法完成時(shí)，才執(zhí)行任務(wù)再分配。

ηfa：參與者a在一個(gè)事件類型f∈F(ω)上執(zhí)行的效率，即用于作用區(qū)域的作用能量所產(chǎn)生的效應(yīng)與作用能量本身之比。參與者a在事件ω發(fā)生時(shí)得到的可用能量，單位為J。

TC：協(xié)作時(shí)延，即處理事件數(shù)據(jù)、重建事件本身，并通過求解問題來選擇參與者團(tuán)隊(duì)所需要的時(shí)間，不依賴于事件，單位為s。當(dāng)事件ω發(fā)生時(shí)參與者的子集，即沒有分配給在與先前發(fā)生事件相關(guān)聯(lián)的作用區(qū)域執(zhí)行的參與者。發(fā)送數(shù)據(jù)分組給參與者a的資源總數(shù)，而是一個(gè)懲罰函數(shù)，單位為J，它對(duì)參與者a的選擇進(jìn)行加權(quán)，參與者a接收來自源的數(shù)據(jù)，是一個(gè)執(zhí)行團(tuán)隊(duì)的一部分。懲罰函數(shù)隨的增加而單調(diào)增加。

尋找

最小化

滿足條件

約束式(17)確定了參與者a移動(dòng)到由發(fā)生事件確定的作用區(qū)域所需要的能量，是移動(dòng)所需的功率和以給定速度到達(dá)作用區(qū)域所需的時(shí)間的乘積；時(shí)間為參與者離作用區(qū)域的距離與所選擇的速度的比值，即式(18)；約束式(19)限制了每個(gè)參與者的速度范圍；當(dāng)參與者a是一個(gè)參與者團(tuán)隊(duì)的一部分時(shí)，約束式(20)確定了a完成作用所需要的能量；約束式(21)確保所選擇的團(tuán)隊(duì)能夠完成分配的任務(wù)，給定組成團(tuán)隊(duì)的參與者的特點(diǎn)和事件的范圍及強(qiáng)度；約束式(22)限制執(zhí)行完成時(shí)間和需要移動(dòng)參與者團(tuán)隊(duì)所需要的時(shí)間總和要小于作用完成時(shí)間與協(xié)作時(shí)延之差；約束式(23)確保每個(gè)參與者有非負(fù)的剩余能量；約束式(24)保證至少有一個(gè)參與者作用于告知的作用區(qū)域。

5 方案性能評(píng)價(jià)及分析

5.1 傳感器-參與者之間的通信

仿真平臺(tái)采用J-Sim[17]，J-Sim采用新的進(jìn)程驅(qū)動(dòng)機(jī)制，且兼容離散事件的驅(qū)動(dòng)。J-Sim采用分裂對(duì)象模型：可用Java語言編寫網(wǎng)絡(luò)組件，采用TCL腳本來描述仿真場(chǎng)景、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及鏈路中使用的算法和協(xié)議，并對(duì)這些對(duì)象進(jìn)行配置和組合；通過 J-Sim可以很容易建立網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?、?jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)和通信行為，從而實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)仿真，達(dá)到評(píng)價(jià)網(wǎng)絡(luò)算法和協(xié)議的目的。

對(duì)于傳感器-參與者之間的通信，傳感器執(zhí)行3.1節(jié)中所描述的地理轉(zhuǎn)發(fā)算法，MAC層基于CSMA/CA，物理層執(zhí)行本文提出的功率控制過程并設(shè)定帶寬和功耗參數(shù)，類似于IEEE 802.15.4兼容無線電。監(jiān)控區(qū)域是一個(gè)200 m×200 m的正方形區(qū)域，隨機(jī)部署200個(gè)傳感器。傳感器的最大傳輸范圍設(shè)置為40 m，帶寬設(shè)置為250 kbit/s。傳感器發(fā)送56 B的數(shù)據(jù)分組，采用每秒一個(gè)數(shù)據(jù)分組的報(bào)告率，隊(duì)列大小設(shè)置為20個(gè)數(shù)據(jù)分組，仿真執(zhí)行持續(xù)400 s。

圖3和圖4分別為中、低流量情形下（即事件分別圍繞中心40 m和20 m的范圍）仿真運(yùn)行得到的平均功率消耗和端到端時(shí)延與轉(zhuǎn)發(fā)范圍的關(guān)系。事件區(qū)域?yàn)閳A形，且中心在（100 m, 100 m），在事件區(qū)域內(nèi)的傳感器報(bào)告測(cè)量值給參與者。在中流量情形下，需要對(duì)位于事件區(qū)域內(nèi)的7個(gè)傳感器求平均；在低流量情形下，大約有25個(gè)傳感器。由圖3和圖4可知，低流量情形下的平均功率消耗和端到端時(shí)延都低于中流量情形，而且在中、低流量情形下，端到端時(shí)延一開始隨著轉(zhuǎn)發(fā)范圍的增大而持續(xù)降低，這是以增加功率消耗來換取的，而后趨于穩(wěn)定。

