智能交通系統(tǒng)中的高效數(shù)據(jù)報(bào)告

引用

Anisi, M.H., Abdullah, A.H. Efficient Data Reporting in Intelligent Transportation Systems. Netw Spat Econ 16, 623–642 (2016).

摘要

近年來(lái)，智能交通系統(tǒng)（ intelligent transportation systems，ITSs）應(yīng)運(yùn)而生。這些系統(tǒng)可以改善傳統(tǒng)的交通系統(tǒng)，為旅客提供交通信息。在交通領(lǐng)域，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Networks，WSNs）可以取代現(xiàn)有的有線傳感器和昂貴的交通監(jiān)控系統(tǒng)，以減少安裝此類系統(tǒng)的時(shí)間和成本。然而，考慮到傳感器節(jié)點(diǎn)的能量限制，準(zhǔn)確、及時(shí)地傳遞交通信息是一個(gè)重大挑戰(zhàn)。在本文中，我們提出了一個(gè)兩層架構(gòu)，上層是移動(dòng)對(duì)象（車輛）網(wǎng)絡(luò)，底層是分層的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)。使用這種方法，低功耗靜態(tài)傳感器節(jié)點(diǎn)上的一部分負(fù)載可以轉(zhuǎn)移到移動(dòng)對(duì)象上，例如功能強(qiáng)大的移動(dòng)設(shè)備。此外，為了提供準(zhǔn)確、及時(shí)的流量信息，提出了一種 QoS 感知的鏈路代價(jià)函數(shù)，用于靜態(tài)傳感器節(jié)點(diǎn)間的數(shù)據(jù)傳輸。另外，由于移動(dòng)對(duì)象層（上層）中對(duì)象的移動(dòng)性和存在丟包的概率，提出了一種可靠的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制。在這種機(jī)制中，數(shù)據(jù)包被轉(zhuǎn)發(fā)給附近的人，這增加了接收數(shù)據(jù)包的概率。性能評(píng)估結(jié)果表明了用于 ITS 應(yīng)用程序的建議體系結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)報(bào)告機(jī)制的有效性。

1 介紹

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一種經(jīng)濟(jì)、低功耗的無(wú)線監(jiān)測(cè)方法，能夠支持無(wú)處不在的 ITS 應(yīng)用。但其還存在對(duì)于不同應(yīng)用必須滿足不同的服務(wù)質(zhì)量（Quality of Service，QoS）參數(shù)，包括傳感器節(jié)點(diǎn)的能量、可靠的數(shù)據(jù)傳輸和延遲；與有線網(wǎng)絡(luò)相比，安全性較低、速度較低和配置更復(fù)雜等缺點(diǎn)。本文中作者提出了一種用戶都直聯(lián)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)。其中移動(dòng)用戶查詢網(wǎng)絡(luò)，并將查詢響應(yīng)發(fā)送回其中一個(gè)節(jié)點(diǎn)，該節(jié)點(diǎn)充當(dāng)傳感器節(jié)點(diǎn)和移動(dòng)用戶之間的中間節(jié)點(diǎn)（稱為副接收器）。當(dāng)目標(biāo)移動(dòng)用戶到達(dá)副接收器時(shí)，它向移動(dòng)用戶發(fā)送響應(yīng)。如果該分組傳輸不成功，則來(lái)自重新跟蹤和重傳分組的可考慮延遲施加到系統(tǒng)上。

