考虑移动节点的无线传感器网络动态路由协议设计

汤莹琳

（汉中市烟草公司勉县分公司，陕西 汉中 724200）

0 引 言

无线传感器网络作为一种自组织的分布式网络，在许多领域展现出了巨大的应用潜力。然而，传统的静态路由协议在面对移动节点引入的动态性时可能面临一系列挑战。

移动节点的引入为无线传感器网络带来了更广阔的应用前景，可以灵活地调整网络拓扑，以适应环境变化或目标任务的需要，同时扩展了无线传感器网络的应用范围，但也带来了新的技术挑战[1-2]。

传统的静态路由协议通常假设网络中的节点位置保持不变，但在现实世界中，节点的移动性可能会引发网络拓扑的频繁变化。这种动态性可能导致原本稳定的网络出现不稳定的情况，如路由路径不稳定、数据包丢失等[3-5]。静态路由协议可能无法适应这种动态环境，因此需要针对移动节点设计新的动态路由协议来应对这些挑战。

1 移动节点的行为模型设计

在本研究中，选择了随机游走模型作为移动节点的行为模型。其提供了一种合理的抽象描述，能够较好地模拟节点的不确定移动性，具有一定的灵活性。

随机游走模型描述了节点在空间中的随机移动过程，移动节点在每个时间步骤中根据一定的概率选择不同的方向进行移动。时间步骤表示模型中的时间单位，用来表示模型中节点位置的变化是在离散的时间点上进行的。每个时间步骤表示一个离散的时间间隔，在这个时间间隔内节点可以根据一定的概率选择不同的方向进行移动。

在一维情况下，可以将节点位置表示为一个离散的位置变量Xt，其中t表示时间步骤。节点在每个时间步骤中根据概率p向右移动一格，或者根据概率1-p向左移动一格，对应的表达式为

2 动态路由设计

动态路由设计需要在考虑节点移动性的同时，综合考虑能耗、可靠性、灵活性等多个方面的需求，以实现在移动节点环境下的高效通信。自适应移动感知路由协议是一种适应移动节点的动态路由协议，结合了节点的移动性模型和预测信息，实现了自适应的路由选择。

2.1 节点的移动模式分析

当前移动节点收集周围邻居节点的位置信息，并分析移动模式。根据随机游走模型，计算当前节点在下一步可能的位置和概率。

2.1.1 收集周围邻居节点的位置信息

假设当前节点的位置为(x0,y0)，通过无线通信获取周围邻居节点的位置信息，这些位置信息可以表示为一组坐标(x1,y1),(x2,y2),…,(xn,yn)。

2.1.2 计算移动向量

对于每个邻居节点(xi,yi)，计算其移动向量，即当前节点相对于邻居节点的位移，表达式为

然后计算每个向量的模长为

2.1.3 计算移动向量的概率分布

根据计算得到的移动向量模长，计算移动向量的概率分布，用于预测下一步的移动方向。可以使用高斯分布或其他合适的概率分布来表示移动向量的可能性。假设pi表示选择移动向量(Δxi,Δyi)的概率，则可以使用高斯分布进行计算，计算公式为

式中：σ为用于调节概率分布的参数，可以根据实际情况进行调整。通过计算概率分布，可以预测每个移动向量被选择的可能性，从而预测节点的下一步移动方向。这个过程将会为每个邻居节点的移动向量计算概率分布，根据这些概率分布数据，应用式（4）获得节点在不同方向上移动的可能性。

2.2 预测移动趋势

2.2.1 计算加权平均的预测位置

假设要预测未来k个时间步骤内的位置变化。对于每个时间步骤t，计算移动向量的加权平均，其中移动向量的权重由其概率分布确定。

对于第t个时间步骤，预测的位置(xpred,t,ypred,t)可以通过加权平均公式计算得出，即

式中：pi为移动向量(Δxi,Δyi)的概率；n为邻居节点的数量；(x0,y0)为当前节点的位置。

2.2.2 重复步骤以预测多个时间步骤

通过重复上述步骤，可以预测未来连续的时间步骤内节点的位置变化。每个时间步骤都根据不同的加权平均计算预测位置。

2.3 生成路径候选

2.3.1 确定起始点和目标节点

当前移动节点的位置可以作为路径的起始点。根据预测的移动趋势，计算出未来的若干位置作为可能的目标节点。这些目标节点可以是按时间步长递增的位置，代表预测的移动路径。

2.3.2 路径生成方法选择

最短路径算法适用于求解2 个给定节点之间的最短路径，但在动态环境中可能需要进行实时更新。蚁群算法模拟了蚂蚁寻找食物的行为，适合考虑多条路径选择、复杂网络拓扑或动态环境的情况，但需要一些参数的调优，在选择算法时，应权衡实时性、计算复杂度和适用性。

