李 巍，韓九強(qiáng)，鐘德星

(西安交通大學(xué)智能網(wǎng)絡(luò)與網(wǎng)絡(luò)安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室電信學(xué)院自動(dòng)化研究所，西安 710049)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)［1］(Wireless Sensor Network，WSN)是由多個(gè)節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部通過多跳近距離無線通信完成節(jié)點(diǎn)間數(shù)據(jù)交換、數(shù)據(jù)采集、網(wǎng)絡(luò)配置管理等各項(xiàng)工作，由于其獨(dú)特的工作特點(diǎn)，導(dǎo)致WSN具有通信拓?fù)鋸?fù)雜、拓?fù)渥儞Q頻繁的特點(diǎn)。WSN應(yīng)用范圍廣闊，具體應(yīng)用模式各有差異，但如果按照節(jié)點(diǎn)在目標(biāo)區(qū)域內(nèi)完成初始布置后，節(jié)點(diǎn)位置是否發(fā)生變化來歸納，則可將其劃分為兩大類:節(jié)點(diǎn)固定的靜態(tài)WSN與節(jié)點(diǎn)可移動(dòng)的移動(dòng)WSN。兩種類型的WSN在學(xué)術(shù)研究上各有側(cè)重，難點(diǎn)不同，從網(wǎng)絡(luò)通信拓?fù)鋸?fù)雜度及網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋭?dòng)態(tài)性角度看移動(dòng)WSN的研究難度要超過靜態(tài)WSN，動(dòng)態(tài)節(jié)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)會(huì)引起網(wǎng)絡(luò)通信拓?fù)浯蠓兓?，進(jìn)而導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)通信效率下降、能耗增高，故需要在通信協(xié)議方面做出優(yōu)化以提高網(wǎng)絡(luò)性能、延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)壽命，而路由協(xié)議受網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)拓?fù)渥儞Q影響最為明顯，所以移動(dòng)WSN路由協(xié)議成為一個(gè)研究的熱點(diǎn)、難點(diǎn)。

由于WSN中節(jié)點(diǎn)一般均采用資源受限的電池供電方式進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、傳輸?shù)墓ぷ?，所以伴隨著節(jié)點(diǎn)失效，網(wǎng)絡(luò)不斷發(fā)生拓?fù)渥兓?，所以即使在靜態(tài)WSN中，路由協(xié)議也需要考慮網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)拓?fù)涮匦裕?］，為了應(yīng)對(duì)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥儞Q，Perkins［3－4］等人提出了基于路由表選擇的路由協(xié)議:AWDS、DFR、DBF、DSDV［3］等，此類基于路由表協(xié)議對(duì)于網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓磻?yīng)較慢；而 BSR［5］、AODV、DSR、DYMO 等按需路由協(xié)議能夠在有效降低網(wǎng)絡(luò)開銷的同時(shí)適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)拓?fù)渥兓?，但總體來說協(xié)議開銷隨網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋭?dòng)態(tài)變化程度提升而增大；在已建立路由基礎(chǔ)上進(jìn)行路由建立的協(xié)議如IERP、LBR、PLBR等，若無法提供網(wǎng)絡(luò)特性的先驗(yàn)信息時(shí)，其在高動(dòng)態(tài)拓?fù)淝闆r下，協(xié)議性能仍舊不理想；基于分層的路由協(xié)議如LEACH［6－7］、FSR［8］、DDR［9］等在高動(dòng)態(tài)拓?fù)淝闆r下性能較為理想，但此類協(xié)議性能依賴于協(xié)議層次深度的劃分及子編碼尋址，協(xié)議參數(shù)選擇對(duì)性能影響較為明顯；針對(duì)高移動(dòng)WSN提出的利用節(jié)點(diǎn)位置信息輔助路由的 TSG［10］、VDCH、GEOTORA［11］等協(xié)議在應(yīng)對(duì)高動(dòng)態(tài)拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)時(shí)，如果對(duì)路由開銷控制較好的狀態(tài)下，網(wǎng)絡(luò)整體性能隨動(dòng)態(tài)拓?fù)涮岣?，性能下降較不明顯。

