一種基于移動(dòng)終端的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)收集協(xié)議

　　1引言

　　1. 1無線傳感器網(wǎng)絡(luò)介紹

　　在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用中, 有存在于復(fù)雜的應(yīng)用環(huán)境, 如軍事無線自組織網(wǎng)絡(luò), 節(jié)點(diǎn)均部署于復(fù)雜惡劣的環(huán)境下, 節(jié)點(diǎn)間端到端的通信難以保證, 出現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)的斷裂; 還有傳感器網(wǎng)絡(luò), 這類網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)量龐大, 網(wǎng)絡(luò)通信復(fù)雜, 通信路徑不是隨時(shí)可用的,這種存在高延時(shí)和頻繁割裂的網(wǎng)絡(luò), 一般稱之為受限網(wǎng)絡(luò), 為了研究這類受限網(wǎng)絡(luò), 提出了DTN 的概念。延時(shí)可容忍網(wǎng)絡(luò)DTN ( de lay to lerant network)就是研究這一類特定應(yīng)用環(huán)境下的網(wǎng)絡(luò), 在這種應(yīng)用環(huán)境中端到端的通信難以保證, 會(huì)有頻繁的連接中斷的情況, 使網(wǎng)絡(luò)間斷的或部分的連接在一起, 出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)分割, 同時(shí)這種應(yīng)用下允許一定范圍的延時(shí)。

　　由于這種網(wǎng)絡(luò)的特殊性, 不能保證實(shí)時(shí)的傳遞, 而且它是面向消息的, 所以就涉及到了數(shù)據(jù)的存儲(chǔ), 在DTN 體系結(jié)構(gòu)中提出了捆綁層的概念, 實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的保管傳遞。

　　1.2DTN路由協(xié)議研究

　　DTN路由研究是DTN研究的熱點(diǎn), 目前的路由協(xié)議的算法主要分為以下幾類: ( 1)基于傳染性方式 , 將分組信息傳遞給所有相遇的節(jié)點(diǎn), 直到到達(dá)目的節(jié)點(diǎn); ( 2)基于歷史信息的方式, 根據(jù)節(jié)點(diǎn)歷史相遇記錄進(jìn)行信息傳遞, 采用了概率的算法;( 3)基于特殊messager節(jié)點(diǎn)來擺渡分組信息,采用了存儲(chǔ)- 攜帶- 轉(zhuǎn)發(fā)的模式。DTN 網(wǎng)絡(luò)中的路由的設(shè)計(jì)都是基于以上幾種基本思想進(jìn)行的。

　　2一種基于Ferry的數(shù)據(jù)收集協(xié)議設(shè)計(jì)方案

　　2. 1 基本思路

　　在文獻(xiàn)[ 7]中提出了將ferry 節(jié)點(diǎn)用于DTN 網(wǎng)絡(luò), 并且也針對(duì)它的路由進(jìn)行了分析與設(shè)計(jì), 文獻(xiàn)中更多的是討論針對(duì)TSP問題的解決, 而沒有從整體布局中去考慮ferry 節(jié)點(diǎn)的路由軌跡趨勢, 在文獻(xiàn)[ 5] , [ 8]中開始討論使用多個(gè)ferry 節(jié)點(diǎn)來進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞, 但是它更多的是考慮針對(duì)大的區(qū)域, 沒有對(duì)ferry節(jié)點(diǎn)的具體運(yùn)動(dòng)模型進(jìn)行設(shè)計(jì)。在這里我們考慮在同一區(qū)域內(nèi)使用雙ferry 節(jié)點(diǎn), 并且沿同一路徑, 考慮節(jié)點(diǎn)采用不同運(yùn)動(dòng)方式時(shí)的性能分析, 一種是兩個(gè)ferry 節(jié)點(diǎn)采用同向運(yùn)動(dòng), 另一種情況兩個(gè)ferry節(jié)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)方向相反, 兩種運(yùn)動(dòng)模型如圖1和圖2所示。