2.3.3 路径搜索

使用选择的路径生成方法，从起始点出发，寻找到达目标节点的路径，路径搜索流程如图1 所示。

首先，初始化数据结构。这包括创建一个数据结构来记录已访问的节点、待访问的节点队列、距离或成本的初始值等。起始点被放入待访问节点队列中。其次，从待访问节点队列中选择下一个节点进行探索。选择的节点是具有最低成本或距离的节点，标记已选择的节点为已访问。最后，检查当前节点是否是目标节点，如果是，则路径搜索完成，可以终止循环；如果不是，则需要进行扩展，涉及查找当前节点相邻的未访问节点，即可以通过合法路径到达的节点。

对于每个相邻节点，计算从起始点到该节点的成本（通常是已走路径的累积距离）。如果该节点尚未访问或新的路径成本更低，则更新节点的成本和父节点，将其添加到待访问节点队列中。终止条件是检查当前节点是否是目标节点，如果是目标节点，则路径搜索完成；如果未找到目标节点，并且待访问节点队列为空，则说明没有可行的路径。

2.3.4 生成多个路径候选

为了增加选择性，可以生成多条路径候选，每条路径代表一个可能的预测移动路径，通过调整目标节点或算法参数来生成不同的候选路径。

2.4 路径选择

2.4.1 稳定性评估

对路径上各节点的移动性和稳定性进行评估，如考虑节点的移动趋势和历史移动模式。选择稳定的节点组成路径，以降低路由中断的风险。

2.4.2 距离考虑

考虑路径的总距离，较短的路径通常能够减少传输延迟。因此，路径的距离是一个重要的因素，尤其在需要快速数据传输时。

2.4.3 拥塞情况分析

对路径上的拥塞情况进行分析，如使用拥塞度指标来评估路径的拥塞情况，确保选择的路径为非拥塞节点或区域。

2.4.4 综合评估

将上述因素综合考虑，为每个路径候选分配一个得分。得分可以通过加权和来计算，以反映各因素的重要性。加权和的选择可以根据具体情况进行调整。

2.4.5 路径选择

选择得分最高的路径作为最优路径。这个路径在综合考虑了节点稳定性、距离和拥塞情况后，被认为是最适合传输数据包的路径。但需要注意的是，在选择最优路径之前，应确保该路径上的节点都是可达的，并且拥有足够的能量来支持数据传输。如果路径上有不可达或能量不足的节点，则选择次优路径。

2.5 路由更新

2.5.1 更新触发机制

定期触发路由信息的更新，以确保路由表中的信息与网络拓扑的实际情况相符。更新频率可以根据节点的移动速度和网络稳定性来动态调整。当移动节点的位置变化超过一定阈值，或者网络发生拓扑变化（如节点加入、离开、连接断开等时）时，触发路由信息的更新。

2.5.2 路由表维护

对于每个节点，维护一个路由表，记录到达其他节点的路径信息。路由表中可能包含目标节点、下一跳节点、路径代价等信息。当路由更新被触发时，节点需要检查并更新路由表中的信息，以反映新的拓扑情况和移动节点的位置。

2.5.3 路径选择更新

更新后的路由表将会影响路径选择过程。路径选择算法在更新后会基于新的路由表进行路径计算，以确保路径是基于最新信息的。

2.5.4 控制开销抑制

更新路由信息可能会引入一定的控制开销，如路由更新消息的传输等。为了避免过多的控制开销，可以根据节点的移动速度和网络稳定性调整路由更新的频率。如果网络中节点的移动速度较快，可以增加更新频率，以保持路由信息的及时性。相反，如果网络比较稳定，可以适当减少更新频率，减少控制开销。

2.5.5 事件驱动更新

路由更新不仅可以基于定期的时间间隔，还可以根据事件驱动的方式进行。当节点移动或网络拓扑发生变化时，立即触发路由更新。

3 结 论

文章深入探讨了移动节点的无线传感器网络动态路由协议的设计要求、考虑因素和实现方案。该动态路由协议能够在移动节点的环境下实现稳定且高效的数据传输。未来的研究可以进一步优化协议性能、考虑更多实际应用因素，并在真实网络环境中进行验证和实际应用。这对于提高移动传感器网络的可靠性和性能具有重要的指导意义。