无线传感器网络中移动节点接入的实现

Ｔｅｌｅｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ无线传感器网络中

移动节点接入的实现

　　　　摘　要：当无线传感器网络引入移动节点时，将会大大拓宽网络的功能。窃听登记ＥＡＲ算法是基于ＭＡＣ层的，即实现移动节点从进入网络到维持网络连接，最后离开网络这一过程。本文基于ＥＡＲ算法，在实现该算法的基础上就ＥＡＲ存在的不足做出改进，通过仿真验证改进后的方案在减少网络能量损耗的同时可以提高移动节点与网络的连接质量。

项　丽　　段哲民／文

入，其维持与网络的连接和建立路频信号要求周围邻居节点加入网络协同工作，最重要的是，静止节点是高度能量受限的。ＥＡＲ协议采用三种信息方案，假如与静态ＭＡＣ协议相关的导频信号也假定为一种信息，那么将使用四种信息，算法的具体实现过程如下：—广播邀请（ＢＩ）：静止节点邀请其它节点加入。通过该信息，移动节点登记相应的静止节点，提取出引　　言无线传感器网络将代替或提高传统有线传感器技术，特别是在灾区、领土保卫、制造业等应用中将越来越突出。在无线传感器网络（ＷＳＮ）中，节点一般是静止的，如果对于已经部署好的网络，这时有移动节点加入，将会大大扩充网络的功能。移动节点的接入，可以扩大网络空间的采样范围，当数据采集到后可以充当信息源或者接收器，而且有可能两个移动节点通过静态网络进行通信。同时对于传感器网络而言，如何减少能量的损耗是设计该网络首要考虑的问题，特别是当移动节点接由都将消耗能量受限的静态网络。针对该网络的特点和要求，有人提出了窃听登记ＥＡＲ（Ｅａｖｅｓｄｒｏｐ　ａｎｄＲｅｇｉｓｔｅｒ）算法，该算法能较好地实现移动节点接入网络，但仍存在着一些缺点，本文首先将简单地介绍ＥＡＲ原理，然后针对ＥＡＲ存在的缺点，提出改进方案，最后对所提出的方案进行仿真和分析。ＥＡＲ算法在提出算法前，首先假定无线传感器网络已达到稳态，即此时静止节点已分布好，链路层结构已形成，从任何节点到槽节点的路由已建立，每个静止节点周期的发送导发送节点的ＩＤ、接收信号质量以及发送功率，通过对多个静止节点的连续登记，移动节点能够判断其离哪个节点更近。这有两种情况：一是若接收到的ＢＩ是一个新的静止节点，在登记表未满的情况下，继续加收方的同步算法的性能要好得多。产生回应，然后由参考节点计算时钟偏移并向其周围的邻居节点广播这一信标，最后这些邻居节点就会达到同步，未来研究方向通过对上述两种典型方法的分析与研究，我们认为未来传感器网络中同步技术的研究应该是一个更全面的过程。为此，我们设想了一种比较灵活、全面的算法，即双向同步算法。我们的大致构思是这样：把同步过程分成上行和下行来完成。在下行同步中，指定一个参考节点（把它当作基站）来发送信标，该参考节点的邻居节点或子节点接到信标后会在上行同步中，允许每个节点独立地获取时间或根据其所处的环境来同步。由某个要同步的节点先发送一个请求，其父节点接到这个请求后把它转发给上一级父节点，一直这样转发直到到达基站，然后基站会转换到这条路径上，发送相应的信息给要求同步的节点，最后使该节点同步。我们这样考虑算法可以减少同步的成本，并且具有一定的灵活性，既可以实现网络内所有节点的同步，也可以仅考虑单个节点的同步。　56ＷＷＷ．ｃｉｓｍａｇ．ｃｏｍ．ｃｎ通信技术

Ｔｅｌｅｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ入该节点；若已满，将该节点的ＳＮＲ和表中没与移动节点连接的节点相比，保留值高的那个节点；二是若接收到的ＢＩ是登记表中已有的节点，则更新表中的记录。—移动邀请（ＭＩ）：移动节点响应ＢＩ，请求建立连接。移动节点对周围的节点进行登记，同时初始化连接请求，当表中有节点ＳＮＲ超过设定的连接门限时，将发送ＭＩ信息给相关静止节点。—移动响应（ＭＲ）：静止节点接受或拒绝ＭＩ请求。当接收到ＭＩ信息，静止节点决定其是否需要连接或可否连接，当静止节点的能量很低或没有适合的通信信道时，将拒绝连接请求。假如可以连接，静止节点将发送ＭＲ信息表明接受连接请求。—移动中断（ＭＤ）：当与静止节点建立连接后，移动节点继续监测该节点，当接收ＳＮＲ降低到预定的断开门限或静止节点消失（由于衰落效应）时，移动节点发送ＭＤ通知静止节点中断连接，当接收到该信息后，静止节点仅仅将移动节点从连接表中删除即可。图１给出了移动节点进入网络后其当前连接与将来连接的状态，由于静态网络高密度分布，避免使用转交技术，同时，ＥＡＲ协议可以通过采用一系列超时限定而避开传统的使用确认（ＡＣＫ）信息。对ＥＡＲ算法的改进上述是ＵＣＬＡ提出的ＥＡＲ算法，通过在分析和实现ＥＡＲ算法时，发现其存在以下一些问题：—静止节点发出ＢＩ信息的问题。在ＥＡＲ算法中，没有具体说到ＢＩ信息发出的周期，虽然提出使用无线控制技术来控制开或关，但从图１　　移动节点运动示例

算法中可以看出，静止节点要不断限或该节点消失（在预定的时间内没地发送ＢＩ信息，如果移动节点的速有发送ＢＩ信息，就认为其消失或发度较快的话，就有可能捕捉不到该生故障）时，就断开连接。这样，在静止节点，这样就失去了与该节点移动节点最大连接数目限制的条件的连接机会。同时不断地发送ＢＩ信下那些很高的ＳＮＲ的节点有可能没息，并不是明智之举，因为对无线传被连接上，这就是该算法的不足之感器网络来说，节省能量的消耗是处，现改进如下：设计该网络的主要出发点，而网络首先设定好移动节点最大连接主要是由大量能量受限的静止节点数目、连接门限以及断开门限，当移构成的，这样就消耗了一定的能源。动节点进入网络后，随着其不断的所以，对ＥＡＲ算法的改进如下：运动，将经过不同的节点，每当所经不使用ＢＩ信息，让移动节点来过的静止节点的ＳＮＲ高于连接门负责控制整个过程。可假定在移动限，且在其连接数目没达到最大的节点未引入进来前，所有的静止节情况下，将与该节点连接。若达到最点处于睡眠（ｓｌｅｅｐ）状态，其可以每大连接数目时，且这时有更高的隔一定时间发出一信息（类似ＢＩ）来ＳＮＲ的节点进入网络（高于连接门限维持或观察当前的网络状态，当有的节点），则将发送ＭＤ信息给已被移动节点进来时，就由移动节点控连接上的ＳＮＲ此时已在所有连接节制整个过程，即移动节点发出广播点中最低的节点，从而加入该新的消息（Ｂｒｏａｄｃａｓｔ　Ｍｅｓｓａｇｅ）；由于网节点，若遇到新的节点的ＳＮＲ低于络的布局很大，其静止传感器节点连接门限，则忽落该节点，那些与移高密度分布，只有临近移动节点的动节点断开后的静止节点将继续回静止节点才能听到该信息，于是这到其最初状态（ｓｌｅｅｐ）。些静止节点开始醒来（ｗａｋｅ　ｕｐ），并将向移动节点发送或报告其当前的仿真结果状态信息（ｃｕｒｒｅｎｔ　ｓｔａｔｕｓ　ｍｅｓｓａｇｅ），我们用ＰＡＲＳＥＣ语言进行仿这样移动节点根据接收到的状态信真。仿真应建立在静态ＭＡＣ协议和息，决定其是否与该静止节点连接，多跳路由基础上，从而来仿真网络当不需要连接时，其继续保持原先的寿命周期，包括节点最初的分布、的状态。启动连接和建立连接、路由形式以—登记问题。ＥＡＲ算法中，移及移动性。但由于条件的限制，假设动节点使用完全转交（ａｂｓｏｌｕｔｅ节点已经随机分布好，这里采用了ｈａｎｄｏｆｆ）技术，即当接收信号质量１００个节点来进行测试，这些节点随ＳＮＲ高于连接门限时，将与该节点机分布，密度是λ＝０．０４，假设每个连接；当该节点的ＳＮＲ低于断开门静止节点以固定能量的广播形式发信息安全与通信保密・２００５．５

