1 引言 隨著無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的日益成熟及其對(duì)小型、微型移動(dòng)設(shè)備的支持，傳感器網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)逐漸成為一個(gè)研究的熱點(diǎn)。無(wú)線移動(dòng)傳感器網(wǎng)絡(luò)對(duì)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(dāng)重要的影響。本文著重討論無(wú)線移動(dòng)傳感器網(wǎng)絡(luò)的自適應(yīng)體系結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。 為無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)一個(gè)自適應(yīng)的體系結(jié)構(gòu)很困難，一方面是由于無(wú)線傳感器有非常高的動(dòng)態(tài)性和移動(dòng)性，另一方面是由于無(wú)線傳感器都受到計(jì)算能力、通信能力和能耗的限制。所以，為無(wú)線移動(dòng)傳感器網(wǎng)絡(luò)開(kāi)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(kuò)大以及傳感器網(wǎng)絡(luò)成員的增加，還要有很高的可擴(kuò)充性和可靠性?，F(xiàn)在通常使用網(wǎng)絡(luò)覆蓋和網(wǎng)絡(luò)核心節(jié)點(diǎn)的方式來(lái)尋找通信網(wǎng)絡(luò)中的成員，但是由于覆蓋和維護(hù)核心節(jié)點(diǎn)的成本很高，這些方法不適合于無(wú)線移動(dòng)傳感器網(wǎng)絡(luò)。為此，設(shè)計(jì)了一個(gè)基于區(qū)域的體系結(jié)構(gòu)來(lái)增加網(wǎng)絡(luò)的覆蓋性，并使用核心路由節(jié)點(diǎn)和多層結(jié)構(gòu)的方法來(lái)增加無(wú)線移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的可擴(kuò)充性，同時(shí)減少對(duì)核心路由網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的依賴，這樣就大大提高了網(wǎng)絡(luò)的可靠性。 2 設(shè)計(jì)需求 隨著移動(dòng)傳感器的廣泛應(yīng)用，網(wǎng)絡(luò)化無(wú)線移動(dòng)傳感器會(huì)大量增加。因此，無(wú)線移動(dòng)傳感器網(wǎng)一定要具有相當(dāng)?shù)目蓴U(kuò)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(dá)到無(wú)線移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)延伸，不能適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)的移動(dòng)和拓?fù)渥兓膊荒軡M足網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)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(wú)線移動(dòng)傳感器網(wǎng)絡(luò)。為此，需要為無(wú)線移動(dòng)傳感器網(wǎng)設(shè)計(jì)的是一個(gè)多層的體系結(jié)構(gòu)，這樣不僅可以滿足網(wǎng)絡(luò)的可擴(kuò)充性要求，也能適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)和拓?fù)渥兓? 無(wú)線移動(dòng)傳感器網(wǎng)在一個(gè)高度動(dòng)態(tài)的環(huán)境中，移動(dòng)和通信失敗會(huì)時(shí)時(shí)發(fā)生，因此不僅要適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)特性并實(shí)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(shuō)可靠性是非常重要的一個(gè)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(jìn)了絕對(duì)移動(dòng)性模型和相對(duì)穩(wěn)定性模型，并使用分布式的網(wǎng)絡(luò)資源尋找方法來(lái)避免因單點(diǎn)出現(xiàn)問(wèn)題而引起整個(gè)網(wǎng)絡(luò)故障的情況。 由于無(wú)線移動(dòng)傳感器的能量有限，而且有很強(qiáng)的移動(dòng)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(gè)很重要的問(wèn)題。通常低能耗與網(wǎng)絡(luò)的可擴(kuò)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(jī)制來(lái)減少所需要的通信信息量，從而達(dá)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(jì) 平面結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的可擴(kuò)充性不是很好，因而不適用于具有高度動(dòng)態(tài)特性、高度移動(dòng)特性以及需要高度可擴(kuò)充性的無(wú)線移動(dòng)傳感器網(wǎng)絡(luò)。