當(dāng)一個(gè)用于數(shù)據(jù)采集的DTN網(wǎng)絡(luò)使用NIMF進(jìn)行路由時(shí)，可以把數(shù)據(jù)丟失分為兩部分：由于路由超時(shí)而導(dǎo)致的數(shù)據(jù)丟失,對(duì)此本文稱之為顯性數(shù)據(jù)丟失；由于節(jié)點(diǎn)移動(dòng),節(jié)點(diǎn)離開工作地點(diǎn)到再次返回工作地點(diǎn)這段時(shí)間稱為節(jié)點(diǎn)的非正常工作狀態(tài)，由此導(dǎo)致的數(shù)據(jù)丟失本文稱之為隱性數(shù)據(jù)丟失。如果節(jié)點(diǎn)離 “ferry”路由路徑很遠(yuǎn)，往返的時(shí)間將會(huì)嚴(yán)重影響數(shù)據(jù)采集的正常工作，隱性數(shù)據(jù)丟失問題將會(huì)比較嚴(yán)重，其影響甚至可能超過了顯性數(shù)據(jù)的丟失。而且，隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的增大，節(jié)點(diǎn)數(shù)目增多，這種損失就會(huì)越大。針對(duì)NIMF在節(jié)點(diǎn)移動(dòng)時(shí)間上的缺陷，本文利用節(jié)點(diǎn)之間的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，將節(jié)點(diǎn)按位置先組成一個(gè)個(gè)簇，并且在簇內(nèi)建立一個(gè)邏輯樹，讓節(jié)點(diǎn)也參與數(shù)據(jù)路由，以減少網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)時(shí)間，從而有效降低節(jié)點(diǎn)因移動(dòng)而導(dǎo)致的隱性數(shù)據(jù)丟失。由于節(jié)點(diǎn)的非正常工作時(shí)間減少，因節(jié)點(diǎn)處于正常工作狀態(tài)的時(shí)間就會(huì)相應(yīng)增多，這也增大了節(jié)點(diǎn)在固定時(shí)間內(nèi)的數(shù)據(jù)采集量。
1 CB-NIMF的設(shè)計(jì)
　　當(dāng)網(wǎng)絡(luò)規(guī)模比較大，節(jié)點(diǎn)和“ferry”路由路徑離得較遠(yuǎn)時(shí)，節(jié)點(diǎn)的非正常工作時(shí)間會(huì)比較長(zhǎng)，因此會(huì)造成隱性數(shù)據(jù)丟失問題。對(duì)此，本文提出一種新的路由: CB-NIMF。在一個(gè)用于數(shù)據(jù)收集的DTN網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點(diǎn)分布一般會(huì)有一定的規(guī)律，比如，在比較重要的區(qū)域，一般會(huì)有較多的節(jié)點(diǎn)，即節(jié)點(diǎn)的分布一般是不均勻的，很容易形成一個(gè)個(gè)區(qū)域簇。在這些簇內(nèi)，各個(gè)節(jié)點(diǎn)和路由路徑的距離是不相同的，有些離節(jié)點(diǎn)很近甚至就在節(jié)點(diǎn)的路由路徑上，而有些節(jié)點(diǎn)則離得比較遠(yuǎn)。CB-NIMF利用網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)與“ferry”路由路徑之間距離的差異讓普通節(jié)點(diǎn)也進(jìn)行數(shù)據(jù)路由工作，盡量減少由于節(jié)點(diǎn)移動(dòng)而導(dǎo)致的隱性數(shù)據(jù)丟失。在CB-NIMF中，對(duì)“ferry”的功能進(jìn)行一定的強(qiáng)化。“ferry”除了進(jìn)行數(shù)據(jù)路由之外，還將進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)分簇并替簇內(nèi)的節(jié)點(diǎn)建立一個(gè)邏輯樹。
1.1 分簇
　　在CB-NIMF中，假設(shè)每個(gè)節(jié)點(diǎn)都知道了“ferry”的路由路徑，同時(shí)都能準(zhǔn)確定位自己在網(wǎng)絡(luò)中所處的位置——可以通過GPRS之類來獲得。在布置網(wǎng)絡(luò)的時(shí)候，每個(gè)節(jié)點(diǎn)首先獲取自己的位置坐標(biāo)，計(jì)算與“ferry”路由路徑之間的距離，然后通過一次長(zhǎng)距離的通信，將該坐標(biāo)和距離發(fā)送給“ferry”節(jié)點(diǎn)。“ferry”在收集到網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)位置后，根據(jù)節(jié)點(diǎn)的位置分布，將距離比較靠近的節(jié)點(diǎn)分配成一個(gè)簇。如圖2所示，其中虛線圓圈覆蓋的范圍是一簇。當(dāng)某個(gè)節(jié)點(diǎn)位于兩個(gè)簇之間時(shí)，“ferry”節(jié)點(diǎn)將根據(jù)以下方法來確定將該節(jié)點(diǎn)加入哪一個(gè)簇：
　　(1)當(dāng)某個(gè)簇A中不存在與該節(jié)點(diǎn)距離比較小的節(jié)點(diǎn)，
而在另一個(gè)簇B中存在與該節(jié)點(diǎn)距離較小的節(jié)點(diǎn)時(shí)，“ferry”將會(huì)把該節(jié)點(diǎn)加入簇B的樹。
　　(2)當(dāng)該節(jié)點(diǎn)在２個(gè)網(wǎng)絡(luò)簇中都存在與它距離差不多一樣的節(jié)點(diǎn)時(shí)，“ferry”節(jié)點(diǎn)將分別比較該節(jié)點(diǎn)在２個(gè)樹中的深度，同時(shí)選擇將其加入深度較小的那個(gè)邏輯樹所在的簇。如果該節(jié)點(diǎn)在兩棵邏輯樹中的深度一樣時(shí)，“ferry”將會(huì)把該節(jié)點(diǎn)加入節(jié)點(diǎn)數(shù)目較少的那個(gè)簇。

