延迟容忍移动传感器

本思想是把消息(message)动态的复制给更有可能与汇聚点(sink node)通信的传感器节点.SRAD 由数据 传输和队列管理两个主要部分组成:前者根据 Random Waypoint 随机运动模型下不同时刻各传感器节点传输概率 的大小进行数据消息的传输;后者通过消息的生存时间 ST(survival time)值决定队列中消息传递的优先顺序和丢弃原则,以进一步降低网络传输能耗.模拟实验结果表明,与现有的几种 DTMSN(delay tolerant mobile sensor networks) 数据传输算法相比,SRAD 的网络寿命相对较长,且它能以较低的数据传输能耗和传输延迟获得较高的数据传输成 功率.

随着传感器技术、嵌入式技术以及低功耗无线通信技术的发展,生产具备感应、无线通信以及信息处理能 力的微型无线传感器已成为可能.这些廉价的、低功耗的、高度灵活的传感器节点相互协作共同组织成无线传 感器网络.数据收集是大多数无线传感器网络应用的基本功能[1],目前,通用的数据信息收集方法是通过在一定 的地理范围内放置大量的体积小、价格低廉、电池能量低以及功率低的传感器节点来形成一个相互连通的无 线网状网络,其中每个节点都可以与一个或多个其他节点协作,将测量的环境参数或者收集的数据传输给汇聚 点进行处理[2].然而,这种数据收集方法在某些情形理并不适用,例如,生物研究中关于记录野生动物生活习性数 据的收集过程,空气质量监测中记录和收集每人平均每天吸入的有害气体数量的过程,或是流感病毒跟踪,为了 防止流感病毒的扩散,需要定期收集高密度人群区域的流感病毒信息等.与一般应用相比,这些应用具有一些独 特的性质:首先,数据的收集过程面向运动物体(人类或动物).虽然可以通过在特定的位置放置一些传感器节点 来采集数据,但是为了保证数据的有效性和准确性,通常都是采取从运动物体直接获取数据的方法.因此,为每 个运动物体配置一个传感器单元就成了很自然的前提.显然,物体的随机移动导致了某些传感器节点的非连通 性;其次,这些应用允许一定的数据延迟.由于节点的间断连通性,DTMSN(delay tolerant mobile sensor networks) 中数据的传输延迟往往较高.另外,数据信息的收集过程应该是透明的,不对人类或动物的日常生活产生影响. 例如,我们不能通过命令某些人做一些特殊的动作或移动到特定的位置来方便信息的收集和传输.

为了满足上述应用的需求,出现了延迟容忍的移动无线传感器网络(DTMSN)[3].DTMSN 由两种节点组成: 随机移动的传感器节点和汇聚点.前者绑定在运动物体上,用来收集数据信息并形成一个间断连接的移动传感 器网络(如图 1 所示,这个网络由 9 个随机分布的移动传感器节点 S1~S9 和 2 个汇聚点 H1,H2 组成.此刻,只有 S1 与 S3,S6 与 S7 和 S8,S5 与 H1 是连通的).基于传感器节点传输距离短的限制,它不可能直接把采集的数据传 输到目的地.此外,一部分放置在特定位置或被某些运动物体携带着并随着物体的运动而运动的高端节点作为 汇聚点(如图 1 中的 H1 和 H2),用来收集传感器中的数据,并把这些数据转递到骨干网络的入口点.

由于 DTMSN网络中移动传感器间的连通性差,各个传感器节点之间要想形成一个相互连通的网状网络是 非常困难的,即各个节点之间可能不存在端到端的连通路径.可见,传统的传感器网络数据传输算法在 DTMSN 环境下并不适用.在 DTMSN 的间断连通环境中,为了达到一定的数据传输成功率,进行数据的复制是必要的,而 复制也必将增大系统的传输能耗.那么,如何有效地把传感器节点收集到的数据传递给汇聚点,以达到数据传输 成功率、传输能耗及传输延迟之间的平衡,就成了 DTMSN 要解决的首要问题.鉴于以上因素,本文提出了一种基于选择复制的动态数据传输策略 SRAD(selective replication-based adaptive data delivery scheme),其基本思想 是,把消息动态地复制给更有可能与汇聚点通信的传感器节点,以达到尽量增大传输成功率和降低传输能耗的 目的.SRAD 由数据传输和队列管理两个主要部分组成.前者首先通过 Random Waypoint 随机运动模型[4]计算出 不同时刻各传感器节点的传输概率,即传感器节点把消息传递给汇聚点的可能性,而后根据此传输概率的大小 选择下一跳节点并进行数据消息的复制传输.队列管理则利用消息的生存时间 ST(survival time)值决定队列中 消息的重要程度和丢弃原则.仿真模拟实验结果表明,与现有的泛洪(flooding)算法、直接传递(direct  transmission)算法、FAD(fault tolerance delivery scheme)策略相比,SRAD 的网络寿命相对较长,且它能够以较低 的数据传输能耗和传输延迟达到较高的数据传输成功率.

本文第 1 节对相关工作进行说明.第 2 节对本文的动因以及采用的运动模型进行描述.第 3 节给出 SRAD 的详细设计.第 4 节进行模拟验证.最后总结全文.