考慮移動節(jié)點(diǎn)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)動態(tài)路由協(xié)議設(shè)計(jì)

湯瑩琳

（漢中市煙草公司勉縣分公司，陜西 漢中 724200）

0 引 言

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)作為一種自組織的分布式網(wǎng)絡(luò)，在許多領(lǐng)域展現(xiàn)出了巨大的應(yīng)用潛力。然而，傳統(tǒng)的靜態(tài)路由協(xié)議在面對移動節(jié)點(diǎn)引入的動態(tài)性時可能面臨一系列挑戰(zhàn)。

移動節(jié)點(diǎn)的引入為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)帶來了更廣闊的應(yīng)用前景，可以靈活地調(diào)整網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，以適應(yīng)環(huán)境變化或目標(biāo)任務(wù)的需要，同時擴(kuò)展了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用范圍，但也帶來了新的技術(shù)挑戰(zhàn)[1-2]。

傳統(tǒng)的靜態(tài)路由協(xié)議通常假設(shè)網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)位置保持不變，但在現(xiàn)實(shí)世界中，節(jié)點(diǎn)的移動性可能會引發(fā)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞念l繁變化。這種動態(tài)性可能導(dǎo)致原本穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)不穩(wěn)定的情況，如路由路徑不穩(wěn)定、數(shù)據(jù)包丟失等[3-5]。靜態(tài)路由協(xié)議可能無法適應(yīng)這種動態(tài)環(huán)境，因此需要針對移動節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)新的動態(tài)路由協(xié)議來應(yīng)對這些挑戰(zhàn)。

1 移動節(jié)點(diǎn)的行為模型設(shè)計(jì)

在本研究中，選擇了隨機(jī)游走模型作為移動節(jié)點(diǎn)的行為模型。其提供了一種合理的抽象描述，能夠較好地模擬節(jié)點(diǎn)的不確定移動性，具有一定的靈活性。

隨機(jī)游走模型描述了節(jié)點(diǎn)在空間中的隨機(jī)移動過程，移動節(jié)點(diǎn)在每個時間步驟中根據(jù)一定的概率選擇不同的方向進(jìn)行移動。時間步驟表示模型中的時間單位，用來表示模型中節(jié)點(diǎn)位置的變化是在離散的時間點(diǎn)上進(jìn)行的。每個時間步驟表示一個離散的時間間隔，在這個時間間隔內(nèi)節(jié)點(diǎn)可以根據(jù)一定的概率選擇不同的方向進(jìn)行移動。

在一維情況下，可以將節(jié)點(diǎn)位置表示為一個離散的位置變量Xt，其中t表示時間步驟。節(jié)點(diǎn)在每個時間步驟中根據(jù)概率p向右移動一格，或者根據(jù)概率1-p向左移動一格，對應(yīng)的表達(dá)式為

2 動態(tài)路由設(shè)計(jì)

動態(tài)路由設(shè)計(jì)需要在考慮節(jié)點(diǎn)移動性的同時，綜合考慮能耗、可靠性、靈活性等多個方面的需求，以實(shí)現(xiàn)在移動節(jié)點(diǎn)環(huán)境下的高效通信。自適應(yīng)移動感知路由協(xié)議是一種適應(yīng)移動節(jié)點(diǎn)的動態(tài)路由協(xié)議，結(jié)合了節(jié)點(diǎn)的移動性模型和預(yù)測信息，實(shí)現(xiàn)了自適應(yīng)的路由選擇。

2.1 節(jié)點(diǎn)的移動模式分析

當(dāng)前移動節(jié)點(diǎn)收集周圍鄰居節(jié)點(diǎn)的位置信息，并分析移動模式。根據(jù)隨機(jī)游走模型，計(jì)算當(dāng)前節(jié)點(diǎn)在下一步可能的位置和概率。

2.1.1 收集周圍鄰居節(jié)點(diǎn)的位置信息

假設(shè)當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的位置為(x0,y0)，通過無線通信獲取周圍鄰居節(jié)點(diǎn)的位置信息，這些位置信息可以表示為一組坐標(biāo)(x1,y1),(x2,y2),…,(xn,yn)。

2.1.2 計(jì)算移動向量

對于每個鄰居節(jié)點(diǎn)(xi,yi)，計(jì)算其移動向量，即當(dāng)前節(jié)點(diǎn)相對于鄰居節(jié)點(diǎn)的位移，表達(dá)式為

然后計(jì)算每個向量的模長為

2.1.3 計(jì)算移動向量的概率分布

根據(jù)計(jì)算得到的移動向量模長，計(jì)算移動向量的概率分布，用于預(yù)測下一步的移動方向?？梢允褂酶咚狗植蓟蚱渌线m的概率分布來表示移動向量的可能性。假設(shè)pi表示選擇移動向量(Δxi,Δyi)的概率，則可以使用高斯分布進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算公式為