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1.2 邏輯樹的形成
　　當(dāng)“ferry”接收到所有節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)，并把節(jié)點(diǎn)分配到相應(yīng)的簇之后，它將根據(jù)節(jié)點(diǎn)與自己路由路徑的距離，建立一棵邏輯樹。首先，簇中距離最小的節(jié)點(diǎn)將會(huì)成為該簇與“ferry”通信的門節(jié)點(diǎn)。以門節(jié)點(diǎn)為根，將簇內(nèi)其他所有節(jié)點(diǎn)以距離為因素來組成邏輯樹:在形成的樹中，父節(jié)點(diǎn)與“ferry”路由路徑的距離總是比其子節(jié)點(diǎn)與“ferry”路由路徑的距離要短。為了使簇內(nèi)所有節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)距離總和最小化，可以使用Prim算法來生成一棵最小生成樹。在成功建立了樹之后，“ferry”替每個(gè)節(jié)點(diǎn)計(jì)算它們各自在樹中的深度，然后用深度來標(biāo)記節(jié)點(diǎn)。如果2個(gè)節(jié)點(diǎn)在樹中的深度一樣，就稱這2個(gè)節(jié)點(diǎn)在樹中屬于同一層次。然后，“ferry”把節(jié)點(diǎn)的深度以及其父節(jié)點(diǎn)和子節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)位置都通過一次長(zhǎng)距離通信發(fā)送給節(jié)點(diǎn)。最終結(jié)果如圖3所示，其中虛圓包圍的是簇，a、b、c、d、e是各個(gè)簇的門節(jié)點(diǎn)，虛線形成的是一個(gè)邏輯樹。