從網(wǎng)絡(luò)性質(zhì)角度出發(fā)，移動(dòng)WSN與靜態(tài)WSN網(wǎng)絡(luò)的基本特質(zhì)相同，但移動(dòng)WSN中使用的路由協(xié)議應(yīng)根據(jù)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)情況采取針對(duì)網(wǎng)絡(luò)高動(dòng)態(tài)拓?fù)涞拇胧┮蕴岣呗酚沙晒β?；?jié)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)是其路由協(xié)議設(shè)計(jì)的挑戰(zhàn)，但節(jié)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)信息也是應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)最有利的工具，借鑒利用節(jié)點(diǎn)位置輔助路由的靜態(tài)WSN路由協(xié)議思想，本文針對(duì)移動(dòng)WSN高動(dòng)態(tài)拓?fù)涞奶匦?，通過利用節(jié)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)信息，輔助路由工作，提出基于節(jié)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)估計(jì)的路由選擇算法NMEBRP。

1 節(jié)點(diǎn)收發(fā)功率動(dòng)態(tài)優(yōu)化模型

WSN中節(jié)點(diǎn)能量消耗的最主要部分是由節(jié)點(diǎn)無線通信模塊數(shù)據(jù)收發(fā)帶來的，而多節(jié)點(diǎn)共享通信介質(zhì)的WSN中，一般采用的無線信道模型有自由空間模型、雙路徑地面反射模型、陰影模型等［12］，從模型準(zhǔn)確度和仿真復(fù)雜度角度考慮，本文采用雙路徑地面反射模型作為無線信道模型，在雙路徑地面反射模型中，距離發(fā)射節(jié)點(diǎn)距離為d處的信號(hào)功率Pr(d)用下式進(jìn)行計(jì)算:

其中，Pt為發(fā)送信號(hào)節(jié)點(diǎn)的發(fā)射功率；Gt和Gr分別為發(fā)送節(jié)點(diǎn)和接收節(jié)點(diǎn)的天線增益；L(L≥1)是系統(tǒng)的系統(tǒng)損耗；ht和hr分別為發(fā)送節(jié)點(diǎn)和接收節(jié)點(diǎn)的天線高度。

由于無線信號(hào)在空間中成距離的高次冪函數(shù)衰減，故節(jié)點(diǎn)間采取多跳轉(zhuǎn)發(fā)能夠較好的節(jié)省無線通信能量，節(jié)點(diǎn)需要根據(jù)各自位置關(guān)系判斷是否針對(duì)特定數(shù)據(jù)包進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。將式(1)中常數(shù)合并化簡(jiǎn)為:

用有序?qū)崝?shù)對(duì)表示從前一個(gè)節(jié)點(diǎn)到下一個(gè)節(jié)點(diǎn)間的無線數(shù)據(jù)收發(fā)，如(1，2)表示從節(jié)點(diǎn)1到節(jié)點(diǎn)2的通信。節(jié)點(diǎn)保證能夠與需要進(jìn)行通信的目標(biāo)節(jié)點(diǎn)通信的必要條件是在目標(biāo)節(jié)點(diǎn)處的接收功率Pr(d)大于節(jié)點(diǎn)能夠監(jiān)聽到的信號(hào)門限Pthreshold，則1、2節(jié)點(diǎn)間存在轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)需滿足:

且

若節(jié)點(diǎn)間均以監(jiān)聽信號(hào)功率門限為信號(hào)功率水平下限，則有:

Pthreshold在仿真實(shí)驗(yàn)環(huán)境中即為固定參數(shù)，則信號(hào)能量發(fā)送功率需滿足的式(2)即能寫為僅與相關(guān)節(jié)點(diǎn)間距離有關(guān)的不等式:

節(jié)點(diǎn)1、2通過計(jì)算可以得到存在轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)的范圍，其邊界滿足的參數(shù)方程如下式:

2 基于節(jié)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)估計(jì)的動(dòng)態(tài)路由選擇算法

