考慮移動節(jié)點的無線傳感器網(wǎng)絡動態(tài)路由協(xié)議設計

湯瑩琳

（漢中市煙草公司勉縣分公司，陜西 漢中 724200）

0 引 言

無線傳感器網(wǎng)絡作為一種自組織的分布式網(wǎng)絡，在許多領域展現(xiàn)出了巨大的應用潛力。然而，傳統(tǒng)的靜態(tài)路由協(xié)議在面對移動節(jié)點引入的動態(tài)性時可能面臨一系列挑戰(zhàn)。

移動節(jié)點的引入為無線傳感器網(wǎng)絡帶來了更廣闊的應用前景，可以靈活地調整網(wǎng)絡拓撲，以適應環(huán)境變化或目標任務的需要，同時擴展了無線傳感器網(wǎng)絡的應用范圍，但也帶來了新的技術挑戰(zhàn)[1-2]。

傳統(tǒng)的靜態(tài)路由協(xié)議通常假設網(wǎng)絡中的節(jié)點位置保持不變，但在現(xiàn)實世界中，節(jié)點的移動性可能會引發(fā)網(wǎng)絡拓撲的頻繁變化。這種動態(tài)性可能導致原本穩(wěn)定的網(wǎng)絡出現(xiàn)不穩(wěn)定的情況，如路由路徑不穩(wěn)定、數(shù)據(jù)包丟失等[3-5]。靜態(tài)路由協(xié)議可能無法適應這種動態(tài)環(huán)境，因此需要針對移動節(jié)點設計新的動態(tài)路由協(xié)議來應對這些挑戰(zhàn)。

1 移動節(jié)點的行為模型設計

在本研究中，選擇了隨機游走模型作為移動節(jié)點的行為模型。其提供了一種合理的抽象描述，能夠較好地模擬節(jié)點的不確定移動性，具有一定的靈活性。

隨機游走模型描述了節(jié)點在空間中的隨機移動過程，移動節(jié)點在每個時間步驟中根據(jù)一定的概率選擇不同的方向進行移動。時間步驟表示模型中的時間單位，用來表示模型中節(jié)點位置的變化是在離散的時間點上進行的。每個時間步驟表示一個離散的時間間隔，在這個時間間隔內節(jié)點可以根據(jù)一定的概率選擇不同的方向進行移動。

在一維情況下，可以將節(jié)點位置表示為一個離散的位置變量Xt，其中t表示時間步驟。節(jié)點在每個時間步驟中根據(jù)概率p向右移動一格，或者根據(jù)概率1-p向左移動一格，對應的表達式為

2 動態(tài)路由設計

動態(tài)路由設計需要在考慮節(jié)點移動性的同時，綜合考慮能耗、可靠性、靈活性等多個方面的需求，以實現(xiàn)在移動節(jié)點環(huán)境下的高效通信。自適應移動感知路由協(xié)議是一種適應移動節(jié)點的動態(tài)路由協(xié)議，結合了節(jié)點的移動性模型和預測信息，實現(xiàn)了自適應的路由選擇。

2.1 節(jié)點的移動模式分析

當前移動節(jié)點收集周圍鄰居節(jié)點的位置信息，并分析移動模式。根據(jù)隨機游走模型，計算當前節(jié)點在下一步可能的位置和概率。

2.1.1 收集周圍鄰居節(jié)點的位置信息

假設當前節(jié)點的位置為(x0,y0)，通過無線通信獲取周圍鄰居節(jié)點的位置信息，這些位置信息可以表示為一組坐標(x1,y1),(x2,y2),…,(xn,yn)。

2.1.2 計算移動向量

對于每個鄰居節(jié)點(xi,yi)，計算其移動向量，即當前節(jié)點相對于鄰居節(jié)點的位移，表達式為

然后計算每個向量的模長為

2.1.3 計算移動向量的概率分布

根據(jù)計算得到的移動向量模長，計算移動向量的概率分布，用于預測下一步的移動方向?？梢允褂酶咚狗植蓟蚱渌线m的概率分布來表示移動向量的可能性。假設pi表示選擇移動向量(Δxi,Δyi)的概率，則可以使用高斯分布進行計算，計算公式為

