一种延迟容忍移动传感器网络自适应连接探测机制

标准。实验以节点平均实际连接数量 达到100时为结束时刻，实验数据为50次独立运行 结果的均值(所有实验均以ACPS。EIP为参考，FPS 通过调整探测周期来满足探测成功率和探测次数的 要求)。 4．13种探测机制性能比较分析 在表1所示默认参数条件下，3种探测机制的 具体性能见表2。 从表2中可以看出，尽管FPS在连接发现过程 中发送了最多的beacon帧，但其探测成功率却是3 种机制当中最低的，主要原因就在于FPS机制发送 表1仿真实验参数 监测区域半径口 节点通信半径r 节点数量Ⅳ APCS常数￡ 节点最大速度‰ 节点静止时间zo FPS探测周期 表2默认参数下仿真实验结果 beacon帧的时间间隔相同，没有考虑节点运行覆盖 区域的连接发生概率，所以即便当节点在连接发生 概率低的边缘区域移动时，节点仍然频繁地发送 beacon帧，造成大量的能量浪费，却不能提高探测 成功率。而与此相反，ACPS—EIP和ACPS—EPP机 制在连接探测过程中充分考虑了节点运行区域连接 发生的概率，在连接发生概率高的地方提高探测频 率，在连接发生低的地方降低探测频率，因此提高 了探测效率，所以能够在探测开销相对较小的情况 下却有着更高的探测成功率。由于ACPS．EPP机制 对探测时间的计算更加精确，因此其效果也要好于 ACPS．EIP机制，在探测开销基本相同的条件下有 着更高的探测成功率。从连接发现延迟的角度来看， 3种机制中ACPS—EPP机制的发现延迟最低，FPS 的发现延迟最高，主要是因为在连接发生概率较大 的区域ACPS．EPP和ACPS—EIP两种机制提高了 探测频率，因此相应地降低了连接发现延迟，同样 由于ACPS—EPP对于探测时间的计算更为合理，所 以发现延迟也更低。虽然ACPS的两种机制是通过 相对较多的计算来换取性能提高的，但是与节省的 探测能量相比，计算的能量开销可以基本忽略不计； 同时由于相关计算都是在每次移动起始时刻完成， 因此对连接发现延时也不产生影响。 4．2节点通信半径对性能的影响 当节点通信半径变化时，3种机制的具体性能 如图6所示。其中图6(a)，6(b)中分别给出的是在 平均每个节点发送beacon帧相同的情况下3种机制 探测成功率和连接发现延迟的曲线，图6(c1中给出 的是在探测成功率相同的情况下，3种机制平均每 帅 细啪 墙 呻吣 ：薹 瓤 ，‘ 5 1 万方数据 第6期 杨牵武等：一种延迟容忍移动传感器网络自适应连接探测机制 1287 K 一 脊 督 氆 楚 j}!j 通信半径一m) (a)连接探测成功牟 通f自半径r(m) (b)连接发现延迟 +FPS—●rACPs-EIP+ACPS-EPP 图6节点通信半径变化对网络性能的影响 个节点发送beacon帧的数量。从图6(a)，6(b)中可 以看出，通信半径的加大，使得节点间连接持续的 时间也相应的变长，因此节点连接探测成功率也随 之加大。当通信半径较小时，由于连接持续时间短， 因此连接发现延迟也很短，随着通信半径的增加， 连接发现的延迟也有所增加，但是当通信半径大到 一定值时，由于beacon帧的数量增加、探测时间间 隔的降低，连接发现延迟又逐渐降低。从图6(c)中 可以看出在探测成功率相I—J的条件下，随着通信半 径的变化，ACPS两种机制的平均探测次数变化不 大，主要是因为通信半径加大时，节点间连接次数 也相应的增加，此时节点探测的频率也相应地提高， 因此反映在beacon帧数量上变化并不明显；但对 FPS机制而言，当通信半径较小时，为了能够达到 ACPS机制的探测成功率，必须加大beacon帧的发 送数量，而随着通信半径的加大，节点间连接持续 时间的增长，节点在适当降低探测次数情况下仍然 能够保证较高的探测成功率。综I二，在通信半径变 化的情况下，ACPS两种机制有着较好的性能，而 FPS机制性能最差。 4．3节点速度对性能的影晌 在节点最大速度变化时，3种机制具体性能如 图7所示。其中图7(a)，7(b)中分别给出的是平均每 个节点发送beacon帧相同的情况下各机制探测成 功率和连接发现延迟的曲线，而图7(c)给出的是在 探测成功率相同的情况下，3种机制平均每个节点 发送beacon帧的数量。从图7(a)，7(b)中可以看出， 节点速度的提高，导致节点间连接持续时间迅速降 低，对于ACPS两种机制而言，速度的增加也会使 得探测频率提高，因此节点探测成功率基本没有变 化；但对于FPS而言，虽然探测次数也在提高，但 由于性能不如ACPS，因此直接导致节点连接探测 成功率迅速降低。同样，由于节点间连接持续时间 的降低使得3种机制的连接发现延迟也相应降低。 