對(duì)于節(jié)點(diǎn)大量隨機(jī)運(yùn)動(dòng)帶來的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥儞Q頻繁的問題，引入輔助信息手段來幫助各層網(wǎng)絡(luò)協(xié)議進(jìn)行性能優(yōu)化是一個(gè)直接有效的解決辦法。本文中，基于這一思路，使用節(jié)點(diǎn)的位置信息幫助網(wǎng)絡(luò)中的獨(dú)立節(jié)點(diǎn)進(jìn)行路由選擇，在使用節(jié)點(diǎn)位置信息輔助路由協(xié)議時(shí)，需要注意以下兩個(gè)問題:

(1)使用位置信息進(jìn)行判斷的可信度的方向性。獲取的位置信息僅僅包括其自身的實(shí)時(shí)位置信息和其鄰居節(jié)點(diǎn)的過去某時(shí)間段內(nèi)的位置信息。出于保證網(wǎng)絡(luò)通信功能和網(wǎng)絡(luò)實(shí)際應(yīng)用效果的根本要求，運(yùn)動(dòng)估計(jì)獲得網(wǎng)絡(luò)通信狀況、拓?fù)渥兓纳频目尚哦葢?yīng)低于網(wǎng)絡(luò)狀況惡化的可信度，以降低由于運(yùn)動(dòng)估計(jì)帶來的網(wǎng)絡(luò)性能誤判導(dǎo)致的額外路由協(xié)議開銷。

(2)位置信息采用的回溯時(shí)間長(zhǎng)度。對(duì)于節(jié)點(diǎn)及其鄰居節(jié)點(diǎn)未來時(shí)刻的位置估計(jì)是建立在已有過去某長(zhǎng)度時(shí)間段節(jié)點(diǎn)位置變化情況的分析的基礎(chǔ)上的，所以回溯的時(shí)間段長(zhǎng)度非常重要，合適的回溯時(shí)間段長(zhǎng)度能夠很好的體現(xiàn)相應(yīng)節(jié)點(diǎn)位置變化情況，還可以提高估計(jì)的可信度。

2.1 算法描述

對(duì)于布置在目標(biāo)區(qū)域的一組無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，將節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的集合記為:

節(jié)點(diǎn)的工作區(qū)域?yàn)槎S平面S，其面積為L(zhǎng)1×L2，節(jié)點(diǎn)部署方式為上節(jié)中的均勻隨機(jī)部署，節(jié)點(diǎn)最大通信半徑為Rradio。對(duì)于某時(shí)刻節(jié)點(diǎn)的位置記為:

其中i∈V。

網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)間位置信息的交換是通過將位置信息附加在每個(gè)發(fā)送或者轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)包末尾，附加的信息有節(jié)點(diǎn)本身的位置信息，也有節(jié)點(diǎn)自身已經(jīng)獲得的過去某一時(shí)刻目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的位置信息。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)包的收發(fā)從分析的角度看，是在時(shí)間域內(nèi)發(fā)生的離散事件，對(duì)于在t時(shí)刻收到的數(shù)據(jù)包中得到的節(jié)點(diǎn)i的位置信息記為post(i)的話，對(duì)于由上一個(gè)數(shù)據(jù)包中得到的節(jié)點(diǎn)i的位置信息記為post－1(i)，對(duì)于未來節(jié)點(diǎn)位置的估計(jì)記為 post+1，網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)包的發(fā)送和接受同時(shí)都帶有節(jié)點(diǎn)發(fā)出和收到的時(shí)刻信息，所以將收到兩個(gè)相鄰的數(shù)據(jù)包的時(shí)間間隔記為:

這一時(shí)間間隔ΔT對(duì)于收集到的信息的采信度評(píng)估有關(guān)。

對(duì)于節(jié)點(diǎn)i，其所有鄰居節(jié)點(diǎn)對(duì)其位置預(yù)測(cè)采用如下方式:鄰居節(jié)點(diǎn)根據(jù)過去某一時(shí)間段收到的k個(gè)數(shù)據(jù)包，獲得節(jié)點(diǎn)i的k個(gè)過去時(shí)間點(diǎn)的位置信息記為:

對(duì)于某時(shí)刻節(jié)點(diǎn)的速度記為:

其中l(wèi)=0，1，…，k。

對(duì)于節(jié)點(diǎn)的速度的預(yù)測(cè)值Velot+1(i)根據(jù)以下算式計(jì)算:

