无线传感器网络中一种基于移动Sink的数据收集算法
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（ 北京 建筑工程学 院计算机教学 与网络信息部 ， 北京 １０ ４ ） ０ ０４
摘 要 ： 针对移动无线传感器网络设计一种不依赖于节点地理位置的基于移动汇聚节点（ｉ ） Ｓ ｋ 的数据收集算法（ ｏｉ ｉ — ｎ Ｍ ｂｅ ｎ ｌＳ ｋ
ｂｓｄＤ ｔ Ｇ ｔｅｉｇＭＳ Ｇ 。该算法解决 了无线传感器 网络 中多跳路 由通信时出现能量空 洞的“ ａｅ ａ ａ ｒ ， Ｄ ） ａ ｈ ｎ 热点” 问题 。Ｓｎ ｉｋ沿途 以最近
无 线传感 器 节点 的移 动是 不 可避 免 的 ． 如 ： 测野 例 监
项 目来源 ： 基于信息资源有效管理 的 Ｒ Ｉ ＦＤ关键 技术研 究项 目（ ０ ０ ２０ ） 现 代信 息技术 在教 学应 用 中的研究 项 目（ Ｏ １１０ ６ ８ ； ＹＩ 一
收 稿 Ｅ期 ：０ ｌ ｌ— ４ ｔ ２ １— １２
节点 。底 层是簇 内节点 与 Ｃｕｔ ｌｓ ｒ的通信 ， ｅ 上层 是 固 定节 点 之间 的通信 。
在 图 ３所 示 的簇 一 拓 扑 结 构 中 ， 员 节 点 将 树 成 数据 发送 给各 自的 Ｃｕｔｒ Ｃｕｔｒ 数 据 融 合 后发 ｌｓ ． ｌｓ 将 ｅ ｅ 送 给对应 的固定节 点 ， 经 由其 它 的 中 间 固定节 点 再 路 由发送 到 Ｓｎ 。 由 于节 点 的移 动 性 和 Ｃｕｔｒ ｉｋ ｌｓ 负 ｅ 责簇 内的 通 信 调 度 ， 对 簇 内成 员 节 点 ， ｌｓ ｒ 相 Ｃｕｔ 将 ｅ 消耗更 多 的能量 。因此 ， 网络 将 定期 地 重 新 进 行 分 簇 ， 择能量 较 高 的且距 离 固定 节 点最 近 的移 动 节 选 点 担任 Ｃｕｔｒ从而 将 所有 负载 均 匀 地 分 布到 所 有 ｌｓ ， ｅ 节 点 。该簇 一 拓 扑 结 构 既 能 实 现 高 效 节 能 ， 能 树 又 降低数 据包 碰撞 的几 率 ， 得整 个 ｍＷＳ 使 Ｎ有 较好 的 数据吞 吐量 Ｊ 。
在 进行 网络 部署 时 ， 取 确 定性 部 署 与 随机 部 采 署 相结 合 的特点 ． 网络 中 的移 动 传 感 器 节 点是 随机
部署 ， 与此 同时根 据 应 用 的需 要 部 署 一 定 数 目的 固
定 参考 节点 ， 这样 既 能 较好 地适 应 网络 动 态 拓扑 变
化 ， 能构 建较 为稳定 的网络拓 扑 ， 又 达到节 省 能耗 的
静态 无 线 传 感器 网络 的研 究 ． 提 都是 假 设 节 前
成 为学术 界的研究热 点 ， 原来针对 静态无 线传 感器 网
