一种延迟容忍移动传感器网络自适应连接探测机制

第33卷第6期 2011年6月 电子与信息学报 JournalofElectronics&InformationTechnology Vbl．33No．6 Jun．2011 一种延迟容忍移动传感器网络自适应连接探测机制 杨奎武哟 郑康锋① 钮心忻① 杨义先① 郭世泽① ⋯(北京邮电大学网络与交换技术国家重点实验室信息安全中心北京100876) ⋯(解放军信息工程大学电子技术学院郑州450004) 摘要：连接探测效率对延迟容忍移动传感器网络(Delay—TolerantMobilitySensorNetwork，DTMSN)的性能有 着重要的影响。该文在对随机路点(RandomWay-Point，RWP)移动模型统计特性研究的基础上，提出一种面向 RWP的DTMSN自适应连接探测机制(AdaptiveContact．ProbingScheme，ACPS)。其基本思想是节点根据每次 移动过程中连接到达率的不同，自适应地调整连接探测次数和探测时间，通过提高探测效率和探测准确性来降低探 测能量开销和连接发现延迟。仿真结果表明，与固定周期探测机制(Fixed-cycleProbingScheme，FPS)相比，ACPS 能够以较低的能量开销取得更高的探测成功率和更短的连接发现延迟。 关键词：延迟容忍移动传感器网络；连接探测：随机移动模型 中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：1009—5896(2011)06-1282．08 DOI：10．3724／SP．J．1146．2010．01119 AnAdaptiveContactProbingSchemeof Delay．tolerantMobilitySensorNetwork YangKui-wll∞ZhengKang-feng①NiuXin-xin①YangYi．xian①GuoShi．ze① ⋯(iscD，StateKeyLaboyNetworkingandSwitchingTechnology， BeijingUniversityoyPostsandTelecommunications，Beijing100876，China) ⋯(Instituteo／ElectronicTechnofogy，InformationEngineeringUniversity，Zhengzhou450004，China) Abstract：TheefficiencyofcontactprobinghasallimportantimpactontheperformanceofDelay-Tolerant MobilitySensorNetwork(DTMSN)．AnAdaptiveContactProbingScheme(ACPS)ofDTMSNisproposed，which isbasedonthestudyofstochasticpropertiesofRandomWay-Point(RWP)mobilitymodel．Themainideaof ACPSistoadjustadaptivelythetimeandthenumberofcontactprobingaccordingtothearrivalrateofcontact arrivalprocess．Theschemec柚effectivelydeducetheprobingenergycostandcontactdiscoverydelayby improvingtheprobeefficiencyandaccuracy．SimulationresultsshowthattheproposedACPShashigherdiscovery ratioandlowerdiscoverydelaythantheFixed-cycleProbingScheme(FPS)． Keywords：Delay-TolerantMobilitySensorNetwork(DTMSN)；Contactprobing；Randommobilitymodel 1 引言 近年来，延迟容忍移动传感器网络(DTMsN)【l】 由于其广泛的适用性和广阔的应用前景而备受关 注。在DTMSN网络中，由于节点的移动性或部署 的分散性等原因，使得网络具有间歇连通的特点， 即网络中节点之间大多不存在端到端的连通路径， 只有当节点移动到彼此通信范围之内时才能完成连 接。DTMSN的数据传输正是通过节点间的这种机 会性连接来完成的。为了保证这种机会性数据交互 能够及时进行，节点通常不得不采用持续、周期性 2010-10-18收到，2011．02-28改回 国家自然科学基金(60821001，61070204)，国家重大科技专项 f2009ZX03004-003-03)$1q6央高校基本科研业务费专项(2010PTB- 05-03)资助课 +通信作者：杨奎武ykw．ieu@gmail．Corn 发送探测(beacon)帧的办法来检测自身是否与其他 节点间存在连接，从而消耗大量能量，严重影响网 络寿命[21。 当前，对DTMSN的研究主要集中在路由技术 领域，并取得了较多的研究成果，如文献[3-61，而 对DTMSN连接探测机制的研究却很少，如文献『7，81 等已有的一些传感器网络连接探测机制也主要是针 对静态或全局连通的网络而设计的。在无线网络中， 最常用的连接探测方法是固定周期探测机$1](FPS)， 即节点以固定周期发送beacon帧，以此来完成自身 连接探测，当其接收到其他节点的探测应答后则表 明连接存在，否则连接不存在，该方法在Bluetooth 和ZigBee等短距离无线通信中普遍应用。连接探测 机制主要有两类：同步探测机制和异步探测机制。 