无线移动传感器网络自适应体系结构的设计
导语：无线移动传感器网络自适应体系结构的设计
1 引言 随着无线网络技术的日益成熟及其对小型、微型移动设备的支持，传感器网络已经逐渐成为一个研究的热点。无线移动传感器网络对各种关键的应用领域，如通讯、军事、医疗、救灾和监控等方面的工作产生相当重要的影响。本文着重讨论无线移动传感器网络的自适应体系结构的设计。 为无线传感器网络设计一个自适应的体系结构很困难，一方面是由于无线传感器有非常高的动态性和移动性，另一方面是由于无线传感器都受到计算能力、通信能力和能耗的限制。所以，为无线移动传感器网络开发的协议和体系结构就必须具有自我配置和自我适应的能力，而且随着网络规模的扩大以及传感器网络成员的增加，还要有很高的可扩充性和可靠性。现在通常使用网络覆盖和网络核心节点的方式来寻找通信网络中的成员，但是由于覆盖和维护核心节点的成本很高，这些方法不适合于无线移动传感器网络。为此，设计了一个基于区域的体系结构来增加网络的覆盖性，并使用核心路由节点和多层结构的方法来增加无线移动网络的可扩充性，同时减少对核心路由网络节点的依赖，这样就大大提高了网络的可靠性。 2 设计需求 随着移动传感器的广泛应用，网络化无线移动传感器会大量增加。因此，无线移动传感器网一定要具有相当的可扩充性。但是，由于通常在有线网络中使用的单层平面体系结构不能达到无线移动网络的动态延伸，不能适应网络的移动和拓扑变化，也不能满足网络的动态延伸需要消耗网络资源（如带宽和能量）的限制，而且还容易导致恢复的延迟并增加路由的振荡，所以这种单层平面式的体系结构不适合无线移动传感器网络。为此，需要为无线移动传感器网设计的是一个多层的体系结构，这样不仅可以满足网络的可扩充性要求，也能适应网络中节点的移动和拓扑变化。 无线移动传感器网在一个高度动态的环境中，移动和通信失败会时时发生，因此不仅要适应网络的动态特性并实现正确的网络信息传输功能，而且还要保持一定的合理性，也就是说可靠性是非常重要的一个因素。为此，在层次结构的网络体系结构中结合进了绝对移动性模型和相对稳定性模型，并使用分布式的网络资源寻找方法来避免因单点出现问题而引起整个网络故障的情况。 由于无线移动传感器的能量有限，而且有很强的移动性，因此降低能耗和增加网络的自我配置能力也是一个很重要的问题。通常低能耗与网络的可扩充性是相互矛盾的，为此将使用信息发布、传输和查询的局部化机制来减少所需要的通信信息量，从而达到降低能耗、增加网络自我配置的能力。 3 结构设计 平面结构网络的可扩充性不是很好，因而不适用于具有高度动态特性、高度移动特性以及需要高度可扩充性的无线移动传感器网络。为此设计了一个具有多层结构的网络体系结构，这是对地标的层次结构（LMH）的一种改良。该设计将网络信息分为数据信息和控制信息，核心路由节点不是用来帮助其区域内节点进行数据信息的传输和转发的，而是用来协调处理普通节点之间的信息传输路径和传统的基于串的网络结构相比较，具有动态的自我配置的能力，而且不依赖于所管理的区域以及路由表的大小。由于进出串的信息流也不需要经过路标核心节点，这就增加了网络的可靠性。 为了避免在网络构造过程中进行复杂的协调处理，使用了区域路由协议（ZRP），为每个节点定义一个区域，这个区域是以该节点为圆心，半径为R的圆所包含的节点。在这个区域的内部使用主动路由，该节点就可以很容易得到其区域内所有节点的路径。如果要找区域外面的节点，就要使用被动路由（也就是区域之间的路由），被动路由是通过每个节点区域中的核心路由节点来帮助协调处理。 一般而言，无线移动传感器网络的路由协议既可以是主动的，也可以是被动的。主动协议是通过维护路由表来实现的，维护路由表需要定期交换消息，这样才可以有最新的路由信息，这对于相对移动性很高的网络来说不太适合，但是如果考虑到无线移动传感器的绝对移动性和相对稳定性，那么主动路由协议就非常适合一个群中传感器之间的通信了，而这个群就是所说的区域。确定主动路由协议中的路径几乎没有什么延迟，但是定期更新路由信息所产生的额外负担比较大。对于高度移动性的网络来说，由于节点在不断移动，以前有效的路径可能在一定时间以后就会变成无效的路径。相对而言，被动路由协议是根据需要来维护路由，被动路由的建立不需要定期交换路由信息。但是由于被动路由协议中的路径都是在需要的时候通过在整个网络中进行广播来建立的，这样就会有比较大的路由延迟。 该方法就是将这两种协议混合使用，如图1所示，上层是核心路由节点，下层是普通节点，每一个普通节点都有一个区域，在该区域中有一个核心节点，如果需要和区域内的节点进行通信，就用主动路由；如果要和区域外的节点进行通信，就使用被动路由。 
