張 勝， 楊鄭龍， 曹凱英

(南昌航空大學(xué) 信息工程學(xué)院,江西 南昌 330063)

0 引 言

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSNs)的計算模式主要分為C/S模式和移動Agent(MA)模式[1,2]。C/S模式下，網(wǎng)絡(luò)中多個子節(jié)點會共同擁有一個父節(jié)點，整體網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)信息將向Sink節(jié)點匯聚，網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點數(shù)據(jù)信息最快可通過數(shù)次轉(zhuǎn)發(fā)就到達Sink節(jié)點[3]。C/S模式具有較強的實時性和快速響應(yīng)等特點。但C/S模式也有明顯的不足，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點將采集的數(shù)據(jù)不做壓縮或融合處理，全部回傳給Sink節(jié)點，將產(chǎn)生大量的冗余數(shù)據(jù)[4]。越靠近Sink節(jié)點，節(jié)點的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)量越大，將會加大節(jié)點數(shù)據(jù)擁塞度，造成大量數(shù)據(jù)包沖突甚至丟失[5,6]，而這些節(jié)點由于要過多地轉(zhuǎn)發(fā)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)而消耗掉大量能量，它們將會過早的死亡，這樣將會造成網(wǎng)絡(luò)空洞或出現(xiàn)孤島節(jié)點[7]。MA模式是另一種分布式計算模式，MA實際上由代碼組成，在WSNs中，MA根據(jù)為它預(yù)設(shè)計的遷移路線在網(wǎng)絡(luò)中巡游，并融合節(jié)點的數(shù)據(jù)信息，最后MA將全網(wǎng)的數(shù)據(jù)信息融合結(jié)果帶回給Sink節(jié)點。MA模式具有自主性、智能性等特點，并且其在巡游過程中會對節(jié)點上的數(shù)據(jù)信息進行融合，這樣可以大量減少網(wǎng)絡(luò)冗余數(shù)據(jù)[8]。在MA中設(shè)置路由機制，使得其可以根據(jù)周圍環(huán)境，有效地選擇下一跳節(jié)點，提高鏈路質(zhì)量，動態(tài)適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)拓撲變化[9，10]。所以，對C/S模式與MA模式性能進行比較可以為不同功能的WSNs計算模式的選擇提供依據(jù)。

目前，有許多文獻對C/S模式和MA模式進行應(yīng)用和研究，文獻[11]提出基于Agent的近似最優(yōu)分布式數(shù)據(jù)融合方法。而文獻[12]則將數(shù)據(jù)融合策略與MA路由結(jié)合，提出了基于融合代價的最佳MA的路由算法。文獻[13]將MA用于DD路由協(xié)議，提出MADD路由協(xié)議，其通過有效節(jié)點發(fā)現(xiàn)、節(jié)點間路由建立、Agent數(shù)據(jù)采集3個階段，完成源節(jié)點和目標節(jié)點間的通信，結(jié)果顯示，MADD路由協(xié)議具有節(jié)省能耗、降低帶寬需求、減少網(wǎng)絡(luò)延時以及具有較大的靈活性等特點。文獻[14]將MA模式和C/S模式的網(wǎng)絡(luò)性能進行比較，整體來看，MA模式優(yōu)于C/S模式。

本文從網(wǎng)絡(luò)跳數(shù)角度對C/S模式和MA模進行比較和分析，跳數(shù)評判方法更切合節(jié)點傳輸特性，可以簡單有效地評估網(wǎng)絡(luò)的性能。

2 網(wǎng)絡(luò)模型

2.1 網(wǎng)絡(luò)描述

網(wǎng)絡(luò)由性質(zhì)相同的節(jié)點組成。網(wǎng)絡(luò)中有一個Sink節(jié)點和n個成員節(jié)點,其集合為S={S0,S1,S2,…,Sn}，其中,S0為Sink節(jié)點，其余為成員節(jié)點，分別有m1,m2,m3,…,mn個數(shù)據(jù)包。C/S模式和MA模式網(wǎng)絡(luò)模型相同。

2.2 C/S模式節(jié)點數(shù)據(jù)傳輸模型

C/S模式的傳輸機制分為2種：1)獨占機制;2)競爭機制。其中，獨占機制下，成員節(jié)點將搶占Sink節(jié)點空閑信道，搶占成功的節(jié)點將獨享Sink節(jié)點信道，直到其上所有數(shù)據(jù)發(fā)送完畢才釋放Sink節(jié)點的信道并停止工作。而余下的成員在此期間仍不斷地向Sink節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)包。在競爭機制下，成員節(jié)點的所有數(shù)據(jù)包都要搶占Sink節(jié)點的信道，直到節(jié)點數(shù)據(jù)包全被接收后節(jié)點停止工作。C/S模式中，獨占機制為特殊的競爭機制，且它會產(chǎn)生競爭機制中最少跳數(shù)。圖1為C/S模式的傳輸模型。