在針對(duì)傳感器節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中，響應(yīng)包的丟失、無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的能量限制等問(wèn)題時(shí)，本文提出了一種基于 WSNs 的 ITSs 兩層體系結(jié)構(gòu)，其中靜態(tài)傳感器節(jié)點(diǎn)和移動(dòng)對(duì)象之間的數(shù)據(jù)通信在每層中被分離，簡(jiǎn)化了靜態(tài)傳感器的任務(wù)并節(jié)省能源。并傳感器節(jié)點(diǎn)被組織成若干個(gè)簇，其中數(shù)據(jù)通過(guò)樹(shù)傳遞到簇頭結(jié)構(gòu)。為了滿足數(shù)據(jù)傳輸對(duì)服務(wù)質(zhì)量的要求，本文提出了一種鏈路代價(jià)函數(shù)，并將其應(yīng)用于傳感器節(jié)點(diǎn)間的數(shù)據(jù)傳輸。利用所提出的鏈路代價(jià)函數(shù)，平衡節(jié)點(diǎn)能量，減少時(shí)延和擁塞。并且在移動(dòng)對(duì)象層，本文提出了一種可靠的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制，可以大大減少分組丟失。

2 系統(tǒng)架構(gòu)

2.1 靜態(tài)傳感器層

此層由幾個(gè)靜態(tài)傳感器節(jié)點(diǎn)組成，假設(shè)每個(gè)節(jié)點(diǎn)都知道其位置。為了指定位置，可以使用分布式定位方案。假設(shè)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)由多個(gè)群集組成，并且在每個(gè)簇中，選擇其中一個(gè)節(jié)點(diǎn)作為簇頭（ Cluster Head，CH）。為了節(jié)省靜態(tài)傳感器節(jié)點(diǎn)的能量，采用基于簇和基于樹(shù)的方法。集群通過(guò)提高帶寬利用率和減少開(kāi)銷來(lái)降低能耗。另外，參考無(wú)線傳輸中消耗的能量與通信中節(jié)點(diǎn)間距離平方的直接關(guān)系，在每個(gè)簇內(nèi)使用了基于樹(shù)的方法。由于簇成員節(jié)點(diǎn)不在簇頭的位置向相鄰節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)包，從而縮短了它們的傳輸距離，從而降低了每個(gè)簇中傳感器節(jié)點(diǎn)的整體能量消耗。

2.2 移動(dòng)對(duì)象層

移動(dòng)對(duì)象沿著該層的感興趣的區(qū)域（the area of interest，AOI）移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)，有關(guān)速度、方向和位置的信息被認(rèn)為是永久可用的，移動(dòng)對(duì)象可以具有兩個(gè)在不同頻帶上執(zhí)行的無(wú)線電。這些移動(dòng)對(duì)象從其覆蓋區(qū)域內(nèi)的簇頭收集數(shù)據(jù)，處理數(shù)據(jù)并將其轉(zhuǎn)發(fā)給目標(biāo)節(jié)點(diǎn)。使用此機(jī)制可以在不影響整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的情況下刪除更多的對(duì)象。另外，移動(dòng)傳感器的故障或離開(kāi)不會(huì)干擾數(shù)據(jù)采集過(guò)程。因此，可以確保網(wǎng)絡(luò)的可擴(kuò)展性和健壯性。

3 通信框架

本文所提出的通信和路由框架包括靜態(tài)傳感器層和移動(dòng)對(duì)象層。在分層框架中，靜態(tài)傳感器層涉及部署在感興趣區(qū)域的靜態(tài)傳感器節(jié)點(diǎn)之間的 QoS 感知數(shù)據(jù)路由，而移動(dòng)對(duì)象層則解決移動(dòng)設(shè)備的可靠數(shù)據(jù)通信問(wèn)題對(duì)象。注入查詢之后，最靠近移動(dòng)對(duì)象的節(jié)點(diǎn)接收查詢，通過(guò)靜態(tài)傳感器將查詢路由到查詢區(qū)域目標(biāo)，在返回路徑中，響應(yīng)包到達(dá)最接近查詢區(qū)域目標(biāo)的簇頭，隨后分組被發(fā)送到集群頭部的本地附近的移動(dòng)對(duì)象。

