无线传感器网络节点移动性研究

翁艳彬

【摘 要】无线传感器网络通过节点的移动给整个网络的性能带来了极大的提升。越来越多的人开始着手于无线传感器网络移动性的研究。文章针对传感器网络移动性研究中的关键技术做了较为全面的分析比较，对移动性研究具有较强的借鉴作用。

【关键词】无线传感器网络；节点移动；数据收集

【中图分类号】TP212.9 【文献标识码】A 【文章编号】1674-0688（2016）11-0046-03

0 概述

由于传感器节点一般需要通过电池供电，因此有限的电池能量和网络寿命是无线传感器网络面临的主要挑战。目前，很多研究机构都致力于如何减少及均衡节点的能量消耗来提高系统的生命周期的数据收集机制研究。早期的研究。主要集中在如何通过合理路由降低能量消耗，但这些协议都主要是针对传感器节点进行路由設计，关注的重点是传感器节点，汇聚节点则固定不动地收集数据。在这种方式下，汇聚节点周围的邻居节点要负担比自身多得多的全网的其他节点的数据传输，节点的负载无法均衡。因此，这些节点要比其他节点更早地耗尽能量而死亡，这就是大家常说的热点问题（Hot Spot Problem）[1-2]。该问题成为阻碍传感器网络进一步发展的瓶颈。

无线传感器网络中，移动性的引入能够很好地解决静态网络中存在的一些根本性无法解决的问题。例如，网络的连通、能量的消耗不均衡等，均可通过移动性的合理设计加以解决。而对于移动来说，汇聚节点的移动尤为重要。如果我们能将研究的重心从单纯的对传感器节点的路由的关注转移到对汇聚节点移动及路由相结合的关注上来，则系统的性能将得到极大的提升。同时，在采用汇聚节点移动收集数据的方式下，传感器节点的覆盖度及连通度也会受到相应的影响，利用汇聚节点的移动性能够降低对传感器节点密度的要求，减少传感器节点的数量，从而节约开发成本。

1 数据收集模式

无线传感器网络中数据收集的目标是将监测区域中所有传感器节点收集到的数据完整地发送给汇聚节点，从而获知监测区域中用户感兴趣的信息，因此数据收集是无线传感器网络关注的重点。

在无线传感器网络中，数据的收集模式可以分为树形数据收集模式、簇形数据收集模式和多路径数据收集模式3种[3]。

在树形收集模式中，传感器节点和汇聚节点构成一棵以汇聚节点为根节点、传感器节点为叶子节点及中间节点的生成树。传感器节点作为叶子节点和中间节点收集数据后，从叶子节点经由中间节点一直传送位于根节点的汇聚节点。在汇聚节点需要向传感器节点发布任务时，通过树形根节点逐级往下传递，直到到达叶子节点，从而使所有节点获得如任务信息等汇聚节点想要传递给传感器节点的信息，而在数据收集阶段则正好相反。

在能量受限的传感器网络系统中，随着网络规模的扩大，所有传感器节点都直接将数据传递给汇聚节点显然是不现实的，为了均衡能量消耗，出现了基于层次结构的数据收集模式，也就是是簇形数据收集模式。在这种数据收集模式下，传感器节点根据其分布情况，被划分为若干个独立的小区域，称之为簇。在每个簇里，节点之间都是相互连通并可以直接通信的，而被选举出的簇首节点，负责本簇内所有节点数据的发送。

树形结构的数据收集方式由于其中间节点失效而造成系统健壮性问题。为了克服这个缺陷，很多学者提出了多路径数据收集模式。在这种模式下，数据通过多个邻居节点进行转发，在源节点和目标节点之间有很多条路径，每条路径所经由的中间节点亦不相同。

无线传感器网络由于其能量有限性，使得节能和负载均衡成为其研究的主要目标，而数据收集协议则是根据各种不同的网络需求而提出的针对某些具体场景的路由方式。根据网络结构的不同，可以将数据收集协议分为基于平面的、基于分层的和基于地理位置的数据收集协议3类[4]。