络 的数据 收集协 议 由 于 网络 中的传 感器 节 点或 Ｓｎ ｉｋ
节 点 的移 动引起 的 网络 拓扑 变 化 、 径 失效 等 问题 ， 路
已经不能 应用到 ｍ Ｎ。因此 针对 ｍＷＳ ＷＳ Ｎ的数 据 收
“ 区” 热 问题 。 ２ １ 移 动 Ｓｎ ． ｉｋ
机 均匀 部署 ｎ Ｉ个 移 动 节 点 。其 中 的每 一 个 固定 —１ Ｔ
节点坐 标位 置可 知 ， 动节 点 的位 置 不 可 知 ， ｌｓ ｒ 移 Ｃｕｔ ｅ 是 通过 分簇 算法 从移 动节 点 中选 出的 。
零寒 舞 餐 ： 一
集 协议 的研 究在 国内外 得到 了广 泛 的重视 。
点保持不动。但近年来提出的移动无线传感器网络
ｍ Ｎ（ ｂｌ ＷＳ 概 念 ， 针 对 某 些 实 际应 用 中 ＷＳ ｍｏ ｉ Ｎ） ｅ 是
本 文从 ｍＷＳ Ｎ数据 收集 角 度 出发 ． 于分 簇 技 基 术， 利用 移 动 Ｓｎ 来 解 决多 跳路 由通 信 中的 “ 区 ” ｉｋ 热 问题 ， 长 了 网络 的 生存期 。 延
ｓ ｔ ｒ ｂ ｅ ，ｈ ｔｉ ｌ － ｏ ｏ ｔｎ ｎ Ｗ Ｓ ｒｎ ｓｔ ｎ ｒ ｙ ｈ ｌ ．Ｓ ｎ ｏ ｅ ｂ ｌ ｓ ｔ ｅ ｒ ｕ ｉ ｒ ｅ ａｏ ｇ ｔ ｅ ｐｏ ”ｐ ｏ ｌｍ ｔ ａ ｓ ｍｕ ｔ ｈ ｐ ｒ ｕ ｉ ｇ ｉ ｉ Ｎｓ ｂ ｉ ｇ ｏ ｅ ｅ ｇ ｏｅ ｉ ｋ ｎ ｄ ｕｉ ｈ ｏ ｔ ｄ ｎｇ ｔｅ ｌ ｎ ｈ ｎ ａ ｅ ｔｆ ｅ ｏ ｅ ａ ｏ ｔｎ ｄ ． ｈ ａ ｉ ｅ ｒ ｓ ｘ ｄ ｎ ｄ ｓ ｒ ｏ ｏ ｅ Ａｔｔ ｅ ｓ ｍｅ ｔｍｅ，ｈ ｅ ｅ ｔ ｎ ｃ ｕ ｔｒ ｎ ｄ ａ ｒ ｎ ｄ ｔ ｕ ｉ ｎ ｃ ｌｕ ａ ｉｎ ｉ ｔ ｅ ｓ ｎｓ ｄ ｄａａ ｉ ｌ ｓｅ ｏ ｅ ｃ ｒｙ ｏ ａ ａ ｆ ｓｏ ａ ｃ ｌｔｏ
关 键词 ： 无线传感器 网络 ； 数据收集 ； 分簇 ； 移动 Ｓ ｋ ｉ ｎ
中 图分 类 号 ： Ｎ １ ． ５ Ｔ ９ ９ ２
文 献标 识码 ： Ａ
文章 编号 ：０ ４ １ ９ （ ０ ２ ０ — ６ ３ ０ １０ — ６９ ２ １ ）５ ０ ７ — ５
随着物联 网技术 、 嵌入式 技术 以及低 功耗 的无 线
