陳維興, 張?zhí)鞁? 林家泉, 劉貴行

(中國(guó)民航大學(xué) 電子信息與自動(dòng)化學(xué)院, 天津 300300)

隨著物聯(lián)網(wǎng)(internet of things, IOT)技術(shù)的發(fā)展,將其應(yīng)用在監(jiān)控戶外設(shè)備工況數(shù)據(jù)的成功案例越來(lái)越多[1-3].在網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)性很強(qiáng)的監(jiān)控環(huán)境中,節(jié)點(diǎn)的能量限制和移動(dòng)性很容易使這些監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)發(fā)生變化,導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)之間無(wú)法正常通信,網(wǎng)絡(luò)的連通性不能得到可靠保證.機(jī)會(huì)網(wǎng)絡(luò)[4-5]利用節(jié)點(diǎn)移動(dòng)帶來(lái)的相遇機(jī)會(huì),以“存儲(chǔ)-攜帶-轉(zhuǎn)發(fā)”模式在分割網(wǎng)絡(luò)條件下投遞消息,將消息副本從源節(jié)點(diǎn)傳輸至目的節(jié)點(diǎn),實(shí)現(xiàn)與通信范圍以外節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)交換.

在民航機(jī)坪系統(tǒng)的運(yùn)行管理中,通過(guò)監(jiān)控機(jī)場(chǎng)設(shè)備和飛機(jī)航班的運(yùn)行工況,進(jìn)行相應(yīng)的管理和調(diào)控,提高設(shè)備運(yùn)行的穩(wěn)定性、航班的準(zhǔn)點(diǎn)率以及機(jī)場(chǎng)的運(yùn)營(yíng)效率.由于機(jī)場(chǎng)設(shè)備所處環(huán)境廣闊復(fù)雜(氣象或人為等因素),導(dǎo)致飛機(jī)航班有著很高的隨機(jī)性,使采集到的工況數(shù)據(jù)處在一個(gè)機(jī)會(huì)網(wǎng)絡(luò)的環(huán)境中[6],其主要通過(guò)節(jié)點(diǎn)相互移動(dòng)的碰撞機(jī)遇來(lái)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù),因此在對(duì)設(shè)備工況數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和傳輸?shù)臅r(shí)候面臨著很大的挑戰(zhàn).GAO Z.X.等[7]、A.K.GUPTA等[8]、ZHANG F.等[9]通過(guò)度量機(jī)會(huì)網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的社會(huì)緊密度,將網(wǎng)絡(luò)劃分為不同的社區(qū),進(jìn)行基于社會(huì)屬性的數(shù)據(jù)通信協(xié)議,但未考慮到無(wú)限制造消息副本可能帶來(lái)數(shù)據(jù)冗余、負(fù)載加重的問(wèn)題;GUAN J.F.等[10]、S.JAIN等[11]將模糊控制應(yīng)用到機(jī)會(huì)網(wǎng)絡(luò)和容遲網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)中;YAN Y.等[12]、董夢(mèng)夢(mèng)等[13]通過(guò)網(wǎng)絡(luò)編碼等方法進(jìn)行數(shù)據(jù)通信,達(dá)到減緩節(jié)點(diǎn)能量消耗速度的目的,但忽略了網(wǎng)絡(luò)物理層環(huán)境的特點(diǎn),具有一定的片面性.

文中工作與上述文獻(xiàn)的區(qū)別在于緊密結(jié)合機(jī)坪實(shí)際生產(chǎn)情況和場(chǎng)景,擬充分考慮基于穩(wěn)定性的機(jī)坪生產(chǎn)活動(dòng)的內(nèi)在規(guī)律性、節(jié)點(diǎn)的硬件資源配置以及網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)特性等方面要素,以多參考尺度建立數(shù)據(jù)優(yōu)先級(jí)體系模型,在消息副本的數(shù)量控制、傳送、緩存與釋放等過(guò)程中都考慮進(jìn)數(shù)據(jù)優(yōu)先級(jí)等元素.結(jié)合車(chē)載節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)路線和方向模型,選擇合適的下一跳節(jié)點(diǎn),使具有較高權(quán)重的設(shè)備故障數(shù)據(jù)、機(jī)坪工況應(yīng)急等消息能在第一時(shí)間傳輸至上位機(jī),以提升節(jié)點(diǎn)能效和網(wǎng)絡(luò)性能,保證機(jī)場(chǎng)地面設(shè)備監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性和可靠性.

