移动WSNs中基于接触时间的区路由

杨 惠, 高 翔

(1.兰州文理学院 传媒工程学院，甘肃 兰州 730000；2.兰州文理学院 数字媒体学院，甘肃 兰州 730000)

0 引言

截止现在，M-WSNs技术被大量地应用在医疗健康监测、车辆跟踪等方面[1-2].它们都有一个明显的特征，那就是灵活可移动.以此看来，M-WSNs中存在的节点一定要跟上拓扑的变动，这会导致节点的功耗增加[3].M-WSNs自身的功能效用影响节点的使用期限.减小节点的损耗和提升效率的一个关键方法是利用休眠-唤醒体系[4].在能效问题之外，还有M-WSNs的令人瞩目的方向，即对节点的移动研究.但是M-WSNs的节点面临的问题就是如何解决节点的移动性.

一般通过路由表来输送信息的是传统路由协议.但在互联网信息时代很难创建和维护路由表[5].互联网背景下的动态拓扑出现几率非常大，创建具有动态拓扑的路由表比较困难，甚至创建路由表也会提升节点的功耗.

大量研究人员投身于M-WSNs的能效路由发掘.并且在一维队列网络上，就达成最小化能耗做了剖析，为了使节点应用更加高效，使得互联网使用期限延长[6].在一些研究中提出节点是可以预测并且恒定的[7]，还有研究在M-WSNs基础上建立了能效-可靠路由体系[8]，这个体系是层次-簇体系，所有的簇都具有簇头，并且对簇内节点的信息运送进行管控，缺点是这个体系在高数据率互联网里无法发挥作用.

一些研究[9]在RPL基础上，通过电晕反应解决移动环境.这个体系会对一样的控制信息进行循环，使得控制消耗明显减小.它存在的局限性是在M-WSNs中表现不理想，无法匹配M-WSNs需要的服务质量(Quality of Service, QoS).

总结上述研究，建立了在接触时间基础上的区路由(CTAR).CTAR体系在区概念基础上减小了能量耗损.但也有限制，即只能是处于这个区域里的节点才能加入，当区外的节点加进来时就会进行休眠，以达到减小节点能耗的目的.通过接触时间进行下一跳转节点的选取手段，路由稳定性有了极大增强，最后增强数据包传输率.数值分析结果表明，提出的CTAR协议有效地提高了数据包传递率.

1 CTAR路由

1.1 系统模型

假设一种情况，即传感网络采取M个移动节点组件，它们在A区域里无规律散布.当i移动节点的速度设为ϑi时，且i=1,2,…,M.而基站的位置显示方式是(xb,yb).具体到所有的节点都在休眠-唤醒体系中，达到能耗减小的目的.然后假定全部节点休眠时间是T，唤醒时间用ΔT表达，ΔT<

基站和来源节点的通信区域是圆的，即以自身作为圆心，半径就是它可以进行通信的区域.因此，该区域的两端都是半圆.基站与源节点之间有多跳距离，因此它们之间的通信需要一个多节点(多跳方式)来协助重新定向.可以假设一种情况，当源节点和基站发生的信息传递始终处于圆角矩阵里面时，则方便空间计算.

CTAR路由一开始构成了圆角矩形区域(图1)，里面的节点一直是唤醒的，此时外面的节点处于休眠，使得网络能耗大幅减小.之后，源节点会把其中一个节点作为下一跳的基础，即节点的相触时间 (Contact Time,CT) 做下一跳节点行为，达成传递信息的目的.CTAR路由区域进行了组成和信息传递两个过程，之后便会对这个区域组成、信息传递两个过程做出详细剖析.

图1 圆角矩形区域

1.2 区域构建

有时候节点要接收数据，它就会到区间里做出配置行动.区域构建的目的是打造一个新的从源节点到目标节点的活动区域，与此同时，所有的节点活动区域是不变的.

进行细化之后，CTAR路由通过源节点和目标节点发挥作用.站点信息创建一个将源节点连接到目标节点的领域. 第一，源节点和目标节点为圆心，以r为半径形成一个圆，在圆的中心周围放置一个位置，然后将其一分为二；第二，使用长为a、宽为2r的矩形，使得两个半圆连接，所以矩形面积S为：

S=πr2+2ra.

(1)

用R表示矩形区域内的节点集.把互联网里的每一个节点表示成两类：第一类是区域里面节点(In-area Node, IAN)，第二是区域外面节点(Out-area Node, OAN).在布尔变量flag基础上进行.当i移动节点datareq处于区域里的时候，则datareq=1，否则flagi=0，其定义如式(2)所示：

(2)

1.3 数据传输阶段

1.3.1 接触时间

数据传输范围R内涉及位于区域中的节点.如果该节点(源节点)包含数据传输，它将选择其相邻节点当成下一个节点的发送目标.在此基础上，它开始朝着相邻节点发出数据请求datareq，邻居节点在有datareq时，立即运行计时器T，该计时器与连接时间CT成正比，如公式(3)所示：

(3)

连接时间是指相邻节点保持在通信区域里的时间.细分开来，假设在t0通信范围内有两个移动节点分别用si和sj表示每个给定点.这些都是节点位置的矢量表达，具体有节点的位置和速度表达，如图2所示.