　　本文考慮簡化后的基本模型, 整個(gè)大的區(qū)域有四個(gè)小的區(qū)域, ferry節(jié)點(diǎn)沿固定圓形路徑經(jīng)過各個(gè)區(qū)域進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸, 其中各個(gè)區(qū)域采用門節(jié)點(diǎn)與ferry節(jié)點(diǎn)通信, 在文獻(xiàn)[ 7]中已經(jīng)提到在小區(qū)域簇內(nèi)實(shí)現(xiàn)端到端的連接, 其中能夠與ferry 節(jié)點(diǎn)直接通信的節(jié)點(diǎn)均為門節(jié)點(diǎn), 其他節(jié)點(diǎn)只需考慮將數(shù)據(jù)發(fā)送到門節(jié)點(diǎn)。當(dāng)ferry 節(jié)點(diǎn)到達(dá)某一個(gè)區(qū)域, 發(fā)送hello建立連接, 其中收到此消息的節(jié)點(diǎn)就成為門節(jié)點(diǎn), 它通知區(qū)域內(nèi)的其他節(jié)點(diǎn)它作為門節(jié)點(diǎn)的消息,運(yùn)用D ijkSTra算法, 找到各個(gè)節(jié)點(diǎn)到達(dá)門節(jié)點(diǎn)的最短路徑, 建立連接, 這是采用ferry節(jié)點(diǎn)時(shí)簇內(nèi)的路由建立。本文中重點(diǎn)從簇間通信的方面進(jìn)行考慮來提高數(shù)據(jù)傳送率, 提出采用雙ferry節(jié)點(diǎn)逆向運(yùn)動(dòng)的模型。這是基于從ferry 節(jié)點(diǎn)的攜帶能力以及數(shù)據(jù)管理上出發(fā)的, 當(dāng)ferry 節(jié)點(diǎn)同向運(yùn)動(dòng)時(shí), ferry 節(jié)點(diǎn)會(huì)將發(fā)往它運(yùn)動(dòng)方向相反的前一區(qū)域的目的地的分組信息空攜帶一周, 這樣就浪費(fèi)了ferry節(jié)點(diǎn)的攜帶能力, 所以我們考慮將ferry節(jié)點(diǎn)采用逆向運(yùn)動(dòng), 這樣對(duì)于需傳送到相對(duì)于節(jié)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)相反的鄰區(qū)域的信息可以等待另外一個(gè)與其同向的ferry 節(jié)點(diǎn)傳送。

　　下面將具體講述其過程并將其與同向運(yùn)動(dòng)做比較。

　　2. 2具體實(shí)現(xiàn)

　　首先分析采用雙ferry節(jié)點(diǎn)逆向運(yùn)動(dòng), 一個(gè)周期內(nèi)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài), 如圖3所示。

圖3 ferry節(jié)點(diǎn)逆向運(yùn)動(dòng)一周狀態(tài)。

　　針對(duì)上圖我們來分析具體的實(shí)現(xiàn), 在一區(qū)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)目的節(jié)點(diǎn)所在的區(qū)域可能是各個(gè)區(qū)域, Ferry節(jié)點(diǎn)A 處于當(dāng)前情況下時(shí)僅僅攜帶由一區(qū)傳送到四區(qū)和三區(qū)的數(shù)據(jù), 而對(duì)于需傳送到二區(qū)的數(shù)據(jù)則不予攜帶, 發(fā)往二區(qū)的數(shù)據(jù)需等ferry節(jié)點(diǎn)B 運(yùn)動(dòng)到一區(qū), 再將其攜帶至二區(qū), 這樣減少了這部分信息所占用的ferry 節(jié)點(diǎn)的攜帶容量, 同理ferry 節(jié)點(diǎn)B 也是這樣工作, 即ferry節(jié)點(diǎn)將不予攜帶在其運(yùn)動(dòng)方向上需運(yùn)動(dòng)一周的數(shù)據(jù), 對(duì)于在三區(qū)自己區(qū)域內(nèi)的節(jié)點(diǎn)不需要通過ferry進(jìn)行傳輸, 沒有簇間傳輸延時(shí),也不占用ferry 節(jié)點(diǎn)的buffer, 這里不予考慮。在同一區(qū)域內(nèi)采用ferry節(jié)點(diǎn)逆向運(yùn)動(dòng)的方式, 可以與一條路徑上兩個(gè)ferry節(jié)點(diǎn)同向運(yùn)動(dòng)相比, 這種情況下數(shù)據(jù)將少占用一段時(shí)間ferry節(jié)點(diǎn)的存儲(chǔ)容量, 從而節(jié)省了ferry 的存儲(chǔ)容量, 提高ferry 節(jié)點(diǎn)的攜帶能力。