圖 1 描述了所提出的通信框架的適用場(chǎng)景。當(dāng)移動(dòng)對(duì)象需要有關(guān)環(huán)境的一些信息時(shí)，它向網(wǎng)絡(luò)注入一個(gè)查詢。移動(dòng)對(duì)象無(wú)線電范圍內(nèi)最近的簇頭接收查詢。在接收到查詢后，簇頭檢查查詢中感興趣區(qū)域是否與其覆蓋的區(qū)域匹配。若是，它將查詢分發(fā)到它的集群并轉(zhuǎn)發(fā)給它的相鄰簇頭。

從靜態(tài)傳感器節(jié)點(diǎn)到簇頭的數(shù)據(jù)傳輸，使用鏈路代價(jià)函數(shù)轉(zhuǎn)發(fā)其數(shù)據(jù)包，以確保可靠和節(jié)能的數(shù)據(jù)傳輸。當(dāng)簇頭接收到查詢結(jié)果時(shí)，為了節(jié)省時(shí)間，它將結(jié)果發(fā)送到進(jìn)入其無(wú)線電的第一個(gè)移動(dòng)對(duì)象范圍。當(dāng)移動(dòng)對(duì)象接收來(lái)自簇頭的查詢結(jié)果，它首先檢查它是否是查詢的發(fā)送者。若不是，為解決對(duì)象的移動(dòng)性問(wèn)題，它在其無(wú)線電范圍內(nèi)選擇比其他對(duì)象更可靠、更接近目的地的移動(dòng)對(duì)象，并將分組轉(zhuǎn)發(fā)給它。重復(fù)這個(gè)過(guò)程，直到查詢移動(dòng)對(duì)象收到結(jié)果為止。

圖 1 所述框架中的數(shù)據(jù)通信示例

3.1 鏈接成本函數(shù)

本文在初始化階段使用鏈路代價(jià)函數(shù)來(lái)計(jì)算下一跳鄰接點(diǎn)（父節(jié)點(diǎn)）的鏈路代價(jià)。由于 ITSs 中及時(shí)信息傳遞的必要性，在所提出的鏈路代價(jià)函數(shù)中，我們使用絕對(duì)時(shí)間取代希望計(jì)數(shù)來(lái)減少延遲和擁塞文提出了一種延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間的方法，即延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)的可用時(shí)間，控制包丟失、減少延遲和擁塞。從節(jié)點(diǎn) y 向節(jié)點(diǎn) x 發(fā)送分組（C）的成本定義如下：

表 1 顯示了函數(shù)。在在最壞的情況下，

和

的值可以是 1（在緩沖區(qū)大小中沒(méi)有剩余的能量或沒(méi)有足夠的空間），在最好的情況下可以是 0。

表 1 鏈路成本函數(shù)符號(hào)

另外，

從節(jié)點(diǎn) x 到達(dá) CH 所需的時(shí)間與到達(dá) CH 所需的最大時(shí)間的比例。通道 Tmax 是一個(gè)預(yù)定的常數(shù)，C 是從節(jié)點(diǎn) y 到節(jié)點(diǎn) x 傳輸數(shù)據(jù)包的總開(kāi)銷。C 值最低的鄰接點(diǎn)節(jié)點(diǎn)將被選為下一跳鄰接點(diǎn)。α、β 和 μ 是能改變能量效應(yīng)的因素的權(quán)重。因此根據(jù)場(chǎng)景的目的、需求和問(wèn)題，它們可以得到不同的結(jié)果值。通過(guò)考慮 μ 值大于 α、β，能量和緩沖區(qū)大小對(duì)到達(dá)簇頭的時(shí)間的影響，選擇更靠近簇頭的候選鄰接點(diǎn)的概率增加，并且使用繞道的機(jī)會(huì)將增加減少。