式中：σ為用于調(diào)節(jié)概率分布的參數(shù)，可以根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整。通過計(jì)算概率分布，可以預(yù)測每個移動向量被選擇的可能性，從而預(yù)測節(jié)點(diǎn)的下一步移動方向。這個過程將會為每個鄰居節(jié)點(diǎn)的移動向量計(jì)算概率分布，根據(jù)這些概率分布數(shù)據(jù)，應(yīng)用式（4）獲得節(jié)點(diǎn)在不同方向上移動的可能性。

2.2 預(yù)測移動趨勢

2.2.1 計(jì)算加權(quán)平均的預(yù)測位置

假設(shè)要預(yù)測未來k個時間步驟內(nèi)的位置變化。對于每個時間步驟t，計(jì)算移動向量的加權(quán)平均，其中移動向量的權(quán)重由其概率分布確定。

對于第t個時間步驟，預(yù)測的位置(xpred,t,ypred,t)可以通過加權(quán)平均公式計(jì)算得出，即

式中：pi為移動向量(Δxi,Δyi)的概率；n為鄰居節(jié)點(diǎn)的數(shù)量；(x0,y0)為當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的位置。

2.2.2 重復(fù)步驟以預(yù)測多個時間步驟

通過重復(fù)上述步驟，可以預(yù)測未來連續(xù)的時間步驟內(nèi)節(jié)點(diǎn)的位置變化。每個時間步驟都根據(jù)不同的加權(quán)平均計(jì)算預(yù)測位置。

2.3 生成路徑候選

2.3.1 確定起始點(diǎn)和目標(biāo)節(jié)點(diǎn)

當(dāng)前移動節(jié)點(diǎn)的位置可以作為路徑的起始點(diǎn)。根據(jù)預(yù)測的移動趨勢，計(jì)算出未來的若干位置作為可能的目標(biāo)節(jié)點(diǎn)。這些目標(biāo)節(jié)點(diǎn)可以是按時間步長遞增的位置，代表預(yù)測的移動路徑。

2.3.2 路徑生成方法選擇

最短路徑算法適用于求解2 個給定節(jié)點(diǎn)之間的最短路徑，但在動態(tài)環(huán)境中可能需要進(jìn)行實(shí)時更新。蟻群算法模擬了螞蟻尋找食物的行為，適合考慮多條路徑選擇、復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浠騽討B(tài)環(huán)境的情況，但需要一些參數(shù)的調(diào)優(yōu)，在選擇算法時，應(yīng)權(quán)衡實(shí)時性、計(jì)算復(fù)雜度和適用性。

2.3.3 路徑搜索

使用選擇的路徑生成方法，從起始點(diǎn)出發(fā)，尋找到達(dá)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的路徑，路徑搜索流程如圖1 所示。

首先，初始化數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。這包括創(chuàng)建一個數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來記錄已訪問的節(jié)點(diǎn)、待訪問的節(jié)點(diǎn)隊(duì)列、距離或成本的初始值等。起始點(diǎn)被放入待訪問節(jié)點(diǎn)隊(duì)列中。其次，從待訪問節(jié)點(diǎn)隊(duì)列中選擇下一個節(jié)點(diǎn)進(jìn)行探索。選擇的節(jié)點(diǎn)是具有最低成本或距離的節(jié)點(diǎn)，標(biāo)記已選擇的節(jié)點(diǎn)為已訪問。最后，檢查當(dāng)前節(jié)點(diǎn)是否是目標(biāo)節(jié)點(diǎn)，如果是，則路徑搜索完成，可以終止循環(huán)；如果不是，則需要進(jìn)行擴(kuò)展，涉及查找當(dāng)前節(jié)點(diǎn)相鄰的未訪問節(jié)點(diǎn)，即可以通過合法路徑到達(dá)的節(jié)點(diǎn)。

對于每個相鄰節(jié)點(diǎn)，計(jì)算從起始點(diǎn)到該節(jié)點(diǎn)的成本（通常是已走路徑的累積距離）。如果該節(jié)點(diǎn)尚未訪問或新的路徑成本更低，則更新節(jié)點(diǎn)的成本和父節(jié)點(diǎn)，將其添加到待訪問節(jié)點(diǎn)隊(duì)列中。終止條件是檢查當(dāng)前節(jié)點(diǎn)是否是目標(biāo)節(jié)點(diǎn)，如果是目標(biāo)節(jié)點(diǎn)，則路徑搜索完成；如果未找到目標(biāo)節(jié)點(diǎn)，并且待訪問節(jié)點(diǎn)隊(duì)列為空，則說明沒有可行的路徑。