圖1 C/S傳輸模型

2.3 MA模式節(jié)點數(shù)據(jù)傳輸模型

Sink節(jié)點向一個成員節(jié)點派發(fā)MA消息，MA在成員節(jié)點間單向不重復(fù)傳送，MA在移動過程中融合節(jié)點上的數(shù)據(jù)包，MA工作完后將跳向下一節(jié)點，未融合的數(shù)據(jù)包也將發(fā)送到MA所跳達的節(jié)點，等待MA的再次融合。最后MA將全網(wǎng)數(shù)據(jù)的融合結(jié)果帶回Sink節(jié)點。圖2為MA模式傳輸模型。

圖2 MA傳輸模型

3 算法描述

3.1 C/S模式跳數(shù)計算

3.1.1 獨占機制

網(wǎng)絡(luò)成員節(jié)點S1,S2,S3,…,Sn將同時同周期地向Sink節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)包。當?shù)趉個成員節(jié)點Sk搶占到Sink節(jié)點信道時，其將向Sink節(jié)點發(fā)送mk個數(shù)據(jù)包，其余n-1個成員節(jié)點也向Sink節(jié)點發(fā)送mk個數(shù)據(jù)包，所以,網(wǎng)絡(luò)跳數(shù)為nmk。

跳數(shù)計算方法如下：

第k個子節(jié)點Sk被接收時網(wǎng)絡(luò)總跳數(shù)

N1=nmk,k?(1,n)；

?

第t個子節(jié)點Sj被接收時網(wǎng)絡(luò)總跳數(shù)

Nt=(n-t+1)mj,j?(數(shù)據(jù)包未被接收的節(jié)點);

第n個子節(jié)點Sl被接收時網(wǎng)絡(luò)總跳數(shù)

Nn=ml,l=(最后一個數(shù)據(jù)包未被接收的節(jié)點)。

所以，網(wǎng)絡(luò)總跳數(shù)

1)mj+…+ml.

當m1,m2,m3,…,mn都為1時，網(wǎng)絡(luò)總跳數(shù)

當m1,m2,m3,…,mn均大于或等于1時, 假設(shè)m1≤m2≤m3≤…≤mn，Sink節(jié)點從m1開始順序向mn接收，則網(wǎng)絡(luò)總跳數(shù)最少

相反，網(wǎng)絡(luò)總跳數(shù)最多

綜上所述，C/S模式中獨占機制下網(wǎng)絡(luò)總跳數(shù)

mp≤mq,p

3.1.2 競爭機制

競爭機制下每個子節(jié)點數(shù)據(jù)包被接收的概率為1/n，此時相當于網(wǎng)絡(luò)所有子節(jié)點的數(shù)據(jù)包都進行競爭，每個子節(jié)點的數(shù)據(jù)包將發(fā)送到只剩最后一個，然后子節(jié)點會陸續(xù)停止工作。網(wǎng)絡(luò)跳數(shù)為：

第一個子節(jié)點產(chǎn)生的網(wǎng)絡(luò)跳數(shù)

N1=n×m1;

第二個子節(jié)點產(chǎn)生的網(wǎng)絡(luò)跳數(shù)

N2=n×m2;

?

第n個子節(jié)點產(chǎn)生的網(wǎng)絡(luò)跳數(shù)

Nn=n×mn.

由于子節(jié)點發(fā)送完數(shù)據(jù)包會停止工作，停止工作的節(jié)點的數(shù)據(jù)包接收概率將不再為1/n，要減去n個節(jié)點最后一個數(shù)據(jù)包的n次競爭，然后加上子節(jié)點陸續(xù)停止工作情況下的跳數(shù)，故網(wǎng)絡(luò)跳數(shù)為

所以，網(wǎng)絡(luò)總跳數(shù)

mp≤mq,p≠q.

3.2 MA模式跳數(shù)計算

設(shè)定MA對n個子節(jié)點數(shù)據(jù)包的融合比例為p1,p2,p3,…,pn，則未融合的比例為1-p1,1-p2,1-p3,…,1-pn，將其表示為q1,q2,q3,…,qn。假設(shè)MA由S1順序向Sn移動。跳數(shù)計算方法如下：

MA移出第一個節(jié)點時網(wǎng)絡(luò)跳數(shù)

N1=m1×q1;

MA移出第二個節(jié)點時網(wǎng)絡(luò)跳數(shù)

N2=(N1+m2)·q2=m1q1q2+m2q2;

?

MA移出第n個節(jié)點時網(wǎng)絡(luò)跳數(shù)

所以，網(wǎng)絡(luò)總跳數(shù)

NMA=N1+N2+N3+…+Nk+…+Nn

mn-1qn-1qn.