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1.3?網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)傳輸
??? 當(dāng)把網(wǎng)絡(luò)分成N個(gè)簇之后，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)傳輸主要可以分為兩類：簇內(nèi)數(shù)據(jù)傳輸和簇間數(shù)據(jù)傳輸。當(dāng)一個(gè)節(jié)點(diǎn)有數(shù)據(jù)需要傳輸時(shí)，它首先判斷目的節(jié)點(diǎn)和自己是不是屬于同一個(gè)簇，如果是同一個(gè)簇內(nèi)的節(jié)點(diǎn)，則按照簇內(nèi)數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆绞竭M(jìn)行路由。發(fā)送節(jié)點(diǎn)首先判斷自己與目的節(jié)點(diǎn)之間深度的大小，當(dāng)目的節(jié)點(diǎn)深度比自己小時(shí)，發(fā)送節(jié)點(diǎn)將向父節(jié)點(diǎn)移動(dòng)，把數(shù)據(jù)傳輸給父節(jié)點(diǎn)后返回原位置正常工作；當(dāng)目的節(jié)點(diǎn)深度比自己大時(shí)，發(fā)送節(jié)點(diǎn)將向自己一個(gè)子節(jié)點(diǎn)移動(dòng)，把數(shù)據(jù)傳輸給自己的子節(jié)點(diǎn)后返回原位置正常工作；當(dāng)目的節(jié)點(diǎn)深度和自己一樣時(shí)，發(fā)送節(jié)點(diǎn)將向與自己最為臨近的同層次節(jié)點(diǎn)移動(dòng)，數(shù)據(jù)傳輸完成后返回原位置正常工作。
　　當(dāng)發(fā)送節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)不屬于同一個(gè)簇時(shí)，路由過程將經(jīng)由門節(jié)點(diǎn)和“ferry”來完成。當(dāng)一個(gè)簇內(nèi)有節(jié)點(diǎn)要傳輸數(shù)據(jù)后，它將會(huì)向父節(jié)點(diǎn)移動(dòng)，在與父節(jié)點(diǎn)相遇后，把數(shù)據(jù)傳輸給父節(jié)點(diǎn)，然后返回原位置開始正常工作；而父節(jié)點(diǎn)在接收到數(shù)據(jù)后，將會(huì)開始新一輪的路由選擇過程，這一過程將一直持續(xù)到數(shù)據(jù)到達(dá)門節(jié)點(diǎn)。當(dāng)門節(jié)點(diǎn)要傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，它將會(huì)向“ferry”的路由路徑移動(dòng)，成功地把數(shù)據(jù)傳輸給“ferry”后，返回正常工作。而“ferry”將會(huì)把要路由的數(shù)據(jù)按照目的節(jié)點(diǎn)所在簇分類，當(dāng)遇到一個(gè)簇的門節(jié)點(diǎn)時(shí)，將所有目的節(jié)點(diǎn)位于該簇內(nèi)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給該門節(jié)點(diǎn)。然后該門節(jié)點(diǎn)將按照簇內(nèi)數(shù)據(jù)路由的過程將接收到的數(shù)據(jù)發(fā)送到各個(gè)目的節(jié)點(diǎn)。如圖4所示，其中路徑1屬于簇內(nèi)數(shù)據(jù)傳輸，不需經(jīng)過 “ferry”；路徑2屬于簇間數(shù)據(jù)傳輸，經(jīng)由門節(jié)點(diǎn)和“ferry”來完成。

?

2 節(jié)點(diǎn)平均的非正常工作時(shí)間?
　　在CB-NIMF路由方式中，筆者把普通節(jié)點(diǎn)N的非正常工作時(shí)間分成兩個(gè)部分T_N^m和T_N^w,其中，T_N^m是節(jié)點(diǎn)N移動(dòng)到父節(jié)點(diǎn)所需要的時(shí)間，這個(gè)時(shí)間當(dāng)網(wǎng)絡(luò)初始化完成之后就是固定不變的，可以用兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的距離來衡量；T_N^w是節(jié)點(diǎn)N在父節(jié)點(diǎn)的初始位置等待父節(jié)點(diǎn)的時(shí)間。這樣，節(jié)點(diǎn)N的非正常工作時(shí)間為：
　　

　　對(duì)于門節(jié)點(diǎn)，T^w是 “ferry” 沿路由路徑移動(dòng)一圈所需時(shí)間的一半。假設(shè)“ferry”移動(dòng)一圈所需要的時(shí)間是T，則門節(jié)點(diǎn)的平均等待時(shí)間T^w=T/2。那么門節(jié)點(diǎn)移動(dòng)一次的非工作時(shí)間的平均值是：
???