基于平面的数据收集协议中，所有传感器节点都是同构的，并且在传感器网络中的地位也是平等的，它们主要实现数据收集任务及与汇聚节点通信等功能。汇聚节点将查询需求发送给传感器节点之后，传感器节点就会将收集到的数据按一定的路由方式传递给汇聚节点。典型协议包括Flooding、Gossiping、SPIN、Directed diffusion等。

基于分层的数据收集协议实际上就是采用分簇的方式来进行路由。随着网络规模的增大，长距离通信会造成较大的网络负载，使用分簇的方法，通过选取不同的节点作为簇头，轮流传输数据，能够均衡节点的能量消耗，降低网络负载，其代表性协议主要有LEACH、TEEN、APTEEN、PEGASIS、PEACH、HEED等。

基于地理位置的路由协议假定传感器节点知道自己及目标区域的位置信息，能利用传感器节点的位置信息精确定位传感器节点。节点可以根据目标节点的具体位置信息来进行路由选择，从而避免了信息在整个网络洪泛，造成能量的无谓损耗。典型代表性协议包括GEAR、GAF、SPEED等。

2 移动性的优势与挑战

在静态传感器网络，由于其汇聚节点和传感器节点都静止不动，因此存在传感器节点能量消耗不均衡、生命周期短等问题。在系统中引入移动，主要有以下优势[5]。

（1）解决热点问题。随着节点的移动，其邻居节点也相应发生变化，因此网络中的节点可以轮流充当汇聚节点的邻居节点，从而解决能量消耗不均而造成的热点问题。

（2）降低能量消耗，提高生命周期。由于汇聚节点在网络中移动收集数据，距离汇聚节点较远的节点可以等待汇聚节点移近后再将数据发送出去，从而降低了数据发送的总能量消耗。节点的能量消耗降低，同时传感器节点能够均等地成为汇聚节点的邻居节点，从而均衡了节点间的能量消耗，其生命周期也相应得以延长。

（3）收集不连通网络信息。通过使网络具有移动性的方式，可以在汇聚节点移动到节点附近或其邻居节点附近时，将其数据收集过去，使得不连通的稀疏网络或者因某些节点失效造成的不连通网络也能够完成全网数据的收集和发送。

（4）减少节点转发，增加系统的安全性。由于节点的移动性，使得原来需要通过多跳传输到汇聚节点的数据可以在汇聚节点移动至其感应范围时直接发送，这就使得节点的转发数量大为减少。同时，由于转发过程中可能发生的数据被窃取或篡改的概率也相应减少，汇聚节点所收集到的信息也更加安全、可靠了。

传感器网络中引入节点的移动性带来诸多优势的同时，也给传感器网络帶来了诸多挑战。主要有以下几个方面[5]：{1}增加了位置更新信息开销。由于节点的移动带来了其位置信息的不断变化，为了让网络中所有节点知道其具体位置以便将数据传送出去，移动节点必须不断向全网广播其位置信息，这就造成了不必要的能量消耗。{2}增加了数据发送延迟。传感器网络中节点的移动导致其位置信息发生变化，为了及时将最新消息传送至汇聚节点，其接收到的数据也需要不断转发，从而增加了数据延迟。{3}增加了丢包率。由于传感器节点能量有限，存储容量有限，因此一个传感器节点一次收到太多数据而不及时发送出去，就会溢出造成数据包的丢失。汇聚节点更新自身信息的速度及其移动速度等都会造成数据包的丢失，从而使收集到的数据不完整。