為此設(shè)計(jì)了一個(gè)具有多層結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)，這是對(duì)地標(biāo)的層次結(jié)構(gòu)（LMH）的一種改良。該設(shè)計(jì)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(diǎn)不是用來(lái)幫助其區(qū)域內(nèi)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)信息的傳輸和轉(zhuǎn)發(fā)的，而是用來(lái)協(xié)調(diào)處理普通節(jié)點(diǎn)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(dòng)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(jìn)出串的信息流也不需要經(jīng)過(guò)路標(biāo)核心節(jié)點(diǎn)，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(guò)程中進(jìn)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(gè)節(jié)點(diǎn)定義一個(gè)區(qū)域，這個(gè)區(qū)域是以該節(jié)點(diǎn)為圓心，半徑為R的圓所包含的節(jié)點(diǎn)。在這個(gè)區(qū)域的內(nèi)部使用主動(dòng)路由，該節(jié)點(diǎn)就可以很容易得到其區(qū)域內(nèi)所有節(jié)點(diǎn)的路徑。如果要找區(qū)域外面的節(jié)點(diǎn)，就要使用被動(dòng)路由（也就是區(qū)域之間的路由），被動(dòng)路由是通過(guò)每個(gè)節(jié)點(diǎn)區(qū)域中的核心路由節(jié)點(diǎn)來(lái)幫助協(xié)調(diào)處理。 一般而言，無(wú)線移動(dòng)傳感器網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議既可以是主動(dòng)的，也可以是被動(dòng)的。主動(dòng)協(xié)議是通過(guò)維護(hù)路由表來(lái)實(shí)現(xiàn)的，維護(hù)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(duì)于相對(duì)移動(dòng)性很高的網(wǎng)絡(luò)來(lái)說(shuō)不太適合，但是如果考慮到無(wú)線移動(dòng)傳感器的絕對(duì)移動(dòng)性和相對(duì)穩(wěn)定性，那么主動(dòng)路由協(xié)議就非常適合一個(gè)群中傳感器之間的通信了，而這個(gè)群就是所說(shuō)的區(qū)域。確定主動(dòng)路由協(xié)議中的路徑幾乎沒(méi)有什么延遲，但是定期更新路由信息所產(chǎn)生的額外負(fù)擔(dān)比較大。對(duì)于高度移動(dòng)性的網(wǎng)絡(luò)來(lái)說(shuō)，由于節(jié)點(diǎn)在不斷移動(dòng)，以前有效的路徑可能在一定時(shí)間以后就會(huì)變成無(wú)效的路徑。相對(duì)而言，被動(dòng)路由協(xié)議是根據(jù)需要來(lái)維護(hù)路由，被動(dòng)路由的建立不需要定期交換路由信息。但是由于被動(dòng)路由協(xié)議中的路徑都是在需要的時(shí)候通過(guò)在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行廣播來(lái)建立的，這樣就會(huì)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(diǎn)，下層是普通節(jié)點(diǎn)，每一個(gè)普通節(jié)點(diǎn)都有一個(gè)區(qū)域，在該區(qū)域中有一個(gè)核心節(jié)點(diǎn)，如果需要和區(qū)域內(nèi)的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信，就用主動(dòng)路由；如果要和區(qū)域外的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信，就使用被動(dòng)路由。 之所以要引入核心路由節(jié)點(diǎn)并混合使用主動(dòng)和被動(dòng)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(yuǎn)距離路徑，可以大大減少平均路徑的長(zhǎng)度，從而提高整個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的性能。 4 無(wú)線移動(dòng)傳感器網(wǎng)絡(luò)的自適應(yīng)性 為了使設(shè)計(jì)的無(wú)線移動(dòng)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(dòng)態(tài)和高度移動(dòng)的特性以及低能耗的條件限制，該體系結(jié)構(gòu)要把移動(dòng)性和能耗的概念結(jié)合起來(lái)。為了達(dá)到這個(gè)目標(biāo)，就要引入相對(duì)穩(wěn)定性和能耗度量的機(jī)制。相對(duì)穩(wěn)定性模型涉及到一個(gè)節(jié)點(diǎn)區(qū)域的動(dòng)態(tài)適應(yīng)能力，以及該節(jié)點(diǎn)區(qū)域內(nèi)可以使用主動(dòng)路由協(xié)議來(lái)確定路徑的其他節(jié)點(diǎn)的數(shù)目。