無線傳感器網絡節點移動性研究

翁艷彬

【摘 要】無線傳感器網絡通過節點的移動給整個網絡的性能帶來了極大的提升。越來越多的人開始著手于無線傳感器網絡移動性的研究。文章針對傳感器網絡移動性研究中的關鍵技術做了較為全面的分析比較，對移動性研究具有較強的借鑒作用。

【關鍵詞】無線傳感器網絡；節點移動；數據收集

【中圖分類號】TP212.9 【文獻標識碼】A 【文章編號】1674-0688（2016）11-0046-03

0 概述

由于傳感器節點一般需要通過電池供電，因此有限的電池能量和網絡壽命是無線傳感器網絡面臨的主要挑戰。目前，很多研究機構都致力于如何減少及均衡節點的能量消耗來提高系統的生命周期的數據收集機制研究。早期的研究。主要集中在如何通過合理路由降低能量消耗，但這些協議都主要是針對傳感器節點進行路由設計，關注的重點是傳感器節點，匯聚節點則固定不動地收集數據。在這種方式下，匯聚節點周圍的鄰居節點要負擔比自身多得多的全網的其他節點的數據傳輸，節點的負載無法均衡。因此，這些節點要比其他節點更早地耗盡能量而死亡，這就是大家常說的熱點問題（Hot Spot Problem）[1-2]。該問題成為阻礙傳感器網絡進一步發展的瓶頸。

無線傳感器網絡中，移動性的引入能夠很好地解決靜態網絡中存在的一些根本性無法解決的問題。例如，網絡的連通、能量的消耗不均衡等，均可通過移動性的合理設計加以解決。而對于移動來說，匯聚節點的移動尤為重要。如果我們能將研究的重心從單純的對傳感器節點的路由的關注轉移到對匯聚節點移動及路由相結合的關注上來，則系統的性能將得到極大的提升。同時，在采用匯聚節點移動收集數據的方式下，傳感器節點的覆蓋度及連通度也會受到相應的影響，利用匯聚節點的移動性能夠降低對傳感器節點密度的要求，減少傳感器節點的數量，從而節約開發成本。

1 數據收集模式

無線傳感器網絡中數據收集的目標是將監測區域中所有傳感器節點收集到的數據完整地發送給匯聚節點，從而獲知監測區域中用戶感興趣的信息，因此數據收集是無線傳感器網絡關注的重點。

在無線傳感器網絡中，數據的收集模式可以分為樹形數據收集模式、簇形數據收集模式和多路徑數據收集模式3種[3]。

在樹形收集模式中，傳感器節點和匯聚節點構成一棵以匯聚節點為根節點、傳感器節點為葉子節點及中間節點的生成樹。傳感器節點作為葉子節點和中間節點收集數據后，從葉子節點經由中間節點一直傳送位于根節點的匯聚節點。在匯聚節點需要向傳感器節點發布任務時，通過樹形根節點逐級往下傳遞，直到到達葉子節點，從而使所有節點獲得如任務信息等匯聚節點想要傳遞給傳感器節點的信息，而在數據收集階段則正好相反。

在能量受限的傳感器網絡系統中，隨著網絡規模的擴大，所有傳感器節點都直接將數據傳遞給匯聚節點顯然是不現實的，為了均衡能量消耗，出現了基于層次結構的數據收集模式，也就是是簇形數據收集模式。在這種數據收集模式下，傳感器節點根據其分布情況，被劃分為若干個獨立的小區域，稱之為簇。在每個簇里，節點之間都是相互連通并可以直接通信的，而被選舉出的簇首節點，負責本簇內所有節點數據的發送。

樹形結構的數據收集方式由于其中間節點失效而造成系統健壯性問題。為了克服這個缺陷，很多學者提出了多路徑數據收集模式。在這種模式下，數據通過多個鄰居節點進行轉發，在源節點和目標節點之間有很多條路徑，每條路徑所經由的中間節點亦不相同。

無線傳感器網絡由于其能量有限性，使得節能和負載均衡成為其研究的主要目標，而數據收集協議則是根據各種不同的網絡需求而提出的針對某些具體場景的路由方式。根據網絡結構的不同，可以將數據收集協議分為基于平面的、基于分層的和基于地理位置的數據收集協議3類[4]。

基于平面的數據收集協議中，所有傳感器節點都是同構的，并且在傳感器網絡中的地位也是平等的，它們主要實現數據收集任務及與匯聚節點通信等功能。匯聚節點將查詢需求發送給傳感器節點之后，傳感器節點就會將收集到的數據按一定的路由方式傳遞給匯聚節點。典型協議包括Flooding、Gossiping、SPIN、Directed diffusion等。

基于分層的數據收集協議實際上就是采用分簇的方式來進行路由。隨著網絡規模的增大，長距離通信會造成較大的網絡負載，使用分簇的方法，通過選取不同的節點作為簇頭，輪流傳輸數據，能夠均衡節點的能量消耗，降低網絡負載，其代表性協議主要有LEACH、TEEN、APTEEN、PEGASIS、PEACH、HEED等。

基于地理位置的路由協議假定傳感器節點知道自己及目標區域的位置信息，能利用傳感器節點的位置信息精確定位傳感器節點。節點可以根據目標節點的具體位置信息來進行路由選擇，從而避免了信息在整個網絡洪泛，造成能量的無謂損耗。典型代表性協議包括GEAR、GAF、SPEED等。

