摘要
本文提出了一種系統(tǒng)架構(gòu)，使移動(dòng)節(jié)點(diǎn)能夠查詢大量部署在智能交通系統(tǒng)場(chǎng)景中的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)。我們確定了網(wǎng)絡(luò)中三種不同的節(jié)點(diǎn)：移動(dòng) Sink 節(jié)點(diǎn)（要查詢 WSN 的節(jié)點(diǎn)，可以移動(dòng)）、Vice Sink 節(jié)點(diǎn)（可以與移動(dòng) Sink 節(jié)點(diǎn)直接進(jìn)行通信）以及普通的傳感器節(jié)點(diǎn)（感知物理現(xiàn)象，通過(guò)多跳方式進(jìn)行通信）。我們提出了專門為這種場(chǎng)景定制的協(xié)議和算法，這樣的參考架構(gòu)很好的涵蓋了 WSN 部署在停車場(chǎng)或者公路上的情況，它們?yōu)檐囕v提供周邊環(huán)境信息。
我們介紹分析了一種簡(jiǎn)單的地理路由協(xié)議和兩種不同的負(fù)載均衡技術(shù)，通過(guò)大量模擬來(lái)評(píng)估所提出方案的性能，并把簡(jiǎn)單的地理路由協(xié)議和兩種不同的負(fù)載均衡技術(shù)進(jìn)行了對(duì)比。
1. 介紹
飛速發(fā)展的智能交通系統(tǒng)（Intelligent Transport Systems , ITS）涵蓋了從航空運(yùn)輸和交通管制到駕駛員警示和交通監(jiān)測(cè)這樣的車載服務(wù)等諸多領(lǐng)域，交通信息的收集和交流在智能交通應(yīng)用中起著至關(guān)重要的作用。但大多數(shù)傳統(tǒng)的智能交通系統(tǒng)只能檢測(cè)位置固定的車輛，并且由于在部署通信和電力線纜上的開銷，這些傳統(tǒng)系統(tǒng)沒有被廣泛應(yīng)用，目前交通規(guī)劃和管制所用到的交通數(shù)據(jù)大多是用有線傳感器獲得的。設(shè)備本身的成本、維護(hù)設(shè)備的費(fèi)用以及耗時(shí)的安裝過(guò)程使得這些現(xiàn)有的傳感器系統(tǒng)無(wú)法在實(shí)時(shí)交通監(jiān)測(cè)和控制中大規(guī)模部署。如文獻(xiàn)[5]和[6]中所述，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless sensor network, WSN）因其安裝和維護(hù)的簡(jiǎn)便性，可能會(huì)顯著提高現(xiàn)有的交通運(yùn)輸系統(tǒng)的效率。
WSN 通常由以下兩部分組成：(i) 一組部署在觀察區(qū)域的節(jié)點(diǎn)，用于執(zhí)行數(shù)據(jù)收集相關(guān)的任務(wù)。(ii) 一個(gè)或者多個(gè) Sink 節(jié)點(diǎn)，將 WSN 收集到的數(shù)據(jù)傳遞給終端用戶。通常 WSN 被部署在遠(yuǎn)程和（或）敵對(duì)區(qū)域，Sink 節(jié)點(diǎn)需要通過(guò)某種形式的遠(yuǎn)距離連接（即衛(wèi)星通訊、Wi-Fi、Wi-Max 等）連接到后端。
我們假設(shè) WSN 被部署在一條公路上，或者在覆蓋有某個(gè)普遍服務(wù)的城市區(qū)域。我們進(jìn)一步假設(shè)終端用戶在城市中移動(dòng)時(shí)直接與 WSN 交流，即同時(shí)扮演終端用戶和 Sink 節(jié)點(diǎn)的角色。在這種情況下，移動(dòng)用戶可以直接訪問(wèn)到無(wú)處不在的 WSN 所提供的服務(wù)，而不需要借助于存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程倉(cāng)庫(kù)。這就是智能交通系統(tǒng)所對(duì)應(yīng)的場(chǎng)景，WSN 使得車輛可以直接獲取周圍環(huán)境的信息，然后利用這些信息做出恰當(dāng)?shù)臎Q策。比如說(shuō)，WSN 可用于檢測(cè)道路上是否結(jié)冰，或者檢測(cè)市中心路邊停車位的狀態(tài)。