如果各節(jié)點融合比例因子都相等，當m1≥m2≥…≥mn時，網(wǎng)絡(luò)總跳數(shù)最大，用NMA max表示，當m1≤m2≤…≤mn時，網(wǎng)絡(luò)總跳數(shù)最小，用NMA min表示。

4 仿真結(jié)果與分析

4.1 發(fā)送一個數(shù)據(jù)包時跳數(shù)比較

當成員節(jié)點只發(fā)送一個數(shù)據(jù)包時，C/S模式下競爭機制和獨占機制結(jié)果相同。

1)節(jié)點個數(shù)為變量時跳數(shù)比較

當節(jié)點個數(shù)為變量時，取值范圍為[0,20]；MA個數(shù)為1。2種模式的跳數(shù)比較如4圖所示。

圖3 節(jié)點個數(shù)為變量時2種模式跳數(shù)比較

由上圖可見，隨著節(jié)點個數(shù)的增加C/S模式的跳數(shù)急劇增加，而MA模式的跳數(shù)增加非常緩慢,表明采用MA模式可有效抑制網(wǎng)絡(luò)跳數(shù)。但是在節(jié)點個數(shù)小于2時，C/S模式的跳數(shù)小于MA模式的跳數(shù)(由圖4可見)。

圖4 圖3的部分放大圖

2)MA個數(shù)為變量時跳數(shù)比較

當MA個數(shù)為變量時，取值為[0,10];節(jié)點個數(shù)為常量，取值為20。(此時網(wǎng)絡(luò)中各成員節(jié)點只可供一個MA使用，其他MA不可使用)。2種模式的跳數(shù)比較如圖5。

圖5 移動代理個數(shù)為變量時2種模式跳數(shù)比較

由上圖可見，隨著MA個數(shù)的增加，MA模式的跳數(shù)緩慢增加，其原因是在此網(wǎng)絡(luò)規(guī)模下，多MA會造成多余的跳數(shù)，但其網(wǎng)絡(luò)總跳數(shù)還是遠小于C/S模式的跳數(shù)。

4.2 發(fā)送多個數(shù)據(jù)包時跳數(shù)比較

節(jié)點發(fā)送多個數(shù)據(jù)包時，網(wǎng)絡(luò)各成員節(jié)點數(shù)據(jù)包發(fā)送個數(shù)m1,m2,m3,…,mn取值范圍設(shè)定為[1,10]，節(jié)點上融合比例因子p1,p2,p3,…,pn取值范圍設(shè)定為(0,1]。每個成員節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)包個數(shù)和融合比例都隨機地進行分配，且分配后固定不變。

1)節(jié)點數(shù)影響

圖6 節(jié)點數(shù)對跳數(shù)影響

表1 成員節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)包個數(shù)

表2 成員節(jié)點融合比例因子

2)融合比例因子影響

設(shè)定網(wǎng)絡(luò)中有20個成員節(jié)點，數(shù)據(jù)包隨機分配給各個節(jié)點，每個成員節(jié)點具有相同的融合比例因子。隨著融合比例因子變化，2種模式跳數(shù)變化如圖7所示。從圖中可看出：融合比例因子只對MA模式有影響，當因子為0時，MA模式網(wǎng)絡(luò)總跳數(shù)在C/S模式網(wǎng)絡(luò)總跳數(shù)最大和最小值之間，此時的2種模式網(wǎng)絡(luò)總跳數(shù)很相近。當融合比例因子大于等于0.1時，MA模式網(wǎng)絡(luò)總跳數(shù)明顯要少于C/S模式的，并且其減少數(shù)據(jù)很快。融合比例因子對MA模式的網(wǎng)絡(luò)總跳數(shù)的大小起了決定性因素。

圖7 融合比例因子對跳數(shù)影響

3)數(shù)據(jù)包數(shù)影響

設(shè)定網(wǎng)絡(luò)中有20個節(jié)點，融合比例因子隨機分配給各個節(jié)點，每個成員節(jié)點具有相同的數(shù)據(jù)包數(shù)。隨著節(jié)點上數(shù)據(jù)包數(shù)量變化，2種模式跳數(shù)變化如圖8所示。隨著節(jié)點上數(shù)據(jù)包個數(shù)的增加，2種模式網(wǎng)絡(luò)總跳數(shù)都會增加，但MA模式網(wǎng)絡(luò)總跳數(shù)增加緩慢，而C/S模式的增加幅度較大。數(shù)據(jù)包的增加會對C/S模式的網(wǎng)絡(luò)總跳數(shù)產(chǎn)生巨大影響，而對MA模式的影響較小。所以,當節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)包數(shù)量增加時，MA模式可有效抑制網(wǎng)絡(luò)總跳數(shù)。

圖8 數(shù)據(jù)包個數(shù)對跳數(shù)影響

5 結(jié) 論

本文對一跳網(wǎng)絡(luò)進行研究，將網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)抽象成數(shù)據(jù)包形式，數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)次數(shù)抽象為網(wǎng)絡(luò)跳數(shù)，并對C/S模式和MA模式的網(wǎng)絡(luò)總跳數(shù)進行了推導(dǎo)與比較分析。從結(jié)果可以得出：MA模式網(wǎng)絡(luò)性能總體上優(yōu)于C/S模式；但其跳數(shù)主要受融合比例因子影響，其次受MA個數(shù)會影響。所以，使用優(yōu)秀的融合算法是提高MA模式網(wǎng)絡(luò)性能的一個重要因素。

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