圖3 中、低流量情形下平均功率消耗與轉(zhuǎn)發(fā)范圍的關(guān)系

圖4 中、低流量情形下端到端時(shí)延與轉(zhuǎn)發(fā)范圍的關(guān)系

圖5～圖7為高流量情形即事件范圍設(shè)置為60 m（相當(dāng)于平均57個(gè)傳感器）且事件區(qū)域完全位于一個(gè)單一的參與者 Voronoi圖單元里得到的仿真結(jié)果。仿真結(jié)果比較了一個(gè)參與者（對(duì)應(yīng)于不采用3.2節(jié)所設(shè)計(jì)的擁塞控制程序）和2個(gè)參與者（對(duì)應(yīng)于采用 3.2節(jié)所設(shè)計(jì)的擁塞控制程序）接收事件區(qū)域生成流量時(shí)的平均功率消耗、端到端時(shí)延和分組丟失率。

圖5 高流量情形下平均功耗與轉(zhuǎn)發(fā)范圍的關(guān)系

圖6 高流量情形下端到端時(shí)延與轉(zhuǎn)發(fā)范圍的關(guān)系

圖7 高流量情形下分組丟失率與轉(zhuǎn)發(fā)范圍的關(guān)系

從圖5～圖7可以看到，在不采用本文提出的擁塞控制程序時(shí)，由于事件區(qū)域本身是擁擠的，因此數(shù)據(jù)分組被丟棄的比例較高，如圖7所示，大約為14%～43%。同時(shí)端到端時(shí)延平均增加了約1 s，且不易通過改變轉(zhuǎn)發(fā)范圍來控制，如圖6所示。相反，當(dāng)采用本文提出的擁塞控制程序時(shí)，將事件數(shù)據(jù)在2個(gè)參與者之間進(jìn)行劃分，擁塞可以大大降低，這是由于大多數(shù)擁塞和分組丟失發(fā)生事件區(qū)域的多個(gè)節(jié)點(diǎn)嘗試同時(shí)發(fā)送，當(dāng)在事件區(qū)域的另一側(cè)的第二個(gè)參與者接收數(shù)據(jù)時(shí)，擁塞就得到了顯著的改善，因?yàn)榱髁繌氖录^(qū)域被轉(zhuǎn)移了，所以分組丟失率接近于0，如圖7所示，平均時(shí)延也降低了近2個(gè)數(shù)量級(jí)，且可以采用功率控制來調(diào)節(jié)，如圖 6所示。重要的是，即使第二個(gè)參與者遠(yuǎn)離事件區(qū)域，數(shù)據(jù)分組過早地在它們的源參與者路徑上被丟棄，功耗也會(huì)通過擁塞控制程序被降低，主要是由于在MAC層上減少了數(shù)據(jù)分組的重傳，如圖5所示。

5.2 參與者-參與者之間的協(xié)作通信

假設(shè)參與者隨機(jī)部署在200 m×200 m的區(qū)域，事件強(qiáng)度I=0.5 J/m2，作用范圍S=42π m2隨機(jī)出現(xiàn)在整個(gè)區(qū)域，設(shè)置作用完成時(shí)間限制D(ω)和協(xié)作時(shí)延TC分別為14 s和1 s?？紤]同類參與者的情形，其β=0.05 W/(m.s-1)，γ=1.5，效率η=1，作用功率l=1 W/m2，初始能量E0=1 000 J，速度為3～12 m/s。

圖8和圖9分別為能量消耗和時(shí)延與最大團(tuán)隊(duì)規(guī)模之間的關(guān)系，圖10為能量消耗與構(gòu)成一個(gè)團(tuán)隊(duì)的參與者的數(shù)目固定且等于團(tuán)隊(duì)大小的關(guān)系。可以看出，當(dāng)參與一個(gè)執(zhí)行團(tuán)隊(duì)的參與者數(shù)目最優(yōu)以使總的能量消耗（即移動(dòng)能量EM和執(zhí)行能量EΩ的總和）最小時(shí)，則至少需要3個(gè)參與者來完成執(zhí)行，如圖8所示。且總的執(zhí)行時(shí)間正好是作用完成時(shí)間限制D(ω)減去協(xié)作時(shí)延TC，即13 s，如圖9所示。問題趨于使參與的參與者數(shù)目最小化，并將更高的速度分配給那些更接近作用鄰區(qū)域的參與者。這可以通過考慮每次一個(gè)參與者需要移動(dòng)所消耗的一個(gè)固定大小的功率來解釋，無論其速度如何。相反，當(dāng)全部參與者必須成為團(tuán)隊(duì)的一部分時(shí)，執(zhí)行時(shí)間是以犧牲能量消耗為代價(jià)來減少的，如圖10所示。

