基于超空泡混沌預(yù)測(cè)機(jī)制的移動(dòng)傳感網(wǎng)高速傳輸算法

王 龍， 孫瑞娟

(1.山西農(nóng)業(yè)大學(xué)信息學(xué)院， 晉中 030800； 2.山西農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院， 晉中 030800)

以長期演進(jìn)LTE-5G(long term evolution-5G)為特色的超高速網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)亦極大地對(duì)當(dāng)前常用的區(qū)塊鏈、移動(dòng)傳感網(wǎng)、高速物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)生了強(qiáng)烈的推動(dòng)作用[1]。特別是最新的傳感網(wǎng)技術(shù)均廣泛引入LTE-5G傳輸解決方案，能夠顯著提高傳感網(wǎng)數(shù)據(jù)采集速率，且能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的高速采集及傳輸，極大地推動(dòng)了經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型的效果，成為國民經(jīng)濟(jì)新的增長極[2]。

然而，基于LTE-5G傳輸技術(shù)為代表的傳感網(wǎng)也有存在較多的不足之處，這主要是由于LTE-5G技術(shù)所特有的超帶寬傳輸及高信號(hào)漂移特性所決定的，實(shí)踐中往往導(dǎo)致傳感網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)嚴(yán)重的捕捉困難及傳輸抖動(dòng)現(xiàn)象，制約了移動(dòng)傳感網(wǎng)從傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)向LTE-5G技術(shù)進(jìn)行升級(jí)。

為改善這種不利的情況，研究者提出了若干解決方案，在一定程度上提高了移動(dòng)傳感網(wǎng)的適應(yīng)性。Lipiński等[3]基于超寬帶鏈路穩(wěn)定模型，提出了一種基于跳板節(jié)點(diǎn)穩(wěn)定機(jī)制的移動(dòng)傳感網(wǎng)高速傳輸算法，該算法主要通過跳板節(jié)點(diǎn)之間鏈路編碼調(diào)整的方式，采用統(tǒng)一捕捉機(jī)制，實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)中高速移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的快速捕捉，以達(dá)到迅速獲取跳板鏈路狀態(tài)并進(jìn)行調(diào)整的目的，算法實(shí)現(xiàn)較為簡(jiǎn)單，具有很強(qiáng)的實(shí)際部署價(jià)值。但是，該算法需要通過區(qū)域分割方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，網(wǎng)絡(luò)傳輸拓?fù)涫諗恳筝^高，難以進(jìn)一步提高數(shù)據(jù)捕捉及傳輸速率。Shan等[4]基于拉普拉斯鏈路預(yù)測(cè)模型，提出了一種基于信號(hào)漂移頻率捕捉機(jī)制的移動(dòng)傳感網(wǎng)高速傳輸算法，該算法主要通過獵取移動(dòng)傳感網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的多普勒頻率移動(dòng)，能夠精確捕捉節(jié)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡，實(shí)現(xiàn)對(duì)移動(dòng)傳感節(jié)點(diǎn)的高速捕捉，具有良好的傳輸性能。然而，該算法針對(duì)鏈路穩(wěn)定性能預(yù)測(cè)不足，傳輸過程中鏈路抖動(dòng)率較高，數(shù)據(jù)超高速傳輸性能較差。Tang等[5]針對(duì)當(dāng)前算法難以同時(shí)進(jìn)行節(jié)點(diǎn)捕捉及超高速傳輸?shù)牟蛔悖岢隽艘环N基于拓?fù)?傳輸統(tǒng)籌機(jī)制的移動(dòng)傳感網(wǎng)高速傳輸算法，其通過鏈路預(yù)測(cè)機(jī)制實(shí)現(xiàn)對(duì)傳輸鏈路的動(dòng)態(tài)調(diào)整；能夠?qū)⒕W(wǎng)絡(luò)拓?fù)錉顟B(tài)以廣播形式進(jìn)行全網(wǎng)傳輸，大大降低了節(jié)點(diǎn)信息不對(duì)稱所導(dǎo)致的網(wǎng)絡(luò)擁塞現(xiàn)象，從而達(dá)成數(shù)據(jù)的超高速傳輸，復(fù)雜信道條件下的適用性很強(qiáng)。但是，該算法需要通過預(yù)設(shè)大量的預(yù)測(cè)節(jié)點(diǎn)的方式進(jìn)行鏈路預(yù)測(cè)，網(wǎng)絡(luò)資源整體利用較低，容易導(dǎo)致嚴(yán)重的資源浪費(fèi)。