ｒ ｓ ｔ ｈ ｗ ｈａ ｉ ｔ ｅ ｓ ｃ ｏ ｖ ｒ ｇ ｎ ｒｙ ｏ ｓ ｍｐ ｉ ｎ ｎ ｎ ｔ ｒ ｌｆｔｍｅ，ｔ ｒｏ ｍａ ｃ ｆ ＭＳ ｅ ｕｌ ｓ ｏ ｔ ｔ ｎ ｈ ａ ｐｅ ｔ ｆ ａ ｅａ ｅ ｅ ｅ ｇ ｃ ｎ ｕ ｔｏ ａ ｄ ｅｗｏ ｋ ｉ ｉ ｓ ｅ ｈｅ ｐｅｆ ｒ ｎ ｅ ｏ ＤＧ ｓ ｐ ｓ ｅ ａ ａ ｇ ｔ ｅ ｉ ｇ ｐｒ ｔｃ ｌ ｆＬＥＡＣＨ ｎ ｕｒ ａ ｓ ｓ ｄ ｔ ａｈ ｒｎ ｏｏ ｏｓ ｏ ａ ｄ ＡＣＥ— Ｌ． Ｋｅ ｒ ｙ ｗｏ ｄｓ： ｒ ｌｓ ｅ ｓ ｒｎ ｔ ｒ ｓ； ａａ ｇ ｔ ｒｎｇ； ｌ ｔ ｒｎ ｍｏ ｉｅ Ｓｉ ｗｉｅ ｅ ｓ ｓ ｎ ｏ ｅｗｏ ｋ ｄ ｔ ａｈｅ ｉ ｃｕｓｅ ｉ ｇ； ｂ ｌ ｎｋ
Ｚ ＮＧ Ｌ ｉ ， ＨＡ ｎ， ＯＮＧ Ｊ ｎ ＨＡ ｅ Ｚ ＮＧ Ｋｕ Ｓ ｕ
（ ｏ ｐ ｔ ｅｃｉｇａ ｄＮ ｔｏ ｆｒ ｔ ｎＤ ｐ ｒ ｎ， ｅｉ ｎ ｅ ｔ ｉｌ ｎ ｉｅｒ ｇａ ｄＡｃｉｃ ｒ，ｅｉｇ１０ ４ Ｃ ｉａ Ｃ ｍ ｕｅ Ｔａｈｎ ｎ ｅ ｒ Ｉ ｏｍａｉ ｅａｔ ｔＢ ｉｎ Ｕ ｉ ｍｉ ｏ ｖ ｇｎｅｎ ｎ ｒ ｔ ｔ ｅ Ｂｉｎ ０ ０４， ｈｎ ） ｒ ｗ ｋｎ ｏ ｍｅ ｊｇ ｖ ｙ ｆＣ ｉＥ ｉ ｈｅｕ ｊ
ｔｒｕｈｔｅｃ ｓ ｒｔｕ ｈ ａ ｕｉｎｉ ｆ ｎ ｅ ｙｔ ｅ ｏｓｎ ｏＳｎ ｏ ｅｉ ｒｖｒｅｂ — ｍ ． ｉ ｕａ ｏ ｈｏ ｇ ｌ ｔ ， ｓｔｅ ｄｔ ｆｓ ｓｌ ｋ ｄ ｂ ｒ ｓｔ ｅ ｄ ｔ ｉｋ ｎ ｄ ｎ ｅｅｓ—ｙｊ ｐ Ｓｍ ｌ ｉｎ ｈ ｕｅ ｈ ａ ｏ ａ ｅ ｕ ｔ
生动 物生 活 习惯 、 踪 医院病 人 心 跳 情况 ｌ ； 有 追 ２ 还
通信技术 的发展 ． 生产具 备感应 、 无线通 信 以及信 息处
理能力的微型无线传感器 已成 为可能 ， 这些廉 价 的、 低
交通 指挥 中心根据 安装 在汽 车 上 的传 感器 节点 来 获
知、 分析 和处 理这 一地 区 的交 通 流量 ， 而发 布实 时 进
汇聚节点
● 簇 头 节 点 ０ 监 测 节 点
目的。ｍ Ｎ 网络层状 结构 如 图 １ 示 。将 网络分 ＷＳ 所 成 固定 数量 、 小均 匀 的簇 ， 一个 簇 内有一个 参考 大 每
☆ 固定节点
图 ３ ｍＷ Ｓ 簇 一 结 构 示 意 图 Ｎ 树
固定 节 点 ， 个簇 头 节 点 （ ｌｓ ｒ 和 多个 簇 内成 员 一 Ｃｕｔ ） ｅ
第２ ５卷 第 ５期
２１ ０ ２年 ５月
传 感 技 术 学 报
Ｃ ＮＥ Ｅ Ｊ ＲＮ ＥＮ Ｏ ＮＤ ＡＣ Ｕ Ｏ ＨＩ Ｓ ＯＵ ＡＬ ＯＦ Ｓ Ｓ ＲＳ Ａ Ｔ ＡＴ ＲＳ
Ｖ０ ． ５ Ｎｏ ５ １２ ． Ｍ ａ ０１ ｖ２ ２
Ｍ ｏ ｉ ｉ ｋ・ ｓ ｄ Ｄａ ａ Ｇａ ｈ ｒｎ ｇ ｒｔ ｍ ｎ Ｗ ｉｅｅ ｓ Ｓ ｎ ｏ ｔ ｒ ｓ ｂ ｌ Ｓ ｎ Ｂａ ｅ ｔ ｔ ｅ ｉ ｇ Ａｌ ｏ ｉ ｅ ｈ ｉ ｒ ｌ ｓ ｅ ｓ ｒ Ｎｅ ｗｏ ｋ
一