雖然直觀上看起來(lái)很清晰，但是仍需要對(duì) WSN 的架構(gòu)和協(xié)議進(jìn)行細(xì)化。在本文的工作中，我們對(duì)文獻(xiàn)[1]和[2]中提出的原始系統(tǒng)架構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)，使它能夠支持城市環(huán)境中的智能交通系統(tǒng)。
一個(gè)或多個(gè)移動(dòng) Sink 節(jié)點(diǎn)向 WSN 進(jìn)行查詢，隨后 WSN 回復(fù)其所請(qǐng)求的信息。WSN 的部署在幾何結(jié)構(gòu)上沒有特別要求，數(shù)據(jù)包通過(guò)一種預(yù)測(cè)地理信息路由機(jī)制在網(wǎng)絡(luò)中路由，最終目的地的位置自動(dòng)適應(yīng)于移動(dòng)用戶的移動(dòng)模式。這種適應(yīng)過(guò)程是通過(guò)一個(gè)移動(dòng)預(yù)測(cè)模型來(lái)實(shí)現(xiàn)的，這個(gè)模型在轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包時(shí)會(huì)考慮速度變化、方向的突變等因素。
此外，我們?cè)谶@里也指出文獻(xiàn)[2]中所強(qiáng)調(diào)的網(wǎng)絡(luò)負(fù)載均衡問(wèn)題：移動(dòng)管理策略和地理轉(zhuǎn)發(fā)讓網(wǎng)絡(luò)中的一部分節(jié)點(diǎn)額外承載了壓力，使它們能量耗盡。為了延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)的存活時(shí)間，我們?cè)诖艘胍环N能量感知轉(zhuǎn)發(fā)策略和一種延遲感知轉(zhuǎn)發(fā)策略。在這樣的策略中，節(jié)點(diǎn)對(duì)下一跳的決策不僅基于地理信息，還基于相鄰節(jié)點(diǎn)的能量消耗或者向另一個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)包所預(yù)期的延遲。為了做到這一點(diǎn)，把簡(jiǎn)單地理信息轉(zhuǎn)發(fā)中的度量標(biāo)準(zhǔn)（目標(biāo)方向和相鄰節(jié)點(diǎn)方向的標(biāo)量積）通過(guò)能量感知轉(zhuǎn)發(fā)中所消耗的能量和延遲感知轉(zhuǎn)發(fā)中的延遲進(jìn)行加權(quán)。通過(guò)這種方式，我們希望避免某個(gè)節(jié)點(diǎn)承載過(guò)大壓力，從而提高系統(tǒng)性能。
2. 系統(tǒng)架構(gòu)
我們的場(chǎng)景由一個(gè)信息檢索區(qū)域組成，區(qū)域中部署了用于感知所關(guān)注的物理現(xiàn)象的節(jié)點(diǎn)、一個(gè)或多個(gè)在其周圍移動(dòng)和查詢數(shù)據(jù)的移動(dòng)用戶。舉個(gè)例子來(lái)說(shuō)，這個(gè)場(chǎng)景可以描述在高峰時(shí)期，車輛四處移動(dòng)并在特定區(qū)域?qū)ふ铱臻e的停車位的情況。為了尋找車位，車輛扮演一個(gè) Sink 節(jié)點(diǎn)的角色，它暫時(shí)連接到這個(gè)網(wǎng)絡(luò)并發(fā)送一個(gè)查詢請(qǐng)求來(lái)詢問(wèn)區(qū)域的信息，然后等待相應(yīng)的數(shù)據(jù)。在上述場(chǎng)景中，我們可以確定如圖 1 所示的三個(gè)不同的角色：