考慮到當(dāng)前機(jī)制存在的不足，本文提出了一種基于超空泡混沌預(yù)測(cè)機(jī)制的移動(dòng)傳感網(wǎng)高速傳輸算法。首先，通過能量-慣性機(jī)制實(shí)現(xiàn)對(duì)節(jié)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)的拓?fù)湫螒B(tài)進(jìn)行精確追蹤，且采用三角定位方式進(jìn)一步提升追蹤的精確性，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)鏈路抖動(dòng)的初次穩(wěn)定。隨后，鑒于當(dāng)前機(jī)制難以掃描到超空泡區(qū)域的不足之處，采取角度映射與跳板節(jié)點(diǎn)相結(jié)合的方式繞過超空泡區(qū)域，提高鏈路的穩(wěn)定性，增強(qiáng)了上傳性能。最后，通過MATLAB仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，證明了本文算法的有效性。

1 本文網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及功率發(fā)射模型

1.1 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

移動(dòng)傳感網(wǎng)主要采用LTE-5G信號(hào)制式，節(jié)點(diǎn)具有很強(qiáng)的流動(dòng)性，因此實(shí)踐中移動(dòng)傳感網(wǎng)均不采用隨機(jī)布點(diǎn)模型[6]，一般使用如下網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，見圖1。

(1)傳感節(jié)點(diǎn)傳輸頻率不低于2.048 GHz，網(wǎng)絡(luò)中出現(xiàn)位置隨機(jī)[7]。

(2)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)不采取分割機(jī)制，但網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)分布地域預(yù)先進(jìn)行分割[8]。

(3)傳感節(jié)點(diǎn)間鏈路采用多跳模型，即傳感節(jié)點(diǎn)均需要通過跳板傳輸模式進(jìn)行數(shù)據(jù)采集及上傳[9]。

(4)傳感節(jié)點(diǎn)具有能量受限限特性，即當(dāng)傳感節(jié)點(diǎn)自帶能源耗盡時(shí)，需要通過補(bǔ)充能源的方式維持工作，在能源補(bǔ)充完畢前將暫時(shí)退出數(shù)據(jù)采集過程。

1.2 功率發(fā)射模型

由圖1可知，移動(dòng)傳感網(wǎng)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸均采用無線方式，且跳板節(jié)點(diǎn)需要在覆蓋范圍內(nèi)時(shí)方能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的上傳[10]。此外，由于移動(dòng)傳感網(wǎng)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)主要耗費(fèi)于數(shù)據(jù)采集、接收、傳輸之用，因此實(shí)踐中不考慮節(jié)點(diǎn)處理數(shù)據(jù)過程中的能耗[11]，a節(jié)點(diǎn)發(fā)射kMbit數(shù)據(jù)到b節(jié)點(diǎn)的能量消耗E(a,b)為

E(a,b)=kE0+∮klsds

(1)

則b節(jié)點(diǎn)接收過程中消耗的能量Erec(b)為

Er(b)=kE0

(2)

式(1)、式(2)中：E(a,b)代表節(jié)點(diǎn)a發(fā)射數(shù)據(jù)到節(jié)點(diǎn)b的消耗能量；Er(b)為節(jié)點(diǎn)b接收過程所產(chǎn)生的消耗能量；E0表示a節(jié)點(diǎn)發(fā)射數(shù)據(jù)時(shí)基礎(chǔ)能耗；k表示發(fā)射系數(shù)，實(shí)踐中該系數(shù)可隨著鏈路抖動(dòng)現(xiàn)象的發(fā)而動(dòng)態(tài)調(diào)整，一般不超過5；l表示a節(jié)點(diǎn)和b節(jié)點(diǎn)間的距離；s表示a節(jié)點(diǎn)和b節(jié)點(diǎn)間的路徑積分，理想狀態(tài)下為直線。

路徑上的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)射時(shí)亦需要消耗能量，若跳板節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)為1時(shí)，能量消耗水平一般為式(1)、式(2)的總和，即路徑能量消耗Et(a,b)為