1 基于機(jī)會(huì)網(wǎng)絡(luò)的機(jī)坪設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)框架

機(jī)坪網(wǎng)絡(luò)由各種地面設(shè)備、監(jiān)控節(jié)點(diǎn)和基站以及無(wú)線網(wǎng)絡(luò)組成[13-15],如圖1所示.其中,地面設(shè)備包括地面空調(diào)、電源、充電樁、停車(chē)工作車(chē)輛等地面資源、操作人員和其他相關(guān)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn),飛機(jī)周邊、發(fā)動(dòng)機(jī)口或機(jī)艙內(nèi)部等與地面設(shè)備相關(guān)的環(huán)境監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)等.飛機(jī)進(jìn)入停機(jī)位上檔后,各種服務(wù)部門(mén)同時(shí)進(jìn)行保障工作,使用的車(chē)輛有客梯車(chē)、食品車(chē)、擺渡車(chē)、行李車(chē)、加油車(chē)、清水車(chē)、電源車(chē)、升降平臺(tái)車(chē)、廊橋、傳送帶車(chē)、平板車(chē)等特種車(chē)輛.

圖1 基于機(jī)會(huì)網(wǎng)絡(luò)的機(jī)坪設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)圖

傳統(tǒng)的移動(dòng)自組網(wǎng)通常依賴于基礎(chǔ)設(shè)施,而基于機(jī)會(huì)傳輸?shù)臋C(jī)場(chǎng)工況設(shè)備監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)通常不存在貫穿始終的端到端的連接,要依靠節(jié)點(diǎn)相互移動(dòng)帶來(lái)的相遇機(jī)會(huì)進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)[6],這些特性決定了該無(wú)線網(wǎng)絡(luò)存在較高的傳輸時(shí)延和傳輸錯(cuò)誤率等問(wèn)題.在傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的資源相對(duì)充裕,而在機(jī)會(huì)網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)由于應(yīng)用場(chǎng)景等問(wèn)題的限制,其能源、處理及存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的能力都是相對(duì)有限的,這些功能較為簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)是機(jī)坪設(shè)備監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)中的第1類(lèi)節(jié)點(diǎn).

第2類(lèi)節(jié)點(diǎn)是每個(gè)簇群中的簇首節(jié)點(diǎn),它們被安置在助航燈柱、高桿燈、標(biāo)志牌、廊橋等機(jī)坪固定設(shè)施上,使其具有充足的能源供應(yīng),用于收集每個(gè)簇群中第1類(lèi)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù),并向車(chē)載MA(mobile agent)節(jié)點(diǎn)發(fā)送狀態(tài)查詢消息.

第3類(lèi)節(jié)點(diǎn)是車(chē)載MA節(jié)點(diǎn),機(jī)坪特種車(chē)輛移動(dòng)覆蓋區(qū)域多為不連通子域,不能在機(jī)坪范圍形成穩(wěn)定鏈路,并時(shí)常間歇性中斷,因此靜態(tài)網(wǎng)絡(luò)感知數(shù)據(jù)的傳輸不可能依靠傳統(tǒng)多跳網(wǎng)絡(luò)或移動(dòng)自組織網(wǎng)絡(luò),必需依靠裝載于特種車(chē)輛上的MA節(jié)點(diǎn)建立可“存儲(chǔ)-攜帶-轉(zhuǎn)發(fā)”的機(jī)會(huì)傳輸機(jī)制.機(jī)坪車(chē)輛嚴(yán)格按照機(jī)場(chǎng)規(guī)定的場(chǎng)道軌跡行駛且速度很低,規(guī)律性的移動(dòng)使車(chē)載移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的速度和ID等狀態(tài)信息很容易識(shí)別,MA能夠在機(jī)會(huì)網(wǎng)絡(luò)中自主計(jì)算并可與其他代理或資源協(xié)作交互.車(chē)內(nèi)電池可以向車(chē)載移動(dòng)節(jié)點(diǎn)提供可靠的能源保障,用于獲取匯聚節(jié)點(diǎn)的感知數(shù)據(jù),并將數(shù)據(jù)進(jìn)行融合、緩存或分流等處理,將最后的處理結(jié)果傳輸至基站.

1.2 網(wǎng)絡(luò)和移動(dòng)模型

定義1機(jī)會(huì)網(wǎng)絡(luò)模型機(jī)會(huì)網(wǎng)絡(luò)模型為G=(V,E),其中節(jié)點(diǎn)集合為V={v1,v2,…,vn},鏈路集合為E={e1,e2,…,em},em表示網(wǎng)絡(luò)中的鏈路,且1≤m≤n(n-1).節(jié)點(diǎn)之間發(fā)送的消息中包含的信息如下:機(jī)場(chǎng)特種車(chē)輛標(biāo)識(shí)(車(chē)牌號(hào))、事件消息生成的時(shí)間、車(chē)輛當(dāng)前的速度向量、車(chē)輛當(dāng)前位置坐標(biāo)、消息類(lèi)型、消息權(quán)重、消息的具體內(nèi)容以及消息生存期.