l 傳感器節(jié)點(diǎn)（Sensor nodes , SNs），負(fù)責(zé)“感知”某一特定的區(qū)域。我們假設(shè)在城市的一個(gè)街區(qū)或者一個(gè)貿(mào)易中心周圍部署了大量傳感器節(jié)點(diǎn)，來(lái)檢測(cè)附近的停車位是否空閑。假設(shè)每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)都知道自己的地理位置，比如說(shuō)在部署時(shí)將坐標(biāo)存儲(chǔ)在每個(gè)節(jié)點(diǎn)中，或者使用分布式定位方案，讓網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)協(xié)同重現(xiàn)出其空間分布[7]。
l Vice Sink 節(jié)點(diǎn)（VSs），負(fù)責(zé)與 MS 通信的邊緣節(jié)點(diǎn)。假設(shè)每個(gè) VS 都知道自己的位置以及與它距離最近的 VS 的位置，擁有唯一的遞增標(biāo)識(shí)符(ID)。
l 移動(dòng) Sink 節(jié)點(diǎn)（Mobile sinks, MSs），由那些在部署了 Vice Sink 節(jié)點(diǎn)的區(qū)域中移動(dòng)的節(jié)點(diǎn)組成。假設(shè)每一個(gè)移動(dòng) Sink 節(jié)點(diǎn)都配有一個(gè) GPS 之類的衛(wèi)星接收器，這樣它就可以隨時(shí)獲得位置、方向和速度等信息。
圖 1 系統(tǒng)架構(gòu)
VS 沿 WSN 網(wǎng)絡(luò)周邊散布，對(duì)其密度沒有特別的限制。我們并不假定 MS 總是可達(dá)的，所以 MS 可能多次斷開連接；也不假定 VS 會(huì)形成一個(gè)子網(wǎng)，因?yàn)樗鼈冎g不一定要相互連接。假設(shè) MS 按照限定的隨機(jī)路徑點(diǎn)移動(dòng)模型移動(dòng)，它們的位置被限制在 WSN 周圍。如圖 2 所示，移動(dòng)用戶驅(qū)車沿城市街區(qū)行駛，尋找空閑的停車位。
圖 2 一個(gè)示例場(chǎng)景：汽車在附近部署了 WSN 的建筑物周圍移動(dòng)，尋找空閑車位
通信架構(gòu)需要設(shè)計(jì)成這樣一種方式：允許 MS 發(fā)送查詢和接收相關(guān)的響應(yīng)，并且以透明的方式管理可能的斷連。這意味著要在 MS、VS 和 SN 之間定義合適的接口。
3. 路由框架設(shè)計(jì)
我們的路由框架基于一種增強(qiáng)了移動(dòng)預(yù)測(cè)的地理路由轉(zhuǎn)發(fā)策略。當(dāng) MS 將一個(gè)查詢注入到網(wǎng)絡(luò)中之后，我們希望根據(jù)在原始請(qǐng)求消息中包含的移動(dòng)性信息來(lái)預(yù)測(cè) MS 的新位置，然后把響應(yīng)消息送達(dá)網(wǎng)絡(luò)中更外層的節(jié)點(diǎn)。通常來(lái)說(shuō)，響應(yīng)數(shù)據(jù)包會(huì)到達(dá)最接近 MS 預(yù)估位置的 VS 節(jié)點(diǎn)，如果 MS 確實(shí)接近了 VS，響應(yīng)便被成功送達(dá)，否則數(shù)據(jù)包要被路由到 MS 最有可能的實(shí)際位置上。為了實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，我們提出了一種地理轉(zhuǎn)發(fā)策略和一種有效的移動(dòng)預(yù)測(cè)方案，能夠在 VS 中使用 MS 中可用的最新移動(dòng)信息。