其中 α0+α1+…+αk－1=1。

α0，α1，…，αk－1的計(jì)算采用如下方法，其中輔助變量βm為:

其中m=0，1，…，k－1。則有:

在算法中單個(gè)節(jié)點(diǎn)對(duì)鄰居節(jié)點(diǎn)進(jìn)行位置估計(jì)的運(yùn)算所需要的時(shí)間復(fù)雜度并不高，綜合式(4)～式(6)，位置估計(jì)的復(fù)雜度基本為O(c*k)其中c為常數(shù)。所以對(duì)于估計(jì)鄰居節(jié)點(diǎn)位置信息時(shí)，縮小k的取值在降低節(jié)點(diǎn)運(yùn)算復(fù)雜度上并不能帶來顯著的效果，因此從這個(gè)角度出發(fā)降低k值的意義并不大。討論k的合理取值的意義在于如何能夠合理選擇信息回溯時(shí)間長(zhǎng)度，使得節(jié)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)估計(jì)既能夠及時(shí)反映節(jié)點(diǎn)變化趨勢(shì)，又能夠使估計(jì)的結(jié)果具有相對(duì)的穩(wěn)定性。

基于節(jié)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)估計(jì)的路由選擇算法仿真的主要步驟:(1)在滿足網(wǎng)絡(luò)目標(biāo)區(qū)域覆蓋要求的前提下，對(duì)于網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行初始布置時(shí)，節(jié)點(diǎn)通信半徑設(shè)置需使網(wǎng)絡(luò)滿足連通性條件。(2)從網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行開始，網(wǎng)絡(luò)中的源數(shù)據(jù)發(fā)送節(jié)點(diǎn)通過廣播方式尋找網(wǎng)絡(luò)中目標(biāo)節(jié)點(diǎn)。(3)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)接收到源節(jié)點(diǎn)包含其位置信息的路由建立請(qǐng)求數(shù)據(jù)包后，根據(jù)其中的源節(jié)點(diǎn)位置信息發(fā)送附帶有其位置信息的數(shù)據(jù)包進(jìn)行響應(yīng)。同時(shí)節(jié)點(diǎn)中其他節(jié)點(diǎn)通過發(fā)送生存周期TTL=1的廣播包以期建立起各自的鄰居節(jié)點(diǎn)表。(4)源節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)包依據(jù)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)位置信息進(jìn)行路由，網(wǎng)絡(luò)中的中間轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)如有目標(biāo)節(jié)點(diǎn)較新的位置信息可根據(jù)其信息對(duì)數(shù)據(jù)包進(jìn)行修改，使數(shù)據(jù)包向目標(biāo)節(jié)點(diǎn)位置方向傳送。(5)節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)中一旦建立起鄰居節(jié)點(diǎn)列表后，可自行根據(jù)本文第二章中的中間節(jié)點(diǎn)選擇關(guān)系來修改本地路由表和節(jié)點(diǎn)無線收發(fā)功率，此過程由節(jié)點(diǎn)分布自主執(zhí)行。(6)根據(jù)節(jié)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)估計(jì)，對(duì)于鄰居節(jié)點(diǎn)中在未來時(shí)間段內(nèi)可能移動(dòng)出節(jié)點(diǎn)最大無線通信范圍的節(jié)點(diǎn)數(shù)目進(jìn)行計(jì)算，如果小于節(jié)點(diǎn)鄰居數(shù)目最小門限值Neighborthre(i)，節(jié)點(diǎn)i則通過最大通信距離發(fā)送新的TTL=1的廣播數(shù)據(jù)包建立本地鄰居表。

以上為路由選擇的主要步驟框架，本文提出的路由協(xié)議的最大特點(diǎn)就是路由的發(fā)現(xiàn)、建立、判斷使用和后期維護(hù)都是建立在對(duì)與網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的具體地理位置信息的利用上，所有節(jié)點(diǎn)收發(fā)數(shù)據(jù)包時(shí)都要進(jìn)行位置信息的附加以及提取?；诘玫降奈恢眯畔?，需要根據(jù)這些信息進(jìn)行鄰居節(jié)點(diǎn)數(shù)目判斷以適應(yīng)MWSN的高拓?fù)鋭?dòng)態(tài)性。