3.2 初始化

該方法中，在部署節(jié)點(diǎn)后立即執(zhí)行初始化算法。鄰接表最初是空的，并由這個(gè)進(jìn)程初始化。在這個(gè)過(guò)程中，初始化包被廣播到網(wǎng)絡(luò)，該初始化包由節(jié)點(diǎn)的剩余能量、到達(dá)簇頭所需的時(shí)間以及具有包的一般字段的節(jié)點(diǎn)的可用緩沖區(qū)大小組成。當(dāng)一個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)接收到初始化包時(shí)，它在路由中保留下一跳的候選鄰接點(diǎn)的信息表。

這個(gè)過(guò)程一直持續(xù)到所有靜態(tài)傳感器節(jié)點(diǎn)接收到初始化包。在這一階段之后，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都知道其鄰接點(diǎn)的規(guī)范作為其可能的父節(jié)點(diǎn)。

表 2 包頭信息列表

3.3 查詢注入

當(dāng)移動(dòng)對(duì)象需要從環(huán)境中獲取一些交通信息時(shí)，就會(huì)向網(wǎng)絡(luò)中注入一個(gè)查詢。在移動(dòng)對(duì)象的無(wú)線電范圍內(nèi)最近的簇頭接收到查詢后，檢查它是否能夠完全或部分覆蓋查詢中的感興趣區(qū)域。如果可能，簇頭作為集群中樹(shù)的根，將數(shù)據(jù)包發(fā)送給它的子節(jié)點(diǎn)；否則，它將查詢數(shù)據(jù)包發(fā)送給它的鄰接點(diǎn)簇頭。子節(jié)點(diǎn)也會(huì)重復(fù)這個(gè)過(guò)程，直到集群中的所有節(jié)點(diǎn)都收到查詢?yōu)橹埂?/p>

3.4 查詢響應(yīng)路由

在集群中的所有節(jié)點(diǎn)接收到查詢后，節(jié)點(diǎn)的結(jié)果被發(fā)送回查詢的移動(dòng)對(duì)象。在該方案中，查詢結(jié)果路由分兩個(gè)層次進(jìn)行。第一級(jí)涉及靜態(tài)傳感器層中的路由響應(yīng)包，第二級(jí)在移動(dòng)對(duì)象之間執(zhí)行。

3.4.1 靜態(tài)傳感器層查詢結(jié)果路由

在傳輸查詢結(jié)果時(shí)，查詢應(yīng)答器根據(jù)計(jì)算出的可能的父節(jié)點(diǎn)的鏈路開(kāi)銷，選擇鏈路代價(jià)最低的父節(jié)點(diǎn)，并將響應(yīng)包發(fā)送給它。類似地，當(dāng)中間節(jié)點(diǎn)接收到查詢響應(yīng)時(shí)，它選擇鏈路開(kāi)銷最小的父節(jié)點(diǎn)并將包轉(zhuǎn)發(fā)給它。這個(gè)過(guò)程一直持續(xù)到集群頭收到集群成員的結(jié)果。當(dāng)簇頭接收到查詢結(jié)果時(shí)，為了減少傳輸所需的功率和節(jié)省更多的能量，它立即將結(jié)果發(fā)送到其無(wú)線范圍內(nèi)最近的移動(dòng)對(duì)象。隨后移動(dòng)對(duì)象使用最接近查詢的節(jié)點(diǎn)將包轉(zhuǎn)發(fā)到目的地車輛。如果簇頭無(wú)法在其通信范圍內(nèi)找到移動(dòng)對(duì)象，它將數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)給其最接近查詢對(duì)象的相鄰簇頭之一，以將結(jié)果發(fā)送給移動(dòng)對(duì)象。

3.4.2 移動(dòng)對(duì)象層查詢結(jié)果路由

在這一層，數(shù)據(jù)包被發(fā)送到查詢發(fā)送方的初始位置，并由中間移動(dòng)對(duì)象轉(zhuǎn)發(fā)，直到查詢發(fā)送方能夠接收到它。當(dāng)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)路由中的移動(dòng)對(duì)象接收到查詢結(jié)果包時(shí)，首先檢查包的查詢?cè)矗源_定它是否是查詢的發(fā)送方。如果是發(fā)送方，則數(shù)據(jù)傳遞過(guò)程結(jié)束；否則，它將數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)給查詢對(duì)象。然而，在 ITSs 系統(tǒng)中，由于車輛的移動(dòng)性，丟包是其中的主要問(wèn)題之一，造成時(shí)延和能耗。