圖 3 概括了參考場(chǎng)景，MS 通過(guò)第一個(gè) VS 向 WSN 中注入一個(gè)查詢，之后這個(gè)查詢被轉(zhuǎn)發(fā)到其感興趣的區(qū)域（灰色標(biāo)注），目標(biāo)節(jié)點(diǎn)（最接近區(qū)域中心的）通過(guò)查詢同區(qū)域中的其他節(jié)點(diǎn)來(lái)聚合區(qū)域中所感興趣的數(shù)據(jù)，然后將聚合的數(shù)據(jù)發(fā)往目的地。所請(qǐng)求的信息首先經(jīng)各個(gè) SN 的多跳轉(zhuǎn)發(fā)，最終由最后一個(gè) VS 送到移動(dòng) Sink 節(jié)點(diǎn)。
圖 3 應(yīng)用場(chǎng)景示例
3.1 數(shù)據(jù)包格式
在詳細(xì)介紹路由策略之前，我們先介紹一下同時(shí)支持地理轉(zhuǎn)發(fā)和移動(dòng)預(yù)測(cè)策略所需的五種不同類型的數(shù)據(jù)包。數(shù)據(jù)包、包的字段和管理包的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)如下：
HELLO 包：一種周期性發(fā)送的簡(jiǎn)單數(shù)據(jù)包，包含節(jié)點(diǎn)的 ID、地理位置、是否為 VS 節(jié)點(diǎn)的標(biāo)志、剩余能量（用于能量感知轉(zhuǎn)發(fā)）和當(dāng)前占空比（用于延遲感知轉(zhuǎn)發(fā)）。
MOBILITY 包：一種由 MS 發(fā)往每個(gè)相鄰的 VS 的簡(jiǎn)單數(shù)據(jù)包，包含移動(dòng)方向、地理坐標(biāo)、速度和一個(gè)全局時(shí)間戳。
ALERT 包：在收到 MS 發(fā)來(lái)的移動(dòng)模式發(fā)生變化的通知時(shí)，每個(gè) VS 所生成的消息。它包含了 MOBILITY 包所含有的全部信息，再加上原始 VS 的 ID、發(fā)送者的網(wǎng)絡(luò)地址和 ALERT 包的目的地的地理坐標(biāo)。
QUERY 包：當(dāng) MS 選擇了查詢的目標(biāo)區(qū)域后其自身生成的消息。它包含和 MOBILITY 包中一樣的移動(dòng)信息、目標(biāo)區(qū)域的中心地理坐標(biāo)及其感興趣的半徑、發(fā)送者的網(wǎng)絡(luò)地址還有包的 TTL。
REPLY 包：由最靠近 QUERY 包的目標(biāo)區(qū)域中心的 SN 生成的消息，它包含 MOBILITY 包中含有的所有原始 MS 的移動(dòng)信息（從 QUERY 包中復(fù)制的）、根據(jù)移動(dòng)信息和經(jīng)過(guò)的時(shí)間逐跳估算的 MS 的實(shí)際位置、發(fā)送者的網(wǎng)絡(luò)地址以及包的 TTL（從 QUERY 包復(fù)制的）。
3.2 地理轉(zhuǎn)發(fā)
如第 2 節(jié)所述，假設(shè)網(wǎng)絡(luò)的每個(gè)節(jié)點(diǎn)都知道自己的位置，并且每個(gè) MS 都使用了一個(gè)衛(wèi)星接收器，這樣它就能夠知道自己的坐標(biāo)、速度、方向和全局時(shí)間戳。簡(jiǎn)單起見，我們用 TargetPos 來(lái)標(biāo)識(shí)存儲(chǔ)在 QUERY 包中的目標(biāo)區(qū)域的坐標(biāo)，用 MsPos 來(lái)標(biāo)識(shí)存儲(chǔ)在 REPLY 包中的 MS 的坐標(biāo)，用 CurrentPos 來(lái)標(biāo)識(shí)當(dāng)前進(jìn)行下一跳的決策的節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)。
