1引言

　　1. 1無線傳感器網絡介紹

　　在無線傳感器網絡的應用中, 有存在于復雜的應用環境, 如軍事無線自組織網絡, 節點均部署于復雜惡劣的環境下, 節點間端到端的通信難以保證, 出現了網絡的斷裂; 還有傳感器網絡, 這類網絡節點數量龐大, 網絡通信復雜, 通信路徑不是隨時可用的,這種存在高延時和頻繁割裂的網絡, 一般稱之為受限網絡, 為了研究這類受限網絡, 提出了DTN 的概念。延時可容忍網絡DTN ( de lay to lerant network)就是研究這一類特定應用環境下的網絡, 在這種應用環境中端到端的通信難以保證, 會有頻繁的連接中斷的情況, 使網絡間斷的或部分的連接在一起, 出現網絡分割, 同時這種應用下允許一定范圍的延時。

　　由于這種網絡的特殊性, 不能保證實時的傳遞, 而且它是面向消息的, 所以就涉及到了數據的存儲, 在DTN 體系結構中提出了捆綁層的概念, 實現數據的保管傳遞。

　　1.2DTN路由協議研究

　　DTN路由研究是DTN研究的熱點, 目前的路由協議的算法主要分為以下幾類: ( 1)基于傳染性方式 , 將分組信息傳遞給所有相遇的節點, 直到到達目的節點; ( 2)基于歷史信息的方式, 根據節點歷史相遇記錄進行信息傳遞, 采用了概率的算法;( 3)基于特殊messager節點來擺渡分組信息,采用了存儲- 攜帶- 轉發的模式。DTN 網絡中的路由的設計都是基于以上幾種基本思想進行的。

　　2一種基于Ferry的數據收集協議設計方案

　　2. 1 基本思路

　　在文獻[ 7]中提出了將ferry 節點用于DTN 網絡, 并且也針對它的路由進行了分析與設計, 文獻中更多的是討論針對TSP問題的解決, 而沒有從整體布局中去考慮ferry 節點的路由軌跡趨勢, 在文獻[ 5] , [ 8]中開始討論使用多個ferry 節點來進行數據傳遞, 但是它更多的是考慮針對大的區域, 沒有對ferry節點的具體運動模型進行設計。在這里我們考慮在同一區域內使用雙ferry 節點, 并且沿同一路徑, 考慮節點采用不同運動方式時的性能分析, 一種是兩個ferry 節點采用同向運動, 另一種情況兩個ferry節點運動方向相反, 兩種運動模型如圖1和圖2所示。

　　本文考慮簡化后的基本模型, 整個大的區域有四個小的區域, ferry節點沿固定圓形路徑經過各個區域進行數據傳輸, 其中各個區域采用門節點與ferry節點通信, 在文獻[ 7]中已經提到在小區域簇內實現端到端的連接, 其中能夠與ferry 節點直接通信的節點均為門節點, 其他節點只需考慮將數據發送到門節點。當ferry 節點到達某一個區域, 發送hello建立連接, 其中收到此消息的節點就成為門節點, 它通知區域內的其他節點它作為門節點的消息,運用D ijkSTra算法, 找到各個節點到達門節點的最短路徑, 建立連接, 這是采用ferry節點時簇內的路由建立。本文中重點從簇間通信的方面進行考慮來提高數據傳送率, 提出采用雙ferry節點逆向運動的模型。這是基于從ferry 節點的攜帶能力以及數據管理上出發的, 當ferry 節點同向運動時, ferry 節點會將發往它運動方向相反的前一區域的目的地的分組信息空攜帶一周, 這樣就浪費了ferry節點的攜帶能力, 所以我們考慮將ferry節點采用逆向運動, 這樣對于需傳送到相對于節點運動相反的鄰區域的信息可以等待另外一個與其同向的ferry 節點傳送。

