一種基于移動終端的無線傳感器網(wǎng)絡數(shù)據(jù)收集協(xié)議

　　1引言

　　1. 1無線傳感器網(wǎng)絡介紹

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

　　由于這種網(wǎng)絡的特殊性, 不能保證實時的傳遞, 而且它是面向消息的, 所以就涉及到了數(shù)據(jù)的存儲, 在DTN 體系結(jié)構(gòu)中提出了捆綁層的概念, 實現(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, 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, 直到到達目的節(jié)點; ( 2)基于歷史信息的方式, 根據(jù)節(jié)點歷史相遇記錄進行信息傳遞, 采用了概率的算法;( 3)基于特殊messager節(jié)點來擺渡分組信息,采用了存儲- 攜帶- 轉(zhuǎn)發(fā)的模式。DTN 網(wǎng)絡中的路由的設計都是基于以上幾種基本思想進行的。

　　2一種基于Ferry的數(shù)據(jù)收集協(xié)議設計方案

　　2. 1 基本思路

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

　　本文考慮簡化后的基本模型, 整個大的區(qū)域有四個小的區(qū)域, ferry節(jié)點沿固定圓形路徑經(jīng)過各個區(qū)域進行數(shù)據(jù)傳輸, 其中各個區(qū)域采用門節(jié)點與ferry節(jié)點通信, 在文獻[ 7]中已經(jīng)提到在小區(qū)域簇內(nèi)實現(xiàn)端到端的連接, 其中能夠與ferry 節(jié)點直接通信的節(jié)點均為門節(jié)點, 其他節(jié)點只需考慮將數(shù)據(jù)發(fā)送到門節(jié)點。當ferry 節(jié)點到達某一個區(qū)域, 發(fā)送hello建立連接, 其中收到此消息的節(jié)點就成為門節(jié)點, 它通知區(qū)域內(nèi)的其他節(jié)點它作為門節(jié)點的消息,運用D ijkSTra算法, 找到各個節(jié)點到達門節(jié)點的最短路徑, 建立連接, 這是采用ferry節(jié)點時簇內(nèi)的路由建立。本文中重點從簇間通信的方面進行考慮來提高數(shù)據(jù)傳送率, 提出采用雙ferry節(jié)點逆向運動的模型。這是基于從ferry 節(jié)點的攜帶能力以及數(shù)據(jù)管理上出發(fā)的, 當ferry 節(jié)點同向運動時, ferry 節(jié)點會將發(fā)往它運動方向相反的前一區(qū)域的目的地的分組信息空攜帶一周, 這樣就浪費了ferry節(jié)點的攜帶能力, 所以我們考慮將ferry節(jié)點采用逆向運動, 這樣對于需傳送到相對于節(jié)點運動相反的鄰區(qū)域的信息可以等待另外一個與其同向的ferry 節(jié)點傳送。

　　下面將具體講述其過程并將其與同向運動做比較。

　　2. 2具體實現(xiàn)

　　首先分析采用雙ferry節(jié)點逆向運動, 一個周期內(nèi)的運動狀態(tài), 如圖3所示。

圖3 ferry節(jié)點逆向運動一周狀態(tài)。

　　針對上圖我們來分析具體的實現(xiàn), 在一區(qū)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)目的節(jié)點所在的區(qū)域可能是各個區(qū)域, Ferry節(jié)點A 處于當前情況下時僅僅攜帶由一區(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B 運動到一區(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)點的攜帶容量, 同理ferry 節(jié)點B 也是這樣工作, 即ferry節(jié)點將不予攜帶在其運動方向上需運動一周的數(shù)據(jù), 對于在三區(qū)自己區(qū)域內(nèi)的節(jié)點不需要通過ferry進行傳輸, 沒有簇間傳輸延時,也不占用ferry 節(jié)點的buffer, 這里不予考慮。在同一區(qū)域內(nèi)采用ferry節(jié)點逆向運動的方式, 可以與一條路徑上兩個ferry節(jié)點同向運動相比, 這種情況下數(shù)據(jù)將少占用一段時間ferry節(jié)點的存儲容量, 從而節(jié)省了ferry 的存儲容量, 提高ferry 節(jié)點的攜帶能力。