3.3 移動(dòng)管理
移動(dòng)管理機(jī)制的主要目的是向 VS 提供 MS 最新的移動(dòng)信息。這是利用了 REPLY 包必定會(huì)到達(dá) WSN 的外層部分，然后再到達(dá)離預(yù)估的 MS 位置更近的 VS 的特點(diǎn)實(shí)現(xiàn)的。如果 MS 對(duì)這個(gè) VS 來(lái)說(shuō)是不可達(dá)的，就必須對(duì) REPLY 包的轉(zhuǎn)發(fā)采取適當(dāng)?shù)臎Q策。出于這樣的目的，每當(dāng) MS 可以與一個(gè) VS 進(jìn)行通信時(shí)就向其發(fā)送一個(gè)包含關(guān)于位置、速度、方向和全局時(shí)間戳的新信息的 MOBILITY 包。VS 使用一個(gè)結(jié)構(gòu)來(lái)維護(hù)這些數(shù)據(jù)，并且在收到更新的數(shù)據(jù)包時(shí)對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行更新操作。
MS 可以調(diào)頭，也可以僅僅轉(zhuǎn)個(gè)彎，如果不能將新的 MOBILITY 包直接送達(dá)足夠近的 VS，那么就要把新的移動(dòng)信息告知這些 VS。因此我們引入了一種可以把新的移動(dòng)信息告知一定數(shù)量 VS 的算法，這樣 REPLY 包到達(dá)一個(gè) VS 后可以被有效轉(zhuǎn)發(fā)到合適的目的地。當(dāng) VS 檢測(cè)到移動(dòng)模式的方向發(fā)生急劇變化時(shí)，它會(huì)向附近的各個(gè) VS 發(fā)出警示，告知它們新的移動(dòng)信息。
很明顯，這種技術(shù)引入了額外的通信開銷，但同時(shí)它在關(guān)鍵情況下具有更高的消息送達(dá)率和更低的延遲。為了避免無(wú)用信息在網(wǎng)絡(luò)中傳播，需要為數(shù)據(jù)包設(shè)置一個(gè)適當(dāng)?shù)纳鏁r(shí)間(TTL)字段。這樣，在特定區(qū)域?qū)ふ彝＼囄坏挠脩艨梢哉J(rèn)為該信息在給定時(shí)間之后已經(jīng)過(guò)期；然后它會(huì)轉(zhuǎn)發(fā)一個(gè)新的查詢，直到收到應(yīng)答。算法 3 中展示了地理轉(zhuǎn)發(fā)和移動(dòng)預(yù)測(cè)策略的組合。
4. 負(fù)載均衡技術(shù)
能耗是 WSN 的主要問(wèn)題之一，特別是像本文中考慮的大規(guī)模部署的情況。WSN 由多個(gè)電池供電的節(jié)點(diǎn)組成，這些節(jié)點(diǎn)相互協(xié)作，將感知到的信息分發(fā)給查詢信息的節(jié)點(diǎn)。在理想情況下，所有的節(jié)點(diǎn)消耗相同的能量，并且?guī)缀踉谕粫r(shí)間死亡。顯然，由于特殊的網(wǎng)絡(luò)部署方案和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以及流量負(fù)載，一些節(jié)點(diǎn)會(huì)比其他節(jié)點(diǎn)承載更大的壓力，它們大概率會(huì)率先死亡。當(dāng)有節(jié)點(diǎn)死亡時(shí)，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)自身需要重新進(jìn)行配置，這反過(guò)來(lái)又意味著需要消耗更多的資源。能量感知策略旨在通過(guò)智能的轉(zhuǎn)發(fā)策略或高效的 mac 協(xié)議使網(wǎng)絡(luò)達(dá)到均衡，從而延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)的生命周期（亦即首個(gè)節(jié)點(diǎn)死亡的時(shí)間）。