Et(a,b)=2kE0+∮klsds

(3)

式(3)中：Et(a,b)代表節(jié)點(diǎn)a到節(jié)點(diǎn)b的路徑消耗能量。

若傳輸路徑上節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)不唯一，見圖2；不妨設(shè)傳輸路徑上跳板節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)為m，結(jié)合式(1)～式(3)可知，若a節(jié)點(diǎn)和b節(jié)點(diǎn)間有m個(gè)跳板節(jié)點(diǎn)時(shí)，進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)目偰芰肯腅max(a,b)為

(4)

式(4)中:i代表節(jié)點(diǎn)的編號(hào)。

通過式(4)能夠確切地獲取移動(dòng)傳感網(wǎng)采集數(shù)據(jù)時(shí)所消耗的總能量，若傳輸過程中跳板節(jié)點(diǎn)過多，或因鏈路抖動(dòng)而導(dǎo)致頻繁更換傳輸路徑，則用于式(3)上的能量消耗將不斷增加。因此，要實(shí)現(xiàn)移動(dòng)傳感網(wǎng)數(shù)據(jù)的高速傳輸，必須同時(shí)從路徑和能耗兩個(gè)方面，以便能夠?qū)崿F(xiàn)能耗受控條件下的高質(zhì)量傳輸。

圖2 拓?fù)鋫鬏擣ig.2 Topological transmission

2 本文移動(dòng)傳感網(wǎng)高速傳輸算法

考慮到當(dāng)前常用機(jī)制存在的不足之處，特別是采取單純傳輸機(jī)制存在一定的弊端，鑒于此，提出了一種基于超空泡混沌預(yù)測(cè)機(jī)制的移動(dòng)傳感網(wǎng)高速傳輸算法，其過程見圖3，主要分為2個(gè)步驟：①傳輸拓?fù)湫螒B(tài)預(yù)測(cè)，該流程主要通過能量-慣性機(jī)制實(shí)現(xiàn)對(duì)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)位置的精確捕捉，使用三角定位方式對(duì)節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行修正，大大改善了因節(jié)點(diǎn)高速流動(dòng)而產(chǎn)生的鏈路抖動(dòng)現(xiàn)象；②基于超空泡消除機(jī)制的鏈路穩(wěn)定，該流程主要鑒于當(dāng)前算法對(duì)移動(dòng)傳感網(wǎng)拓?fù)湫螒B(tài)中存在的超空泡區(qū)域難于解決的問題，通過角度映射的方式改善鏈路中跳板節(jié)點(diǎn)間存在的超空泡現(xiàn)象，進(jìn)一步提高移動(dòng)鏈路的穩(wěn)定性能，增強(qiáng)算法的數(shù)據(jù)上傳質(zhì)量。

圖3 本文算法的傳輸過程Fig.3 The transmission process of the algorithm in this paper

2.1 傳輸拓?fù)湫螒B(tài)預(yù)測(cè)

移動(dòng)傳感網(wǎng)在進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，配備北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的移動(dòng)節(jié)點(diǎn)i需要周期性地將自身地理位置信息傳輸?shù)诫x自己最近的3個(gè)固定節(jié)點(diǎn)，這三個(gè)固定節(jié)點(diǎn)采用三角定位方式實(shí)現(xiàn)對(duì)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)地理位置的精確捕捉，見圖4。根據(jù)文獻(xiàn)[11]可知，該過程中移動(dòng)節(jié)點(diǎn)i用于路徑穩(wěn)定所消耗的能量Emov(i)為

Emov(i)=E0+128μlg(l/R)+ξ

(5)

式(5)中：E0為節(jié)點(diǎn)發(fā)射數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)能耗；μ表示環(huán)境衰減參量，可以通過測(cè)量獲取，一般取1～3；l表示移動(dòng)節(jié)點(diǎn)i到固定節(jié)點(diǎn)的最大距離；R表示移動(dòng)節(jié)點(diǎn)i的最大覆蓋半徑；ξ為信道衰減因子，在高衰落信道中一般為萊斯分布，在低衰落信道中一般為高斯分布，實(shí)踐中以拉普拉斯分布居多。

