1 引言 隨著無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的日益成熟及其對小型、微型移動設(shè)備的支持，傳感器網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)逐漸成為一個研究的熱點。無線移動傳感器網(wǎng)絡(luò)對各種關(guān)鍵的應(yīng)用領(lǐng)域，如通訊、軍事、醫(yī)療、救災(zāi)和監(jiān)控等方面的工作產(chǎn)生相當重要的影響。本文著重討論無線移動傳感器網(wǎng)絡(luò)的自適應(yīng)體系結(jié)構(gòu)的設(shè)計。 為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計一個自適應(yīng)的體系結(jié)構(gòu)很困難，一方面是由于無線傳感器有非常高的動態(tài)性和移動性，另一方面是由于無線傳感器都受到計算能力、通信能力和能耗的限制。所以，為無線移動傳感器網(wǎng)絡(luò)開發(fā)的協(xié)議和體系結(jié)構(gòu)就必須具有自我配置和自我適應(yīng)的能力，而且隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的擴大以及傳感器網(wǎng)絡(luò)成員的增加，還要有很高的可擴充性和可靠性。現(xiàn)在通常使用網(wǎng)絡(luò)覆蓋和網(wǎng)絡(luò)核心節(jié)點的方式來尋找通信網(wǎng)絡(luò)中的成員，但是由于覆蓋和維護核心節(jié)點的成本很高，這些方法不適合于無線移動傳感器網(wǎng)絡(luò)。為此，設(shè)計了一個基于區(qū)域的體系結(jié)構(gòu)來增加網(wǎng)絡(luò)的覆蓋性，并使用核心路由節(jié)點和多層結(jié)構(gòu)的方法來增加無線移動網(wǎng)絡(luò)的可擴充性，同時減少對核心路由網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的依賴，這樣就大大提高了網(wǎng)絡(luò)的可靠性。 2 設(shè)計需求 隨著移動傳感器的廣泛應(yīng)用，網(wǎng)絡(luò)化無線移動傳感器會大量增加。因此，無線移動傳感器網(wǎng)一定要具有相當?shù)目蓴U充性。但是，由于通常在有線網(wǎng)絡(luò)中使用的單層平面體系結(jié)構(gòu)不能達到無線移動網(wǎng)絡(luò)的動態(tài)延伸，不能適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)的移動和拓撲變化，也不能滿足網(wǎng)絡(luò)的動態(tài)延伸需要消耗網(wǎng)絡(luò)資源（如帶寬和能量）的限制，而且還容易導(dǎo)致恢復(fù)的延遲并增加路由的振蕩，所以這種單層平面式的體系結(jié)構(gòu)不適合無線移動傳感器網(wǎng)絡(luò)。為此，需要為無線移動傳感器網(wǎng)設(shè)計的是一個多層的體系結(jié)構(gòu)，這樣不僅可以滿足網(wǎng)絡(luò)的可擴充性要求，也能適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點的移動和拓撲變化。 無線移動傳感器網(wǎng)在一個高度動態(tài)的環(huán)境中，移動和通信失敗會時時發(fā)生，因此不僅要適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)的動態(tài)特性并實現(xiàn)正確的網(wǎng)絡(luò)信息傳輸功能，而且還要保持一定的合理性，也就是說可靠性是非常重要的一個因素。為此，在層次結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)中結(jié)合進了絕對移動性模型和相對穩(wěn)定性模型，并使用分布式的網(wǎng)絡(luò)資源尋找方法來避免因單點出現(xiàn)問題而引起整個網(wǎng)絡(luò)故障的情況。 由于無線移動傳感器的能量有限，而且有很強的移動性，因此降低能耗和增加網(wǎng)絡(luò)的自我配置能力也是一個很重要的問題。通常低能耗與網(wǎng)絡(luò)的可擴充性是相互矛盾的，為此將使用信息發(fā)布、傳輸和查詢的局部化機制來減少所需要的通信信息量，從而達到降低能耗、增加網(wǎng)絡(luò)自我配置的能力。 