杜剛

摘 要：在現(xiàn)如今無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的快速發(fā)展中，其存在的問(wèn)題也隨之而來(lái)：相距無(wú)線基站一跳的節(jié)點(diǎn)由于考慮盡可能縮短跳數(shù)，導(dǎo)致其在傳輸信息和數(shù)據(jù)的過(guò)程中，既作為基站傳輸樞紐又要作為其他節(jié)點(diǎn)的中繼站，過(guò)度的負(fù)荷導(dǎo)致這些節(jié)點(diǎn)快速的能量消耗，直至“消亡”。文章就這一難點(diǎn)問(wèn)題，結(jié)合無(wú)線基站移動(dòng)的區(qū)域和方式，讓更多節(jié)點(diǎn)更替作業(yè)，實(shí)現(xiàn)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的能量平衡，達(dá)到網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化的目的。

關(guān)鍵詞：無(wú)線基站移動(dòng)傳感器；能量消耗；網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化

近些年來(lái)，以傳感器為載體的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)發(fā)展迅速。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是包含無(wú)線通信、傳感器、網(wǎng)絡(luò)傳輸與基站移動(dòng)等多種學(xué)科于一體的處理信息和傳輸技術(shù)。通過(guò)網(wǎng)絡(luò)對(duì)周?chē)畔⑦M(jìn)行采集和網(wǎng)絡(luò)友好交互，能夠更好地幫助人類(lèi)處理信息和數(shù)據(jù)，并通過(guò)傳感器的節(jié)點(diǎn)跳傳來(lái)實(shí)現(xiàn)信息的快速有序傳遞，達(dá)到通信與交換的目的。但由于一跳節(jié)點(diǎn)不僅要傳輸自身的數(shù)據(jù)信息，還要被其他節(jié)點(diǎn)用作中繼站進(jìn)行“被動(dòng)服務(wù)”，這導(dǎo)致這些節(jié)點(diǎn)能量耗盡，停止工作，從而引起整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的癱瘓。相比較靜止的基站來(lái)說(shuō)，移動(dòng)基站移動(dòng)方式和目標(biāo)區(qū)域的合理設(shè)計(jì)對(duì)整體網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載平衡有著很大的作用和意義。本文在無(wú)線基站移動(dòng)傳輸?shù)幕A(chǔ)上，分析研究現(xiàn)有模型的利弊，提出改進(jìn)方式，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化。

1 無(wú)線基站移動(dòng)的傳輸模型

1.1 基站隨機(jī)移動(dòng)模型

基站隨機(jī)移動(dòng)有兩種方式，一種是在移動(dòng)物體本身配置數(shù)據(jù)收集工具，比如手機(jī)、車(chē)聯(lián)網(wǎng)中的傳感器等，目標(biāo)物體在整個(gè)無(wú)線傳輸網(wǎng)絡(luò)中隨機(jī)移動(dòng)，當(dāng)目標(biāo)物體靠近傳感器節(jié)點(diǎn)探測(cè)范圍內(nèi)時(shí)，相鄰目標(biāo)物體的節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)綄?duì)應(yīng)的目標(biāo)物體上，在通過(guò)移動(dòng)的目標(biāo)物體將數(shù)據(jù)傳送到基站。另一種方式是在傳感器網(wǎng)絡(luò)內(nèi)放置一個(gè)隨機(jī)移動(dòng)的基站，它的移動(dòng)方向和運(yùn)動(dòng)距離是隨機(jī)可變的。在基站隨機(jī)移動(dòng)模型中常用的算法有：數(shù)據(jù)騾子算法、移動(dòng)數(shù)據(jù)收集器算法、基站完全隨機(jī)移動(dòng)算法和基站部分隨機(jī)移動(dòng)算法。