Basu的工作把移動(dòng)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(hào)強(qiáng)度來(lái)度量節(jié)點(diǎn)之間的相對(duì)穩(wěn)定性，在這個(gè)方法中，使用了一個(gè)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(hào)強(qiáng)度；d是發(fā)送者和接收者之間的距離。 通過(guò)度量從同一個(gè)發(fā)送者接收到的兩個(gè)連續(xù)信息包之間的信號(hào)強(qiáng)度，就可以知道相對(duì)穩(wěn)定性了，他把相對(duì)移動(dòng)性度量定義為 如果這個(gè)度量的值是一個(gè)較大的負(fù)數(shù)，那么節(jié)點(diǎn)離開(kāi)的速度就很快。反之，節(jié)點(diǎn)之間的距離則相對(duì)穩(wěn)定。當(dāng)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(jì)區(qū)域內(nèi)使用主動(dòng)路由進(jìn)行傳輸?shù)男畔⒘髁俊? 無(wú)線移動(dòng)傳感器網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)問(wèn)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(gè)網(wǎng)絡(luò)中，傳感器節(jié)點(diǎn)可隨時(shí)進(jìn)入或離開(kāi)某一個(gè)區(qū)域。因此，為了提高網(wǎng)絡(luò)傳輸性能，在節(jié)點(diǎn)區(qū)域中使用主動(dòng)路由協(xié)議，就需要在一個(gè)區(qū)域中有一個(gè)核心路由節(jié)點(diǎn)進(jìn)行協(xié)調(diào)和管理。在該體系結(jié)構(gòu)中，當(dāng)一個(gè)無(wú)線移動(dòng)傳感器進(jìn)入某個(gè)區(qū)域時(shí)，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(diǎn)就知道它進(jìn)入了這個(gè)區(qū)域，由區(qū)域的核心路由節(jié)點(diǎn)來(lái)進(jìn)行響應(yīng)，并更新該區(qū)域的主動(dòng)路由表并將該節(jié)點(diǎn)加進(jìn)去，而其他普通網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)則對(duì)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(diǎn)的動(dòng)態(tài)特征，進(jìn)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(diǎn)來(lái)控制其他節(jié)點(diǎn)加入某個(gè)區(qū)域的機(jī)制，只是在某個(gè)節(jié)點(diǎn)加入時(shí)才進(jìn)行控制信息的廣播，這樣就避免了周期性廣播的問(wèn)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(gè)區(qū)域中核心路由節(jié)點(diǎn)是動(dòng)態(tài)產(chǎn)生的，這樣的網(wǎng)絡(luò)區(qū)域就會(huì)有高度的適應(yīng)性。在一個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)入某個(gè)區(qū)域時(shí)，如果在發(fā)出了申請(qǐng)加入的控制信息以后沒(méi)有得到響應(yīng)，就說(shuō)明該區(qū)域還沒(méi)有核心路由節(jié)點(diǎn)，那么這個(gè)節(jié)點(diǎn)自己就可以升級(jí)為一個(gè)核心路由節(jié)點(diǎn)。另外，如果核心路由節(jié)點(diǎn)移出了某個(gè)區(qū)域，那么該區(qū)域的其他節(jié)點(diǎn)也就可以升級(jí)為核心路由節(jié)點(diǎn)。在一個(gè)節(jié)點(diǎn)升級(jí)為核心路由節(jié)點(diǎn)時(shí)，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(diǎn)具有較好的配置、較強(qiáng)的計(jì)算能力和GPS，就可以升級(jí)為核心節(jié)點(diǎn)，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(gè)半徑為圓來(lái)確定該核心路由節(jié)點(diǎn)所管轄的區(qū)域了。這種核心路由節(jié)點(diǎn)的動(dòng)態(tài)產(chǎn)生辦法，不僅使網(wǎng)絡(luò)有很強(qiáng)的自我適應(yīng)性，而且有很高的可靠性，在某個(gè)核心路由節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生故障或者移動(dòng)出某個(gè)區(qū)域的時(shí)候，就可以由其他節(jié)點(diǎn)自動(dòng)升級(jí)為核心節(jié)點(diǎn)，從而保證網(wǎng)絡(luò)的正常運(yùn)行。 5 結(jié)束語(yǔ) 無(wú)線移動(dòng)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(dòng)性和動(dòng)態(tài)性，而且還受到能耗的限制，設(shè)計(jì)一個(gè)好的體系結(jié)構(gòu)，一直是一個(gè)重要的研究方向。提出了一個(gè)自適應(yīng)的體系結(jié)構(gòu)，但是還有很多問(wèn)題要繼續(xù)研究。 現(xiàn)在的移動(dòng)模型通常是使用隨機(jī)行走模型，但是這種模型不能反映在現(xiàn)實(shí)世界中存在的絕對(duì)移動(dòng)性和相對(duì)穩(wěn)定性，因此這些方面還需要進(jìn)一步深人研究。