網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的車(chē)載移動(dòng)節(jié)點(diǎn)確定自身及其余節(jié)點(diǎn)的位置、移動(dòng)方向等關(guān)聯(lián)信息,通過(guò)相互之間的信息交互選擇下一跳節(jié)點(diǎn),下一跳節(jié)點(diǎn)被選定之后,發(fā)送反饋確認(rèn)消息如下:機(jī)場(chǎng)特種車(chē)輛標(biāo)識(shí)(車(chē)牌號(hào))、車(chē)輛當(dāng)前的速度向量、車(chē)輛當(dāng)前位置坐標(biāo)、是否收過(guò)該消息的標(biāo)識(shí)符.通過(guò)消息中攜帶節(jié)點(diǎn)移動(dòng)方向、節(jié)點(diǎn)位置等信息,可以更精確地確定消息的傳輸方向和下一跳節(jié)點(diǎn),提高消息投遞率,降低路由開(kāi)銷(xiāo).

定義2節(jié)點(diǎn)移動(dòng)方向模型當(dāng)MA節(jié)點(diǎn)a在t∈(thappen,tend)時(shí)刻,進(jìn)入節(jié)點(diǎn)b的有效通信范圍,位置為L(zhǎng)stopbit.該通信范圍中的節(jié)點(diǎn)通過(guò)a的信息得到該節(jié)點(diǎn)的速度矢量va,vax表示節(jié)點(diǎn)的速度矢量在x軸的坐標(biāo)分量,節(jié)點(diǎn)a,b的速度矢量與x軸的夾角分別為λ和θ,兩節(jié)點(diǎn)夾角α為

(1)

對(duì)于計(jì)算出的兩節(jié)點(diǎn)之間行駛速度夾角α,若|α|<0.5π,則兩節(jié)點(diǎn)夾角為銳角α,移動(dòng)方向基本相同;若|α|>0.5π,則兩節(jié)點(diǎn)行駛方向的夾角為鈍角,方向相反.由此可得出各節(jié)點(diǎn)在機(jī)坪上移動(dòng)時(shí)的方向關(guān)系,使源節(jié)點(diǎn)向著目的節(jié)點(diǎn)的方向移動(dòng)進(jìn)而發(fā)送數(shù)據(jù)分組,來(lái)降低消息副本的數(shù)量,并且減少數(shù)據(jù)冗余造成信道擁塞.

定義3優(yōu)先級(jí)判定模型文中根據(jù)機(jī)坪運(yùn)行特點(diǎn)將數(shù)據(jù)優(yōu)先級(jí)分為如下幾類(lèi):

Ⅰ類(lèi)為機(jī)坪各類(lèi)設(shè)備的正常運(yùn)行工況數(shù)據(jù).機(jī)坪停機(jī)位劃分嚴(yán)格且分布面積很廣,在航班航前或航后服務(wù)階段會(huì)出現(xiàn)大量數(shù)據(jù)同時(shí)傳送,引起無(wú)線信道數(shù)據(jù)流量的高峰時(shí)刻;由于某些設(shè)備會(huì)隨著航班?？课恢靡苿?dòng),如登機(jī)橋載設(shè)備和機(jī)務(wù)人員監(jiān)控?cái)?shù)據(jù),布置在這些設(shè)備上的節(jié)點(diǎn)通信時(shí)必須關(guān)聯(lián)位置信息以獲得精確數(shù)據(jù).

Ⅱ類(lèi)為機(jī)坪設(shè)備發(fā)生故障時(shí)的數(shù)據(jù).比如,地面空調(diào)輸出空氣被送入航班,經(jīng)過(guò)二次循環(huán)風(fēng)機(jī),將部分客艙內(nèi)的空氣混合后達(dá)到較高溫度經(jīng)過(guò)機(jī)艙送風(fēng)口送出;布置在機(jī)體附近的傳感器節(jié)點(diǎn)在實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)航班環(huán)境數(shù)據(jù),當(dāng)出現(xiàn)異常時(shí),需第一時(shí)間將故障信息發(fā)出,因此這類(lèi)數(shù)據(jù)必須設(shè)置較高的優(yōu)先級(jí)權(quán)重.