3 仿真實(shí)驗(yàn)

本文利用Network Simulator 2(NS2)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)仿真實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)的主要部分為模擬了在1 200 m×1 200 m的實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)，節(jié)點(diǎn)總數(shù)為500的MWSN網(wǎng)絡(luò)能量消耗、網(wǎng)絡(luò)壽命等問題。實(shí)驗(yàn)的主要參數(shù)如下表所示。

表1 仿真參數(shù)

為了進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)性能分析對(duì)比，本文主要采用了兩種用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的較為典型的協(xié)議和NMEBRP協(xié)議進(jìn)行對(duì)比。其中一種路由協(xié)議為Ad hoc On-Demand Distance Vector Routing(AODV，RFC3561)，AODV［13］是一種使用在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)或者移動(dòng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的具有一定代表性和通用性的路由協(xié)議。另外一種為Distance Routing Effect Algorithm for Mobility(DREAM)［14］，這是一種利用節(jié)點(diǎn)位置信息進(jìn)行路由決策的路由協(xié)議，在由于節(jié)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致的高動(dòng)態(tài)拓?fù)涞木W(wǎng)絡(luò)中具有比較好的性能。

本文研究主要針對(duì)移動(dòng)WSN中節(jié)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)造成路由協(xié)議開銷增大、網(wǎng)絡(luò)壽命縮短情況下，路由協(xié)議的性能改進(jìn)，節(jié)點(diǎn)隨機(jī)運(yùn)動(dòng)造成的拓?fù)渥兓l繁是造成網(wǎng)絡(luò)性能下降的主要原因，故仿真實(shí)驗(yàn)主要考察在不同節(jié)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)幅度下，參考協(xié)議與本文提出協(xié)議的性能對(duì)比。

從圖1中可以看出網(wǎng)絡(luò)中隨著節(jié)點(diǎn)隨機(jī)移動(dòng)的幅度增加，網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)能量耗盡的過程加快，用90%節(jié)點(diǎn)能量耗盡表示的網(wǎng)絡(luò)壽命呈下降趨勢(shì)，AODV協(xié)議在這種情況下應(yīng)對(duì)節(jié)點(diǎn)的隨機(jī)運(yùn)動(dòng)所付出的代價(jià)要遠(yuǎn)高于其他兩種協(xié)議，NMEBRP性能好于DREAM協(xié)議，但在節(jié)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)速度較快時(shí)，兩種協(xié)議性能較為接近，說明兩種協(xié)議對(duì)于節(jié)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)情況適應(yīng)能力的上限近似。

圖1 網(wǎng)絡(luò)中90%節(jié)點(diǎn)能量耗盡出現(xiàn)的時(shí)間

網(wǎng)絡(luò)中路由協(xié)議開銷會(huì)消耗一定量的能量，圖2反映了三種協(xié)議的通信開銷大小。由于在節(jié)點(diǎn)移動(dòng)速度較快情況下，AODV協(xié)議需要發(fā)送大量數(shù)據(jù)包進(jìn)行路由維護(hù)工作，所以導(dǎo)致其單位數(shù)據(jù)包傳送能耗較高。DREAM協(xié)議根據(jù)網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)移動(dòng)速度變化，需要更加頻繁的更新網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的節(jié)點(diǎn)位置信息，但相對(duì)來說通信開銷隨網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)移動(dòng)速度增大的增長(zhǎng)幅度還是可以接受的，但是當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)處于運(yùn)動(dòng)速度較慢的情況時(shí)，其開銷仍然較大。NMEBRP協(xié)議能夠取得較低的單位數(shù)據(jù)包功耗的主要原因是，即使節(jié)點(diǎn)移動(dòng)速度較快情況下，節(jié)點(diǎn)調(diào)整了數(shù)據(jù)收發(fā)的功率，但是網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)在滿足建立路由的前提下，依然進(jìn)行本地傳送能量?jī)?yōu)化、路由調(diào)整工作，通過本地轉(zhuǎn)發(fā)，使得傳送數(shù)據(jù)包的平均能耗得以下降。