數(shù)據(jù)騾子算法是指將可以移動(dòng)的目標(biāo)實(shí)體作為傳感器網(wǎng)絡(luò)中的“一跳節(jié)點(diǎn)”，即當(dāng)數(shù)據(jù)騾子靠近傳感器節(jié)點(diǎn)時(shí)，這些節(jié)點(diǎn)將自動(dòng)將需要傳遞給基站的數(shù)據(jù)信息發(fā)送到數(shù)據(jù)騾子身上，通過(guò)它們的移動(dòng)，再直接傳遞給基站，從而省去了一些節(jié)點(diǎn)的中繼傳輸，有效的避免了熱點(diǎn)問(wèn)題。但數(shù)據(jù)騾子隨機(jī)性太大，不能保證數(shù)據(jù)的及時(shí)傳輸，這種算法還存在一定的弊端。移動(dòng)數(shù)據(jù)收集器算法的思想是設(shè)置多個(gè)移動(dòng)目標(biāo)體在對(duì)應(yīng)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)內(nèi)，與傳感器節(jié)點(diǎn)相互連接成路由樹(shù)，節(jié)點(diǎn)選擇強(qiáng)度最大的信號(hào)進(jìn)行傳輸，即最近移動(dòng)目標(biāo)實(shí)體，縮短傳輸時(shí)間和距離，降低網(wǎng)絡(luò)負(fù)載。但問(wèn)題是網(wǎng)絡(luò)內(nèi)移動(dòng)實(shí)體的隨機(jī)性對(duì)路由樹(shù)的建立和選擇路徑影響較大，優(yōu)化效果有限。基站完全隨機(jī)移動(dòng)算法和部分隨機(jī)移動(dòng)算法則是通過(guò)基站移動(dòng)的方向和距離進(jìn)行條件約束，限制基站移動(dòng)范圍始終在傳感器一跳節(jié)點(diǎn)的傳輸范圍內(nèi)，而降低中繼節(jié)點(diǎn)的使用，從而節(jié)約節(jié)點(diǎn)資源。但不能兼顧每一個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)，仍有問(wèn)題出現(xiàn)。

1.2 基站固定軌跡移動(dòng)模型

基站按事先設(shè)計(jì)好的軌跡進(jìn)行移動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)整體網(wǎng)絡(luò)地信息傳輸，這之中最常見(jiàn)的算法有：網(wǎng)絡(luò)邊緣移動(dòng)算法、移動(dòng)協(xié)助數(shù)據(jù)收集模式算法、基站基于線性規(guī)劃的移動(dòng)算法和受控移動(dòng)實(shí)體移動(dòng)算法。

網(wǎng)絡(luò)邊緣移動(dòng)算法是考慮到網(wǎng)絡(luò)區(qū)域所能覆蓋的范圍，形狀一般以圓形區(qū)域最為基礎(chǔ)和實(shí)用，因而將基站的移動(dòng)軌跡設(shè)置為沿著圓形范圍的邊界移動(dòng)。這個(gè)算法的優(yōu)點(diǎn)在于使邊緣網(wǎng)絡(luò)情況更加穩(wěn)定，且網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間較固定模式提高400%，但缺點(diǎn)是圓形模式固定，缺乏靈活性。移動(dòng)協(xié)助數(shù)據(jù)收集模式算法是在網(wǎng)絡(luò)邊緣移動(dòng)算法的基礎(chǔ)上改進(jìn)而來(lái)的，采用基站環(huán)形區(qū)域移動(dòng)的方式，通過(guò)緩沖區(qū)使數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中的能量消耗降低，但容易丟失數(shù)據(jù)，網(wǎng)絡(luò)區(qū)域局限。

