1 引言 隨著無線網絡技術的日益成熟及其對小型、微型移動設備的支持，傳感器網絡已經逐漸成為一個研究的熱點。無線移動傳感器網絡對各種關鍵的應用領域，如通訊、軍事、醫療、救災和監控等方面的工作產生相當重要的影響。本文著重討論無線移動傳感器網絡的自適應體系結構的設計。 為無線傳感器網絡設計一個自適應的體系結構很困難，一方面是由于無線傳感器有非常高的動態性和移動性，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絡開發的協議和體系結構就必須具有自我配置和自我適應的能力，而且隨著網絡規模的擴大以及傳感器網絡成員的增加，還要有很高的可擴充性和可靠性。現在通常使用網絡覆蓋和網絡核心節點的方式來尋找通信網絡中的成員，但是由于覆蓋和維護核心節點的成本很高，這些方法不適合于無線移動傳感器網絡。為此，設計了一個基于區域的體系結構來增加網絡的覆蓋性，并使用核心路由節點和多層結構的方法來增加無線移動網絡的可擴充性，同時減少對核心路由網絡節點的依賴，這樣就大大提高了網絡的可靠性。 2 設計需求 隨著移動傳感器的廣泛應用，網絡化無線移動傳感器會大量增加。因此，無線移動傳感器網一定要具有相當的可擴充性。但是，由于通常在有線網絡中使用的單層平面體系結構不能達到無線移動網絡的動態延伸，不能適應網絡的移動和拓撲變化，也不能滿足網絡的動態延伸需要消耗網絡資源（如帶寬和能量）的限制，而且還容易導致恢復的延遲并增加路由的振蕩，所以這種單層平面式的體系結構不適合無線移動傳感器網絡。為此，需要為無線移動傳感器網設計的是一個多層的體系結構，這樣不僅可以滿足網絡的可擴充性要求，也能適應網絡中節點的移動和拓撲變化。 無線移動傳感器網在一個高度動態的環境中，移動和通信失敗會時時發生，因此不僅要適應網絡的動態特性并實現正確的網絡信息傳輸功能，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，在層次結構的網絡體系結構中結合進了絕對移動性模型和相對穩定性模型，并使用分布式的網絡資源尋找方法來避免因單點出現問題而引起整個網絡故障的情況。 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絡的自我配置能力也是一個很重要的問題。通常低能耗與網絡的可擴充性是相互矛盾的，為此將使用信息發布、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、增加網絡自我配置的能力。 3 結構設計 平面結構網絡的可擴充性不是很好，因而不適用于具有高度動態特性、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絡。為此設計了一個具有多層結構的網絡體系結構，這是對地標的層次結構（LMH）的一種改良。該設計將網絡信息分為數據信息和控制信息，核心路由節點不是用來幫助其區域內節點進行數據信息的傳輸和轉發的，而是用來協調處理普通節點之間的信息傳輸路徑和傳統的基于串的網絡結構相比較，具有動態的自我配置的能力，而且不依賴于所管理的區域以及路由表的大小。由于進出串的信息流也不需要經過路標核心節點，這就增加了網絡的可靠性。 為了避免在網絡構造過程中進行復雜的協調處理，使用了區域路由協議（ZRP），為每個節點定義一個區域，這個區域是以該節點為圓心，半徑為R的圓所包含的節點。在這個區域的內部使用主動路由，該節點就可以很容易得到其區域內所有節點的路徑。如果要找區域外面的節點，就要使用被動路由（也就是區域之間的路由），被動路由是通過每個節點區域中的核心路由節點來幫助協調處理。 一般而言，無線移動傳感器網絡的路由協議既可以是主動的，也可以是被動的。主動協議是通過維護路由表來實現的，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絡來說不太適合，但是如果考慮到無線移動傳感器的絕對移動性和相對穩定性，那么主動路由協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域。確定主動路由協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生的額外負擔比較大。