4.1 能量感知轉(zhuǎn)發(fā)
在 3.2 節(jié)中已經(jīng)說(shuō)明，每個(gè)節(jié)點(diǎn)通過(guò)使接近目的地的進(jìn)度最大來(lái)選擇消息的下一跳。節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建階段廣播它的位置，通過(guò)交換 HELLO 數(shù)據(jù)包來(lái)收集它的相鄰節(jié)點(diǎn)的信息，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都會(huì)定期廣播它的位置以及它的電池消耗信息。為了使提出的策略盡可能的具有普適性，我們進(jìn)一步假設(shè)能量消耗直接取決于發(fā)送和接收數(shù)據(jù)包的數(shù)量，即，在節(jié)點(diǎn) i：
通過(guò)這個(gè)量來(lái)決定選擇哪一個(gè)作為下一跳。
4.2 延遲感知轉(zhuǎn)發(fā)
5. 性能評(píng)價(jià)
為了評(píng)價(jià)系統(tǒng)的性能，我們使用開源模擬工具 Omnet++[10]進(jìn)行了大量的數(shù)值模擬。假設(shè)
個(gè)傳感器按照規(guī)則的網(wǎng)格布局，均勻部署在如圖 2 所示的正方形中心的一個(gè)孔周圍，兩個(gè)連續(xù)傳感器之間的距離為 25 m。孔的尺寸為 500m×500m。沿著道路的每一邊還安裝了一些等距的 VS 節(jié)點(diǎn)，VS 之間的距離固定為 125 米。移動(dòng)用戶以一個(gè)在最小值和最大值之間均勻分布的速度移動(dòng)，并且每 30 秒以一定的概率反轉(zhuǎn)移動(dòng)方向(順時(shí)針或逆時(shí)針)，移動(dòng)用戶當(dāng)前的速度每 5 秒更新一次。MS 沿公路移動(dòng)，只能與各個(gè) VS 通信，通信范圍為 25 米。當(dāng) MS 到達(dá)外面公路的一個(gè)角，它就改變移動(dòng)方向，同時(shí)保持順時(shí)針或逆時(shí)針的移動(dòng)模式。
MS 隨機(jī)選擇起始位置和初始移動(dòng)方向，在網(wǎng)絡(luò)中選擇一個(gè)區(qū)域，通過(guò)選定的 VS 向該區(qū)域發(fā)送一個(gè) QUERY 包。每當(dāng)一個(gè)查詢被注入到網(wǎng)絡(luò)中時(shí)，MS 就啟動(dòng)一個(gè)計(jì)時(shí)器，并相應(yīng)地設(shè)置包的生存時(shí)間(TTL)字段，超過(guò) TTL 之后，查詢將被丟棄。MS 再次發(fā)送相同的 QUERY 包，直到計(jì)時(shí)器超時(shí)前仍沒有收到回復(fù)。我們將超時(shí)時(shí)間設(shè)置為 90 秒，節(jié)點(diǎn)通信速率為 250kb /s，采用 CSMA/CA 機(jī)制管理媒體訪問(wèn)。此外，通過(guò)給每個(gè)分組傳輸引入額外的延遲來(lái)考慮占空比操作。
除了我們提出的方案之外，我們還評(píng)估了基本泛洪策略的情況，它在響應(yīng)返回到 MS 的方式上與我們的方案不同，響應(yīng)只是由每個(gè) SN 簡(jiǎn)單地轉(zhuǎn)發(fā)到它的相鄰節(jié)點(diǎn)，直到遇到 VS。當(dāng)響應(yīng)到達(dá) VS 時(shí)，響應(yīng)消息將被存儲(chǔ)起來(lái)，直到最后一次消息投遞（或者在超時(shí)后被刪除）。我們?cè)u(píng)估的參數(shù)如下：
- 延遲：從 MS 發(fā)送查詢到接收到回復(fù)所經(jīng)過(guò)的時(shí)間。
- 跳數(shù)：每個(gè)數(shù)據(jù)包所經(jīng)過(guò)的平均跳數(shù)。