　　下面將具體講述其過程并將其與同向運動做比較。

　　2. 2具體實現

　　首先分析采用雙ferry節點逆向運動, 一個周期內的運動狀態, 如圖3所示。

圖3 ferry節點逆向運動一周狀態。

　　針對上圖我們來分析具體的實現, 在一區產生的數據目的節點所在的區域可能是各個區域, Ferry節點A 處于當前情況下時僅僅攜帶由一區傳送到四區和三區的數據, 而對于需傳送到二區的數據則不予攜帶, 發往二區的數據需等ferry節點B 運動到一區, 再將其攜帶至二區, 這樣減少了這部分信息所占用的ferry 節點的攜帶容量, 同理ferry 節點B 也是這樣工作, 即ferry節點將不予攜帶在其運動方向上需運動一周的數據, 對于在三區自己區域內的節點不需要通過ferry進行傳輸, 沒有簇間傳輸延時,也不占用ferry 節點的buffer, 這里不予考慮。在同一區域內采用ferry節點逆向運動的方式, 可以與一條路徑上兩個ferry節點同向運動相比, 這種情況下數據將少占用一段時間ferry節點的存儲容量, 從而節省了ferry 的存儲容量, 提高ferry 節點的攜帶能力。

　　在DTN 網絡中, 實行的是存儲- 攜帶- 轉發的方式, 所以對于節點的存儲能力有了一定的要求, 通過雙ferry節點逆向運行, 減少ferry 節點的存儲能力的限制, 當然這部分存儲負擔就轉移到了每個簇的門節點, 但是在每個簇中門節點的數量是相對比較多的, 對于能和ferry節點通信的節點均可作為門節點, 這樣就相當于將ferry一個節點的負擔平均轉移到了多個門節點中, 從而提高ferry的攜帶能力,提高整個網絡的傳輸效率。

　　2. 3.. 針對突發情況的考慮

　　在網絡中存在不可預知的突發情況, 如某一時刻某一區域節點產生的數據突然增多, 針對這種情況, 我們進行了考慮, 對ferry節點傳遞分組信息進行自適應調控。在2. 1節中, 考慮的是一般情況下,ferry節點A 和ferry節點B, 采用上述方向負責傳遞數據, 但是在出現突發情況下, 我們對其進行改進,ferry節點A 在自身buffer空閑的情況下也負責傳遞本屬于ferry節點B 的信息, ferry 節點A 和ferry節點B 每周都會相遇一次, 此次情況下, 他們也會進行一個簡單的通信, 告知對方自己信息的接收情況,當節點A 收到節點B 的bu ffer已滿時, 并且自己的buffer仍有剩余空間時, 將主動幫助節點B 傳遞數據, 從而解決某一區域信息突然增多的情況。

　　3 理論分析

　　模型為2. 1節中描述的模型, 其中每個區內的節點數量為n; 節點產生數據的平均速率為W bit/s; ferry節點的移動速度為V ; ferry節點的存儲容量為c; ferry的路徑長度為L 。

　　3. 1 ferry節點的攜帶能力分析

　　這里我們從理論數據上去分析ferry節點逆向運動帶來的攜帶能力的提高。我們從信息在ferry節點上占用的時間去分析, 總的公式為:

　　其中tij 為源節點在i區, 目的節點在j區的信息占的ferry節點情況, 一個區內信息占用的時間如表1。

表1 逆向運動信息占用fe rry時間表。

　　這里我們同樣考慮信息的目的節點區域是平均分布的qi1 = qi2 = qi3 = qi4 , 平均一個單位時間內的信息占用ferry節點buffer的時間為, 逆向:

　　對于ferry節點同向運動的情況, 信息占用ferry 的時間如表2, 同向:

　　比較可得: T T', 即同向ferry節點時信息占用ferry節點buffer多于逆向buffer。在ferry 節點buffer不足的情況下, 逆向ferry 節點可以增加ferry 節點的攜帶能力, 提高分組信息的傳輸。

表2 同向運動信息占用ferry 時間表

　　以上均是針對目的節點為平均分布的情況, 對于一般情況也是一樣的, 我們通過分析兩個信息占用bu ffer時間表, 對于每個目的節點逆向ferry均是好于或等于同向ferry節點的情況, 所以無論目的節點服從任何分布, 逆向ferry節點的情況總是優于同向ferry節點。

　　3. 2 延時分析

　　分析兩個ferry節點在整個區域內循環一周內的平均延遲, 這里將ferry節點運動一周的四分之一作為時間單位, 因為在不同的時刻, 兩個ferry 節點的相對位置不同, 引起的分組信息傳輸的延時情況也不盡相同, 這里分析ferry 節點運動一周的情況,進而計算平均延時。

　　兩個ferry節點的相對位置如圖3, 對應于圖3中的前兩個狀態的節點延時(這里的延時指的是ferry節點轉發信息所帶來的延時)分別對應于表3、表4, 根據節點狀態的對稱性, 狀態三與狀態四分別與狀態一和狀態二是對稱的, 在這里省略。

