移動WSNs中基于接觸時間的區(qū)路由

楊 惠, 高 翔

(1.蘭州文理學院 傳媒工程學院，甘肅 蘭州 730000；2.蘭州文理學院 數(shù)字媒體學院，甘肅 蘭州 730000)

0 引言

截止現(xiàn)在，M-WSNs技術(shù)被大量地應用在醫(yī)療健康監(jiān)測、車輛跟蹤等方面[1-2].它們都有一個明顯的特征，那就是靈活可移動.以此看來，M-WSNs中存在的節(jié)點一定要跟上拓撲的變動，這會導致節(jié)點的功耗增加[3].M-WSNs自身的功能效用影響節(jié)點的使用期限.減小節(jié)點的損耗和提升效率的一個關(guān)鍵方法是利用休眠-喚醒體系[4].在能效問題之外，還有M-WSNs的令人矚目的方向，即對節(jié)點的移動研究.但是M-WSNs的節(jié)點面臨的問題就是如何解決節(jié)點的移動性.

一般通過路由表來輸送信息的是傳統(tǒng)路由協(xié)議.但在互聯(lián)網(wǎng)信息時代很難創(chuàng)建和維護路由表[5].互聯(lián)網(wǎng)背景下的動態(tài)拓撲出現(xiàn)幾率非常大，創(chuàng)建具有動態(tài)拓撲的路由表比較困難，甚至創(chuàng)建路由表也會提升節(jié)點的功耗.

大量研究人員投身于M-WSNs的能效路由發(fā)掘.并且在一維隊列網(wǎng)絡上，就達成最小化能耗做了剖析，為了使節(jié)點應用更加高效，使得互聯(lián)網(wǎng)使用期限延長[6].在一些研究中提出節(jié)點是可以預測并且恒定的[7]，還有研究在M-WSNs基礎上建立了能效-可靠路由體系[8]，這個體系是層次-簇體系，所有的簇都具有簇頭，并且對簇內(nèi)節(jié)點的信息運送進行管控，缺點是這個體系在高數(shù)據(jù)率互聯(lián)網(wǎng)里無法發(fā)揮作用.

一些研究[9]在RPL基礎上，通過電暈反應解決移動環(huán)境.這個體系會對一樣的控制信息進行循環(huán)，使得控制消耗明顯減小.它存在的局限性是在M-WSNs中表現(xiàn)不理想，無法匹配M-WSNs需要的服務質(zhì)量(Quality of Service, QoS).

總結(jié)上述研究，建立了在接觸時間基礎上的區(qū)路由(CTAR).CTAR體系在區(qū)概念基礎上減小了能量耗損.但也有限制，即只能是處于這個區(qū)域里的節(jié)點才能加入，當區(qū)外的節(jié)點加進來時就會進行休眠，以達到減小節(jié)點能耗的目的.通過接觸時間進行下一跳轉(zhuǎn)節(jié)點的選取手段，路由穩(wěn)定性有了極大增強，最后增強數(shù)據(jù)包傳輸率.數(shù)值分析結(jié)果表明，提出的CTAR協(xié)議有效地提高了數(shù)據(jù)包傳遞率.

1 CTAR路由

1.1 系統(tǒng)模型

假設一種情況，即傳感網(wǎng)絡采取M個移動節(jié)點組件，它們在A區(qū)域里無規(guī)律散布.當i移動節(jié)點的速度設為?i時，且i=1,2,…,M.而基站的位置顯示方式是(xb,yb).具體到所有的節(jié)點都在休眠-喚醒體系中，達到能耗減小的目的.然后假定全部節(jié)點休眠時間是T，喚醒時間用ΔT表達，ΔT<

基站和來源節(jié)點的通信區(qū)域是圓的，即以自身作為圓心，半徑就是它可以進行通信的區(qū)域.因此，該區(qū)域的兩端都是半圓.基站與源節(jié)點之間有多跳距離，因此它們之間的通信需要一個多節(jié)點(多跳方式)來協(xié)助重新定向.可以假設一種情況，當源節(jié)點和基站發(fā)生的信息傳遞始終處于圓角矩陣里面時，則方便空間計算.

CTAR路由一開始構(gòu)成了圓角矩形區(qū)域(圖1)，里面的節(jié)點一直是喚醒的，此時外面的節(jié)點處于休眠，使得網(wǎng)絡能耗大幅減小.之后，源節(jié)點會把其中一個節(jié)點作為下一跳的基礎，即節(jié)點的相觸時間 (Contact Time,CT) 做下一跳節(jié)點行為，達成傳遞信息的目的.CTAR路由區(qū)域進行了組成和信息傳遞兩個過程，之后便會對這個區(qū)域組成、信息傳遞兩個過程做出詳細剖析.

