基于Hilbert空間填充曲線的WSN移動匯聚節點軌跡設計

李欣++王亞娟

摘 要： 針對無線傳感器網絡（WSN）中部分節點不能被訪問而導致數據丟失率和能耗較高的問題，提出了利用Hilbert空間填充曲線的WSN移動匯聚節點軌跡設計方法。首先，利用依賴于網絡大小的Hilbert曲線分析移動匯聚節點的軌跡；然后，基于節點密度計算Hilbert曲線的階次以確定匯聚節點軌跡的維度；最后，利用NS?2仿真評估該方法在網絡覆蓋和可擴展方面的有效性。仿真結果表明，隨著網絡中節點數的增加，移動節點覆蓋率降低，提出的基于密度的Hilbert曲線在網絡覆蓋、數據包投遞率和平均能耗方面均優于基于尺寸的Hilbert曲線。

關鍵詞： 數據傳輸率； Hilbert曲線； 移動匯聚節點； 網絡覆蓋； 無線傳感器網絡

中圖分類號： TN92?34； TP393 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2016）23?0017?05

WSN mobile aggregation node track design based on Hilbert space filling curve

LI Xin1， WANG Yajuan2

（1. Department of Computer Engineering， Xinjiang Institute of Engineering， Urumqi 830000， China；

2. Department of Information Security Engineering， Xinjiang Police College， Urumqi 830013， China）

Abstract： Since the data loss rate and energy consumption are high due to that some nodes in wireless sensor network （WSN） can′t be accessed， a novel approach of using Hilbert space filling curve to design the mobile aggregation node track for WSN is proposed. The Hilbert curve depending on the size of network is used to analyzed the mobile aggregation node track. The order of Hilbert curve is calculated based on node density to determine the dimension of the aggregation node track. The NS?2 simulation is used to evaluate the effectiveness of network coverage and scalability. The simulation results show that the mobile node coverage rate is reduced with the increase of the nodes quantity of the whole network， and the proposed Hilbert curve based on density is superior to the Hilbert curve based on size in the aspects of network coverage， packet transfer ratio and average energy consumption.

Keywords： data transfer ratio； Hilbert curve； mobile aggregation node； network coverage； wireless sensor network

0 引 言

無線傳感器網絡（Wireless Sensor Network，WSN）[1?2]已在許多領域得到廣泛應用，然而，由于部分節點沒有被訪問而導致數據丟失，并引起傳輸延遲[3]，因此，需要為移動匯聚節點找到一種較好的軌跡設計方法，以有效的方式覆蓋整個區域[4?5]。

基于Hilbert空間填充曲線的研究，考慮了關于預先定義的移動匯聚節點的運行模式，文獻[6]提出了移動匯聚節點的運動模型，節點可隨意改變以提高整體網絡的壽命。文獻[7]分析了網絡中匯聚節點的移動性和數據聚集，在研究中都提到有限的固定軌跡，如圓形和直線。文獻[8]分析了不受約束情況下的移動模式，使用多個移動匯聚節點減少控制開銷和壽命。文獻[9]分析了使用匯聚節點軌跡的數據傳輸延遲和網絡生命周期之間的權衡，并將其制定為一種優化問題。文獻[10]側重于基于剩余能量的簇首選擇，用于移動匯聚節點的改進，穩定選舉協議。上述各方法均在一定程度上改善了移動匯聚節點的性能，然而，由于部分節點未被訪問，導致數據丟失和能量消耗較多，降低了WSN的壽命。

本文提出利用Hilbert空間填充曲線[4]的WSN移動匯聚節點軌跡設計方法，在移動匯聚節點和傳感器節點之間，曲線形狀覆蓋整個網絡，空間填充曲線的嚴格定義允許傳感器預先知道軌跡。仿真并分析了各種節點密度下本文方法的性能，驗證了其有效性。

4 結 語

本文利用Hilbert曲線提出了一種WSN移動匯聚節點軌跡設計方法，實現了網絡的有效覆蓋，動態曲線階次隨著網絡節點密度的變化而變化。仿真結果表明，由于僅在高階曲線的情況下遍歷時間較長，本文方法的傳輸延遲不能最小化，但相比基于尺寸的Hilbert曲線階次，數據包傳輸率可提高20%以上。總體而言，提出的基于密度的Hilbert曲線在網絡覆蓋、數據包傳輸率和平均能耗方面均優于基于尺寸的Hilbert曲線。

仿真實驗結果證明了本文方法有較好的可擴展性，未來會將其應用于其他的網絡環境，并擴展用于處理高密度節點的軌跡設計。

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