2 移動性的優勢與挑戰

在靜態傳感器網絡，由于其匯聚節點和傳感器節點都靜止不動，因此存在傳感器節點能量消耗不均衡、生命周期短等問題。在系統中引入移動，主要有以下優勢[5]。

（1）解決熱點問題。隨著節點的移動，其鄰居節點也相應發生變化，因此網絡中的節點可以輪流充當匯聚節點的鄰居節點，從而解決能量消耗不均而造成的熱點問題。

（2）降低能量消耗，提高生命周期。由于匯聚節點在網絡中移動收集數據，距離匯聚節點較遠的節點可以等待匯聚節點移近后再將數據發送出去，從而降低了數據發送的總能量消耗。節點的能量消耗降低，同時傳感器節點能夠均等地成為匯聚節點的鄰居節點，從而均衡了節點間的能量消耗，其生命周期也相應得以延長。

（3）收集不連通網絡信息。通過使網絡具有移動性的方式，可以在匯聚節點移動到節點附近或其鄰居節點附近時，將其數據收集過去，使得不連通的稀疏網絡或者因某些節點失效造成的不連通網絡也能夠完成全網數據的收集和發送。

（4）減少節點轉發，增加系統的安全性。由于節點的移動性，使得原來需要通過多跳傳輸到匯聚節點的數據可以在匯聚節點移動至其感應范圍時直接發送，這就使得節點的轉發數量大為減少。同時，由于轉發過程中可能發生的數據被竊取或篡改的概率也相應減少，匯聚節點所收集到的信息也更加安全、可靠了。

傳感器網絡中引入節點的移動性帶來諸多優勢的同時，也給傳感器網絡帶來了諸多挑戰。主要有以下幾個方面[5]：{1}增加了位置更新信息開銷。由于節點的移動帶來了其位置信息的不斷變化，為了讓網絡中所有節點知道其具體位置以便將數據傳送出去，移動節點必須不斷向全網廣播其位置信息，這就造成了不必要的能量消耗。{2}增加了數據發送延遲。傳感器網絡中節點的移動導致其位置信息發生變化，為了及時將最新消息傳送至匯聚節點，其接收到的數據也需要不斷轉發，從而增加了數據延遲。{3}增加了丟包率。由于傳感器節點能量有限，存儲容量有限，因此一個傳感器節點一次收到太多數據而不及時發送出去，就會溢出造成數據包的丟失。匯聚節點更新自身信息的速度及其移動速度等都會造成數據包的丟失，從而使收集到的數據不完整。

雖然傳感器網絡的移動性存在一些問題，但總體來說，其傳感器節點能量消耗的減少與均衡仍然給網絡帶來了很多的好處，而這些存在的問題，也可以逐步進行改善與解決。

3 節點移動分類

傳感器網絡的移動性根據移動節點的類型不同，可以分為匯聚節點移動、傳感器節點移動及傳感器節點和匯聚節點都移動3種[6]。

匯聚節點移動的數據收集方式是現在研究最為廣泛的一種模式。在這種模式下，傳感器節點不動，匯聚節點根據其具體的移動方案在全網移動來收集數據。一般來說，我們認為匯聚節點所攜帶的能量很大且能夠及時進行補充，因此我們不需要考慮它的能量消耗。通過匯聚節點在全網范圍內移動進行數據收集的方式，能夠極大地節約節點的能量消耗，提高網絡的生命周期。根據匯聚節點移動的方式，又可以分為隨機移動、預定軌跡移動和可控移動3種。

匯聚節點隨機移動是指匯聚節點的移動沒有一個具體的路線，對其運行軌跡也沒有任何限制，匯聚節點可以根據其需要訪問網絡中的任何一個地方。匯聚節點按預定軌跡移動是指匯聚節點的移動軌跡可預測，如沿著公路、鐵路運行，我們可以根據其可預測到的下一個位置來進行數據傳輸的設置。匯聚節點可控移動是指網絡或觀測者能夠控制匯聚節點的移動性來達到某些特殊的目標，這些目標是由具體的應用來決定的，大部分是用來提高網絡生命周期、數據轉發效率及降低數據傳輸延遲以適應實時通信的需求。

傳感器節點移動的數據收集方式則是匯聚節點固定，傳感器節點移動進行數據收集。通常有2種方式：一種是部分傳感器節點移動，如在網絡中出現能量空洞的時候，這些可以移動的節點會移動到節點能量耗盡的區域，代替原來的節點收集數據，從而保證網絡的覆蓋與連通。另一種則是傳感器節點被放置在移動設備上，譬如飛機、火車、輪船等，當這些設備移動時，經過固定的匯聚節點時就會進行數據的傳輸。這種模式常常應用于鐵路沿線，固定安裝匯聚節點收集所經過列車的信息，可以對火車當前的運行狀況進行監控。

傳感器節點和匯聚節點都移動的數據收集方式相對來說比較復雜，在這種方式下，傳感器節點和匯聚節點的位置都在不斷地變化中，這就導致其網絡拓撲要不斷地變化更新，而相應的數據發送的路由也必須不斷重構。針對這種數據收集方式的研究目前比較少。

4 結語

無線傳感器網絡中利用移動節點進行數據收集的模式研究是當前傳感器網絡領域的研究重點，而移動性的引入使得傳感器網絡的數據收集在傳感器節點的能耗方面有較大的降低，從而也極大地延長了網絡的生命周期。同時，對于非連通網絡，匯聚節點可以通過移動到其數據傳輸范圍進行數據收集，確保了數據的完整性，同時也降低了因多跳而可能產生的錯誤。因此，節點移動性研究對無線傳感器網絡的發展具有重要的推進作用。

參 考 文 獻

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[責任編輯：鐘聲賢]