- 首次失效時(shí)間：網(wǎng)絡(luò)中首個(gè)節(jié)點(diǎn)電源耗盡經(jīng)過(guò)的時(shí)間。
圖 4 顯示了四種轉(zhuǎn)發(fā)策略下的首次失效時(shí)間。模擬的結(jié)果是通過(guò)對(duì)每個(gè) N 值（即網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)數(shù)）運(yùn)行 50 次不同的模擬，并記錄第一個(gè)消耗完所有的初始能量的節(jié)點(diǎn)的時(shí)間得到的。可以看出，隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的增大，簡(jiǎn)單地理路由勝過(guò)了負(fù)載均衡技術(shù)。
對(duì)于所評(píng)估的最大網(wǎng)絡(luò)，延遲感知轉(zhuǎn)發(fā)比地理信息轉(zhuǎn)發(fā)的平均首次失效時(shí)間要小 10%，而能量感知轉(zhuǎn)發(fā)比地理信息轉(zhuǎn)發(fā)小 20%。另一方面，對(duì)于規(guī)模最小的網(wǎng)絡(luò)，三種策略的性能幾乎相同。泛洪策略在所有情況下的表現(xiàn)都是最差的，正如預(yù)期的那樣，為了向 MS 發(fā)送響應(yīng)而引入的大量消息迅速耗盡 SN 的能量，這導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)的生存周期減短。
圖 4 首次失效的平均時(shí)間
圖 5、圖 6 描述了泛洪轉(zhuǎn)發(fā)方案和地理轉(zhuǎn)發(fā)方案的數(shù)據(jù)包總數(shù)和引入的相應(yīng)開銷,這是通過(guò)計(jì)算網(wǎng)絡(luò)中與某個(gè)消息的傳遞相關(guān)的所有數(shù)據(jù)包的數(shù)量來(lái)計(jì)算的。根據(jù)首次失效時(shí)間的結(jié)果(圖 4)，可以觀察到泛洪方案產(chǎn)生的數(shù)據(jù)包總數(shù)要多得多。反之，由于為了建立到 MS 的優(yōu)化路由而交換的控制數(shù)據(jù)包，地理轉(zhuǎn)發(fā)的開銷要大得多。但是這樣的開銷是值得的，因?yàn)閿?shù)據(jù)包的總數(shù)比泛洪情況下要少。
圖 5 數(shù)據(jù)包總數(shù)隨節(jié)點(diǎn)數(shù)變化
圖 6 開銷隨節(jié)點(diǎn)數(shù)變化
圖 7 繪制了同一組模擬的數(shù)據(jù)包延遲情況。可以看出，地理轉(zhuǎn)發(fā)和能量感知轉(zhuǎn)發(fā)的性能相似，但延遲感知轉(zhuǎn)發(fā)在任何規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)中都顯著降低了數(shù)據(jù)包延遲。實(shí)際上，這種策略根據(jù)能量消耗自適應(yīng)地減少或增加占空比，因此，在模擬開始時(shí)，壓力較小的節(jié)點(diǎn)可以以更低的延遲轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包。
圖 7 數(shù)據(jù)包的平均延遲
圖 8 顯示了一個(gè)數(shù)據(jù)包從查詢注入到應(yīng)答接收之間經(jīng)過(guò)的跳數(shù)隨節(jié)點(diǎn)數(shù)的變化。可以很容易看出，三種策略的跳數(shù)大致相同，且都隨著網(wǎng)絡(luò)的大小而增加。這反映了 QUERY 和 REPLY 包所使用的路由并不依賴于（至少在長(zhǎng)度方面）節(jié)點(diǎn)間的能量消耗水平。
圖 8