對于高度移動性的網絡來說，由于節點在不斷移動，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，被動路由協議是根據需要來維護路由，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議中的路徑都是在需要的時候通過在整個網絡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議混合使用，如圖1所示，上層是核心路由節點，下層是普通節點，每一個普通節點都有一個區域，在該區域中有一個核心節點，如果需要和區域內的節點進行通信，就用主動路由；如果要和區域外的節點進行通信，就使用被動路由。 之所以要引入核心路由節點并混合使用主動和被動兩種協議，主要是源于Watts的發現，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，從而提高整個網絡系統的性能。 4 無線移動傳感器網絡的自適應性 為了使設計的無線移動傳感器網絡的體系結構具有高度的自適應性，以適應網絡的高度動態和高度移動的特性以及低能耗的條件限制，該體系結構要把移動性和能耗的概念結合起來。為了達到這個目標，就要引入相對穩定性和能耗度量的機制。相對穩定性模型涉及到一個節點區域的動態適應能力，以及該節點區域內可以使用主動路由協議來確定路徑的其他節點的數目。Basu的工作把移動性和能耗很好地結合在了一起。本文借鑒該方法，即用信號強度來度量節點之間的相對穩定性，在這個方法中，使用了一個自由空間傳播模型 式中：RxPr和TxPr分別是收發兩端收到和發送的信號強度；d是發送者和接收者之間的距離。 通過度量從同一個發送者接收到的兩個連續信息包之間的信號強度，就可以知道相對穩定性了，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，那么節點離開的速度就很快。反之，節點之間的距離則相對穩定。當然，這些度量都是基于區域范圍的度量，因而可以用于估計區域內使用主動路由進行傳輸的信息流量。 無線移動傳感器網絡的一個問題是信息發送傳感器往往不知道接收端在哪里，而且在這樣的一個網絡中，傳感器節點可隨時進入或離開某一個區域。因此，為了提高網絡傳輸性能，在節點區域中使用主動路由協議，就需要在一個區域中有一個核心路由節點進行協調和管理。在該體系結構中，當一個無線移動傳感器進入某個區域時，就要在網絡中廣播控制信息，這樣其他網絡節點就知道它進入了這個區域，由區域的核心路由節點來進行響應，并更新該區域的主動路由表并將該節點加進去，而其他普通網絡節點則對這樣的控制信息廣播不作響應。從這些周期性的控制信息廣播就可以得到網絡和傳感器節點的動態特征，進而調整網絡結構和路由信息。由于使用了核心路由節點來控制其他節點加入某個區域的機制，只是在某個節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，從而降低了網絡的信息流量和能耗。 在該體系結構中，一個區域中核心路由節點是動態產生的，這樣的網絡區域就會有高度的適應性。在一個節點進入某個區域時，如果在發出了申請加入的控制信息以后沒有得到響應，就說明該區域還沒有核心路由節點，那么這個節點自己就可以升級為一個核心路由節點。另外，如果核心路由節點移出了某個區域，那么該區域的其他節點也就可以升級為核心路由節點。在一個節點升級為核心路由節點時，主要考慮其配置、能力（如GPS）、能量以及自身的穩定性。如果該節點具有較好的配置、較強的計算能力和GPS，就可以升級為核心節點，配置成路由服務器。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點所管轄的區域了。這種核心路由節點的動態產生辦法，不僅使網絡有很強的自我適應性，而且有很高的可靠性，在某個核心路由節點產生故障或者移動出某個區域的時候，就可以由其他節點自動升級為核心節點，從而保證網絡的正常運行。 5 結束語 無線移動傳感器網絡與傳統的網絡不同，具有很高的移動性和動態性，而且還受到能耗的限制，設計一個好的體系結構，一直是一個重要的研究方向。提出了一個自適應的體系結構，但是還有很多問題要繼續研究。 現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實世界中存在的絕對移動性和相對穩定性，因此這些方面還需要進一步深人研究。