式中：σ為用于調節(jié)概率分布的參數(shù)，可以根據(jù)實際情況進行調整。通過計算概率分布，可以預測每個移動向量被選擇的可能性，從而預測節(jié)點的下一步移動方向。這個過程將會為每個鄰居節(jié)點的移動向量計算概率分布，根據(jù)這些概率分布數(shù)據(jù)，應用式（4）獲得節(jié)點在不同方向上移動的可能性。

2.2 預測移動趨勢

2.2.1 計算加權平均的預測位置

假設要預測未來k個時間步驟內的位置變化。對于每個時間步驟t，計算移動向量的加權平均，其中移動向量的權重由其概率分布確定。

對于第t個時間步驟，預測的位置(xpred,t,ypred,t)可以通過加權平均公式計算得出，即

式中：pi為移動向量(Δxi,Δyi)的概率；n為鄰居節(jié)點的數(shù)量；(x0,y0)為當前節(jié)點的位置。

2.2.2 重復步驟以預測多個時間步驟

通過重復上述步驟，可以預測未來連續(xù)的時間步驟內節(jié)點的位置變化。每個時間步驟都根據(jù)不同的加權平均計算預測位置。

2.3 生成路徑候選

2.3.1 確定起始點和目標節(jié)點

當前移動節(jié)點的位置可以作為路徑的起始點。根據(jù)預測的移動趨勢，計算出未來的若干位置作為可能的目標節(jié)點。這些目標節(jié)點可以是按時間步長遞增的位置，代表預測的移動路徑。

2.3.2 路徑生成方法選擇

最短路徑算法適用于求解2 個給定節(jié)點之間的最短路徑，但在動態(tài)環(huán)境中可能需要進行實時更新。蟻群算法模擬了螞蟻尋找食物的行為，適合考慮多條路徑選擇、復雜網(wǎng)絡拓撲或動態(tài)環(huán)境的情況，但需要一些參數(shù)的調優(yōu)，在選擇算法時，應權衡實時性、計算復雜度和適用性。

2.3.3 路徑搜索

使用選擇的路徑生成方法，從起始點出發(fā)，尋找到達目標節(jié)點的路徑，路徑搜索流程如圖1 所示。

首先，初始化數(shù)據(jù)結構。這包括創(chuàng)建一個數(shù)據(jù)結構來記錄已訪問的節(jié)點、待訪問的節(jié)點隊列、距離或成本的初始值等。起始點被放入待訪問節(jié)點隊列中。其次，從待訪問節(jié)點隊列中選擇下一個節(jié)點進行探索。選擇的節(jié)點是具有最低成本或距離的節(jié)點，標記已選擇的節(jié)點為已訪問。最后，檢查當前節(jié)點是否是目標節(jié)點，如果是，則路徑搜索完成，可以終止循環(huán)；如果不是，則需要進行擴展，涉及查找當前節(jié)點相鄰的未訪問節(jié)點，即可以通過合法路徑到達的節(jié)點。

對于每個相鄰節(jié)點，計算從起始點到該節(jié)點的成本（通常是已走路徑的累積距離）。如果該節(jié)點尚未訪問或新的路徑成本更低，則更新節(jié)點的成本和父節(jié)點，將其添加到待訪問節(jié)點隊列中。終止條件是檢查當前節(jié)點是否是目標節(jié)點，如果是目標節(jié)點，則路徑搜索完成；如果未找到目標節(jié)點，并且待訪問節(jié)點隊列為空，則說明沒有可行的路徑。

2.3.4 生成多個路徑候選

為了增加選擇性，可以生成多條路徑候選，每條路徑代表一個可能的預測移動路徑，通過調整目標節(jié)點或算法參數(shù)來生成不同的候選路徑。

2.4 路徑選擇

2.4.1 穩(wěn)定性評估

對路徑上各節(jié)點的移動性和穩(wěn)定性進行評估，如考慮節(jié)點的移動趨勢和歷史移動模式。選擇穩(wěn)定的節(jié)點組成路徑，以降低路由中斷的風險。