3 結(jié)構(gòu)設(shè)計 平面結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的可擴充性不是很好，因而不適用于具有高度動態(tài)特性、高度移動特性以及需要高度可擴充性的無線移動傳感器網(wǎng)絡(luò)。為此設(shè)計了一個具有多層結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)，這是對地標的層次結(jié)構(gòu)（LMH）的一種改良。該設(shè)計將網(wǎng)絡(luò)信息分為數(shù)據(jù)信息和控制信息，核心路由節(jié)點不是用來幫助其區(qū)域內(nèi)節(jié)點進行數(shù)據(jù)信息的傳輸和轉(zhuǎn)發(fā)的，而是用來協(xié)調(diào)處理普通節(jié)點之間的信息傳輸路徑和傳統(tǒng)的基于串的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)相比較，具有動態(tài)的自我配置的能力，而且不依賴于所管理的區(qū)域以及路由表的大小。由于進出串的信息流也不需要經(jīng)過路標核心節(jié)點，這就增加了網(wǎng)絡(luò)的可靠性。 為了避免在網(wǎng)絡(luò)構(gòu)造過程中進行復(fù)雜的協(xié)調(diào)處理，使用了區(qū)域路由協(xié)議（ZRP），為每個節(jié)點定義一個區(qū)域，這個區(qū)域是以該節(jié)點為圓心，半徑為R的圓所包含的節(jié)點。在這個區(qū)域的內(nèi)部使用主動路由，該節(jié)點就可以很容易得到其區(qū)域內(nèi)所有節(jié)點的路徑。如果要找區(qū)域外面的節(jié)點，就要使用被動路由（也就是區(qū)域之間的路由），被動路由是通過每個節(jié)點區(qū)域中的核心路由節(jié)點來幫助協(xié)調(diào)處理。 一般而言，無線移動傳感器網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議既可以是主動的，也可以是被動的。主動協(xié)議是通過維護路由表來實現(xiàn)的，維護路由表需要定期交換消息，這樣才可以有最新的路由信息，這對于相對移動性很高的網(wǎng)絡(luò)來說不太適合，但是如果考慮到無線移動傳感器的絕對移動性和相對穩(wěn)定性，那么主動路由協(xié)議就非常適合一個群中傳感器之間的通信了，而這個群就是所說的區(qū)域。確定主動路由協(xié)議中的路徑幾乎沒有什么延遲，但是定期更新路由信息所產(chǎn)生的額外負擔比較大。對于高度移動性的網(wǎng)絡(luò)來說，由于節(jié)點在不斷移動，以前有效的路徑可能在一定時間以后就會變成無效的路徑。相對而言，被動路由協(xié)議是根據(jù)需要來維護路由，被動路由的建立不需要定期交換路由信息。但是由于被動路由協(xié)議中的路徑都是在需要的時候通過在整個網(wǎng)絡(luò)中進行廣播來建立的，這樣就會有比較大的路由延遲。 該方法就是將這兩種協(xié)議混合使用，如圖1所示，上層是核心路由節(jié)點，下層是普通節(jié)點，每一個普通節(jié)點都有一個區(qū)域，在該區(qū)域中有一個核心節(jié)點，如果需要和區(qū)域內(nèi)的節(jié)點進行通信，就用主動路由；如果要和區(qū)域外的節(jié)點進行通信，就使用被動路由。 之所以要引入核心路由節(jié)點并混合使用主動和被動兩種協(xié)議，主要是源于Watts的發(fā)現(xiàn)，他注意到引入少量遠距離路徑，可以大大減少平均路徑的長度，從而提高整個網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的性能。 4 無線移動傳感器網(wǎng)絡(luò)的自適應(yīng)性 為了使設(shè)計的無線移動傳感器網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)具有高度的自適應(yīng)性，以適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)的高度動態(tài)和高度移動的特性以及低能耗的條件限制，該體系結(jié)構(gòu)要把移動性和能耗的概念結(jié)合起來。為了達到這個目標，就要引入相對穩(wěn)定性和能耗度量的機制。