此處我們除了考慮路徑長(zhǎng)度外，還應(yīng)考慮路徑的可靠性考慮在內(nèi)該算法將可能的鄰接點(diǎn)作為下一跳，將數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)到距離目的地最近且不離開(kāi)無(wú)線范圍的移動(dòng)對(duì)象（速度為 v）時(shí)間 t 之后的前一跳對(duì)象。這里“t”是移動(dòng)對(duì)象不離開(kāi)前一跳對(duì)象的無(wú)線電范圍的持續(xù)時(shí)間。

圖 2 說(shuō)明了所提出的算法，其中小圓表示節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)區(qū)域，大圓表示對(duì)象 s 的無(wú)線范圍。假設(shè)移動(dòng)對(duì)象 s 希望將其分組轉(zhuǎn)發(fā)給其鄰接點(diǎn)之一。由于移動(dòng)對(duì)象的移動(dòng)（其中 x ＝ vt），它可能離開(kāi) s 的無(wú)線電范圍。因此，在所提出的算法中，數(shù)據(jù)分組被轉(zhuǎn)發(fā)到能夠滿足上述兩個(gè)條件的節(jié)點(diǎn)。例如，在這個(gè)例子中，基于對(duì)象的速度和無(wú)線電范圍，最接近目的地并且沒(méi)有離開(kāi) s 的無(wú)線電范圍的對(duì)象（例如對(duì)象 e）將被選為下一跳對(duì)象。

圖 2 選擇下一跳移動(dòng)對(duì)象示意圖

在算法 2 中，詳細(xì)介紹了數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)過(guò)程。在該算法中， neighborlist 是發(fā)送對(duì)象的單跳鄰接點(diǎn)列表，nexthop 是下一跳候選鄰接點(diǎn)，nexthopdis 是其距離。

圖 3 顯示了在所提出的和傳統(tǒng)算法中移動(dòng)對(duì)象之間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的另一個(gè)示例，其中小圓表示節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)區(qū)域，大圓表示節(jié)點(diǎn)的無(wú)線電范圍。另外，在傳統(tǒng)算法中，實(shí)線表示所提出的機(jī)制，虛線代表數(shù)據(jù)路由。

圖 3 向請(qǐng)求者對(duì)象轉(zhuǎn)發(fā)查詢結(jié)果示意圖

在該算法中，當(dāng) s 選擇節(jié)點(diǎn) j 后，由于可能離開(kāi)對(duì)象 j 的無(wú)線范圍，因此不選擇對(duì)象 b 作為下一跳，而是選擇同時(shí)滿足所提出算法兩個(gè)條件的對(duì)象 q 作為下一跳。

4 績(jī)效評(píng)估

使用 J-SIM（基于 JAVA 的模擬器）對(duì)所提出的方法進(jìn)行了仿真和評(píng)估，傳感器節(jié)點(diǎn)均勻地圍繞在正方形的中心有一個(gè)孔。兩個(gè)相鄰節(jié)點(diǎn)之間的距離為 25m，洞的大小為 500m _500m，節(jié)點(diǎn)的初始能量為 50j，mac 協(xié)議選用 ieee802.15.4。

