基于無線傳感網(wǎng)的MA計算模式性能分析

黑敏星+史俊茹+楊軍

摘要：客戶機/服務器計算模式和移動代理計算模式是無線傳感器網(wǎng)絡中使用最為廣泛的兩種模式，傳統(tǒng)的C/S計算模式無法保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃郧以诰W(wǎng)絡中會出現(xiàn)能量空洞問題。通過仿真實驗比較不同參數(shù)對兩種計算模式的延時和能量消耗的影響。結果表明，MA計算模式的網(wǎng)絡性能在數(shù)據(jù)傳輸可靠性和能耗均衡方面更優(yōu)于C/S計算模式。

關鍵詞：客戶機/服務器計算模式；移動代理計算模式；無線傳感器網(wǎng)絡；移動代理

中圖分類號：TP393 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2015）10-0033-02

1 概述

無線傳感器網(wǎng)絡（Wireless Sensor Networks， WSNs）是由有無線通信能力、感知能力和處理能力的微型傳感器節(jié)點組成，它們自組織成網(wǎng)絡，并且節(jié)點之間以多跳的方式進行通信[1]。

無線傳感器網(wǎng)絡中大多數(shù)能量有效方法都是基于C/S計算模式[2]。C/S計算模式的每個節(jié)點都將感知數(shù)據(jù)發(fā)送給sink節(jié)點進行處理。由于WSNs動態(tài)變化的拓撲結構，無法保證感知數(shù)據(jù)的可靠傳輸，從而導致重傳或者數(shù)據(jù)丟失；而距離sink節(jié)點較近的節(jié)點會因轉發(fā)其它節(jié)點的數(shù)據(jù)而過早死亡，而導致網(wǎng)絡中出現(xiàn)能量空洞問題[3]?；谝苿哟韀4]計算模式在數(shù)據(jù)傳輸方面更適用于無線傳感器網(wǎng)絡。MA計算模式是由sink節(jié)點根據(jù)預設的遷移路徑派遣Agent到節(jié)點處對數(shù)據(jù)進行處理，然后Agent再遷移到下一個節(jié)點，最終將全網(wǎng)數(shù)據(jù)融合的結果返回給sink節(jié)點。

2 相關工作

目前，已有很多學者針對兩種計算模式進行了研究。文獻[5]從網(wǎng)絡跳數(shù)的角度對MA計算模式和C/S計算模式進行比較和分析，結果表明，MA計算模式的網(wǎng)絡性能要優(yōu)于C/S計算模式。文獻[6]將MA與數(shù)據(jù)融合策略相結合，提出基于融合代價最佳的MA路由算法，由MA在網(wǎng)內進行數(shù)據(jù)融合。文獻[7]將MA與DD路由協(xié)議相結合，提出一種基于MADD的路由協(xié)議，該協(xié)議通過有效節(jié)點發(fā)現(xiàn)、節(jié)點間建立路由、Agent數(shù)據(jù)感知3個階段，完成源節(jié)點和目的節(jié)點之間的通信。結果表明，基于MADD的路由協(xié)議具有節(jié)能、降低帶寬、減少網(wǎng)絡延時并具有較好的靈活性等優(yōu)點。本文從多跳傳輸?shù)木W(wǎng)絡拓撲結構方面入手，分別分析MA計算模式和C/S計算模式的延時和能耗。

3 MA計算模式的數(shù)據(jù)處理模型

在節(jié)點級，主要通過MA協(xié)助本地的數(shù)據(jù)處理來消除本地數(shù)據(jù)冗余。根據(jù)特定的應用需求，sink節(jié)點派遣MA，MA僅攜帶所需的處理代碼遷移到目的節(jié)點，對目的節(jié)點所感知的數(shù)據(jù)進行本地處理。設[r]（0

假設[ρ]（0<[ρ]<1）為聚合因子，[Ni]為聚合后數(shù)據(jù)大小，Agent到達第一個目的節(jié)點后不進行聚合，聚合從第二個節(jié)點開始。則：