圖2 網(wǎng)絡(luò)中成功傳送單個(gè)數(shù)據(jù)包的平均能耗

圖3中在不同節(jié)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)速度下，AODV協(xié)議在節(jié)點(diǎn)隨機(jī)移動(dòng)速度取值上限為12 m/s時(shí)，數(shù)據(jù)收發(fā)受到明顯影響。但當(dāng)節(jié)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)速度再進(jìn)一步增大時(shí)，由于節(jié)點(diǎn)隨機(jī)運(yùn)動(dòng)程度劇烈，網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)相對(duì)位置變化快，導(dǎo)致部分?jǐn)?shù)據(jù)包可以憑借節(jié)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)能力得到成功傳送的機(jī)會(huì)，所以收發(fā)數(shù)據(jù)包的比例又有所上升。而DREAM協(xié)議對(duì)于節(jié)點(diǎn)移動(dòng)的應(yīng)對(duì)要相對(duì)穩(wěn)定，隨著節(jié)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)程度的加劇，性能便相對(duì)較緩慢下降，整個(gè)過程沒有出現(xiàn)明顯收發(fā)比例下降的階段。提出的NMEBRP協(xié)議在數(shù)據(jù)收發(fā)比例方面取得較好的效果，主要原因是當(dāng)節(jié)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)速度增加時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)根據(jù)協(xié)議算法，離開節(jié)點(diǎn)通信范圍的現(xiàn)有鄰居節(jié)點(diǎn)數(shù)目會(huì)明顯減少，而并不根據(jù)節(jié)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)情況估計(jì)鄰居節(jié)點(diǎn)數(shù)目增加的情況，節(jié)點(diǎn)在這種情況下會(huì)主動(dòng)調(diào)整數(shù)據(jù)收發(fā)功率，能夠增加成功通信的幾率。

圖3 網(wǎng)絡(luò)中成功接收的數(shù)據(jù)包與發(fā)送數(shù)據(jù)包比值

在圖4中，NMEBRP的平均hop大，說明在仿真實(shí)驗(yàn)中，提出的協(xié)議能夠按照構(gòu)想思路，將單跳距離較長(zhǎng)的節(jié)點(diǎn)間通信，分解為多個(gè)節(jié)點(diǎn)間較短距離的通信，圖4說明NMEBRP協(xié)議延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)壽命的主要途徑與協(xié)議的初衷一致。圖4也反映NMEBRP在網(wǎng)絡(luò)性能方面的提升是需要付出通信跳數(shù)增加，網(wǎng)絡(luò)延遲增加的代價(jià)。

圖4 網(wǎng)絡(luò)中成功傳送單個(gè)數(shù)據(jù)包所經(jīng)過的平均跳數(shù)

4 小結(jié)

節(jié)點(diǎn)隨機(jī)運(yùn)動(dòng)造成移動(dòng)WSN比靜態(tài)WSN的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓宇l繁，網(wǎng)絡(luò)內(nèi)節(jié)點(diǎn)間通信效率隨通信路徑增長(zhǎng)而明顯降低；由此導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)在通信路徑修復(fù)及重建的過程中消耗了大量能量，從而顯著影響了網(wǎng)絡(luò)壽命。本文針對(duì)移動(dòng)WSN的特點(diǎn)，在分析不同節(jié)點(diǎn)間存在優(yōu)化能量轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)的限定條件的基礎(chǔ)上，確定了節(jié)點(diǎn)間本地通信轉(zhuǎn)發(fā)的觸發(fā)范圍，進(jìn)而提出了一種用于移動(dòng)WSN的基于節(jié)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)判斷的路由選擇算法NMEBRP，算法中節(jié)點(diǎn)依靠通信過程中收集到的臨近節(jié)點(diǎn)位置信息，進(jìn)行完全分布式的基于臨近節(jié)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)預(yù)測(cè)的動(dòng)態(tài)路由調(diào)整。提出的算法計(jì)算復(fù)雜度較低，適合應(yīng)用于節(jié)點(diǎn)計(jì)算能力受限的各種WSN應(yīng)用。本文在節(jié)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)速度均值不同的多種實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景下進(jìn)行了大量仿真實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果說明相比參考協(xié)議，NMEBRP協(xié)議傳遞單位數(shù)據(jù)包的平均能耗較低，且網(wǎng)絡(luò)內(nèi)用于路由修復(fù)及重建的數(shù)據(jù)包比例低，說明提出的算法將更多節(jié)點(diǎn)能量用于傳輸應(yīng)用數(shù)據(jù)包，提高了移動(dòng)WSN的能量利用效率，有效延長(zhǎng)了移動(dòng)WSN網(wǎng)絡(luò)壽命。