　　在DTN 網(wǎng)絡(luò)中, 實(shí)行的是存儲(chǔ)- 攜帶- 轉(zhuǎn)發(fā)的方式, 所以對(duì)于節(jié)點(diǎn)的存儲(chǔ)能力有了一定的要求, 通過雙ferry節(jié)點(diǎn)逆向運(yùn)行, 減少ferry 節(jié)點(diǎn)的存儲(chǔ)能力的限制, 當(dāng)然這部分存儲(chǔ)負(fù)擔(dān)就轉(zhuǎn)移到了每個(gè)簇的門節(jié)點(diǎn), 但是在每個(gè)簇中門節(jié)點(diǎn)的數(shù)量是相對(duì)比較多的, 對(duì)于能和ferry節(jié)點(diǎn)通信的節(jié)點(diǎn)均可作為門節(jié)點(diǎn), 這樣就相當(dāng)于將ferry一個(gè)節(jié)點(diǎn)的負(fù)擔(dān)平均轉(zhuǎn)移到了多個(gè)門節(jié)點(diǎn)中, 從而提高ferry的攜帶能力,提高整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的傳輸效率。

　　2. 3.. 針對(duì)突發(fā)情況的考慮

　　在網(wǎng)絡(luò)中存在不可預(yù)知的突發(fā)情況, 如某一時(shí)刻某一區(qū)域節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)突然增多, 針對(duì)這種情況, 我們進(jìn)行了考慮, 對(duì)ferry節(jié)點(diǎn)傳遞分組信息進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)控。在2. 1節(jié)中, 考慮的是一般情況下,ferry節(jié)點(diǎn)A 和ferry節(jié)點(diǎn)B, 采用上述方向負(fù)責(zé)傳遞數(shù)據(jù), 但是在出現(xiàn)突發(fā)情況下, 我們對(duì)其進(jìn)行改進(jìn),ferry節(jié)點(diǎn)A 在自身buffer空閑的情況下也負(fù)責(zé)傳遞本屬于ferry節(jié)點(diǎn)B 的信息, ferry 節(jié)點(diǎn)A 和ferry節(jié)點(diǎn)B 每周都會(huì)相遇一次, 此次情況下, 他們也會(huì)進(jìn)行一個(gè)簡單的通信, 告知對(duì)方自己信息的接收情況,當(dāng)節(jié)點(diǎn)A 收到節(jié)點(diǎn)B 的bu ffer已滿時(shí), 并且自己的buffer仍有剩余空間時(shí), 將主動(dòng)幫助節(jié)點(diǎn)B 傳遞數(shù)據(jù), 從而解決某一區(qū)域信息突然增多的情況。

　　3 理論分析

　　模型為2. 1節(jié)中描述的模型, 其中每個(gè)區(qū)內(nèi)的節(jié)點(diǎn)數(shù)量為n; 節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生數(shù)據(jù)的平均速率為W bit/s; ferry節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)速度為V ; ferry節(jié)點(diǎn)的存儲(chǔ)容量為c; ferry的路徑長度為L 。

　　3. 1 ferry節(jié)點(diǎn)的攜帶能力分析

　　這里我們從理論數(shù)據(jù)上去分析ferry節(jié)點(diǎn)逆向運(yùn)動(dòng)帶來的攜帶能力的提高。我們從信息在ferry節(jié)點(diǎn)上占用的時(shí)間去分析, 總的公式為:

　　其中tij 為源節(jié)點(diǎn)在i區(qū), 目的節(jié)點(diǎn)在j區(qū)的信息占的ferry節(jié)點(diǎn)情況, 一個(gè)區(qū)內(nèi)信息占用的時(shí)間如表1。

表1 逆向運(yùn)動(dòng)信息占用fe rry時(shí)間表。

　　這里我們同樣考慮信息的目的節(jié)點(diǎn)區(qū)域是平均分布的qi1 = qi2 = qi3 = qi4 , 平均一個(gè)單位時(shí)間內(nèi)的信息占用ferry節(jié)點(diǎn)buffer的時(shí)間為, 逆向:

　　對(duì)于ferry節(jié)點(diǎn)同向運(yùn)動(dòng)的情況, 信息占用ferry 的時(shí)間如表2, 同向:

　　比較可得: T T', 即同向ferry節(jié)點(diǎn)時(shí)信息占用ferry節(jié)點(diǎn)buffer多于逆向buffer。在ferry 節(jié)點(diǎn)buffer不足的情況下, 逆向ferry 節(jié)點(diǎn)可以增加ferry 節(jié)點(diǎn)的攜帶能力, 提高分組信息的傳輸。

表2 同向運(yùn)動(dòng)信息占用ferry 時(shí)間表

　　以上均是針對(duì)目的節(jié)點(diǎn)為平均分布的情況, 對(duì)于一般情況也是一樣的, 我們通過分析兩個(gè)信息占用bu ffer時(shí)間表, 對(duì)于每個(gè)目的節(jié)點(diǎn)逆向ferry均是好于或等于同向ferry節(jié)點(diǎn)的情況, 所以無論目的節(jié)點(diǎn)服從任何分布, 逆向ferry節(jié)點(diǎn)的情況總是優(yōu)于同向ferry節(jié)點(diǎn)。

