移動基站無線傳感器網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化研究

侯彥辰　周國祥　石雷

摘要：現(xiàn)有的基站移動過程中，事件驅(qū)動無線傳感器網(wǎng)絡(luò)啟發(fā)式算法的主要問題是：只考慮了基站與節(jié)點的距離而忽視了其它因素。針對這個問題，提出了一種將啟發(fā)式算法與移動協(xié)助數(shù)據(jù)收集模式（簡稱MADG）相結(jié)合的方法。首先確定基站何時開始移動，然后選定移動目標(biāo)區(qū)域，在移動過程中考慮網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載平衡，降低能量消耗，最后在選定的目標(biāo)區(qū)域內(nèi)做圓周運(yùn)動，達(dá)到增加網(wǎng)絡(luò)壽命的目的。實驗表明，該算法在增加網(wǎng)絡(luò)壽命的同時還減少了丟包，效果良好。

關(guān)鍵詞：基站移動；負(fù)載平衡；能量消耗；網(wǎng)絡(luò)壽命

DOIDOI：10.11907/rjdk.151178

中圖分類號：TP302

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號

文章編號：16727800（2015）006005603

作者簡介作者簡介：侯彥辰（1990-），男，山西忻州人，合肥工業(yè)大學(xué)計算機(jī)與信息學(xué)院碩士研究生，研究方向為無線網(wǎng)絡(luò)、MIMO網(wǎng)絡(luò)。

0 引言

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是近年來發(fā)展起來的新興網(wǎng)絡(luò)模式，它通過具有信息采集和處理功能的傳感器定量測量客觀世界的屬性，幫助人們更好地掌握客觀世界的規(guī)律。在一個固定的單基站無線傳感器多跳網(wǎng)絡(luò)中，靠近基站的傳感器節(jié)點會比其它節(jié)點消耗更多的能量，因為它們除了要傳輸自己的數(shù)據(jù)，還要作為中繼節(jié)點來為其它節(jié)點傳輸數(shù)據(jù)。因此，當(dāng)這些節(jié)點消耗完自身的能量以后，它們就不能作為中繼節(jié)點繼續(xù)傳輸數(shù)據(jù)，最后引起網(wǎng)絡(luò)故障。我們稱這些節(jié)點為熱點。熱點問題會大大縮短網(wǎng)絡(luò)的生存時間，造成網(wǎng)絡(luò)資源浪費(fèi)。雖然現(xiàn)在已經(jīng)有了一些優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)的方法，但是效果都一般。如文獻(xiàn)[1]、[2]中采用的多基站，通過多個基站之間的相互配合來減小熱點的負(fù)載；文獻(xiàn)[3]中，是將熱點的一些工作移到一些任務(wù)量較小的點；其中文獻(xiàn)[46]說的是基站的隨機(jī)移動方法，這個方法缺乏對能量的感知，與靜止基站相比，對于負(fù)載平衡有一點作用。文獻(xiàn)[79]說的是基站按照固定路線移動，這種方法要求事先就確定方向，缺乏靈活性與擴(kuò)展性。

本文以在一個空曠場地上布置無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的仿真為出發(fā)點，以增加網(wǎng)絡(luò)生活時間為目標(biāo)，對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了研究，提出了一種新的基站移動模型，明確了基站移動的條件，解決了現(xiàn)有一些模型中未能充分實現(xiàn)負(fù)載平衡和網(wǎng)絡(luò)生存時間最大化的問題。實驗結(jié)果表明，該模型較其它一些算法模型能更好地增加網(wǎng)絡(luò)生存時間。

1 模型建立

1.1 網(wǎng)絡(luò)模型

網(wǎng)絡(luò)被設(shè)置在一個L×L的正方形區(qū)域。在這個區(qū)域內(nèi)布置一個有N個傳感器節(jié)點并且節(jié)點滿足參數(shù)為λ的泊松分布。這些節(jié)點具有強(qiáng)連通性質(zhì)，即任意兩個節(jié)點之間都至少存在一條路徑。節(jié)點一旦被部署，它的位置就是固定的，不會移動。網(wǎng)絡(luò)中還存在一個移動基站，它的各種資源充足，擁有足夠的能量，很好的計算能力，很強(qiáng)的存儲能力等。基站知道網(wǎng)絡(luò)的邊界和每個傳感器的位置。傳感器和基站都能通過GPS獲取自己的位置，具體模型如圖1所示。

2.2 基站移動目標(biāo)位置

確定基站的新位置是基站重定位的核心問題。為了限制這類最優(yōu)化位置的復(fù)雜性，基站移動的方向基于當(dāng)前的網(wǎng)絡(luò)流量。基本思路是基站移動到產(chǎn)生數(shù)據(jù)包最多的節(jié)點。但是，由于有限的流動性資源和殘酷的地形，基站從當(dāng)前位置走很遠(yuǎn)是不實際的：一則沿著一個方向移動可能會引起基站與其它數(shù)據(jù)源失去聯(lián)系；二則傳感器網(wǎng)絡(luò)的動態(tài)拓?fù)渥兓赡軐?dǎo)致基站到達(dá)一個很遠(yuǎn)的位置，由于環(huán)境的變化，這個位置并非最優(yōu)。為了達(dá)到相似的效果，我們試著把基站放置在中繼節(jié)點附近，這些節(jié)點路由了大量的數(shù)據(jù)包。

2.3 基站移動過程

首先作如下假設(shè)：①基站具有無限的能量和很強(qiáng)的計算能力；②傳感器節(jié)點一旦被布置完成后就不可移動；③基站的移動是可控的；④基站在移動過程中停留時間遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過實際移動時間。

假設(shè)基站移動最大的距離等于一個傳感器節(jié)點的傳輸半徑，這樣基站不可能直接移動到任何位置，而是需要找到一個合適的路徑，一步一步移動過去。在以往的模型中都是關(guān)注孤立基站一跳以內(nèi)的點，而本模型中，基站依據(jù)目的位置與現(xiàn)在位置和兩跳以內(nèi)的鄰居節(jié)點能量信息來決定移動的方向。在數(shù)據(jù)收集階段，距離基站兩跳以內(nèi)的傳感器節(jié)點發(fā)送給基站的數(shù)據(jù)包包含自己的位置和能量信息。如果是一跳以外兩跳以內(nèi)范圍的點，基站就盡可能靠近這個節(jié)點。

3 算法流程

見圖2。

4 結(jié)語

在本文新的移動模型下，通過仿真實驗評估每個模型的網(wǎng)絡(luò)生存時間。結(jié)果表明，新模型可以延長網(wǎng)絡(luò)壽命，并且在不同的拓?fù)洵h(huán)境下穩(wěn)定性都很好。然而，如果網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點很少，基站移動可能不足以彌補(bǔ)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)路徑的消耗。

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責(zé)任編輯（責(zé)任編輯：杜能鋼）

英文摘要Abstract：The main problem of the existing heuristic algorithm in the process of the base station movement of eventdriven wireless sensor networks is only considering the distance between base station and node，ignoring the other actual factors.With this problem，this paper proposes a move the heuristic algorithm with the combination of the MADG method.First，determine when the first base station begin to move，consider in the process of mobile network load balancing，reduce energy consumption，and finally do circular motion in the selected target area to achieve the goal of increasing network lifetime.The experimental results show that the proposed algorithm has good effect on increasing network lifetime and reduce the packet loss.

英文關(guān)鍵詞Key Words： Base Station Movement；Load Balancing；Energy Consumption；Network Lifetime