相對穩(wěn)定性模型涉及到一個節(jié)點區(qū)域的動態(tài)適應(yīng)能力，以及該節(jié)點區(qū)域內(nèi)可以使用主動路由協(xié)議來確定路徑的其他節(jié)點的數(shù)目。Basu的工作把移動性和能耗很好地結(jié)合在了一起。本文借鑒該方法，即用信號強度來度量節(jié)點之間的相對穩(wěn)定性，在這個方法中，使用了一個自由空間傳播模型 式中：RxPr和TxPr分別是收發(fā)兩端收到和發(fā)送的信號強度；d是發(fā)送者和接收者之間的距離。 通過度量從同一個發(fā)送者接收到的兩個連續(xù)信息包之間的信號強度，就可以知道相對穩(wěn)定性了，他把相對移動性度量定義為 如果這個度量的值是一個較大的負數(shù)，那么節(jié)點離開的速度就很快。反之，節(jié)點之間的距離則相對穩(wěn)定。當然，這些度量都是基于區(qū)域范圍的度量，因而可以用于估計區(qū)域內(nèi)使用主動路由進行傳輸?shù)男畔⒘髁俊? 無線移動傳感器網(wǎng)絡(luò)的一個問題是信息發(fā)送傳感器往往不知道接收端在哪里，而且在這樣的一個網(wǎng)絡(luò)中，傳感器節(jié)點可隨時進入或離開某一個區(qū)域。因此，為了提高網(wǎng)絡(luò)傳輸性能，在節(jié)點區(qū)域中使用主動路由協(xié)議，就需要在一個區(qū)域中有一個核心路由節(jié)點進行協(xié)調(diào)和管理。在該體系結(jié)構(gòu)中，當一個無線移動傳感器進入某個區(qū)域時，就要在網(wǎng)絡(luò)中廣播控制信息，這樣其他網(wǎng)絡(luò)節(jié)點就知道它進入了這個區(qū)域，由區(qū)域的核心路由節(jié)點來進行響應(yīng)，并更新該區(qū)域的主動路由表并將該節(jié)點加進去，而其他普通網(wǎng)絡(luò)節(jié)點則對這樣的控制信息廣播不作響應(yīng)。從這些周期性的控制信息廣播就可以得到網(wǎng)絡(luò)和傳感器節(jié)點的動態(tài)特征，進而調(diào)整網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和路由信息。由于使用了核心路由節(jié)點來控制其他節(jié)點加入某個區(qū)域的機制，只是在某個節(jié)點加入時才進行控制信息的廣播，這樣就避免了周期性廣播的問題，從而降低了網(wǎng)絡(luò)的信息流量和能耗。 在該體系結(jié)構(gòu)中，一個區(qū)域中核心路由節(jié)點是動態(tài)產(chǎn)生的，這樣的網(wǎng)絡(luò)區(qū)域就會有高度的適應(yīng)性。在一個節(jié)點進入某個區(qū)域時，如果在發(fā)出了申請加入的控制信息以后沒有得到響應(yīng)，就說明該區(qū)域還沒有核心路由節(jié)點，那么這個節(jié)點自己就可以升級為一個核心路由節(jié)點。另外，如果核心路由節(jié)點移出了某個區(qū)域，那么該區(qū)域的其他節(jié)點也就可以升級為核心路由節(jié)點。在一個節(jié)點升級為核心路由節(jié)點時，主要考慮其配置、能力（如GPS）、能量以及自身的穩(wěn)定性。如果該節(jié)點具有較好的配置、較強的計算能力和GPS，就可以升級為核心節(jié)點，配置成路由服務(wù)器。GPS主要是用于確定它自己的地理位置，地理位置信息不需要經(jīng)常更新，地理位置信息屬于控制信息。有了地理位置以后，就可以以一個半徑為圓來確定該核心路由節(jié)點所管轄的區(qū)域了。這種核心路由節(jié)點的動態(tài)產(chǎn)生辦法，不僅使網(wǎng)絡(luò)有很強的自我適應(yīng)性，而且有很高的可靠性，在某個核心路由節(jié)點產(chǎn)生故障或者移動出某個區(qū)域的時候，就可以由其他節(jié)點自動升級為核心節(jié)點，從而保證網(wǎng)絡(luò)的正常運行。 5 結(jié)束語 無線移動傳感器網(wǎng)絡(luò)與傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)不同，具有很高的移動性和動態(tài)性，而且還受到能耗的限制，設(shè)計一個好的體系結(jié)構(gòu)，一直是一個重要的研究方向。提出了一個自適應(yīng)的體系結(jié)構(gòu)，但是還有很多問題要繼續(xù)研究。 現(xiàn)在的移動模型通常是使用隨機行走模型，但是這種模型不能反映在現(xiàn)實世界中存在的絕對移動性和相對穩(wěn)定性，因此這些方面還需要進一步深人研究。