　　3. 2 延時(shí)分析

　　分析兩個(gè)ferry節(jié)點(diǎn)在整個(gè)區(qū)域內(nèi)循環(huán)一周內(nèi)的平均延遲, 這里將ferry節(jié)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)一周的四分之一作為時(shí)間單位, 因?yàn)樵诓煌臅r(shí)刻, 兩個(gè)ferry 節(jié)點(diǎn)的相對(duì)位置不同, 引起的分組信息傳輸?shù)难訒r(shí)情況也不盡相同, 這里分析ferry 節(jié)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)一周的情況,進(jìn)而計(jì)算平均延時(shí)。

　　兩個(gè)ferry節(jié)點(diǎn)的相對(duì)位置如圖3, 對(duì)應(yīng)于圖3中的前兩個(gè)狀態(tài)的節(jié)點(diǎn)延時(shí)(這里的延時(shí)指的是ferry節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)信息所帶來的延時(shí))分別對(duì)應(yīng)于表3、表4, 根據(jù)節(jié)點(diǎn)狀態(tài)的對(duì)稱性, 狀態(tài)三與狀態(tài)四分別與狀態(tài)一和狀態(tài)二是對(duì)稱的, 在這里省略。

　　考慮一個(gè)時(shí)間單位內(nèi)的平均數(shù)據(jù)延遲:

　　其中dz ij 即為上面各表中所列的數(shù)據(jù), 代表一周內(nèi)ferry節(jié)點(diǎn)傳遞信息的延時(shí); d'zij 為區(qū)域i內(nèi)的節(jié)點(diǎn)在狀態(tài)z內(nèi), 產(chǎn)生的發(fā)送到目的節(jié)點(diǎn)在區(qū)域j中的信息等待ferry節(jié)點(diǎn)的延時(shí); p ij 為區(qū)域i產(chǎn)生的, 目的節(jié)點(diǎn)在區(qū)域j的數(shù)據(jù)的概率; 源區(qū)域i, 目的節(jié)點(diǎn)區(qū)域?yàn)橐粎^(qū)的概率qi1, 二區(qū)的概率qi2, 三區(qū)的概率qi3, 四區(qū)的概率qi4 。

表3 逆向延時(shí)表

表4 逆向延時(shí)表

　　在信息負(fù)擔(dān)很小的情況下, 不論是ferry 節(jié)點(diǎn)同向運(yùn)動(dòng)還是逆向運(yùn)動(dòng), 信息都不需要延時(shí)等待ferry節(jié)點(diǎn), 即d#zij = 0, 此時(shí)只需考慮信息通過ferry 節(jié)點(diǎn)傳遞時(shí)的延時(shí), 假設(shè)數(shù)據(jù)的目的節(jié)點(diǎn)區(qū)域是平均分布的qi1 = qi2 = qi3 = qi4 , 雙ferry節(jié)點(diǎn)逆向運(yùn)動(dòng)時(shí),平均延時(shí)是: 當(dāng)兩個(gè)ferry節(jié)點(diǎn)同向運(yùn)動(dòng)時(shí), 一個(gè)時(shí)間單位內(nèi)的分組信息延時(shí)情況如表5, 因?yàn)閒erry 節(jié)點(diǎn)的相對(duì)位置相同, 所以一個(gè)ferry周期內(nèi)信息傳輸情況是相同的:

表5 同向延時(shí)表

　　所以雙ferry節(jié)點(diǎn)同向運(yùn)動(dòng)時(shí)的平均延時(shí)為:

　　這種情況下D=D'; 當(dāng)信息負(fù)擔(dān)比較重時(shí), 分析d'zij信息等待ferry節(jié)點(diǎn)的延時(shí), 由3. 1節(jié)分析可知ferry節(jié)點(diǎn)逆向運(yùn)動(dòng)可以提高攜帶能力, 減少信息等待ferry節(jié)點(diǎn)的延時(shí), 從而可知: 逆向運(yùn)動(dòng)下的d'z ij 同向運(yùn)動(dòng)下的d'z ij, 從而使D D', 即雙ferry節(jié)點(diǎn)逆向運(yùn)動(dòng)時(shí)的延時(shí)小于雙ferry節(jié)點(diǎn)同向運(yùn)動(dòng)時(shí)的延時(shí)。

　　以上分析是在ferry節(jié)點(diǎn)在勻速運(yùn)動(dòng)的條件下, 節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)產(chǎn)生率一定, ferry節(jié)點(diǎn)在經(jīng)過某一區(qū)域時(shí), 與門節(jié)點(diǎn)的通信時(shí)間充足, 可以完成數(shù)據(jù)的雙向通信的前提下。