　　考慮一個時間單位內的平均數據延遲:

　　其中dz ij 即為上面各表中所列的數據, 代表一周內ferry節點傳遞信息的延時; d'zij 為區域i內的節點在狀態z內, 產生的發送到目的節點在區域j中的信息等待ferry節點的延時; p ij 為區域i產生的, 目的節點在區域j的數據的概率; 源區域i, 目的節點區域為一區的概率qi1, 二區的概率qi2, 三區的概率qi3, 四區的概率qi4 。

表3 逆向延時表

表4 逆向延時表

　　在信息負擔很小的情況下, 不論是ferry 節點同向運動還是逆向運動, 信息都不需要延時等待ferry節點, 即d#zij = 0, 此時只需考慮信息通過ferry 節點傳遞時的延時, 假設數據的目的節點區域是平均分布的qi1 = qi2 = qi3 = qi4 , 雙ferry節點逆向運動時,平均延時是: 當兩個ferry節點同向運動時, 一個時間單位內的分組信息延時情況如表5, 因為ferry 節點的相對位置相同, 所以一個ferry周期內信息傳輸情況是相同的:

表5 同向延時表

　　所以雙ferry節點同向運動時的平均延時為:

　　這種情況下D=D'; 當信息負擔比較重時, 分析d'zij信息等待ferry節點的延時, 由3. 1節分析可知ferry節點逆向運動可以提高攜帶能力, 減少信息等待ferry節點的延時, 從而可知: 逆向運動下的d'z ij 同向運動下的d'z ij, 從而使D D', 即雙ferry節點逆向運動時的延時小于雙ferry節點同向運動時的延時。

　　以上分析是在ferry節點在勻速運動的條件下, 節點數據產生率一定, ferry節點在經過某一區域時, 與門節點的通信時間充足, 可以完成數據的雙向通信的前提下。

　　4 仿真實驗及分析

　　4. 1 仿真模型

　　在DTN模型中, 節點隨機分布在四個不相連接的區域中, 各個區域節點數目大致相當, 兩個ferry節點沿固定路徑運動, 并且假設ferry節點與各個區域門節點的接觸時間相當, 并且足夠與門節點進行通信, 每個區域中節點所到達的目的節點是平均概率分布的, 門節點和ferry 節點的存儲能力固定, 這里實驗時間設為100000s。

　　因為本文方案中沒有涉及到對簇間通信的路由策略, 所以仿真實驗中所有的數據僅考慮簇間通信的代價與性能。

　　4. 2 仿真結果分析

　　4. 2. 1 多次實驗的結果分析

　　各個節點的數據產生率是隨機的, 隨機分布在100- 300個單位信息之間, 進行多次實驗。

　　從圖4、圖5中可以看出, ferry節點逆向運動不僅降低了平均延時和數據丟失率, 并且延時和丟失率是大致穩定的, 這就說明在隨機條件下, ferry節點逆向運動的適應性和傳輸能力更強, 也更加穩定。

圖4平均延時的比較

圖5 平均數據丟失率的比較.

　　4. 2. 2 不同數據產生率分析

　　當節點的數據產生率變化時, 通過實驗分析網絡的性能變化的趨勢, 實驗結果如圖6、圖7。

　　由圖6和圖7中可以看出, 隨著數據產生率的提高, ferry節點逆向運動的優越性逐漸體現出來,這與3節中的理論分析是一致的, 在網絡負擔較重的情況下, 逆向ferry節點的性能高。

　　5 總結

　　本文在研究了DTN 網絡中基于ferry節點的路由設計方案基礎上, 提出了通過改變DTN 中ferry節點的運動狀態, 來提高網絡傳輸中存儲- 攜帶-轉發三個過程中的攜帶能力, 進而提高網絡的傳輸能力, 通過實驗仿真和理論分析, 在大負荷的通信區域內, ferry節點的逆向運動優于同向運動, 在小負荷的情況下, 兩者性能相差不大, 同時也考慮了突發情況, 進一步提高網絡的傳輸能力。轉發能力是與ferry節點與簇內門節點的通信時間緊密相關的, 這里我們沒有改變ferry節點的運行時間和路徑, 所以它的轉發能力未能改變, 進一步的工作是期望通過簇內門節點與ferry的通信自適應改變ferry節點與門節點的通信時間, 從而更進一步的提高DTN 網絡的傳輸能力。