[Ni=R1+k（2，i）ρRk=rSd+ρrSd（i-1）]（[i≥1]） （2）

4 網(wǎng)絡性能分析

4.1 端到端延時

兩種計算模式中，延時都由傳輸時間、開銷時間和數(shù)據(jù)處理時間三部分組成。C/S模式的總延時為：

[Tc/s=mnSd/Vt+（mn+1）Tf+mnSd/Vproc] （3）

MA計算模式總的延時為：

[Tma=mNi/Vma+2Ta（m+n）+i（1，n）（（Ni+Sma）/Vt+Sd/Vproc）] （4）

4.2 能量消耗

兩種計算模式的能量消耗主要包括發(fā)送能量、接收能量、處理開銷所消耗的能量和數(shù)據(jù)處理所消耗的能量四部分。根據(jù)文獻[8]，傳輸所消耗的能量可以用線性關系表示，[E（x）=Ax+b]。其中，[b]為常量，[x]為感知數(shù)據(jù)大小[Sd]，[A]為傳輸1Byte數(shù)據(jù)能耗系數(shù)。設[Sn]為節(jié)點每秒處理的數(shù)據(jù)量，處理1Byte數(shù)據(jù)的能消為[Cproc]。

在C/S計算模式中，其總的能耗為：

[Ec/s=mn{（As+Ar）Sd+bs+br}+CprocSnTf（mn+1）] （5）

在MA計算模式中總的能量消耗為：

[Ema=mi（1，n）{As（Ni+Sma）+bs+Ar（Ni-1+Sma）+br}+2mi（1，n）CprocSnTa+mnCprocSd] （6）

5 仿真

本文使用Matlab7.0仿真工具對兩種計算模式的性能指標進行仿真分析。在仿真中，由于C/S計算模式中所用的數(shù)據(jù)處理都是由sink節(jié)點進行，且sink節(jié)點的能量不受限制，所以除了sink節(jié)點之外，其它所有的傳感器節(jié)點都是能量受限的，并且同質、靜態(tài)。根據(jù)文獻[8]中對參數(shù)進行設置。

5.1仿真結果與分析

5.1.1感知節(jié)點的影響

這組實驗改變感知節(jié)點的數(shù)量，如圖1所示，由于C/S計算模式節(jié)點數(shù)不斷增加，節(jié)點所攜帶的感知數(shù)據(jù)增大，而MA計算模式在節(jié)點級有聚合，Agent所攜帶的感知數(shù)據(jù)不會增大，所以隨著節(jié)點數(shù)的增加，C/S計算模式的延時要遠大于MA模式。從圖2可以看出，因為只有一個Agent，當節(jié)點數(shù)量增加時，Agent所攜帶的聚合數(shù)據(jù)會越來越大，傳輸時間增大，從而能耗也會增大。

6 結論

本文主要是對MA計算模式和C/S計算模式在網(wǎng)絡延時和能量消耗兩方面做了對比分析，仿真結果表明，MA計算模式在某些條件下要優(yōu)于C/S計算模式，主要的影響因素有感知節(jié)點的數(shù)量、感知數(shù)據(jù)的大小、壓縮比例因子等。因此，對于MA計算模式來說，一個好的數(shù)據(jù)融合算法是提高MA計算模式的一個重要因素。

參考文獻：

[1] 任豐原，黃海寧，林闖.無線傳感器網(wǎng)絡[J].軟件學報，2003，14（7）：1282-1291.

[2] Akyldiz I F， Su W， SankrasubramaniamANKARASUBRAMANIAM， Y， et al. Wireless sensor networks： a survey[J]. Computer Networks， 2002， 38（4）： 393-422.

[3] 吳小兵，陳貴海.無線傳感器網(wǎng)絡中節(jié)點非均勻分布的能量空洞問題[J].計算機學報，2008，31（2）： 253-261.

[4] 張勝，賀慶全，尹志軍等.WSN中改進蟻群算法求解移動代理問題[J].計算機應用研究，2010，27（11）： 4272-4275.

[5] 張勝，楊鄭龍，曹凱英.WSNs中MA模式與C_S模式比較與分析[J].傳感器與微系統(tǒng)，2014，33（5）： 31-34，38.

[6] Tu Zhiliang，Wang Qiang，Shen Yi.Optimal mobile agent routing with fusion cost in wireless sensor network[C]//International Instrumentation and Mesurement Technology Conference，Singapore，2009.

[7] 王結太，楊少軍，于海勛，等.無線傳感器網(wǎng)絡移動Agent的應用[J].計算機工程與科學，2008，34（3）： 133-135.

[8] FEENEY L M， NILISSON M. Investigating the energy consumption of a wireless network interface in an Ad hoc networking environment[C]//Proc of the 20th Annual Joint Conference of the IEEE Computer and Communications Societies. Anchorage， Alaska： IEEE Press， 2001： 1548-1557.