　　4 仿真實(shí)驗(yàn)及分析

　　4. 1 仿真模型

　　在DTN模型中, 節(jié)點(diǎn)隨機(jī)分布在四個(gè)不相連接的區(qū)域中, 各個(gè)區(qū)域節(jié)點(diǎn)數(shù)目大致相當(dāng), 兩個(gè)ferry節(jié)點(diǎn)沿固定路徑運(yùn)動(dòng), 并且假設(shè)ferry節(jié)點(diǎn)與各個(gè)區(qū)域門節(jié)點(diǎn)的接觸時(shí)間相當(dāng), 并且足夠與門節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信, 每個(gè)區(qū)域中節(jié)點(diǎn)所到達(dá)的目的節(jié)點(diǎn)是平均概率分布的, 門節(jié)點(diǎn)和ferry 節(jié)點(diǎn)的存儲(chǔ)能力固定, 這里實(shí)驗(yàn)時(shí)間設(shè)為100000s。

　　因?yàn)楸疚姆桨钢袥]有涉及到對(duì)簇間通信的路由策略, 所以仿真實(shí)驗(yàn)中所有的數(shù)據(jù)僅考慮簇間通信的代價(jià)與性能。

　　4. 2 仿真結(jié)果分析

　　4. 2. 1 多次實(shí)驗(yàn)的結(jié)果分析

　　各個(gè)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)產(chǎn)生率是隨機(jī)的, 隨機(jī)分布在100- 300個(gè)單位信息之間, 進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn)。

　　從圖4、圖5中可以看出, ferry節(jié)點(diǎn)逆向運(yùn)動(dòng)不僅降低了平均延時(shí)和數(shù)據(jù)丟失率, 并且延時(shí)和丟失率是大致穩(wěn)定的, 這就說明在隨機(jī)條件下, ferry節(jié)點(diǎn)逆向運(yùn)動(dòng)的適應(yīng)性和傳輸能力更強(qiáng), 也更加穩(wěn)定。

圖4平均延時(shí)的比較

圖5 平均數(shù)據(jù)丟失率的比較.

　　4. 2. 2 不同數(shù)據(jù)產(chǎn)生率分析

　　當(dāng)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)產(chǎn)生率變化時(shí), 通過實(shí)驗(yàn)分析網(wǎng)絡(luò)的性能變化的趨勢, 實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6、圖7。

　　由圖6和圖7中可以看出, 隨著數(shù)據(jù)產(chǎn)生率的提高, ferry節(jié)點(diǎn)逆向運(yùn)動(dòng)的優(yōu)越性逐漸體現(xiàn)出來,這與3節(jié)中的理論分析是一致的, 在網(wǎng)絡(luò)負(fù)擔(dān)較重的情況下, 逆向ferry節(jié)點(diǎn)的性能高。

　　5 總結(jié)

　　本文在研究了DTN 網(wǎng)絡(luò)中基于ferry節(jié)點(diǎn)的路由設(shè)計(jì)方案基礎(chǔ)上, 提出了通過改變DTN 中ferry節(jié)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài), 來提高網(wǎng)絡(luò)傳輸中存儲(chǔ)- 攜帶-轉(zhuǎn)發(fā)三個(gè)過程中的攜帶能力, 進(jìn)而提高網(wǎng)絡(luò)的傳輸能力, 通過實(shí)驗(yàn)仿真和理論分析, 在大負(fù)荷的通信區(qū)域內(nèi), ferry節(jié)點(diǎn)的逆向運(yùn)動(dòng)優(yōu)于同向運(yùn)動(dòng), 在小負(fù)荷的情況下, 兩者性能相差不大, 同時(shí)也考慮了突發(fā)情況, 進(jìn)一步提高網(wǎng)絡(luò)的傳輸能力。轉(zhuǎn)發(fā)能力是與ferry節(jié)點(diǎn)與簇內(nèi)門節(jié)點(diǎn)的通信時(shí)間緊密相關(guān)的, 這里我們沒有改變ferry節(jié)點(diǎn)的運(yùn)行時(shí)間和路徑, 所以它的轉(zhuǎn)發(fā)能力未能改變, 進(jìn)一步的工作是期望通過簇內(nèi)門節(jié)點(diǎn)與ferry的通信自適應(yīng)改變ferry節(jié)點(diǎn)與門節(jié)點(diǎn)的通信時(shí)間, 從而更進(jìn)一步的提高DTN 網(wǎng)絡(luò)的傳輸能力。