圖1 圓角矩形區(qū)域

1.2 區(qū)域構(gòu)建

有時候節(jié)點要接收數(shù)據(jù)，它就會到區(qū)間里做出配置行動.區(qū)域構(gòu)建的目的是打造一個新的從源節(jié)點到目標節(jié)點的活動區(qū)域，與此同時，所有的節(jié)點活動區(qū)域是不變的.

進行細化之后，CTAR路由通過源節(jié)點和目標節(jié)點發(fā)揮作用.站點信息創(chuàng)建一個將源節(jié)點連接到目標節(jié)點的領(lǐng)域. 第一，源節(jié)點和目標節(jié)點為圓心，以r為半徑形成一個圓，在圓的中心周圍放置一個位置，然后將其一分為二；第二，使用長為a、寬為2r的矩形，使得兩個半圓連接，所以矩形面積S為：

S=πr2+2ra.

(1)

用R表示矩形區(qū)域內(nèi)的節(jié)點集.把互聯(lián)網(wǎng)里的每一個節(jié)點表示成兩類：第一類是區(qū)域里面節(jié)點(In-area Node, IAN)，第二是區(qū)域外面節(jié)點(Out-area Node, OAN).在布爾變量flag基礎上進行.當i移動節(jié)點datareq處于區(qū)域里的時候，則datareq=1，否則flagi=0，其定義如式(2)所示：

(2)

1.3 數(shù)據(jù)傳輸階段

1.3.1 接觸時間

數(shù)據(jù)傳輸范圍R內(nèi)涉及位于區(qū)域中的節(jié)點.如果該節(jié)點(源節(jié)點)包含數(shù)據(jù)傳輸，它將選擇其相鄰節(jié)點當成下一個節(jié)點的發(fā)送目標.在此基礎上，它開始朝著相鄰節(jié)點發(fā)出數(shù)據(jù)請求datareq，鄰居節(jié)點在有datareq時，立即運行計時器T，該計時器與連接時間CT成正比，如公式(3)所示：

(3)

連接時間是指相鄰節(jié)點保持在通信區(qū)域里的時間.細分開來，假設在t0通信范圍內(nèi)有兩個移動節(jié)點分別用si和sj表示每個給定點.這些都是節(jié)點位置的矢量表達，具體有節(jié)點的位置和速度表達，如圖2所示.

圖2 節(jié)點位置矢量示意圖

在t0的時間點上，這兩個節(jié)點在彼此通信范圍內(nèi)，即它們間的距離d0=‖Xi(t0)-Xj(t0)‖≤r.假定在t1時刻，節(jié)點sj不在si的通信范圍內(nèi)，即它們的歐式距離大于r，如式(4)所示.

t1=mint‖Xi(t0)-Xj(t0)‖>r.

(4)

因此，接觸時間CT為t1時刻與t0時刻的差，即CT=t1-t0.

所以這個時間點上si與sj的相對速度矢量?r就可以用?r=?i-?j.根據(jù)圖2可知，相對速度矢量?r在x軸上方向矢量?r(x).

?r(x)=|?i|cosθ1-|?j|cosθ2.

(5)

相應地，相對速度矢量?r在y軸上方向矢量?r(y)=|?i|sinθ1-|?j|sinθ2，其中θ1是si與x軸的夾角、θ2是sj與x軸的夾角.其中相對速度矢量?r的模和相位分別如式(6)和(7)所示.

(6)

(7)

因為t0是兩個移動范圍的時間節(jié)點中在彼此聯(lián)系時刻內(nèi)的一個率先時間點，t1是兩個移動沒有聯(lián)系時間范圍內(nèi)的首要時刻，所以CT可表示為.

(8)

源節(jié)點做數(shù)據(jù)運作時，就會朝著鄰節(jié)點發(fā)出數(shù)據(jù)請求datareq，具體包括本身的位置信息、速度大小和目的節(jié)點ID.當接收到這個datareq時候，會首先確定自身是不是目的節(jié)點，當確定自己是目的節(jié)點時，會回傳確認包ACK(Acknowledgement, ACK)，這時候源節(jié)點對ACK進行接收，然后直接向此節(jié)點進行數(shù)據(jù)輸送行動.

當發(fā)現(xiàn)自己不是數(shù)據(jù)包的目的節(jié)點(或者是自己即將成為中間節(jié)點)時，就可以借助公式(8)來進一步對接觸時間大小做一個計算，并且借助公式(3)來確定一個時間定時裝置.由此可知接觸時間如果越長，定時器時間就會短，就越有可能成為下一跳轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點，即最大接觸時間建立下一跳轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點.