固定節(jié)點(diǎn)在接收到移動(dòng)節(jié)點(diǎn)i數(shù)據(jù)時(shí)消耗的能量E′(i)為

E′(i)=P+G-128μlg(l/R)-ξ

(6)

式(6)中:P表示固定節(jié)點(diǎn)的發(fā)射功率；G表示信道增益。

聯(lián)合式(5)、式(6)，則移動(dòng)節(jié)點(diǎn)i的最佳覆蓋半徑Rw為[12]

Rw=eP+G-128μlg(l/R)-ξ

(7)

考慮到移動(dòng)傳感網(wǎng)中節(jié)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)具有一定的慣性，即下一時(shí)刻節(jié)點(diǎn)的地理位置必定處于某個(gè)跳板節(jié)點(diǎn)的覆蓋范圍之內(nèi)。不妨設(shè)當(dāng)前t時(shí)刻的節(jié)點(diǎn)i的坐標(biāo)為(xt，yt)，前一時(shí)刻Δt的節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)為(xΔt，yΔt)，若節(jié)點(diǎn)i的最佳覆蓋半徑Rw小于其最大覆蓋半徑，則當(dāng)前時(shí)刻節(jié)點(diǎn)i的運(yùn)動(dòng)位置(vx，vy)為

(8)

(9)

經(jīng)過下一時(shí)刻節(jié)點(diǎn)i的運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)(vx，vy)可由如下函數(shù)來獲?。?/p>

(10)

(11)

圖4 傳輸拓?fù)湫螒B(tài)的預(yù)測(cè)Fig.4 Prediction of transmission topology form

2.2 基于超空泡消除機(jī)制的鏈路穩(wěn)定

通過式(10)、式(11)能迅速實(shí)現(xiàn)對(duì)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)i的移動(dòng)軌跡捕捉，但是單純采取即時(shí)捕捉的方式難以實(shí)現(xiàn)對(duì)全部節(jié)點(diǎn)進(jìn)行拓?fù)洳蹲剑?dāng)僅當(dāng)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)i與最終接收節(jié)點(diǎn)的鏈路上跳板節(jié)點(diǎn)距離相等時(shí)，其能耗將最低[13]，此時(shí)的最佳距離d為

(12)

式(12)中:E0表示i節(jié)點(diǎn)發(fā)射數(shù)據(jù)時(shí)基礎(chǔ)能耗；G表示信道增益；n為信道個(gè)數(shù)。

當(dāng)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)i通過搜尋最佳距離d內(nèi)的跳板節(jié)點(diǎn)時(shí)，由于跳板節(jié)點(diǎn)往往處于不均勻分布狀態(tài)；若移動(dòng)節(jié)點(diǎn)i希望與最終接收節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，則需要跳板節(jié)點(diǎn)的協(xié)助方能順利實(shí)現(xiàn)信號(hào)發(fā)射與接收，見圖5。若兩者之間距離大于d，則首先從移動(dòng)節(jié)點(diǎn)i出發(fā)，搜尋覆蓋范圍在d內(nèi)的跳板節(jié)點(diǎn)j；跳板節(jié)點(diǎn)在收到移動(dòng)節(jié)點(diǎn)i發(fā)射的信號(hào)后，繼續(xù)按照d為覆蓋范圍搜尋下一個(gè)跳板節(jié)點(diǎn)，直到移動(dòng)節(jié)點(diǎn)i與最終接收節(jié)點(diǎn)間的鏈路建立為止；若移動(dòng)節(jié)點(diǎn)i與最終接收節(jié)點(diǎn)間距離小于d，則直接進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

圖5 鏈路穩(wěn)定結(jié)構(gòu)Fig.5 Link Stabilization Architecture

為降低節(jié)點(diǎn)間傳輸鏈路因跳板節(jié)點(diǎn)分布不均勻而導(dǎo)致的傳輸抖動(dòng)問題，采取角度映射的方式穩(wěn)定傳輸鏈路，詳細(xì)過程如下：以移動(dòng)節(jié)點(diǎn)i為中心進(jìn)行掃描，且以i為直角坐標(biāo)系原點(diǎn)，橫軸為移動(dòng)節(jié)點(diǎn)i與最終接收節(jié)點(diǎn)m之間的連線；設(shè)m的位置為(xm，ym)，則跳板節(jié)點(diǎn)j和跳板節(jié)點(diǎn)g的坐標(biāo)(xj，yj)和(xg，yg)分別為

xj=d

(13)

yj=0

(14)