Ⅲ類(lèi)為地面移動(dòng)目標(biāo)的數(shù)據(jù).大量特種車(chē)輛在航班地面保障時(shí)按照特定順序依次作業(yè),車(chē)輛的移動(dòng)性導(dǎo)致該類(lèi)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)量隨機(jī)性突發(fā),因此要求收集該類(lèi)數(shù)據(jù)的節(jié)點(diǎn)具有應(yīng)對(duì)較大數(shù)據(jù)量的負(fù)載能力和容遲能力.

2 基于移動(dòng)agent的機(jī)會(huì)網(wǎng)絡(luò)路由算法

2.1 消息副本數(shù)目估計(jì)

機(jī)場(chǎng)面積廣闊、航班密集,地面保障設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)狀況和數(shù)據(jù)收集伴隨著很大的隨機(jī)性.為了提高數(shù)據(jù)系統(tǒng)的安全性和實(shí)時(shí)性,節(jié)點(diǎn)將收集到的數(shù)據(jù)先通過(guò)類(lèi)型匹配,將對(duì)應(yīng)的溫度、濕度、電量等數(shù)據(jù)發(fā)送給匯聚節(jié)點(diǎn)或車(chē)載移動(dòng)節(jié)點(diǎn).

機(jī)會(huì)網(wǎng)絡(luò)中消息的存儲(chǔ)和攜帶要占用緩存,傳感器在移動(dòng)過(guò)程中不可能無(wú)限制存儲(chǔ)偵測(cè)到的消息數(shù)據(jù),因此采取相應(yīng)的存儲(chǔ)管理機(jī)制來(lái)控制消息副本產(chǎn)生的數(shù)量.在WSN中,消息副本的數(shù)量越大,MA在移動(dòng)碰撞中傳輸成功的概率就越大,但同時(shí)網(wǎng)絡(luò)中大量的消息副本數(shù)量會(huì)造成網(wǎng)絡(luò)負(fù)載過(guò)重,消息擁塞使大量重復(fù)的數(shù)據(jù)占據(jù)了傳輸通道,降低網(wǎng)絡(luò)的整體效能.因此,數(shù)據(jù)通信時(shí)要采用合適的轉(zhuǎn)發(fā)策略,在保證消息傳遞成功率的同時(shí),控制消息副本數(shù)量.兩個(gè)節(jié)點(diǎn)在通信鏈路建立之后進(jìn)行數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)和接收,網(wǎng)絡(luò)中的消息副本率視為基于傳感器之間消息轉(zhuǎn)發(fā)次數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布,即

(2)

式中:r=aWNf;W表示數(shù)據(jù)權(quán)重.當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中的空閑節(jié)點(diǎn)數(shù)量Nf較大時(shí),使消息副本數(shù)量相應(yīng)增加,提高消息的傳輸成功率,縮短數(shù)據(jù)到達(dá)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的時(shí)延;反之則會(huì)發(fā)生擁塞,加重節(jié)點(diǎn)負(fù)載.由正態(tài)分布的性質(zhì),待傳輸?shù)臄?shù)據(jù)為設(shè)備故障數(shù)據(jù)的時(shí)候,空閑節(jié)點(diǎn)的數(shù)量越多,所取得概率值就越大,該消息在網(wǎng)絡(luò)中允許發(fā)送的副本數(shù)量越多.綜上,得消息副本數(shù)目的計(jì)算方法,計(jì)算式為

(3)

由式(3)可知,當(dāng)r的取值越接近0.7Nt時(shí),消息副本率可以取到符合網(wǎng)絡(luò)目前情況的值越大.

2.2 基于改進(jìn)Spray and Wait算法的數(shù)據(jù)傳輸

MA的中繼過(guò)程從檢測(cè)到數(shù)據(jù)的源節(jié)點(diǎn)S出發(fā),直到發(fā)送至目的節(jié)點(diǎn)D結(jié)束.在S到D的移動(dòng)方向連線上,在S的通信范圍內(nèi),若有移動(dòng)節(jié)點(diǎn)A與該連線夾角最小,則S分派(Nc-1)/2份副本給A,二者各持有一半數(shù)目的副本任務(wù).收到消息副本的節(jié)點(diǎn)繼續(xù)移動(dòng)并將消息副本發(fā)送給途中遇到的節(jié)點(diǎn),按照這種方式遞歸完成分派;直至最后收到消息副本的節(jié)點(diǎn)僅持有一份副本任務(wù),進(jìn)入Wait階段;攜帶消息副本的MA根據(jù)移動(dòng)模型在網(wǎng)絡(luò)中移動(dòng),期間節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)方向總是向著目標(biāo)方向前進(jìn),當(dāng)某個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)攜帶不同目的節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)分組時(shí),根據(jù)分組對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)權(quán)重決定節(jié)點(diǎn)移動(dòng)的先后順序.當(dāng)MA與目標(biāo)節(jié)點(diǎn)相遇時(shí),建立通信連接,將消息副本送達(dá)目標(biāo)節(jié)點(diǎn),完成傳遞任務(wù),此過(guò)程的算法偽碼如下:

輸入: Initial nodeSmovement speed vector:vs

Moving speed vector of destination nodeD:vd

Moving direction of neighbor noden:vn

輸出:RelayList

算法過(guò)程:

InitialRelayList→NULL

For moving velocity vector of each neighbor node inRelayList→vi

Calculate the angle between nodeSandD(formula 1)

Calculate the included angle between neighbors' moving direction and line fromStoD

ifNUM(relay node inRelayListof the direction)>=1

For(Nj→relay node node,i++,i<=NUM)

In-angleNj

else

addNjintoRelayList

end if

end for

RelayListin descending order

ReturnRelayList

這樣一個(gè)數(shù)據(jù)包的復(fù)制過(guò)程可以表示為一個(gè)根為數(shù)據(jù)源節(jié)點(diǎn)的二叉樹(shù),數(shù)據(jù)包的傳輸延遲和開(kāi)銷(xiāo)由二叉樹(shù)的深度決定,而二叉樹(shù)的深度由消息副本的最大數(shù)目決定.

機(jī)會(huì)網(wǎng)絡(luò)具有較高端到端時(shí)延,在存儲(chǔ)-攜帶-轉(zhuǎn)發(fā)的過(guò)程中需要將消息存儲(chǔ)在有限的緩存空間內(nèi),機(jī)會(huì)網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)攜帶的緩存資源有限,消息轉(zhuǎn)發(fā)的優(yōu)先順序、以及緩存溢出時(shí)的清理策略都會(huì)影響路由性能.

假設(shè)某條消息的副本packet1被MA接收,并被存入該節(jié)點(diǎn)的內(nèi)存,緩存節(jié)點(diǎn)Nc在這一時(shí)刻的狀態(tài)為Nc(memory)=Nc(packet1);在第2個(gè)數(shù)據(jù)包到達(dá)節(jié)點(diǎn)Nc并收入緩存之后,該節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)為Nc(memeory)=Nc(packet1+packet2)=Nc(packet2),這個(gè)時(shí)候節(jié)點(diǎn)保持持續(xù)接收數(shù)據(jù)進(jìn)入緩存的狀態(tài),不發(fā)送數(shù)據(jù);以此類(lèi)推,節(jié)點(diǎn)Nc收到第N個(gè)數(shù)據(jù)包之后的狀態(tài)為Nc(memory)=Nc(packetN),此時(shí)Nc開(kāi)始向鄰居發(fā)送緩存的數(shù)據(jù)包,發(fā)送數(shù)據(jù)的順序結(jié)合數(shù)據(jù)進(jìn)入節(jié)點(diǎn)緩存的時(shí)間及其優(yōu)先級(jí).每發(fā)送出去一個(gè)數(shù)據(jù)包,節(jié)點(diǎn)Nc的狀態(tài)變?yōu)镹c(memory)=Nc(packetN-1),同時(shí)釋放的一條數(shù)據(jù)內(nèi)存容量便可用于接收其余數(shù)據(jù)包.

假設(shè)節(jié)點(diǎn)釋放數(shù)據(jù)是在Nc收到第N個(gè)數(shù)據(jù)包之后,此時(shí)Nc(memory)=Nc(packetN),數(shù)據(jù)包pac-ketN被Nc緩存的時(shí)長(zhǎng)為T(mén)Pn,數(shù)據(jù)包packet1進(jìn)入Nc的緩存時(shí)長(zhǎng)為T(mén)P1,TP1>TP2>…>TPn-1>TPn.數(shù)據(jù)分組packetN的權(quán)重為W,運(yùn)行數(shù)據(jù)和故障數(shù)據(jù)消息權(quán)重分別為0.3和0.7.處于緩存狀態(tài)的每個(gè)數(shù)據(jù)分組的優(yōu)先級(jí)由數(shù)據(jù)的緩存時(shí)長(zhǎng)和數(shù)據(jù)權(quán)重決定,當(dāng)某條數(shù)據(jù)分組的最大存活時(shí)間為T(mén)M時(shí),對(duì)應(yīng)的優(yōu)先級(jí)為

(4)

圖2為數(shù)據(jù)分組的緩存與釋放示意圖.