圖8 能量消耗與最大團(tuán)隊(duì)規(guī)模的關(guān)系

圖9 時(shí)延與最大團(tuán)隊(duì)規(guī)模的關(guān)系

圖10 能量消耗與團(tuán)隊(duì)規(guī)模的關(guān)系

5.3 與文獻(xiàn)[6]提出的單純事務(wù)管理模型的比較

本節(jié)給出采用本文提出的通信模型與文獻(xiàn)[6]提出的單純事務(wù)管理模型在中等流量情形下（大約25個(gè)傳感器）的比較結(jié)果。圖11為2種模型在平均時(shí)延、節(jié)點(diǎn)能量消耗和分組丟失率方面的仿真結(jié)果。

圖11 本文提出的通信模型和文獻(xiàn)[6]提出的單純事務(wù)管理模型的比較

從圖 11(a)和圖 11(b)可以看出，由于本文提出的通信模型既考慮了節(jié)點(diǎn)間的數(shù)據(jù)路由和交換問題，同時(shí)也考慮了節(jié)點(diǎn)和參與者之間及參與者和參與者之間的通信機(jī)制，因此在平均時(shí)延和節(jié)點(diǎn)能量消耗方面均優(yōu)于文獻(xiàn)[6]的單純事務(wù)管理模型，而且當(dāng)達(dá)到一定節(jié)點(diǎn)數(shù)時(shí)，隨著節(jié)點(diǎn)數(shù)的增加（對(duì)應(yīng)流量增加），本文提出的通信模型在平均時(shí)延和節(jié)點(diǎn)能量消耗方面增加并不明顯，說明本文提出的通信模型是頑健的和可擴(kuò)展的。

圖11(c)為2種模型在高流量和事件范圍20 m及一個(gè)參與者和2個(gè)參與者情形下得到的分組丟失率仿真結(jié)果。由圖11可知，盡管2種模型的分組丟失率隨著傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)的增多而增大，但本文提出的通信模型無論在一個(gè)參與者還是2個(gè)參與者時(shí)都要低于文獻(xiàn)[6]提出的單純事務(wù)管理模型。特別是在一個(gè)參與者時(shí)，由于文獻(xiàn)[6]提出的單純事務(wù)管理模型使用了節(jié)點(diǎn)緩存機(jī)制，隨著傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)的增加，需要維持各個(gè)節(jié)點(diǎn)的提交矩陣，導(dǎo)致動(dòng)態(tài)內(nèi)存消耗增加而出現(xiàn)緩沖溢出，從而增大分組丟失率；而在2個(gè)參與者時(shí)，當(dāng)傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)較少時(shí)，文獻(xiàn)[6]提出的單純事務(wù)管理模型盡管使用了節(jié)點(diǎn)緩存機(jī)制，但2個(gè)參與者有足夠的緩存接納各個(gè)節(jié)點(diǎn)的提交矩陣，所以其分組丟失率非常接近本文提出的通信模型的分組丟失率，但仍高于本文提出的通信模型的分組丟失率。

6 結(jié)束語

本文研究了具有移動(dòng)參與者的無線傳感器和參與者網(wǎng)絡(luò)中的通信問題，并針對(duì)傳感器-參與者之間和參與者-參與者之間的協(xié)作通信問題提出了有效的解決方案。首先，采用傳感器最小能量消耗，提出了一個(gè)主動(dòng)位置管理方案來處理參與者的移動(dòng)性；然后，基于地理路由，提出了一種傳感器-參與者之間通信的有效節(jié)能解決方案，并給出了如何基于功率控制來控制數(shù)據(jù)傳輸過程的時(shí)延，以及如何通過迫使多個(gè)參與者共享事件區(qū)域產(chǎn)生的流量來處理網(wǎng)絡(luò)擁塞；最后，基于事件的特征，提出了一種參與者-參與者之間的協(xié)作通信模型來協(xié)調(diào)它們之間的運(yùn)動(dòng)。結(jié)果表明，本文提出的關(guān)于 WSAN的通信機(jī)制在減少端到端時(shí)延、能量消耗和分組丟失率方面是有效的。未來將針對(duì)選擇最佳參與者來形成參與者團(tuán)隊(duì)，以執(zhí)行特定要求的作用，并驅(qū)動(dòng)參與者向相關(guān)的區(qū)域移動(dòng)進(jìn)行深入研究。