移動(dòng)WSN的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涓邉?dòng)態(tài)性特點(diǎn)使得針對(duì)其設(shè)計(jì)的路由層算法能夠明顯改善網(wǎng)絡(luò)性能，但從本質(zhì)上提高此類網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用效果，從通信協(xié)議角度考慮，還需要從數(shù)據(jù)鏈路層至傳輸層均結(jié)合節(jié)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)特性進(jìn)行跨層優(yōu)化設(shè)計(jì)，提出完全適用于移動(dòng)WSN的跨層通信協(xié)議。在本文NMEBRP算法的基礎(chǔ)上，作者計(jì)劃進(jìn)行深入研究，希望能夠提出完全針對(duì)移動(dòng)WSN的跨層通信協(xié)議。

［1］Yick J，Mukherjee B，Ghosal D.Wireless Sensor Network Survey［J］.Computer Networks，2008，52(12):2292－2330.

［2］李少春，程良倫.一種自適應(yīng)的混合型無線傳感器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇刂扑惴ǎ跩］.傳感技術(shù)學(xué)報(bào)，2010，23(3):428－433.

［3］Perkins C E，Bhagwat P.Highly Dynamic Destination-Sequenced Distance-Vector Routing(DSDV)for Mobile Computers［J］.Computer Communications Review，1994，24(4):234－234.

［4］Chen J，Zhou H，Lee Y Z，et al.AODV-DFR:Improving Ad Hoc Routing Scalability to Mobility and Load［C］//Vancouver，BC，Canada:Institute of Electrical and Electronics Engineers Computer Society，2007.550－553.

［5］Guo S，Yang O.Effects of Backup Routes and Cache Timeout Mechanism on ReliableSourceRoutingin MobileAd-Hoc Networks［C］//Hong Kong，China:Institute of Electrical and Electronics Engineers Computer Society，2005.361－365.

［6］Heinzelman W R，Chandrakasan A，Balakrishnan H.Energy-Efficient Communication Protocol for Wireless Microsensor Networks［C］//Maui，USA:IEEE，2000.223－231.

［7］張震，閆連山，潘煒，等.基于LEACH和PEGASIS的簇頭成鏈可靠路由協(xié)議研究［J］.傳感技術(shù)學(xué)報(bào)，2010，23(8):1173－1178.

［8］Guangyu P，Gerla M，Tsu-Wei C.Fisheye State Routing:A Routing Scheme for Ad Hoc Wireless Networks［C］//New Orleans，LA，US.ICC 2000:70－74.

［9］Al-Fares M S，Sun Z L，Cruickshank H.A Hierarchical Routing Protocol for Survivability in Wireless Sensor Network(WSN)［C］//Hong Kong，China.Imecs 2009.2009:262－268.

［10］Ok C S，Lee S，Mitra P，et al.Distributed Energy Balanced Routing for Wireless Sensor Networks［J］.Computers ＆ Industrial Engineering，2009，57(1):125－135.

［11］Ko Y B，Vaidya N H.GeoTORA:A Protocol for Geocasting in Mobile Ad Hoc Networks［C］//Osaka，Jpn:IEEE，2000:240－250.

［12］Rappaport T S.Wireless Communications:Principles and Practice［M］.Upper Saddle River:Prentice Hall PTR，2002.

［13］Charles E P.Ad-Hoc On-Demand Distance Vector Routing［C］//New Orleans LA，US.Proceedings of the 2nd IEEE Workshop on Mobile Computing Systems and Applications.1999:90－90.

［14］Camp T，Boleng J，Williams B，et al.Performance Comparison of Two Location Based Routing Protocols for Ad Hoc Networks［C］//New York，NY，United States:Institute of Electrical and Electronics Engineers Inc.，2002:1678－1687.