圖2 數(shù)據(jù)分組的緩存與釋放

如圖2所示,在轉(zhuǎn)發(fā)消息時(shí)先轉(zhuǎn)發(fā)優(yōu)先級(jí)高的消息,而當(dāng)緩存溢出時(shí)先刪除優(yōu)先級(jí)最低的消息.當(dāng)某條消息分組的副本到達(dá)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)之后,目標(biāo)節(jié)點(diǎn)反饋收到消息的通知,所有緩存該消息的節(jié)點(diǎn)將消息丟棄,空出內(nèi)存以接收新到達(dá)的消息分組.

2.3 路由傳輸過(guò)程

結(jié)合網(wǎng)絡(luò)與移動(dòng)模型以及消息傳輸與緩存策略,最終提出完整路由協(xié)議,協(xié)議步驟如下:

1) 當(dāng)監(jiān)控節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集到一定時(shí)間之后,簇首節(jié)點(diǎn)收集監(jiān)控節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)消息,并估算該消息對(duì)應(yīng)的消息副本數(shù)目NumCopy.

2) 簇首節(jié)點(diǎn)根據(jù)機(jī)坪車(chē)輛的移動(dòng)規(guī)律,判定到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)區(qū)域中大致的車(chē)輛ID,并持續(xù)向這些車(chē)載MA節(jié)點(diǎn)定向發(fā)送狀態(tài)查詢信息.

3) 簇首節(jié)點(diǎn)接收并識(shí)別MA節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)反饋信息,根據(jù)MA移動(dòng)速度向量和移動(dòng)模型確定其在網(wǎng)絡(luò)中的位置和移動(dòng)方向,選擇下一跳節(jié)點(diǎn),制定中繼節(jié)點(diǎn)序列RelayList.

4) MA節(jié)點(diǎn)采用二叉樹(shù)原理轉(zhuǎn)發(fā)消息副本,下一跳節(jié)點(diǎn)收到消息之后放入緩存,依據(jù)緩存釋放策略將其釋放.

5) 待MA節(jié)點(diǎn)進(jìn)入目的節(jié)點(diǎn)信號(hào)覆蓋區(qū)域,立即將數(shù)據(jù)傳送至基站,由基站定向發(fā)送成功消息,內(nèi)存中攜帶該信息的MA節(jié)點(diǎn)刪除消息副本,該輪通信結(jié)束.

3 仿真驗(yàn)證

3.1 仿真環(huán)境

在ONE環(huán)境下進(jìn)行仿真驗(yàn)證,ONE仿真平臺(tái)支持多種移動(dòng)模型和機(jī)會(huì)網(wǎng)絡(luò)路由算法,它使用基于代理的離散事件模擬引擎,對(duì)節(jié)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)、節(jié)點(diǎn)接觸、路由和消息處理進(jìn)行建模,將仿真過(guò)程與結(jié)果通過(guò)圖形用戶界面或報(bào)告呈現(xiàn)出來(lái).

使用ONE仿真工具,具體場(chǎng)景設(shè)置參數(shù)如下:節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)分別為10,25,50,100,150,200個(gè);緩存容量分別為5,10,15,25,30,50 MB;節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)速度范圍為0.5～1.5 m·s-1;通信范圍為30 m;模擬區(qū)域范圍為500×1 000 m2;模擬時(shí)間為10 h;采集數(shù)據(jù)時(shí)間間隔為4 s;傳輸速度為250 kB·s-1;數(shù)據(jù)分組大小為500～1 000 kB.

3.2 仿真結(jié)果與分析

3.2.1 通信時(shí)延

節(jié)點(diǎn)通信時(shí)延是指在某輪數(shù)據(jù)多跳傳輸?shù)倪^(guò)程中,從該攜帶數(shù)據(jù)的節(jié)點(diǎn)找到下一跳接收數(shù)據(jù)的節(jié)點(diǎn),發(fā)送給下一跳節(jié)點(diǎn),最后離開(kāi)彼此通信覆蓋為止的持續(xù)時(shí)間,它是衡量MA節(jié)點(diǎn)之間通信連接可靠性的重要指標(biāo).對(duì)節(jié)點(diǎn)通信持續(xù)時(shí)間進(jìn)行預(yù)測(cè),有助于避免由于節(jié)點(diǎn)移動(dòng)導(dǎo)致連接中斷所造成的消息傳遞失敗,從而有效減少消息重傳操作,保證消息傳遞的可靠性.當(dāng)MA移動(dòng)進(jìn)入其他節(jié)點(diǎn)的通信范圍時(shí),這些節(jié)點(diǎn)便需要通過(guò)定期交換信息來(lái)獲得其余節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)方向、速度和坐標(biāo).節(jié)點(diǎn)通信時(shí)延的計(jì)算式為

(5)

式中:e=vacosλ-vbcosθ;f=vax-vbx;c=vasinλ-vbsinθ;d=vay-vby;l是節(jié)點(diǎn)的有效傳輸距離.