从图7(c1中可以看出在探测成功率相同的条件下， 邮 瓤 霉 幕 逛 幽 裂 露 * 《 担 通信半径一m) (c)节点平均发送b∞con帧数鼍 由于节点速度增加，使得节点连接到达率迅速增加， 对于ACPS—EPP和ACPS—EIP探测机制而言，虽 然节点发送探测帧的数量也相应增加，但由于仿真 运行的时间变短，所以总体上beacon帧的数量有所 降低；而FPS探测机制为能够保持与ACPS—EIP同 样的探测成功率，不得不大幅度提高beacon帧的数 量，在一些情况下，ACPS能够节省近50％的探测 功耗。 4．4节点密度对性能的影响 当区域A内节点数量改变时，3种机制的性能 如图8所示。其中图8(a)，8(b)给出的是平均每个节 点发送beacon帧相同的情况下各机制探测成功率 和连接发现延迟的曲线，而图S(c)中给出的是在探 测成功率相同的情况下，各机制平均每个节点发送 beacon帧的数量。从图8(a)，S(b)中可以看出，节 点密度的增加，使得连接到达率相应地增加，同时 探测次数也增加，冈此探测成功率逐渐提高，并且 连接发现延迟逐渐降低。从图S(c)中可以看出在探 测成功率相同的条件下，随着节点密度的提高，对 于ACPS—EPP和ACPS—EIP机制而言，探测时间 间隔相应降低，因此导致beacon帧数量基本服从线 性增长，而FPS机制为了能够达到与ACPS．EIP相 同的探测成功率，需要更大程度上提高beacon帧的 发送数量。 4．5探测系数￡对ACPS性能的影响 图9给出的是当探测系数E变化时，ACPS机 制性能变化曲线。由图9(a)可见，随着探测系数￡的 增加，节点探测频率随之提高，连接探测成功率也 相应提高，但提高速度会逐渐降低。同时由于探测 频率的提高也会使得连接发现延迟随之降低，如图 9(b)所示，连接发现延迟降低速度接近线性。由式 (12)可知节点探测次数与E成正比，图9(c)也正体现 了这一点。因此，根据实际网络情况(节点通信半径、 节点速度、节点密度等)，可以通过调节探测系数￡ 值来达到探测能量与探测成功率问的折中。 万方数据 1288 电子与信息学报 第33卷 节点速度‰ax(m／8) (a)连接探测成功率 节点数量 (a)连接探测成功率 E (a)连接探测成功率 节点速度‰。(m／8) (b)连接发现延迟 +FPS—●rACPs．EIP--b-ACPs-EPP 图7节点速度变化对网络性能的影响 节点数量 (b)连接发现延迟 十FPS—^-ACPs-EIP--4--ACPS-EPP 图8节点密度变化对网络性能的影响 O 5 10 15 20 25 30 亭 (b)连接发现延迟 —●卜ACPs-EIP+ACPs-EPP 图9E对ACPS性能的影响 5结束语 DTMSN与传统的WSN有着很大的不同，其 中最突出的特点就是节点间的机会连通和延迟容 忍特性，这些特性也使得以往WSN研究中的很多 连接探测机制在DTMSN中的表现并不好。本文 提出的基于节点连接到达率和连接次数的自适应 连接探测机制(ACPS)，能够较好地完成DTMSN 的连接探测功能。本文主要贡献有： (1)针对RWP移动模型，以节点分布概率为基 节点速度q，。(m／s) (c)节点平均发送beacon帧数量 节点数量 (C)节点平均发送be日00n帧数量 E (c)节点平均发送bfnⅫ帧数量 础，准确预测节点运行过程中的连接达到率和可能 发生的连接次数，并在此基础上自动调整beacon帧 的发送数量。有效控制了探测能量开销，提高了探 测效率和探测成功率。 (2)在确定beacon帧发送间隔时，提出ACPS． EIP和ACPS—EPP两种机制。ACPS—EIP具有计 算简单，实现容易的特点，而ACPS．EPP则有着 计算准确的优势。这两种机制能够有效降低节点连 接发现延时和提高探测成功率。 仿真实验表明，与FPS相比，ACPS可以以较 5 5 5 4 5 3 5 4 3一。一图艘爵划辎剃霹} 万方数据 第6期 杨奎武等：一种延迟容忍移动传感器网络自适应连接探测机制 1289 低的发现延迟和探测开销达到较高的连接探测成功 率，并可以根据网络特点调整探测系数￡来达到最 佳的性能功耗比，非常适用于DTMSN网络。由于 ACPS机制要求节点始终处于“监听一探测”状态， 没有充分利用节点的休眠来更进一步降低能量开 销，因此将休眠机制引入到ACPS当中将是下一步 研究的重点。 【10】 【11】 参考文献 FallK．Adelay-tolerantnetworkarchitectureforchallenged internets[C]．SIGCOMM03，Karlsruhe，Germany,Aug． 25—29．2003：27—34． SuJing，ChinA，andPopivanovaA，etat．Usermobilityfor 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