移動(dòng)對(duì)象的移動(dòng)基于隨機(jī)航路點(diǎn)（random waypoint，RWP）移動(dòng)性模型，并且僅限于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的部署區(qū)域。這包括移動(dòng)物體在城市街區(qū)周圍移動(dòng)（行駛）并尋找如圖 4 所示的免費(fèi)停車位的情況。移動(dòng)物體以最小速度 5 m/s 和最大速度 20 m/s 沿著外部道路移動(dòng)，并且只能與通信范圍為 25 m 的簇頭通信。選擇 RWP 模型的原因是它是一種隨機(jī)移動(dòng)模型，在該模型中，移動(dòng)對(duì)象無(wú)限制地隨機(jī)自由地移動(dòng)。也就是說(shuō)，目的地、速度和方向都是隨機(jī)選擇的，與其他物體無(wú)關(guān)，因此它是模擬車輛運(yùn)動(dòng)的最佳選擇。

圖 4 移動(dòng)物體在傳感器節(jié)點(diǎn)周圍移動(dòng)尋找免費(fèi)停車場(chǎng)

對(duì)于簇的形成，我們使用了一種類似于 LEAC-H 協(xié)議的簡(jiǎn)單的聚類機(jī)制。在集群形成機(jī)制中，具有增強(qiáng)能量容量的簇頭沿著 WSN 網(wǎng)絡(luò)周邊傳播，使用非持久性載波感知多址（carrier-sense multiple access，CSMA）MAC 協(xié)議廣播廣告消息（ advertisement message，ADV），以通知其他節(jié)點(diǎn)其在網(wǎng)絡(luò)中的角色。然后，每個(gè)節(jié)點(diǎn)根據(jù)接收到的來(lái)自每個(gè)簇頭的 ADV 信號(hào)強(qiáng)度（ received signal strength，RSS）來(lái)選擇可以使用最小通信能量到達(dá)的簇頭來(lái)確定其簇。

該方法通過(guò)控制丟失的數(shù)據(jù)包數(shù)量來(lái)避免發(fā)送額外的數(shù)據(jù)包，這是通過(guò)使用所提出的用于傳感器節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)傳輸?shù)逆溌反鷥r(jià)函數(shù)和所提出的移動(dòng)對(duì)象之間的數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽繖C(jī)制來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

圖 5 顯示了與 Geo 路由相比，上述的方法的分組傳遞率（packet delivery ratio，PDR）。PDR 是指發(fā)送到移動(dòng)對(duì)象的數(shù)據(jù)包數(shù)與源節(jié)點(diǎn)生成的包數(shù)之比。

圖 5 不同節(jié)點(diǎn)數(shù)的分組投遞率性能

由于 Geo 路由中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包和丟失的數(shù)據(jù)包的數(shù)量較多，其 PDR 比所提出的方法要小。圖 6 將重傳分組的數(shù)目與 Geo 路由進(jìn)行比較。在所提出的機(jī)制的靜態(tài)傳感器層中，集群中丟失的分組使用標(biāo)簽方法的重傳機(jī)制進(jìn)行重傳。當(dāng)一個(gè)節(jié)點(diǎn)在其自己的時(shí)隙中沒(méi)有成功地將其數(shù)據(jù)傳輸?shù)狡涓腹?jié)點(diǎn)時(shí)，丟失的包被重新傳輸?shù)狡涓腹?jié)點(diǎn)。而在移動(dòng)對(duì)象層，利用所提出的可靠機(jī)制在移動(dòng)對(duì)象之間進(jìn)行分組傳輸，有效地降低了分組丟失的幾率，并在分組丟失的情況下，使用 MAC 層的默認(rèn)重傳機(jī)制來(lái)重傳丟失的分組。

圖 6 重傳次數(shù)與節(jié)點(diǎn)數(shù)

圖 7 顯示了與 Geo 轉(zhuǎn)發(fā)、延遲轉(zhuǎn)發(fā)和能量轉(zhuǎn)發(fā)相比，所提出方法在首次失敗時(shí)間方面的性能。從圖中可以看出，所提出的方法具有最長(zhǎng)的首次失效時(shí)間。在該方法中，分簇通過(guò)提高帶寬利用率來(lái)降低節(jié)點(diǎn)的能量消耗。另外，所提出的鏈路代價(jià)函數(shù)考慮了節(jié)點(diǎn)的剩余能量，從而延遲了節(jié)點(diǎn)的失效時(shí)間。