圖3為節(jié)點(diǎn)數(shù)量對(duì)通信時(shí)延的影響.

圖3 節(jié)點(diǎn)數(shù)量對(duì)通信時(shí)延的影響

由圖3可見(jiàn),在節(jié)點(diǎn)數(shù)量低于100時(shí),各路由算法的通信時(shí)延隨著節(jié)點(diǎn)數(shù)量的增加而增加,CRAMP與Spray and Wait和Epidemic算法相比,發(fā)送數(shù)據(jù)所用的時(shí)間消耗較少;雖然CRAMP在節(jié)點(diǎn)數(shù)量小于100時(shí)的通信時(shí)延較大于Spray and Wait,但是當(dāng)節(jié)點(diǎn)數(shù)量大于100時(shí),Spray and Wait和Epidemic的通信時(shí)延繼續(xù)增加,而CRAMP的時(shí)延降低,這是由于節(jié)點(diǎn)數(shù)量增加之后,初始節(jié)點(diǎn)可以通過(guò)節(jié)點(diǎn)移動(dòng)模型選擇與目的節(jié)點(diǎn)同方向的中繼節(jié)點(diǎn),避免了大量節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)、多次泛洪導(dǎo)致的通信時(shí)延.因此當(dāng)節(jié)點(diǎn)數(shù)量較大時(shí),CRAMP算法的優(yōu)勢(shì)便顯現(xiàn)出來(lái),更加有利于在節(jié)點(diǎn)數(shù)量部署較多的網(wǎng)絡(luò)中使用.

圖4為MA緩存容量對(duì)通信時(shí)延的影響.

圖4 MA緩存容量對(duì)通信時(shí)延的影響

由圖4可見(jiàn),MA緩存容量的大小對(duì)Spray and Wait的影響較為平緩.節(jié)點(diǎn)緩存容量較小時(shí),CRAMP算法的通信時(shí)延有明顯的優(yōu)勢(shì),基于數(shù)據(jù)優(yōu)先級(jí)的緩存策略可以將數(shù)據(jù)有序輸出,更好地降低通信時(shí)延;當(dāng)節(jié)點(diǎn)的緩存容量增大到30 MB之后,CRAMP由于較多的緩存數(shù)據(jù)不能及時(shí)的發(fā)送出去,使其時(shí)延增大到Spray and Wait之上.

3.2.2 消息投遞率

消息投遞率指在一定時(shí)間內(nèi),成功到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)分組總數(shù)Nd與初始節(jié)點(diǎn)發(fā)出的須傳輸數(shù)據(jù)分組的總數(shù)Nt之比,即

MMesRatio=Nd/Nt.

(6)

圖5為節(jié)點(diǎn)數(shù)量對(duì)消息投遞率的影響.

圖5 節(jié)點(diǎn)數(shù)量對(duì)消息投遞率的影響

由圖5可見(jiàn),節(jié)點(diǎn)數(shù)量對(duì)路由算法的消息投遞率有較大的影響,在節(jié)點(diǎn)數(shù)量較低時(shí),各路由算法的消息投遞率變化較平穩(wěn),當(dāng)節(jié)點(diǎn)數(shù)量增加到100之后,消息投遞率隨之增加,CRAMP算法增加尤為顯著.

圖6為MA緩存容量對(duì)消息投遞率的影響.

圖6 MA緩存容量對(duì)消息投遞率的影響

由圖6可見(jiàn),在MA節(jié)點(diǎn)緩存容量較小時(shí)各路由的消息投遞率增長(zhǎng)較為明顯,Epidemic算法甚至高過(guò)CRAMP,這是因?yàn)镋pidemic中每個(gè)節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)分組轉(zhuǎn)發(fā)給所有遇到的鄰居節(jié)點(diǎn),在轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)分組時(shí),較大的緩存容量給消息副本提供優(yōu)良的存儲(chǔ)基礎(chǔ),提高數(shù)據(jù)投遞的成功率;而當(dāng)緩存容量增大到30 MB之后,節(jié)點(diǎn)存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)分組太多而不能有效到達(dá)目的節(jié)點(diǎn),此時(shí)CRAMP的數(shù)據(jù)優(yōu)先級(jí)和定向數(shù)據(jù)通信起到很大的作用,使消息投遞成功率有效提高.