之所以要引入核心路由节点并混合使用主动和被动两种协议，主要是源于Watts的发现，他注意到引入少量远距离路径，可以大大减少平均路径的长度，从而提高整个网络系统的性能。 4 无线移动传感器网络的自适应性 为了使设计的无线移动传感器网络的体系结构具有高度的自适应性，以适应网络的高度动态和高度移动的特性以及低能耗的条件限制，该体系结构要把移动性和能耗的概念结合起来。为了达到这个目标，就要引入相对稳定性和能耗度量的机制。相对稳定性模型涉及到一个节点区域的动态适应能力，以及该节点区域内可以使用主动路由协议来确定路径的其他节点的数目。Basu的工作把移动性和能耗很好地结合在了一起。本文借鉴该方法，即用信号强度来度量节点之间的相对稳定性，在这个方法中，使用了一个自由空间传播模型 
式中：RxPr和TxPr分别是收发两端收到和发送的信号强度；d是发送者和接收者之间的距离。 通过度量从同一个发送者接收到的两个连续信息包之间的信号强度，就可以知道相对稳定性了，他把相对移动性度量定义为 
如果这个度量的值是一个较大的负数，那么节点离开的速度就很快。反之，节点之间的距离则相对稳定。当然，这些度量都是基于区域范围的度量，因而可以用于估计区域内使用主动路由进行传输的信息流量。 无线移动传感器网络的一个问题是信息发送传感器往往不知道接收端在哪里，而且在这样的一个网络中，传感器节点可随时进入或离开某一个区域。因此，为了提高网络传输性能，在节点区域中使用主动路由协议，就需要在一个区域中有一个核心路由节点进行协调和管理。在该体系结构中，当一个无线移动传感器进入某个区域时，就要在网络中广播控制信息，这样其他网络节点就知道它进入了这个区域，由区域的核心路由节点来进行响应，并更新该区域的主动路由表并将该节点加进去，而其他普通网络节点则对这样的控制信息广播不作响应。从这些周期性的控制信息广播就可以得到网络和传感器节点的动态特征，进而调整网络结构和路由信息。由于使用了核心路由节点来控制其他节点加入某个区域的机制，只是在某个节点加入时才进行控制信息的广播，这样就避免了周期性广播的问题，从而降低了网络的信息流量和能耗。 在该体系结构中，一个区域中核心路由节点是动态产生的，这样的网络区域就会有高度的适应性。在一个节点进入某个区域时，如果在发出了申请加入的控制信息以后没有得到响应，就说明该区域还没有核心路由节点，那么这个节点自己就可以升级为一个核心路由节点。另外，如果核心路由节点移出了某个区域，那么该区域的其他节点也就可以升级为核心路由节点。在一个节点升级为核心路由节点时，主要考虑其配置、能力（如GPS）、能量以及自身的稳定性。如果该节点具有较好的配置、较强的计算能力和GPS，就可以升级为核心节点，配置成路由服务器。GPS主要是用于确定它自己的地理位置，地理位置信息不需要经常更新，地理位置信息属于控制信息。有了地理位置以后，就可以以一个半径为圆来确定该核心路由节点所管辖的区域了。这种核心路由节点的动态产生办法，不仅使网络有很强的自我适应性，而且有很高的可靠性，在某个核心路由节点产生故障或者移动出某个区域的时候，就可以由其他节点自动升级为核心节点，从而保证网络的正常运行。 5 结束语 无线移动传感器网络与传统的网络不同，具有很高的移动性和动态性，而且还受到能耗的限制，设计一个好的体系结构，一直是一个重要的研究方向。提出了一个自适应的体系结构，但是还有很多问题要继续研究。 现在的移动模型通常是使用随机行走模型，但是这种模型不能反映在现实世界中存在的绝对移动性和相对稳定性，因此这些方面还需要进一步深人研究。