(15)

(16)

式中：l表示移動(dòng)節(jié)點(diǎn)i到最終接收節(jié)點(diǎn)m之間的距離；d為最佳距離。

由于最佳拓?fù)渚嚯x可能不是直線，且搜尋過程實(shí)際上是按照極坐標(biāo)方式進(jìn)行角度搜索，即搜尋節(jié)點(diǎn)過程中需要獲取跳板節(jié)點(diǎn)相對(duì)于移動(dòng)節(jié)點(diǎn)i之間的角度。顯然單純按照直接搜尋的方式容易出現(xiàn)超空泡現(xiàn)象，見圖6，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)i在搜尋過程中，由于跳板節(jié)點(diǎn)分布不均衡導(dǎo)致出現(xiàn)嚴(yán)重的超空泡現(xiàn)象?？张菁爸車鷧^(qū)域由于跳板節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)極少，且跳板節(jié)點(diǎn)難以直接覆蓋，導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸過程中容易因空泡的存在而導(dǎo)致頻繁出現(xiàn)鏈路重定向的問題。由圖5可知對(duì)于任意跳板節(jié)點(diǎn)而言，A、B區(qū)域即為空泡區(qū)域，旋轉(zhuǎn)角可由如下方式獲取：

(17)

(18)

式中：R表示節(jié)點(diǎn)當(dāng)前最大覆蓋半徑;d為式(12)的最佳距離；v1和v2表示相鄰的跳板節(jié)點(diǎn)，見圖6。

圖6 超空泡現(xiàn)象Fig.6 Supercavitation phenomenon

整個(gè)高速傳輸?shù)脑敿?xì)過程如下。

Step1跳板節(jié)點(diǎn)按照式(7)所示獲取最佳覆蓋半徑，并按式(12)來獲取最佳覆蓋距離。

Step2任意跳板節(jié)點(diǎn)按照式(13)～式(16)所示過程獲取自身坐標(biāo)并進(jìn)行全網(wǎng)廣播。

Step3對(duì)于任意跳板節(jié)點(diǎn)g，首先通過式(17)～式(18)獲取超空泡區(qū)域的存在方位，見圖6。

Step4跳板節(jié)點(diǎn)g在完成Step 2并獲取自身坐標(biāo)后，根據(jù)Step 3 中獲取的超空泡區(qū)域，繞過該區(qū)域，并與區(qū)域附近的任一跳板節(jié)點(diǎn)建立連通鏈路。

Step5按上述步驟所示，首先在跳板節(jié)點(diǎn)間組網(wǎng)完畢，若組網(wǎng)過程中存在超空泡區(qū)域，則轉(zhuǎn)下一步；反之，算法反復(fù)執(zhí)行Step 1、Step 2。

Step6再按式(8)～式(11)所示進(jìn)行移動(dòng)節(jié)點(diǎn)i的初定位，節(jié)點(diǎn)通過搜尋跳板節(jié)點(diǎn)，將其接入移動(dòng)傳感網(wǎng)，算法結(jié)束。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

為體現(xiàn)本文算法的性能，采用MATLAB平臺(tái)進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。對(duì)照組為當(dāng)前移動(dòng)傳感網(wǎng)高速傳輸中常用的啟發(fā)式高帶寬傳輸(heuristic high bandwidth transmission，HHBT)算法[14]及拓?fù)淇斩葱拚齻鬏?topological cavity modified transmission，TCMT)算法[15]，性能采取上傳帶寬、節(jié)點(diǎn)平均能耗、丟包頻率、數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量四個(gè)指標(biāo)，采用高斯信道、萊斯信道模擬普通干擾環(huán)境及高干擾環(huán)境，參數(shù)如表1。