　　在DTN 網(wǎng)絡中, 實行的是存儲- 攜帶- 轉(zhuǎn)發(fā)的方式, 所以對于節(jié)點的存儲能力有了一定的要求, 通過雙ferry節(jié)點逆向運行, 減少ferry 節(jié)點的存儲能力的限制, 當然這部分存儲負擔就轉(zhuǎn)移到了每個簇的門節(jié)點, 但是在每個簇中門節(jié)點的數(shù)量是相對比較多的, 對于能和ferry節(jié)點通信的節(jié)點均可作為門節(jié)點, 這樣就相當于將ferry一個節(jié)點的負擔平均轉(zhuǎn)移到了多個門節(jié)點中, 從而提高ferry的攜帶能力,提高整個網(wǎng)絡的傳輸效率。

　　2. 3.. 針對突發(fā)情況的考慮

　　在網(wǎng)絡中存在不可預知的突發(fā)情況, 如某一時刻某一區(qū)域節(jié)點產(chǎn)生的數(shù)據(jù)突然增多, 針對這種情況, 我們進行了考慮, 對ferry節(jié)點傳遞分組信息進行自適應調(diào)控。在2. 1節(jié)中, 考慮的是一般情況下,ferry節(jié)點A 和ferry節(jié)點B, 采用上述方向負責傳遞數(shù)據(jù), 但是在出現(xiàn)突發(fā)情況下, 我們對其進行改進,ferry節(jié)點A 在自身buffer空閑的情況下也負責傳遞本屬于ferry節(jié)點B 的信息, ferry 節(jié)點A 和ferry節(jié)點B 每周都會相遇一次, 此次情況下, 他們也會進行一個簡單的通信, 告知對方自己信息的接收情況,當節(jié)點A 收到節(jié)點B 的bu ffer已滿時, 并且自己的buffer仍有剩余空間時, 將主動幫助節(jié)點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, 其中每個區(qū)內(nèi)的節(jié)點數(shù)量為n; 節(jié)點產(chǎn)生數(shù)據(jù)的平均速率為W bit/s; ferry節(jié)點的移動速度為V ; ferry節(jié)點的存儲容量為c; ferry的路徑長度為L 。

　　3. 1 ferry節(jié)點的攜帶能力分析

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

　　其中tij 為源節(jié)點在i區(qū), 目的節(jié)點在j區(qū)的信息占的ferry節(jié)點情況, 一個區(qū)內(nèi)信息占用的時間如表1。

表1 逆向運動信息占用fe rry時間表。

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

　　對于ferry節(jié)點同向運動的情況, 信息占用ferry 的時間如表2, 同向:

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

表2 同向運動信息占用ferry 時間表

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

　　3. 2 延時分析

　　分析兩個ferry節(jié)點在整個區(qū)域內(nèi)循環(huán)一周內(nèi)的平均延遲, 這里將ferry節(jié)點運動一周的四分之一作為時間單位, 因為在不同的時刻, 兩個ferry 節(jié)點的相對位置不同, 引起的分組信息傳輸?shù)难訒r情況也不盡相同, 這里分析ferry 節(jié)點運動一周的情況,進而計算平均延時。

　　兩個ferry節(jié)點的相對位置如圖3, 對應于圖3中的前兩個狀態(tài)的節(jié)點延時(這里的延時指的是ferry節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)信息所帶來的延時)分別對應于表3、表4, 根據(jù)節(jié)點狀態(tài)的對稱性, 狀態(tài)三與狀態(tài)四分別與狀態(tài)一和狀態(tài)二是對稱的, 在這里省略。

　　考慮一個時間單位內(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)點傳遞信息的延時; d'zij 為區(qū)域i內(nèi)的節(jié)點在狀態(tài)z內(nèi), 產(chǎn)生的發(fā)送到目的節(jié)點在區(qū)域j中的信息等待ferry節(jié)點的延時; p ij 為區(qū)域i產(chǎn)生的, 目的節(jié)點在區(qū)域j的數(shù)據(jù)的概率; 源區(qū)域i, 目的節(jié)點區(qū)域為一區(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 逆向延時表