57通信技术

Ｔｅｌｅｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ表１　　ＥＡＲ的仿真结果

表２　　改进１的仿真结果

表３　　在改进１的基础上进行改进２的仿真结果

送信息，发送的信息个数没有限制。了仿真，表１是ＥＡＲ的仿真结果。表而移动节点的发射功率可以有不同中的时间单位为仿真系统时间单位，的选择，超帧长８ｓ，有４０个时隙，移由于此设计移动节点的路线基本上动节点允许同其中的１０个时隙相作是设定的，所以在时间上没有多大用，每个移动节点允许登记１０个静的变化。表中选用了平均每个静止止节点，在给定的时间内，可以同时节点发送信息条数和移动节点发送和３个静止节点连接。另一方面，静信息条数，以及移动节点与网络连止节点只允许同一个移动节点进行接时间比来参定，通过对这些参数连接，当有连接请求时，移动节点为的比较，可以看出移动节点引入网静止节点提供５个时隙对用来通信，络后其在网络中的运行状况。静止节点从中选择２对用来通信；在表２是改进１的仿真结果（改进连接阶段，假定两个节点可以在分１：不使用ＢＩ信息，这样静止节点和配的时隙中进行传输数据，移动节移动节点的通信仍然继续，且将会点的速度可为０－２ｍ／ｓ。大大减少能量的损耗）。我们就ＥＡＲ和提出的方案进行表３是在改进１的基础上进行改58ＷＷＷ．ｃｉｓｍａｇ．ｃｏｍ．ｃｎ

进２的仿真结果（改进２：让移动节点有更大的控制权，当接收到的信号质量达到连接门限时，就进行连接；信号质量下降到断开门限时，就断开连接）。将表１与表２进行比较，表２中的平均每个静止节点发送信息条数比表１中的小了很多，这说明改进１比ＥＡＲ节省能量。因为对于静止的无线网络而言，其能量的消耗主要就是各个静止节点的能量损耗，这里就是保证通信正常进行的情况下，争取使静止节点发送较少的信息，从而可以减少每个静止节点的能量损耗，因此可延长网络的运行寿命。将表３与表２进行比较，可以看出，通过改进，移动节点与网络的连接时间大大延长，也就是说，在移动节点从进入网络开始，其和静止节点的通信机会就大大增多，这对于我们充分提取数据，保证数据的不失真具有极大的作用。当然，在这三个表中，最明显的还是信号接收质量问题，随着连接门限的增大，移动节点与网络的连接能力越弱，但是连接门限较低，将会存在较大的干扰，所以在设计时，要充分考虑到这些，选择最优的值，保证网络的正常运行。结　　论窃听登记ＥＡＲ算法允许移动节点与无线静止传感器网络维持连接，同时减少静止节点的能量消耗，这是通过移动节点连续的监测静态网络实现的，但它存在一些问题，如在进一步节能和连接质量上。本文针对以上两个问题提出了改进方案（包含两个方面），并且对改进方案进行了仿真分析，从仿真结果可得出，改进后的方案可更好地实现节能和连接质量的要求。