同步探测机制，如文献f9，10]等给出的方法，虽然这 万方数据 第6期 杨奎武等：一种延迟容忍移动传感器网络自适应连接探测机制 1283 种机制具有探测功耗低、网络寿命长等优点，但是 要在动态网络中实现全网同步通常比较困难，并且 这种机制有着连接发现延时长的不足；异步探测机 制，如文献f8，11-15]等，这些机制易于实现，但其 连接探测能量消耗却往往高于同步机制一个数量 级【16J。为了降低异步连接探测过程的能量消耗，研 究人员将休眠机制引入到节点当中，并通过降低节 点duty-cycle的方法来节省能量开销，但这种方法 在网络拓扑结构快速变化的条件下，很难实现较高 的连接探测成功率。 本文在对随机路点(RWP)统计特性【17J分析研究 的基础上，提出一种能量有效的自适应连接探测机 制(ACPS)，该机制主要是根据RWP中节点分布的 概率密度对其移动过程中的连接到达率和连接次数 进行预测，并以此作为节点连接探测次数和连接探 测时间的计算参考，通过节点自适应的改变自身连 接探测次数和探测时间达到节约能量开销和降低发 现延迟的目的。 2模型及问题描述 2．1连接过程模型 文献f12]给出了连接过程模型(如图1)。设网络 中节点按照一定的算法进行beacon帧的广播，并在 接收到其他节点的beacon帧后会通过应答来表明 连接存在。当任意两个节点A，B移动到彼此通信范 围内时(即使未彼此发现)，则认为A，JEi发生一次连 接；节点在单位时间内与其他节点平均发生连接的 次数称为连接到达率，通常用入表示。节点间连接 状态保持的时间td(曲称为连接持续时间；节点相邻 两次连接发生的时间间隔用0(i)表示；beacon帧的 发送时刻用L表示，节点发送beacon帧的数量称为 连接探测次数；从连接发生到节点探测到连接存在 的时间『日J隔屯称为连接发现延迟；两节点处于连接 状态，但彼此都没有发送beacon帧发现对方，称为 连接错失；节点所发现的连接次数与其真正连接发 生次数的比值称为连接探测成功率。 2．2网络模型 如图2所示，假定DTMSN初始时，Ⅳ个传感 t。(1) ：tc(2) { ；[—西既口I----------==二----------_ ：r—-匿磊百—]。td(3I)整堡2 1． ’ 离葙舔百习一 图2DTMSN网络模型 器节点随机部署在一个a×a的正方形监测区域A 内(箭头代表移动方向)。所有节点的移动规律都符 合RWP移动模型，其移动规律描述为：节点在区 域A内随机选取起始点S和目的点D，随机选取仃 属于(‰。，％。)作为此次移动的速度，并沿S到D的 直线匀速移动到点JD，在点D随机选取一个等待时 间瓦。。属于(‰，k)保持静止，这样一次移动过 程结束，将本次移动的目的地作为下一次移动的起 点，随机选择下一个目的点如此重复移动。网络中 所有节点均遵循上述移动规律且相互独立，节点的 移动过程如图3所示。为简化实验，除所有节点都 符合RWP移动规律外，本文还假设DTMSN网络 具有如下性质： (1)所有节点具有相同的通信半径r，并明确当 前自身的运行速度秽和目的地D； (2)节点已知监测区域A的边长a及网络中节点 的数量Ⅳ，并假设节点等待时间瓦。。=0； (3)节点内部设有定时器，可以完成计时功能； (4)暂不考虑网络环境及信道干扰等因素对通 信的影响。 2．3问题描述 由于在DTMSN网络中，数据大多是通过中间 节点采用“存储一携带一转发”㈣的方式进行传递，因 此为了能够及时将数据路由至目的地并达到较高的 图3节点在RⅣP中的移动过程 万方数据 电子与信息学报 第33卷 传输成功率，就需要节点在连接探测过程中尽可能 多，并及时地探测到存在的连接，同时尽量降低 beacon帧的数量和提高探测的准确性，以降低能量 开销和发现延迟。设计能量有效的连接探测机制实 际上是在能量消耗和探测成功率之间寻找折中 点[”】。通常DTMSN连接探测机制需要满足以下3 个要求：f1)准确预测连接数量，通过预测连接到达 数量来适当安排beacon帧的发送数量，能够有效降 低能量开销；(2)合理设定探测时间．提高探测准确 性，有助于提高探测成功率并降低连接发现延迟： f3)探测算法简单，计算开销小，易实现。 3自适应连接探测机制(ACPS) 3．1RwP节点空间分布 图4(a1是RWP初始化时节点在正方形监测区 域A中的分布情况，图4(b)是网络运行1000s后节 点在A中的分布情况。从图中可以看出节点在移动 过程中并不服从均匀分布，而是大多数节点都集中 在^的中心区域。文献『201给出了RWP在多边形区 域下节点空间分布的概率密度和相关统计特 性，其中在边长为。的正方形区域且静止时间 k删=o的条件下，节点空问分布概率密度函数如 式(1)#-l所示，从仿真图4(c)中可以看出，越靠近监 测区域中心，节点出现的可能性越大。 Ay(≈Y)z等(，一∞)(矿一叫)， Ⅱ 0茎zSⅡ，0≤pSa (1) 3．2连接到达率殛探测次数计算 如图5(a)所示，假设节点在区域^中某次运行 是以速度"∈(‰⋯‰。)从源点s(zs，Ys)移动到目的 点D(zD，Y。)．其所用的时间为T，由节点运行距离 ￡和运行速度可得T*L／√(％一拈)2+(％％)2／口(2) 由向量SD与z轴正向的夹角日以及节点的起 始位置，可得节点运行所在直线表达式为 Y=Ys+tan日扛一％)(3) 其中tan8=(YD啦)／(zD一％)。设8D为节点运行 过程中其通信半径所覆盖的区域，利用式(1)可以计 算出该运行区域中节点出现概率为 昂=ff^r(≈，Ⅺ一 (4) 如 当s。与A面积相等时，R=1。则在此次运行的T 时间内节点所能够遇到的平均连接数为 E[z】_(N一1)×晶=(N一1)。fJ^r(日”)d口(5) ≮ 其中Ⅳ为监测区域A内节点的数量。文献f211指出 在正方形区域内节点平均运行距离ElL．=a／3，因 此当r<方案

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