2.3.4 生成多個路徑候選

為了增加選擇性，可以生成多條路徑候選，每條路徑代表一個可能的預(yù)測移動路徑，通過調(diào)整目標(biāo)節(jié)點(diǎn)或算法參數(shù)來生成不同的候選路徑。

2.4 路徑選擇

2.4.1 穩(wěn)定性評估

對路徑上各節(jié)點(diǎn)的移動性和穩(wěn)定性進(jìn)行評估，如考慮節(jié)點(diǎn)的移動趨勢和歷史移動模式。選擇穩(wěn)定的節(jié)點(diǎn)組成路徑，以降低路由中斷的風(fēng)險。

2.4.2 距離考慮

考慮路徑的總距離，較短的路徑通常能夠減少傳輸延遲。因此，路徑的距離是一個重要的因素，尤其在需要快速數(shù)據(jù)傳輸時。

2.4.3 擁塞情況分析

對路徑上的擁塞情況進(jìn)行分析，如使用擁塞度指標(biāo)來評估路徑的擁塞情況，確保選擇的路徑為非擁塞節(jié)點(diǎn)或區(qū)域。

2.4.4 綜合評估

將上述因素綜合考慮，為每個路徑候選分配一個得分。得分可以通過加權(quán)和來計(jì)算，以反映各因素的重要性。加權(quán)和的選擇可以根據(jù)具體情況進(jìn)行調(diào)整。

2.4.5 路徑選擇

選擇得分最高的路徑作為最優(yōu)路徑。這個路徑在綜合考慮了節(jié)點(diǎn)穩(wěn)定性、距離和擁塞情況后，被認(rèn)為是最適合傳輸數(shù)據(jù)包的路徑。但需要注意的是，在選擇最優(yōu)路徑之前，應(yīng)確保該路徑上的節(jié)點(diǎn)都是可達(dá)的，并且擁有足夠的能量來支持?jǐn)?shù)據(jù)傳輸。如果路徑上有不可達(dá)或能量不足的節(jié)點(diǎn)，則選擇次優(yōu)路徑。

2.5 路由更新

2.5.1 更新觸發(fā)機(jī)制

定期觸發(fā)路由信息的更新，以確保路由表中的信息與網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞膶?shí)際情況相符。更新頻率可以根據(jù)節(jié)點(diǎn)的移動速度和網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性來動態(tài)調(diào)整。當(dāng)移動節(jié)點(diǎn)的位置變化超過一定閾值，或者網(wǎng)絡(luò)發(fā)生拓?fù)渥兓ㄈ绻?jié)點(diǎn)加入、離開、連接斷開等時）時，觸發(fā)路由信息的更新。

2.5.2 路由表維護(hù)

對于每個節(jié)點(diǎn)，維護(hù)一個路由表，記錄到達(dá)其他節(jié)點(diǎn)的路徑信息。路由表中可能包含目標(biāo)節(jié)點(diǎn)、下一跳節(jié)點(diǎn)、路徑代價等信息。當(dāng)路由更新被觸發(fā)時，節(jié)點(diǎn)需要檢查并更新路由表中的信息，以反映新的拓?fù)淝闆r和移動節(jié)點(diǎn)的位置。

2.5.3 路徑選擇更新

更新后的路由表將會影響路徑選擇過程。路徑選擇算法在更新后會基于新的路由表進(jìn)行路徑計(jì)算，以確保路徑是基于最新信息的。

2.5.4 控制開銷抑制

更新路由信息可能會引入一定的控制開銷，如路由更新消息的傳輸?shù)?。為了避免過多的控制開銷，可以根據(jù)節(jié)點(diǎn)的移動速度和網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性調(diào)整路由更新的頻率。如果網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的移動速度較快，可以增加更新頻率，以保持路由信息的及時性。相反，如果網(wǎng)絡(luò)比較穩(wěn)定，可以適當(dāng)減少更新頻率，減少控制開銷。

2.5.5 事件驅(qū)動更新

路由更新不僅可以基于定期的時間間隔，還可以根據(jù)事件驅(qū)動的方式進(jìn)行。當(dāng)節(jié)點(diǎn)移動或網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浒l(fā)生變化時，立即觸發(fā)路由更新。

3 結(jié) 論

文章深入探討了移動節(jié)點(diǎn)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)動態(tài)路由協(xié)議的設(shè)計(jì)要求、考慮因素和實(shí)現(xiàn)方案。該動態(tài)路由協(xié)議能夠在移動節(jié)點(diǎn)的環(huán)境下實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定且高效的數(shù)據(jù)傳輸。未來的研究可以進(jìn)一步優(yōu)化協(xié)議性能、考慮更多實(shí)際應(yīng)用因素，并在真實(shí)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中進(jìn)行驗(yàn)證和實(shí)際應(yīng)用。這對于提高移動傳感器網(wǎng)絡(luò)的可靠性和性能具有重要的指導(dǎo)意義。