表1 仿真參數(shù)Table 1 Simulation parameter

3.1 上傳帶寬

圖7 三種算法的上傳帶寬能力測(cè)試Fig.7 Upload bandwidth capability test of three algorithms

圖7為本文算法與HHBT算法及TCMT算法在節(jié)點(diǎn)移動(dòng)速度不斷增加的情況下，分別在高斯信道和萊斯信道條件下的上傳帶寬測(cè)試結(jié)果。由圖7可知，隨著節(jié)點(diǎn)移動(dòng)速度不斷增加，本文算法與對(duì)照組算法均出現(xiàn)上傳帶寬抖動(dòng)下降的現(xiàn)象，這是由于隨著節(jié)點(diǎn)移動(dòng)速度的不斷增加，節(jié)點(diǎn)經(jīng)過超空泡區(qū)域的概率也隨之增加，導(dǎo)致出現(xiàn)擁塞的概率也相應(yīng)增加；此外，由于節(jié)點(diǎn)速度不斷增加，鏈路穩(wěn)定性也隨之下降，因此網(wǎng)絡(luò)上傳數(shù)據(jù)的能力也呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。但是，本文算法的上傳帶寬始終高于對(duì)照組算法，且波動(dòng)較低；這是由于本文算法針對(duì)傳輸區(qū)域存在的超空泡現(xiàn)象涉及了基于超空泡消除機(jī)制的鏈路穩(wěn)定流程，采用角度映射的方式降低鏈路在超空泡區(qū)域內(nèi)存在的抖動(dòng)現(xiàn)象，且能夠采用基于能量-慣性機(jī)制對(duì)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行精確捕捉，進(jìn)一步降低因節(jié)點(diǎn)流動(dòng)而產(chǎn)生的鏈路抖動(dòng)現(xiàn)象，因而數(shù)據(jù)上傳鏈路質(zhì)量較高，上傳能力較強(qiáng)。HHBT算法主要通過主備機(jī)制進(jìn)行鏈路選擇，難以對(duì)超空泡區(qū)域進(jìn)行規(guī)避，傳輸鏈路存在嚴(yán)重的抖動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)。TCMT算法雖然可規(guī)避拓?fù)鋮^(qū)域內(nèi)存在的空泡現(xiàn)象，但其采用被動(dòng)修復(fù)機(jī)制進(jìn)行鏈路自愈，若鏈路處于嚴(yán)重抖動(dòng)狀態(tài)時(shí)將停止數(shù)據(jù)上傳，限制了其數(shù)據(jù)上傳性能。

3.2 節(jié)點(diǎn)平均能耗

圖8 節(jié)點(diǎn)平均能耗測(cè)試結(jié)果Fig.8 Test results of nodes average energy consumption

圖8為本文算法與HHBT算法及TCMT算法在節(jié)點(diǎn)移動(dòng)速度不斷增加的情況下，分別在高斯信道和萊斯信道條件下的節(jié)點(diǎn)平均能耗測(cè)試結(jié)果。由圖8可知，雖然本文算法同HHBT算法及TCMT算法在節(jié)點(diǎn)移動(dòng)速度不斷增加的情況下，節(jié)點(diǎn)平均能耗均呈現(xiàn)不斷增加的態(tài)勢(shì)，然而本文算法節(jié)點(diǎn)平均能耗均要顯著低于對(duì)照組機(jī)制，且在信道條件處于惡劣條件下更為明顯，見圖8(b)；這是由于本文算法在節(jié)點(diǎn)傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，能夠通過超空泡消除機(jī)制及時(shí)消除鏈路抖動(dòng)乃至中斷風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)于相同的采集數(shù)據(jù)而言可以更為節(jié)約能源的方式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，因而節(jié)點(diǎn)平均能耗較低。HHBT算法在出現(xiàn)區(qū)域空泡現(xiàn)象時(shí)由于僅采用單純的備份機(jī)制實(shí)現(xiàn)對(duì)鏈路的更換，然而更換過程中未對(duì)鏈路在下一周期內(nèi)的抖動(dòng)進(jìn)行評(píng)估，因此節(jié)點(diǎn)因鏈路抖動(dòng)而需要重傳的數(shù)據(jù)較多，平均能耗也隨之提升。TCMT算法僅采用簡(jiǎn)單自愈機(jī)制進(jìn)行鏈路修復(fù)，且修復(fù)過程與數(shù)據(jù)傳輸是處于相互排斥的狀態(tài)，節(jié)點(diǎn)傳輸數(shù)據(jù)的時(shí)候需要更多的能量，使得節(jié)點(diǎn)平均能耗水平較高。