2.4.2 距離考慮

考慮路徑的總距離，較短的路徑通常能夠減少傳輸延遲。因此，路徑的距離是一個重要的因素，尤其在需要快速數(shù)據(jù)傳輸時。

2.4.3 擁塞情況分析

對路徑上的擁塞情況進行分析，如使用擁塞度指標來評估路徑的擁塞情況，確保選擇的路徑為非擁塞節(jié)點或區(qū)域。

2.4.4 綜合評估

將上述因素綜合考慮，為每個路徑候選分配一個得分。得分可以通過加權和來計算，以反映各因素的重要性。加權和的選擇可以根據(jù)具體情況進行調整。

2.4.5 路徑選擇

選擇得分最高的路徑作為最優(yōu)路徑。這個路徑在綜合考慮了節(jié)點穩(wěn)定性、距離和擁塞情況后，被認為是最適合傳輸數(shù)據(jù)包的路徑。但需要注意的是，在選擇最優(yōu)路徑之前，應確保該路徑上的節(jié)點都是可達的，并且擁有足夠的能量來支持數(shù)據(jù)傳輸。如果路徑上有不可達或能量不足的節(jié)點，則選擇次優(yōu)路徑。

2.5 路由更新

2.5.1 更新觸發(fā)機制

定期觸發(fā)路由信息的更新，以確保路由表中的信息與網(wǎng)絡拓撲的實際情況相符。更新頻率可以根據(jù)節(jié)點的移動速度和網(wǎng)絡穩(wěn)定性來動態(tài)調整。當移動節(jié)點的位置變化超過一定閾值，或者網(wǎng)絡發(fā)生拓撲變化（如節(jié)點加入、離開、連接斷開等時）時，觸發(fā)路由信息的更新。

2.5.2 路由表維護

對于每個節(jié)點，維護一個路由表，記錄到達其他節(jié)點的路徑信息。路由表中可能包含目標節(jié)點、下一跳節(jié)點、路徑代價等信息。當路由更新被觸發(fā)時，節(jié)點需要檢查并更新路由表中的信息，以反映新的拓撲情況和移動節(jié)點的位置。

2.5.3 路徑選擇更新

更新后的路由表將會影響路徑選擇過程。路徑選擇算法在更新后會基于新的路由表進行路徑計算，以確保路徑是基于最新信息的。

2.5.4 控制開銷抑制

更新路由信息可能會引入一定的控制開銷，如路由更新消息的傳輸?shù)?。為了避免過多的控制開銷，可以根據(jù)節(jié)點的移動速度和網(wǎng)絡穩(wěn)定性調整路由更新的頻率。如果網(wǎng)絡中節(jié)點的移動速度較快，可以增加更新頻率，以保持路由信息的及時性。相反，如果網(wǎng)絡比較穩(wěn)定，可以適當減少更新頻率，減少控制開銷。

2.5.5 事件驅動更新

路由更新不僅可以基于定期的時間間隔，還可以根據(jù)事件驅動的方式進行。當節(jié)點移動或網(wǎng)絡拓撲發(fā)生變化時，立即觸發(fā)路由更新。

3 結 論

文章深入探討了移動節(jié)點的無線傳感器網(wǎng)絡動態(tài)路由協(xié)議的設計要求、考慮因素和實現(xiàn)方案。該動態(tài)路由協(xié)議能夠在移動節(jié)點的環(huán)境下實現(xiàn)穩(wěn)定且高效的數(shù)據(jù)傳輸。未來的研究可以進一步優(yōu)化協(xié)議性能、考慮更多實際應用因素，并在真實網(wǎng)絡環(huán)境中進行驗證和實際應用。這對于提高移動傳感器網(wǎng)絡的可靠性和性能具有重要的指導意義。