移动基站无线传感器网络优化研究

侯彦辰　周国祥　石雷

摘要：现有的基站移动过程中，事件驱动无线传感器网络启发式算法的主要问题是：只考虑了基站与节点的距离而忽视了其它因素。针对这个问题，提出了一种将启发式算法与移动协助数据收集模式（简称MADG）相结合的方法。首先确定基站何时开始移动，然后选定移动目标区域，在移动过程中考虑网络的负载平衡，降低能量消耗，最后在选定的目标区域内做圆周运动，达到增加网络寿命的目的。实验表明，该算法在增加网络寿命的同时还减少了丢包，效果良好。

关键词：基站移动；负载平衡；能量消耗；网络寿命

DOIDOI：10.11907/rjdk.151178

中图分类号：TP302

文献标识码：A 文章编号

文章编号：16727800（2015）006005603

作者简介作者简介：侯彦辰（1990-），男，山西忻州人，合肥工业大学计算机与信息学院硕士研究生，研究方向为无线网络、MIMO网络。

0 引言

无线传感器网络是近年来发展起来的新兴网络模式，它通过具有信息采集和处理功能的传感器定量测量客观世界的属性，帮助人们更好地掌握客观世界的规律。在一个固定的单基站无线传感器多跳网络中，靠近基站的传感器节点会比其它节点消耗更多的能量，因为它们除了要传输自己的数据，还要作为中继节点来为其它节点传输数据。因此，当这些节点消耗完自身的能量以后，它们就不能作为中继节点继续传输数据，最后引起网络故障。我们称这些节点为热点。热点问题会大大缩短网络的生存时间，造成网络资源浪费。虽然现在已经有了一些优化网络的方法，但是效果都一般。如文献[1]、[2]中采用的多基站，通过多个基站之间的相互配合来减小热点的负载；文献[3]中，是将热点的一些工作移到一些任务量较小的点；其中文献[46]说的是基站的随机移动方法，这个方法缺乏对能量的感知，与静止基站相比，对于负载平衡有一点作用。文献[79]说的是基站按照固定路线移动，这种方法要求事先就确定方向，缺乏灵活性与扩展性。

本文以在一个空旷场地上布置无线传感器网络的仿真为出发点，以增加网络生活时间为目标，对无线传感器网络进行了研究，提出了一种新的基站移动模型，明确了基站移动的条件，解决了现有一些模型中未能充分实现负载平衡和网络生存时间最大化的问题。实验结果表明，该模型较其它一些算法模型能更好地增加网络生存时间。

1 模型建立

1.1 网络模型

网络被设置在一个L×L的正方形区域。在这个区域内布置一个有N个传感器节点并且节点满足参数为λ的泊松分布。这些节点具有强连通性质，即任意两个节点之间都至少存在一条路径。节点一旦被部署，它的位置就是固定的，不会移动。网络中还存在一个移动基站，它的各种资源充足，拥有足够的能量，很好的计算能力，很强的存储能力等。基站知道网络的边界和每个传感器的位置。传感器和基站都能通过GPS获取自己的位置，具体模型如图1所示。

2.2 基站移动目标位置

确定基站的新位置是基站重定位的核心问题。为了限制这类最优化位置的复杂性，基站移动的方向基于当前的网络流量。基本思路是基站移动到产生数据包最多的节点。但是，由于有限的流动性资源和残酷的地形，基站从当前位置走很远是不实际的：一则沿着一个方向移动可能会引起基站与其它数据源失去联系；二则传感器网络的动态拓扑变化可能导致基站到达一个很远的位置，由于环境的变化，这个位置并非最优。为了达到相似的效果，我们试着把基站放置在中继节点附近，这些节点路由了大量的数据包。

2.3 基站移动过程

首先作如下假设：①基站具有无限的能量和很强的计算能力；②传感器节点一旦被布置完成后就不可移动；③基站的移动是可控的；④基站在移动过程中停留时间远远超过实际移动时间。

假设基站移动最大的距离等于一个传感器节点的传输半径，这样基站不可能直接移动到任何位置，而是需要找到一个合适的路径，一步一步移动过去。在以往的模型中都是关注孤立基站一跳以内的点，而本模型中，基站依据目的位置与现在位置和两跳以内的邻居节点能量信息来决定移动的方向。在数据收集阶段，距离基站两跳以内的传感器节点发送给基站的数据包包含自己的位置和能量信息。如果是一跳以外两跳以内范围的点，基站就尽可能靠近这个节点。

3 算法流程

见图2。

4 结语

在本文新的移动模型下，通过仿真实验评估每个模型的网络生存时间。结果表明，新模型可以延长网络寿命，并且在不同的拓扑环境下稳定性都很好。然而，如果网络中的节点很少，基站移动可能不足以弥补数据转发路径的消耗。

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责任编辑（责任编辑：杜能钢）

英文摘要Abstract：The main problem of the existing heuristic algorithm in the process of the base station movement of eventdriven wireless sensor networks is only considering the distance between base station and node，ignoring the other actual factors.With this problem，this paper proposes a move the heuristic algorithm with the combination of the MADG method.First，determine when the first base station begin to move，consider in the process of mobile network load balancing，reduce energy consumption，and finally do circular motion in the selected target area to achieve the goal of increasing network lifetime.The experimental results show that the proposed algorithm has good effect on increasing network lifetime and reduce the packet loss.

英文关键词Key Words： Base Station Movement；Load Balancing；Energy Consumption；Network Lifetime