一旦定時結(jié)束，就直接回復確認.在等計時器定時的時候，如果發(fā)現(xiàn)其他節(jié)點傳輸了ACK數(shù)據(jù)包，這時就應該取消定時器.如果發(fā)現(xiàn)源節(jié)點已經(jīng)收到了ACK包，那么就可以向這個時間節(jié)點來傳輸數(shù)據(jù)包.這個過程可以用圖3表示.

圖3 中間節(jié)點接收數(shù)據(jù)包的示意圖

源節(jié)點作為下一跳轉(zhuǎn)節(jié)點的最先相應ACK包的節(jié)點.借助這種方法，可以減少傳輸時間，從而增強數(shù)據(jù)包的傳輸效果.圖4展示了下一跳節(jié)點具體步驟.

圖4 下一跳節(jié)點的選擇過程

2 數(shù)值仿真

2.1 仿真環(huán)境

通過Castalia創(chuàng)建平臺對CTAR性能做深層次的發(fā)掘.假定55個移動節(jié)點在200 m×200 m這個區(qū)域中，然后隨便選取其中的一個，讓每一個節(jié)點在Random-waypoint移動模型基礎上做出移動行為，此時數(shù)據(jù)包的大小在128字節(jié)左右.

在這個時候，選擇接收器的機會轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議(Receiver based Opportunistic Forwarding,RoF)和貪婪邊界轉(zhuǎn)發(fā)路由(Greedy Perimeter Stateless Routing, GPSR).

2.2 數(shù)值分析

應該率先對那些據(jù)包傳遞速率根據(jù)數(shù)據(jù)包發(fā)送速率的變化進行修改.在這個過程中，移動速度為0.5 m/s，如圖5所示.

圖5 數(shù)據(jù)包傳遞率隨發(fā)送率

根據(jù)圖5研究出的CTAR協(xié)議的數(shù)據(jù)包傳遞的效率非常高，比RoF和GPSR協(xié)議更優(yōu)秀，但是GPSR協(xié)議的數(shù)據(jù)包傳遞效率不高.一個關(guān)鍵原因是CTAR協(xié)議源節(jié)點和目的節(jié)點組成的轉(zhuǎn)發(fā)范圍，會在接觸時間基礎上對定時器做出設定，從而確定最適合的下一跳轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點.數(shù)據(jù)包傳遞率和發(fā)送率呈反比例關(guān)系是因為：發(fā)送率升高時，里面數(shù)據(jù)包量也隨之變大，網(wǎng)絡就會變得堵塞，使得數(shù)據(jù)包傳遞的速率降低.

進一步研究移動速度同數(shù)據(jù)包傳遞率之間存在的影響機制，關(guān)注他們的移動速度從0.5 m/s到10 m/s時是如何改變的，從圖5可以看出此時源節(jié)點數(shù)據(jù)包的發(fā)出效率是20 pps.如圖6所示.

圖6 數(shù)據(jù)包傳遞率隨車速的變化情況

根據(jù)圖6得出,車速的增加與數(shù)據(jù)包傳遞率成反比例關(guān)系，這主要是因為車速的進一步加快，減少了接觸時間的長短，進一步減少了鏈路的持續(xù)時間，使得數(shù)據(jù)包傳遞成功率降低.相比RoF和GPSR協(xié)議，正在進行的CTAR協(xié)議的數(shù)據(jù)包傳遞率就有了一個非常明顯的升高趨勢.如圖7所示.

圖7 平均接觸時間隨車速變化情況

圖7展示了平均接觸時間數(shù)隨車速變化情況，隨著車速的進一步提升，平均接觸時間將會有一個非常明顯的減少.這些現(xiàn)象產(chǎn)生的原因是：車速的上升，使得鏈路連通時間減小.對比RoF協(xié)議，CTAR協(xié)議的平均接觸時間將會有一個質(zhì)的飛躍.例如，在車速是5 m/s時，CTAR協(xié)議的平均接觸時間測定是65 s，這時RoF協(xié)議的平均接觸時間小于它，只有28 m/s.

3 結(jié)束語

面對移動傳感網(wǎng)絡，接觸時間的區(qū)域范圍大部分是CTAR.CTAR路由是根據(jù)喚醒-休眠機制來進行工作的，CTAR的進一步使用借助了區(qū)的概念，減少節(jié)點能耗.在此過程中，借助接觸時間來對下一跳節(jié)點做挑選以便接下來的運用.根據(jù)本文數(shù)值的研究可以得知，CTAR路由可以對數(shù)據(jù)包傳遞效率進一步增強，對平均接觸時間進一步減少.