3.2.3 路由開(kāi)銷(xiāo)

路由開(kāi)銷(xiāo)是指在一定時(shí)間內(nèi)節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)分組的總數(shù),文中用源節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生的消息副本總數(shù)與所有節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)分組總數(shù)之比來(lái)表示路由開(kāi)銷(xiāo)率.當(dāng)節(jié)點(diǎn)無(wú)休止地轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù),制造大量消息副本之后,路由開(kāi)銷(xiāo)率提高,增加網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)分組發(fā)生碰撞的概率,同時(shí)也會(huì)大量消耗節(jié)點(diǎn)能耗,造成網(wǎng)絡(luò)擁塞.

圖7為節(jié)點(diǎn)數(shù)量對(duì)路由開(kāi)銷(xiāo)的影響.

圖7 節(jié)點(diǎn)數(shù)量對(duì)路由開(kāi)銷(xiāo)的影響

由圖7可見(jiàn),在節(jié)點(diǎn)數(shù)量超過(guò)100個(gè)之后,Epidemic和CRAMP算法的路由開(kāi)銷(xiāo)對(duì)節(jié)點(diǎn)密度的增加極其敏感,因?yàn)楣?jié)點(diǎn)數(shù)量的增加使數(shù)據(jù)分組在傳輸時(shí)產(chǎn)生較多的消息副本,路由開(kāi)銷(xiāo)隨之增加.Spray and Wait算法中在Spray階段,源節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)分組發(fā)送給中繼節(jié)點(diǎn),當(dāng)源節(jié)點(diǎn)生成的消息副本數(shù)目一定時(shí),網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)與路由開(kāi)銷(xiāo)無(wú)關(guān).而CRAMP算法結(jié)合數(shù)據(jù)分組的權(quán)重與網(wǎng)絡(luò)中自由節(jié)點(diǎn)的數(shù)量計(jì)算消息副本的數(shù)量,有效控制了路由開(kāi)銷(xiāo).

圖8為MA緩存容量對(duì)路由開(kāi)銷(xiāo)的影響.

圖8 MA緩存容量對(duì)路由開(kāi)銷(xiāo)的影響

由圖8可見(jiàn),在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)密度一定時(shí),隨著MA緩存的增加,Epidemic和CRAMP算法的路由開(kāi)銷(xiāo)顯著下降,MA緩存容量的變化對(duì)Spray and Wait算法的路由開(kāi)銷(xiāo)基本沒(méi)有影響.這是由于節(jié)點(diǎn)緩存容量的增加使得所攜帶消息副本的數(shù)量增加,節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)分組總數(shù)也就隨之增加,CRAMP通過(guò)數(shù)據(jù)優(yōu)先級(jí)和緩存時(shí)間管理節(jié)點(diǎn)緩存的數(shù)據(jù)接收和釋放,使得路由開(kāi)銷(xiāo)降低較快.

4 結(jié) 論

1) 文中提出的CRAMP算法主要通過(guò)建立網(wǎng)絡(luò)和移動(dòng)節(jié)點(diǎn)模型,將節(jié)點(diǎn)自由度和數(shù)據(jù)優(yōu)先級(jí)設(shè)置為控制消息副本數(shù)量的首要因素.

2) 提出了基于數(shù)據(jù)優(yōu)先級(jí)和緩存時(shí)長(zhǎng)的堆積與釋放策略,來(lái)降低路由開(kāi)銷(xiāo)與通信時(shí)延,從而提高了消息的投遞率.

3) 通過(guò)與Epidemic算法和Spray and Wait算法的仿真比較可知,CRAMP算法在這些方面均具有一定的優(yōu)勢(shì),能夠高效地將機(jī)坪工況數(shù)據(jù)傳輸至上位機(jī).

4) 由于機(jī)坪設(shè)備分散廣泛,匯聚節(jié)點(diǎn)在被部署和收集數(shù)據(jù)時(shí)可能存在盲區(qū),造成數(shù)據(jù)遺漏,因此如何確保數(shù)據(jù)完整的傳輸至上位機(jī)并有效降低網(wǎng)絡(luò)內(nèi)數(shù)據(jù)冗余將是未來(lái)的研究方向.

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