ｍ Ｎ中有 节 点 移 动 和 Ｓｎ ＷＳ ｉ ｋ移 动 。Ｓｎ ｉｋ移 动 可 以延 长 网 络 的生 命 周 期 ， 为 在 一 个 部 署 固 定 因
Ｓｎ ｉｋ的 ＷＳ Ｎ中 ， 在数 据 收 集 过 程 中 ， ｉｋ周 围 的一 Ｓｎ 跳 节点 会 以更 快 的速 度 消耗 完 自己 的能 量 。而 在 Ｓｎ ｉｋ移 动 的 ｍＷＳ 中 ， Ｎ 由于 Ｓｎ ｉ ｋ的移 动 ， 周 围 的 其
Ａｂ ｔａ ｔＡ ｎ ｖｌ ｌｏｉ ｍ ＭＳ Ｇ（ ｂｌ Ｓｎ －ａｅ ａ ａｈｒ ｇ ｗ ｉ ａｅ ｎｍ ｂｌ ｓ ｋｄｔ ａ ｅｉｇ ｓ ｃ ： ｏ ｅ ａ ｒｈ Ｄ Ｍｏ ｉ ｉｋｂ ｓｄＤ ｔ Ｇ ｔｅｉ ） ｈｃ ｂｓｄｏ ｏ ｉ ｉ ａ ｇ ｔ ｒ ｒ ｇ ｔ ｅ ａ ｎ ｈ ｅ ｎ ａ ｈ ｎ ｄ ｅ ｎｔ ｅ ｅｄｏ ｅｌ ａ ｏ ｆ ｏ ｅ ，ｉｐｏ ｏｅ ｏ ｉ ｉ ｌ ｓ ｅ ｓｒ ｅ ｏｋ （ Ｎ ） Ｉ ｓｌｅ ｅ ｈ ｔ ｏｓ ｏ ｄｐ ｎ ｎｔ ｃ ｔ ｎｏ ｎ ｄ ｓ ｓ ｒｐｓｄｉ ｍ ｂｌ ｗ ｒ ｅ ｎｏ ｔ ｒｓ ＷＳ ｓ ．ｔ ｏ ｓ ｈ “ ｏ ｈ ｏ ｉ ｎ ｅ ｅ ｓｓ ｎｗ ｖ ｔ
功耗 的传感器节点共 同组 织成无 线传感 器 网络 ＷＳ ｓ Ｎ
（ ｒ ｅｓ ｅｓｒ ｅ ｏｋ ）通过节点 间的相互协作 ， Ｗｉ ｌｓ Ｓ ｎｏ ｔ ｒｓ ， ｅ Ｎｗ 将
有 效 的交 通调 度信 息等 。
数据收集是 ＷＳ Ｎ研究 的重 点 。随着 近年 ｍ Ｎ ＷＳ
其监测和感应到的信息 （ 温度、 湿度等 ） 传送到基站 （ｉｋ ， Ｓ ） 实现 网络数据收集 功能 。利用 ＷＳ ｎ Ｎ进 行数 据 收集可以应 用 到许 多重 要领 域 ， 国 防军 事、 境监 如 环 测、 交通管理 、 医疗 卫生 、 抗震救灾等 Ｊ 。
摘 要 ： 针对移动无线传感器网络设计一种不依赖于节点地理位置的基于移动汇聚节点（ｉ ） Ｓ ｋ 的数据收集算法（ ｏｉ ｉ — ｎ Ｍ ｂｅ ｎ ｌＳ ｋ
ｂｓｄＤ ｔ Ｇ ｔｅｉｇＭＳ Ｇ 。该算法解决 了无线传感器 网络 中多跳路 由通信时出现能量空 洞的“ ａｅ ａ ａ ｒ ， Ｄ ） ａ ｈ ｎ 热点” 问题 。Ｓｎ ｉｋ沿途 以最近
无 线传感 器 节点 的移 动是 不 可避 免 的 ． 如 ： 测野 例 监
项 目来源 ： 基于信息资源有效管理 的 Ｒ Ｉ ＦＤ关键 技术研 究项 目（ ０ ０ ２０ ） 现 代信 息技术 在教 学应 用 中的研究 项 目（ Ｏ １１０ ６ ８ ； ＹＩ 一
收 稿 Ｅ期 ：０ ｌ ｌ— ４ ｔ ２ １— １２
节点 。底 层是簇 内节点 与 Ｃｕｔ ｌｓ ｒ的通信 ， ｅ 上层 是 固 定节 点 之间 的通信 。