图2 节点位置矢量示意图

在t0的时间点上，这两个节点在彼此通信范围内，即它们间的距离d0=‖Xi(t0)-Xj(t0)‖≤r.假定在t1时刻，节点sj不在si的通信范围内，即它们的欧式距离大于r，如式(4)所示.

t1=mint‖Xi(t0)-Xj(t0)‖>r.

(4)

因此，接触时间CT为t1时刻与t0时刻的差，即CT=t1-t0.

所以这个时间点上si与sj的相对速度矢量ϑr就可以用ϑr=ϑi-ϑj.根据图2可知，相对速度矢量ϑr在x轴上方向矢量ϑr(x).

ϑr(x)=|ϑi|cosθ1-|ϑj|cosθ2.

(5)

相应地，相对速度矢量ϑr在y轴上方向矢量ϑr(y)=|ϑi|sinθ1-|ϑj|sinθ2，其中θ1是si与x轴的夹角、θ2是sj与x轴的夹角.其中相对速度矢量ϑr的模和相位分别如式(6)和(7)所示.

(6)

(7)

因为t0是两个移动范围的时间节点中在彼此联系时刻内的一个率先时间点，t1是两个移动没有联系时间范围内的首要时刻，所以CT可表示为.

(8)

源节点做数据运作时，就会朝着邻节点发出数据请求datareq，具体包括本身的位置信息、速度大小和目的节点ID.当接收到这个datareq时候，会首先确定自身是不是目的节点，当确定自己是目的节点时，会回传确认包ACK(Acknowledgement, ACK)，这时候源节点对ACK进行接收，然后直接向此节点进行数据输送行动.

当发现自己不是数据包的目的节点(或者是自己即将成为中间节点)时，就可以借助公式(8)来进一步对接触时间大小做一个计算，并且借助公式(3)来确定一个时间定时装置.由此可知接触时间如果越长，定时器时间就会短，就越有可能成为下一跳转发节点，即最大接触时间建立下一跳转发节点.

一旦定时结束，就直接回复确认.在等计时器定时的时候，如果发现其他节点传输了ACK数据包，这时就应该取消定时器.如果发现源节点已经收到了ACK包，那么就可以向这个时间节点来传输数据包.这个过程可以用图3表示.

图3 中间节点接收数据包的示意图

源节点作为下一跳转节点的最先相应ACK包的节点.借助这种方法，可以减少传输时间，从而增强数据包的传输效果.图4展示了下一跳节点具体步骤.

图4 下一跳节点的选择过程

2 数值仿真

2.1 仿真环境

通过Castalia创建平台对CTAR性能做深层次的发掘.假定55个移动节点在200 m×200 m这个区域中，然后随便选取其中的一个，让每一个节点在Random-waypoint移动模型基础上做出移动行为，此时数据包的大小在128字节左右.

在这个时候，选择接收器的机会转发协议(Receiver based Opportunistic Forwarding,RoF)和贪婪边界转发路由(Greedy Perimeter Stateless Routing, GPSR).

2.2 数值分析

应该率先对那些据包传递速率根据数据包发送速率的变化进行修改.在这个过程中，移动速度为0.5 m/s，如图5所示.

图5 数据包传递率随发送率

根据图5研究出的CTAR协议的数据包传递的效率非常高，比RoF和GPSR协议更优秀，但是GPSR协议的数据包传递效率不高.一个关键原因是CTAR协议源节点和目的节点组成的转发范围，会在接触时间基础上对定时器做出设定，从而确定最适合的下一跳转发节点.数据包传递率和发送率呈反比例关系是因为：发送率升高时，里面数据包量也随之变大，网络就会变得堵塞，使得数据包传递的速率降低.

进一步研究移动速度同数据包传递率之间存在的影响机制，关注他们的移动速度从0.5 m/s到10 m/s时是如何改变的，从图5可以看出此时源节点数据包的发出效率是20 pps.如图6所示.

图6 数据包传递率随车速的变化情况

根据图6得出,车速的增加与数据包传递率成反比例关系，这主要是因为车速的进一步加快，减少了接触时间的长短，进一步减少了链路的持续时间，使得数据包传递成功率降低.相比RoF和GPSR协议，正在进行的CTAR协议的数据包传递率就有了一个非常明显的升高趋势.如图7所示.

图7 平均接触时间随车速变化情况

图7展示了平均接触时间数随车速变化情况，随着车速的进一步提升，平均接触时间将会有一个非常明显的减少.这些现象产生的原因是：车速的上升，使得链路连通时间减小.对比RoF协议，CTAR协议的平均接触时间将会有一个质的飞跃.例如，在车速是5 m/s时，CTAR协议的平均接触时间测定是65 s，这时RoF协议的平均接触时间小于它，只有28 m/s.

3 结束语

面对移动传感网络，接触时间的区域范围大部分是CTAR.CTAR路由是根据唤醒-休眠机制来进行工作的，CTAR的进一步使用借助了区的概念，减少节点能耗.在此过程中，借助接触时间来对下一跳节点做挑选以便接下来的运用.根据本文数值的研究可以得知，CTAR路由可以对数据包传递效率进一步增强，对平均接触时间进一步减少.