表4 逆向延時表

　　在信息負擔很小的情況下, 不論是ferry 節(jié)點同向運動還是逆向運動, 信息都不需要延時等待ferry節(jié)點, 即d#zij = 0, 此時只需考慮信息通過ferry 節(jié)點傳遞時的延時, 假設數(shù)據(jù)的目的節(jié)點區(qū)域是平均分布的qi1 = qi2 = qi3 = qi4 , 雙ferry節(jié)點逆向運動時,平均延時是: 當兩個ferry節(jié)點同向運動時, 一個時間單位內(nèi)的分組信息延時情況如表5, 因為ferry 節(jié)點的相對位置相同, 所以一個ferry周期內(nèi)信息傳輸情況是相同的:

表5 同向延時表

　　所以雙ferry節(jié)點同向運動時的平均延時為:

　　這種情況下D=D'; 當信息負擔比較重時, 分析d'zij信息等待ferry節(jié)點的延時, 由3. 1節(jié)分析可知ferry節(jié)點逆向運動可以提高攜帶能力, 減少信息等待ferry節(jié)點的延時, 從而可知: 逆向運動下的d'z ij 同向運動下的d'z ij, 從而使D D', 即雙ferry節(jié)點逆向運動時的延時小于雙ferry節(jié)點同向運動時的延時。

　　以上分析是在ferry節(jié)點在勻速運動的條件下, 節(jié)點數(shù)據(jù)產(chǎn)生率一定, ferry節(jié)點在經(jīng)過某一區(qū)域時, 與門節(jié)點的通信時間充足, 可以完成數(shù)據(jù)的雙向通信的前提下。

　　4 仿真實驗及分析

　　4. 1 仿真模型

　　在DTN模型中, 節(jié)點隨機分布在四個不相連接的區(qū)域中, 各個區(qū)域節(jié)點數(shù)目大致相當, 兩個ferry節(jié)點沿固定路徑運動, 并且假設ferry節(jié)點與各個區(qū)域門節(jié)點的接觸時間相當, 并且足夠與門節(jié)點進行通信, 每個區(qū)域中節(jié)點所到達的目的節(jié)點是平均概率分布的, 門節(jié)點和ferry 節(jié)點的存儲能力固定, 這里實驗時間設為100000s。

　　因為本文方案中沒有涉及到對簇間通信的路由策略, 所以仿真實驗中所有的數(shù)據(jù)僅考慮簇間通信的代價與性能。

　　4. 2 仿真結(jié)果分析

　　4. 2. 1 多次實驗的結(jié)果分析

　　各個節(jié)點的數(shù)據(jù)產(chǎn)生率是隨機的, 隨機分布在100- 300個單位信息之間, 進行多次實驗。

　　從圖4、圖5中可以看出, ferry節(jié)點逆向運動不僅降低了平均延時和數(shù)據(jù)丟失率, 并且延時和丟失率是大致穩(wěn)定的, 這就說明在隨機條件下, ferry節(jié)點逆向運動的適應性和傳輸能力更強, 也更加穩(wěn)定。

圖4平均延時的比較

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

　　當節(jié)點的數(shù)據(jù)產(chǎn)生率變化時, 通過實驗分析網(wǎng)絡的性能變化的趨勢, 實驗結(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)點逆向運動的優(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)絡負擔較重的情況下, 逆向ferry節(jié)點的性能高。

　　5 總結(jié)

　　本文在研究了DTN 網(wǎng)絡中基于ferry節(jié)點的路由設計方案基礎上, 提出了通過改變DTN 中ferry節(jié)點的運動狀態(tài), 來提高網(wǎng)絡傳輸中存儲- 攜帶-轉(zhuǎn)發(fā)三個過程中的攜帶能力, 進而提高網(wǎng)絡的傳輸能力, 通過實驗仿真和理論分析, 在大負荷的通信區(qū)域內(nèi), ferry節(jié)點的逆向運動優(yōu)于同向運動, 在小負荷的情況下, 兩者性能相差不大, 同時也考慮了突發(fā)情況, 進一步提高網(wǎng)絡的傳輸能力。轉(zhuǎn)發(fā)能力是與ferry節(jié)點與簇內(nèi)門節(jié)點的通信時間緊密相關(guān)的, 這里我們沒有改變ferry節(jié)點的運行時間和路徑, 所以它的轉(zhuǎn)發(fā)能力未能改變, 進一步的工作是期望通過簇內(nèi)門節(jié)點與ferry的通信自適應改變ferry節(jié)點與門節(jié)點的通信時間, 從而更進一步的提高DTN 網(wǎng)絡的傳輸能力。