在 图 ３所 示 的簇 一 拓 扑 结 构 中 ， 员 节 点 将 树 成 数据 发送 给各 自的 Ｃｕｔｒ Ｃｕｔｒ 数 据 融 合 后发 ｌｓ ． ｌｓ 将 ｅ ｅ 送 给对应 的固定节 点 ， 经 由其 它 的 中 间 固定节 点 再 路 由发送 到 Ｓｎ 。 由 于节 点 的移 动 性 和 Ｃｕｔｒ ｉｋ ｌｓ 负 ｅ 责簇 内的 通 信 调 度 ， 对 簇 内成 员 节 点 ， ｌｓ ｒ 相 Ｃｕｔ 将 ｅ 消耗更 多 的能量 。因此 ， 网络 将 定期 地 重 新 进 行 分 簇 ， 择能量 较 高 的且距 离 固定 节 点最 近 的移 动 节 选 点 担任 Ｃｕｔｒ从而 将 所有 负载 均 匀 地 分 布到 所 有 ｌｓ ， ｅ 节 点 。该簇 一 拓 扑 结 构 既 能 实 现 高 效 节 能 ， 能 树 又 降低数 据包 碰撞 的几 率 ， 得整 个 ｍＷＳ 使 Ｎ有 较好 的 数据吞 吐量 Ｊ 。
在 进行 网络 部署 时 ， 取 确 定性 部 署 与 随机 部 采 署 相结 合 的特点 ． 网络 中 的移 动 传 感 器 节 点是 随机
部署 ， 与此 同时根 据 应 用 的需 要 部 署 一 定 数 目的 固
定 参考 节点 ， 这样 既 能 较好 地适 应 网络 动 态 拓扑 变
化 ， 能构 建较 为稳定 的网络拓 扑 ， 又 达到节 省 能耗 的
静态 无 线 传 感器 网络 的研 究 ． 提 都是 假 设 节 前
成 为学术 界的研究热 点 ， 原来针对 静态无 线传 感器 网
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节 点 的移 动引起 的 网络 拓扑 变 化 、 径 失效 等 问题 ， 路
已经不能 应用到 ｍ Ｎ。因此 针对 ｍＷＳ ＷＳ Ｎ的数 据 收
“ 区” 热 问题 。 ２ １ 移 动 Ｓｎ ． ｉｋ
机 均匀 部署 ｎ Ｉ个 移 动 节 点 。其 中 的每 一 个 固定 —１ Ｔ
节点坐 标位 置可 知 ， 动节 点 的位 置 不 可 知 ， ｌｓ ｒ 移 Ｃｕｔ ｅ 是 通过 分簇 算法 从移 动节 点 中选 出的 。
零寒 舞 餐 ： 一
集 协议 的研 究在 国内外 得到 了广 泛 的重视 。
点保持不动。但近年来提出的移动无线传感器网络
ｍ Ｎ（ ｂｌ ＷＳ 概 念 ， 针 对 某 些 实 际应 用 中 ＷＳ ｍｏ ｉ Ｎ） ｅ 是
本 文从 ｍＷＳ Ｎ数据 收集 角 度 出发 ． 于分 簇 技 基 术， 利用 移 动 Ｓｎ 来 解 决多 跳路 由通 信 中的 “ 区 ” ｉｋ 热 问题 ， 长 了 网络 的 生存期 。 延