3.3 丟包頻率

圖9為本文算法與HHBT算法及TCMT算法在信道信噪比不斷增加的情況下，分別在高斯信道和萊斯信道條件下的丟包頻率的仿真對(duì)比，由圖9可知，本文算法在兩種信道條件下的丟包頻率均處于較低水平；這是由于本文算法節(jié)點(diǎn)平均能耗較低，且上傳帶寬性能較好，因此本文算法的數(shù)據(jù)報(bào)文投遞能力也較強(qiáng)，丟包頻率低。HHBT算法由于鏈路抖動(dòng)發(fā)生頻率要高于本文算法，且必須通過主備切換的方式實(shí)現(xiàn)鏈路重建，因此丟包頻率要低于本文算法。TCMT算法進(jìn)行鏈路自愈過程中需要暫停數(shù)據(jù)傳輸直到鏈路完全聯(lián)通，該過程需要暫停數(shù)據(jù)報(bào)文投遞，因此TCMT算法的丟包頻率亦要高于本文算法。

圖9 丟包頻率測(cè)試結(jié)果Fig.9 The test results of packet loss frequency

圖10 傳輸質(zhì)量測(cè)試Fig.10 Transmission quality test

3.4 數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量

圖10(a)為待傳輸?shù)膱D片數(shù)據(jù)，傳輸過程中信號(hào)放大增益為100 dB。圖10(b)～圖10(d)分別為本文算法、HHBT及TCMT算法所接收到的數(shù)據(jù)。由圖10可知，本文算法接收到的圖像數(shù)據(jù)較為清晰，存在輕微噪聲干擾，而HHBT算法的接收數(shù)據(jù)存在較多的噪聲，丟失了較多細(xì)節(jié)，見圖10(c)， TCMT算法雖然具有較好的抗噪能力，但是圖像較為模糊，丟失部分紋理細(xì)節(jié)，見圖10(d)。這是由于本文算法采用了超空泡消除機(jī)制，能夠穩(wěn)定傳輸節(jié)點(diǎn)，擴(kuò)大傳輸帶寬，因而抗信道干擾能力較強(qiáng)，最大限度地阻礙了信道噪聲的混入，故傳輸數(shù)據(jù)的質(zhì)量較高。HHBT算法雖然采取了沒有針對(duì)空泡存續(xù)期間的數(shù)據(jù)傳輸進(jìn)行穩(wěn)定，容易導(dǎo)致信道噪聲的竄入，因而傳輸質(zhì)量較低。TCMT算法雖然對(duì)空泡區(qū)域進(jìn)行了選優(yōu)處理，然而該機(jī)制同樣沒有對(duì)傳輸跳板節(jié)點(diǎn)進(jìn)行選優(yōu)，容易出現(xiàn)鏈路抖動(dòng)現(xiàn)象，導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量不佳，因而傳輸質(zhì)量要差于本文算法。

4 結(jié)論

針對(duì)當(dāng)前移動(dòng)傳感網(wǎng)高速傳輸方案中存在的不足之處，提出了一種基于超空泡混沌預(yù)測(cè)機(jī)制的移動(dòng)傳感網(wǎng)高速傳輸算法，主要通過傳輸拓?fù)湫螒B(tài)預(yù)測(cè)及超空泡消除機(jī)制等兩個(gè)流程，改善節(jié)點(diǎn)高速運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下存在的數(shù)據(jù)抖動(dòng)現(xiàn)象，且能夠顯著解決拓?fù)湫螒B(tài)中存在的超空泡區(qū)域內(nèi)傳輸難題，大大改善了算法的鏈路穩(wěn)定性，具有很強(qiáng)的數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量。

下一步，將針對(duì)本文算法難以適應(yīng)節(jié)點(diǎn)密集狀態(tài)的不足，擬引入節(jié)點(diǎn)共型映射機(jī)制，提升算法中節(jié)點(diǎn)及鏈路在高流動(dòng)性條件下的穩(wěn)定性能，進(jìn)一步促進(jìn)算法在實(shí)踐中的應(yīng)用。