2 無(wú)線基站移動(dòng)傳感器網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化

2.1 網(wǎng)絡(luò)模型的建立

設(shè)網(wǎng)絡(luò)為一個(gè)L×L的規(guī)則方形區(qū)間。在這個(gè)規(guī)則方形區(qū)間內(nèi)安放N個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)，并且使這些節(jié)點(diǎn)的位置符合參數(shù)為λ的泊松分布。N個(gè)節(jié)點(diǎn)之間互相連通互相通信，每?jī)蓚€(gè)節(jié)點(diǎn)之間不少于一條直達(dá)路徑的存在。一旦將某個(gè)節(jié)點(diǎn)安放好，它的位置即為固定位置，不會(huì)移動(dòng)。這個(gè)網(wǎng)絡(luò)區(qū)間中還安放一個(gè)移動(dòng)基站，假設(shè)它的能量不會(huì)消耗完且數(shù)據(jù)傳輸資源完善，擁有計(jì)算能力、路由傳輸能力等，且基站能預(yù)先了解該網(wǎng)絡(luò)的邊界和任何一個(gè)傳感器的方位。傳感器和基站之間互相可以通過(guò)GPS獲取相關(guān)位置。

2.2 能量消耗模型

2.3 優(yōu)化算法描述

無(wú)線基站移動(dòng)傳感器網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化在于基站的移動(dòng)，這個(gè)復(fù)雜的過(guò)程影響著網(wǎng)絡(luò)的傳輸性能和速度，網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化可以從基站的移動(dòng)條件、移動(dòng)目的地、移動(dòng)方式這三方面入手，來(lái)構(gòu)建新的傳輸網(wǎng)絡(luò)模型。

基站移動(dòng)條件。這一部分的算法設(shè)計(jì)決定了基站移動(dòng)的基礎(chǔ)參數(shù)，評(píng)估參數(shù)有利的情況下，移動(dòng)基站；反之，基站保持不動(dòng)。用一下參數(shù)進(jìn)行基站的定位說(shuō)明：

SR1：小于基站距離D時(shí)，且在一跳區(qū)域內(nèi)的節(jié)點(diǎn)；

Pa：每個(gè)時(shí)間段內(nèi)通過(guò)節(jié)點(diǎn)a的數(shù)據(jù)包數(shù)量；

PT：一組包含SR1每個(gè)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)流量的節(jié)點(diǎn)，并按升序排列；

E（TR）：節(jié)點(diǎn)a傳輸一個(gè)數(shù)據(jù)包到下一跳節(jié)點(diǎn)所消耗的能量。

基站移動(dòng)目的地。方法為將基站移動(dòng)到需要傳輸數(shù)據(jù)包最多的那個(gè)節(jié)點(diǎn)上。根據(jù)資源有限和地形的局限，基站無(wú)法進(jìn)行距離較遠(yuǎn)的移動(dòng)運(yùn)動(dòng)：一方面這樣的遠(yuǎn)距離移動(dòng)會(huì)引起基站與其它節(jié)點(diǎn)和數(shù)據(jù)收集處的聯(lián)系丟失；二方面是無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生變化，從而使該點(diǎn)位置無(wú)法成為當(dāng)前情況下的最優(yōu)位置點(diǎn)。為了達(dá)到相近的結(jié)果，本文在處理過(guò)程中試著把基站移動(dòng)到中繼節(jié)點(diǎn)周?chē)?，也能同時(shí)路由大量的信息。

基站移動(dòng)方式。假設(shè)基站不考慮能量和計(jì)算能力限制，傳感器節(jié)點(diǎn)被排列后即為不可移動(dòng)的，可自行控制基站的移動(dòng)。在本模型中，基站根據(jù)目標(biāo)位置與所處位置和所有兩跳的相鄰節(jié)點(diǎn)的能量損耗來(lái)改變移動(dòng)方向。通過(guò)數(shù)據(jù)收集，上述滿足條件的傳感器節(jié)點(diǎn)將自己的位置信息和能量信息都發(fā)送給基站。如果是一跳以外兩跳以?xún)?nèi)范圍的點(diǎn)，基站就盡可能靠近這個(gè)節(jié)點(diǎn)。

3 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)研究無(wú)線基站移動(dòng)的傳感器網(wǎng)絡(luò)的傳輸模型，本文在這些基礎(chǔ)上改進(jìn)了移動(dòng)模型，結(jié)果表明，該模型延長(zhǎng)了網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間，實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化。

參考文獻(xiàn)

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