圖 7 將提出的方法與其他方法中的第一次失敗時(shí)間進(jìn)行比較

在圖 8 中，將所提出的方法的包延遲（即發(fā)送查詢和接收響應(yīng)之間的持續(xù)時(shí)間）與其他方法進(jìn)行了比較接近。由圖得，延遲轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制通過(guò)在每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)使用基于自適應(yīng)占空比的跨層策略，具有比其他節(jié)點(diǎn)更低的延遲。該方法考慮了節(jié)點(diǎn)與移動(dòng)對(duì)象之間的絕對(duì)旅行時(shí)間，以最小化分組延遲。通過(guò)考慮靜態(tài)傳感器層中節(jié)點(diǎn)的剩余能量和可用緩沖區(qū)大小，并在移動(dòng)對(duì)象層使用所提出的可靠機(jī)制，可以減輕節(jié)點(diǎn)故障和分組丟失，減少丟失分組的重傳所需的時(shí)間。

圖 8 包延遲評(píng)估

在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，大部分的能量消耗都與傳輸有關(guān)，而傳輸比接收和計(jì)算消耗的能量要大得多。我們根據(jù)網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包數(shù)量來(lái)測(cè)量能量消耗，采用以下公式：

式中，P 表示傳輸所需的能量，取 50nj，

為網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包總數(shù)，N 為節(jié)點(diǎn)總數(shù)。由圖得評(píng)估結(jié)果表明該方法優(yōu)于能量轉(zhuǎn)移機(jī)制。在該方法中，聚類和樹(shù)拓?fù)渫ㄟ^(guò)提高帶寬利用率和降低開(kāi)銷來(lái)降低能耗。此外，通過(guò)在靜態(tài)傳感器層使用所提出的鏈路代價(jià)函數(shù)，平衡節(jié)點(diǎn)的能量，并通過(guò)較少擁塞的路由將數(shù)據(jù)路由到移動(dòng)對(duì)象。最終防止了節(jié)點(diǎn)故障和分組丟失，并且不使用額外的能量來(lái)重新路由丟失的分組。類似地，在移動(dòng)傳感器層中提出的機(jī)制通過(guò)將節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)給最可靠的鄰接點(diǎn)來(lái)減少分組重傳的次數(shù)，這可以節(jié)省額外的能量。

5 結(jié)論

在 ITSs 中，大規(guī)模部署一個(gè)成本低、安裝時(shí)間短的先進(jìn)監(jiān)控系統(tǒng)是一個(gè)相當(dāng)大的挑戰(zhàn)。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)可以被認(rèn)為是解決這個(gè)問(wèn)題的一個(gè)合適的解決方案。針對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用，提出了一種由無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)和移動(dòng)對(duì)象組成的雙層體系結(jié)構(gòu)。在該體系結(jié)構(gòu)中，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控區(qū)域，移動(dòng)對(duì)象（車輛）能夠發(fā)送查詢并接收所需的交通信息。該策略簡(jiǎn)化了傳感器節(jié)點(diǎn)的功能，降低了節(jié)點(diǎn)的能量消耗。在靜態(tài)傳感器層中，傳感器節(jié)點(diǎn)被組織成多個(gè)簇，并使用 QoS 感知的鏈路代價(jià)函數(shù)向簇頭發(fā)送數(shù)據(jù)。在從簇頭接收到查詢響應(yīng)之后，使用能夠減少分組丟失的可靠機(jī)制將數(shù)據(jù)分組轉(zhuǎn)發(fā)到查詢對(duì)象。仿真實(shí)驗(yàn)表明，該方法在節(jié)省傳感器節(jié)點(diǎn)能量和延長(zhǎng)節(jié)點(diǎn)生命周期的同時(shí)，能夠以較高的包傳遞率和較低的時(shí)延提供所需的流量信息。