虽然传感器网络的移动性存在一些问题，但总体来说，其传感器节点能量消耗的减少与均衡仍然给网络带来了很多的好处，而这些存在的问题，也可以逐步进行改善与解决。

3 节点移动分类

传感器网络的移动性根据移动节点的类型不同，可以分为汇聚节点移动、传感器节点移动及传感器节点和汇聚节点都移动3种[6]。

汇聚节点移动的数据收集方式是现在研究最为广泛的一种模式。在这种模式下，传感器节点不动，汇聚节点根据其具体的移动方案在全网移动来收集数据。一般来说，我们认为汇聚节点所携带的能量很大且能够及时进行补充，因此我们不需要考虑它的能量消耗。通过汇聚节点在全网范围内移动进行数据收集的方式，能够极大地节约节点的能量消耗，提高网络的生命周期。根据汇聚节点移动的方式，又可以分为随机移动、预定轨迹移动和可控移动3种。

汇聚节点随机移动是指汇聚节点的移动没有一个具体的路线，对其运行轨迹也没有任何限制，汇聚节点可以根据其需要访问网络中的任何一个地方。汇聚节点按预定轨迹移动是指汇聚节点的移动轨迹可预测，如沿着公路、铁路运行，我们可以根据其可预测到的下一个位置来进行数据传输的设置。汇聚节点可控移动是指网络或观测者能够控制汇聚节点的移动性来达到某些特殊的目标，这些目标是由具体的应用来决定的，大部分是用来提高网络生命周期、数据转发效率及降低数据传输延迟以适应实时通信的需求。

传感器节点移动的数据收集方式则是汇聚节点固定，传感器节点移动进行数据收集。通常有2种方式：一种是部分传感器节点移动，如在网络中出现能量空洞的时候，这些可以移动的节点会移动到节点能量耗尽的区域，代替原来的节点收集数据，从而保证网络的覆盖与连通。另一种则是传感器节点被放置在移动设备上，譬如飞机、火车、轮船等，当这些设备移动时，经过固定的汇聚节点时就会进行数据的传输。这种模式常常应用于铁路沿线，固定安装汇聚节点收集所经过列车的信息，可以对火车当前的运行状况进行监控。

传感器节点和汇聚节点都移动的数据收集方式相对来说比较复杂，在这种方式下，传感器节点和汇聚节点的位置都在不断地变化中，这就导致其网络拓扑要不断地变化更新，而相应的数据发送的路由也必须不断重构。针对这种数据收集方式的研究目前比较少。

4 结语

无线传感器网络中利用移动节点进行数据收集的模式研究是当前传感器网络领域的研究重点，而移动性的引入使得传感器网络的数据收集在传感器节点的能耗方面有较大的降低，从而也极大地延长了网络的生命周期。同时，对于非连通网络，汇聚节点可以通过移动到其数据传输范围进行数据收集，确保了数据的完整性，同时也降低了因多跳而可能产生的错误。因此，节点移动性研究对无线传感器网络的发展具有重要的推进作用。

参 考 文 献

[1]Akyildiz LF，Su WL，Sankarasubramaniam Y，et al.A Survey on Sensor Networks[J].IEEE Communica-tions Magazine，2002，40（8）：102-114.

[2]Cullar D，Estrin，Strvastava M.Guest EditorsIn-troduction：Overview of Sensor Networks[J].Com-puter，2004，37（8）：41-49.

[3]Agrawal C.A survey of data collection techniquesin wireless sensor network[J].International Journal of Advances in Engineering & Technology，2014，6（4）：1664-1773.

[4]Khan M I，Gansterer W N，Haring G.Static vs. mo-bile sink：The influence of basic parameters on energy efficiency in wireless sensor networks[J].Computer Communications，2013，36（9）：965978.

[5]Silva R，Silva J S，Boavida F.Mobility in wireless sensor networks Survey and proposal[J].Computer Communications，2014，52：1-20.

[6]Khan A W，Abdullah A H，Anisi M H，et al.A co-mprehensive study of data collection schemes using mobile sinks in wireless sensor networks[J].Sensors，2014，14（2）：2510-2548.

[责任编辑：钟声贤]