我們現(xiàn)在感興趣的是在改變 MS 的移動(dòng)條件時(shí)，評(píng)估這三種轉(zhuǎn)發(fā)策略的性能。具體來(lái)說(shuō)，我們將網(wǎng)絡(luò)規(guī)模固定在 N=924，將 Vmin 設(shè)置為 5m/s，Vmax 設(shè)置為 20m/s，轉(zhuǎn)向的概率從 0.125 到 1。在這組模擬中，我們?nèi)匀粶y(cè)量首次失效時(shí)間、數(shù)據(jù)包延遲和數(shù)據(jù)包跳數(shù)。
圖 9 顯示了增加 MS 轉(zhuǎn)向概率時(shí)的首次失效時(shí)間情況。首先，我們觀察到能量感知轉(zhuǎn)發(fā)的性能總是優(yōu)于地理轉(zhuǎn)發(fā)，而延遲感知轉(zhuǎn)發(fā)在小網(wǎng)絡(luò)中首次失效時(shí)間較短，在大網(wǎng)絡(luò)中出現(xiàn)首次失效時(shí)間較長(zhǎng)。
圖 9 首次失效時(shí)間隨轉(zhuǎn)向概率變化
圖 10 平均延遲隨轉(zhuǎn)向概率變化
圖 11 跳數(shù)隨轉(zhuǎn)向概率變化
6. 結(jié)論
本文提出了一種系統(tǒng)架構(gòu)和一套路由協(xié)議，以實(shí)現(xiàn)讓移動(dòng)節(jié)點(diǎn)從靜態(tài)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中查詢數(shù)據(jù)的智能交通系統(tǒng)的應(yīng)用。這個(gè)應(yīng)用程序場(chǎng)景非常適合汽車在一個(gè)熱門的停車場(chǎng)附近移動(dòng)尋找車位的情況，用來(lái)檢測(cè)車位空閑或被占用的傳感器自行組織為一個(gè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)。MS 可能會(huì)周期性地與 WSN 斷開連接，這取決于節(jié)點(diǎn)在其移動(dòng)的道路上的部署情況。為了有效地應(yīng)對(duì) MS 難以預(yù)測(cè)的移動(dòng)模式，我們描述了一種能夠通過(guò)移動(dòng)預(yù)測(cè)策略克服漏洞的地理路由策略。
我們介紹了一種基于三種類型節(jié)點(diǎn)的系統(tǒng)架構(gòu)：移動(dòng) Sink 節(jié)點(diǎn)（MS），即查詢 WSN 的移動(dòng)節(jié)點(diǎn)，Vice Sink 節(jié)點(diǎn)（VS），即負(fù)責(zé)與 MS 通信的節(jié)點(diǎn)，傳感器節(jié)點(diǎn)（SN），即執(zhí)行查詢和響應(yīng)轉(zhuǎn)發(fā)，但只能通過(guò) VS 到達(dá) MS 的簡(jiǎn)單節(jié)點(diǎn)。我們介紹了兩種簡(jiǎn)單的負(fù)載均衡技術(shù)，它們?cè)谶M(jìn)行路由決策時(shí)分別考慮了能量和延遲。這些策略已經(jīng)經(jīng)過(guò)測(cè)試，并在多種設(shè)定（網(wǎng)絡(luò)大小和 MS 移動(dòng)模式）上與簡(jiǎn)單的地理轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議進(jìn)行了對(duì)比。我們提出的方案已在一個(gè)簡(jiǎn)單的泛洪算法上進(jìn)行了測(cè)試，評(píng)估了其效率和由于控制數(shù)據(jù)包的傳輸造成的開銷。
未來(lái)可能的研究方向包括設(shè)計(jì)和測(cè)試適當(dāng)?shù)木彌_區(qū)管理策略、數(shù)據(jù)聚合和數(shù)據(jù)融合算法等。我們還打算開發(fā)一個(gè)小型的測(cè)試床，以評(píng)估在真實(shí)硬件場(chǎng)景下的結(jié)果。