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文章 编号 ：０ ４ １ ９ （ ０ ２ ０ — ６ ３ ０ １０ — ６９ ２ １ ）５ ０ ７ — ５
随着物联 网技术 、 嵌入式 技术 以及低 功耗 的无 线
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交通 指挥 中心根据 安装 在汽 车 上 的传 感器 节点 来 获
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汇聚节点
● 簇 头 节 点 ０ 监 测 节 点
目的。ｍ Ｎ 网络层状 结构 如 图 １ 示 。将 网络分 ＷＳ 所 成 固定 数量 、 小均 匀 的簇 ， 一个 簇 内有一个 参考 大 每
☆ 固定节点
图 ３ ｍＷ Ｓ 簇 一 结 构 示 意 图 Ｎ 树
固定 节 点 ， 个簇 头 节 点 （ ｌｓ ｒ 和 多个 簇 内成 员 一 Ｃｕｔ ） ｅ
第２ ５卷 第 ５期
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传 感 技 术 学 报
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Ｖ０ ． ５ Ｎｏ ５ １２ ． Ｍ ａ ０１ ｖ２ ２
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ｍ Ｎ中有 节 点 移 动 和 Ｓｎ ＷＳ ｉ ｋ移 动 。Ｓｎ ｉｋ移 动 可 以延 长 网 络 的生 命 周 期 ， 为 在 一 个 部 署 固 定 因
Ｓｎ ｉｋ的 ＷＳ Ｎ中 ， 在数 据 收 集 过 程 中 ， ｉｋ周 围 的一 Ｓｎ 跳 节点 会 以更 快 的速 度 消耗 完 自己 的能 量 。而 在 Ｓｎ ｉｋ移 动 的 ｍＷＳ 中 ， Ｎ 由于 Ｓｎ ｉ ｋ的移 动 ， 周 围 的 其
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（ ｒ ｅｓ ｅｓｒ ｅ ｏｋ ）通过节点 间的相互协作 ， Ｗｉ ｌｓ Ｓ ｎｏ ｔ ｒｓ ， ｅ Ｎｗ 将
有 效 的交 通调 度信 息等 。
数据收集是 ＷＳ Ｎ研究 的重 点 。随着 近年 ｍ Ｎ ＷＳ
其监测和感应到的信息 （ 温度、 湿度等 ） 传送到基站 （ｉｋ ， Ｓ ） 实现 网络数据收集 功能 。利用 ＷＳ ｎ Ｎ进 行数 据 收集可以应 用 到许 多重 要领 域 ， 国 防军 事、 境监 如 环 测、 交通管理 、 医疗 卫生 、 抗震救灾等 Ｊ 。