??? 從上述不等式(9)右邊的最后一項(xiàng)可以看出，在簇內(nèi)層次越高的節(jié)點(diǎn)，其移動(dòng)時(shí)間受“ferry”路由周期的影響就越低。事實(shí)上，當(dāng)n≥3時(shí)，T/(2×4ⁿ)≤T/192，當(dāng)且僅當(dāng)T^wk=T^ab時(shí)取等號(hào)，而且，在一個(gè)正常工作的網(wǎng)絡(luò)中， T^wk>>T^ab，則不等式的最后一項(xiàng)其分母將會(huì)變得更大，因此，可以認(rèn)為當(dāng)節(jié)點(diǎn)在簇內(nèi)的層次k≥3之后，節(jié)點(diǎn)的非正常工作時(shí)間就與“ferry” 的路由周期關(guān)系不大，甚至可以忽略 “ferry”的路由周期的影響，只與節(jié)點(diǎn)間的距離有關(guān)而已。
3 仿真結(jié)果
??? 本文使用了C語言實(shí)現(xiàn)了CB-NIMF的仿真過程。為了簡(jiǎn)化非正常工作時(shí)間的分析，在仿真過程中，并沒有把能量和延遲等因素考慮在內(nèi)。
??? 系統(tǒng)概述：
　　在假設(shè)的DTN網(wǎng)絡(luò)模型中，所有節(jié)點(diǎn)隨機(jī)分布在網(wǎng)絡(luò)內(nèi)， “ferry” 的路由路徑是固定的。
　　(1)將整個(gè)網(wǎng)絡(luò)分成50×50的方格，只有處于同一個(gè)方格內(nèi)的節(jié)點(diǎn)才能進(jìn)行正常通信。
　　(2)每個(gè)節(jié)點(diǎn)都擁有與 “ferry”進(jìn)行長(zhǎng)距離通信的能力，不過由于長(zhǎng)距離通信消耗的能量比正常通信消耗的能量大得多，節(jié)點(diǎn)只會(huì)在網(wǎng)絡(luò)初始化時(shí)期通過該長(zhǎng)距離通信向 “ferry”通知自己的坐標(biāo)數(shù)據(jù)以及從 “ferry”處獲取初始化信息。
　　(3)在模型中，ferry每一個(gè)系統(tǒng)時(shí)間前進(jìn)一個(gè)單位格，即ferry在當(dāng)前的方格只停留一個(gè)單位時(shí)間，普通節(jié)點(diǎn)只有與ferry處于同一方格內(nèi)才能進(jìn)行普通數(shù)據(jù)傳輸。
　　(4)每個(gè)節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)速度是每個(gè)單位時(shí)間可以前進(jìn)一個(gè)單位格，包括斜對(duì)角方向的單元格。
　　為了比較網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)數(shù)目導(dǎo)致的NIMF和CB-NIMF兩種算法節(jié)點(diǎn)移動(dòng)時(shí)間的差異，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)數(shù)目分別為10、25、50、75、100、125、150、175、200時(shí)，分別仿真了兩種算法下節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)時(shí)間，結(jié)果如圖5所示:當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)數(shù)目較少時(shí)，CB-NIMF和NIMF 兩種方式中的總節(jié)點(diǎn)移動(dòng)時(shí)間相差不多，但是隨著網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)數(shù)目增加，CB-NIMF 方式下總節(jié)點(diǎn)移動(dòng)時(shí)間將會(huì)比NIMF方式下總節(jié)點(diǎn)移動(dòng)時(shí)間越來越少，也就是說，當(dāng)節(jié)點(diǎn)數(shù)目比較大的時(shí)候，CB-NIMF比NIFM具有明顯的優(yōu)勢(shì)。這也與前面的分析一致，當(dāng)節(jié)點(diǎn)的數(shù)目增多，簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)的數(shù)目相應(yīng)增多，高層次的節(jié)點(diǎn)將會(huì)增加，而層次越高的節(jié)點(diǎn)，其非正常工作時(shí)間與“ferry”路由周期T的關(guān)系就越小，甚至可以說只與節(jié)點(diǎn)間的距離有關(guān)。而在一個(gè)基于NIMF的DTN網(wǎng)絡(luò)中，每個(gè)節(jié)點(diǎn)的非正常工作時(shí)間都與 “ferry” 路由周期T密切相關(guān)，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)的非正常工作時(shí)間總和與節(jié)點(diǎn)數(shù)目以及T成正比。

　　當(dāng)節(jié)點(diǎn)數(shù)目較少時(shí)，每次簇內(nèi)的節(jié)點(diǎn)會(huì)比較少甚至可能只有1~2個(gè)節(jié)點(diǎn)存在。因?yàn)楸舅惴ㄒ?guī)定每個(gè)簇內(nèi)只有一個(gè)節(jié)點(diǎn)能與“ferry” 節(jié)點(diǎn)進(jìn)行直接通信，如果簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)很少時(shí)，采用CB-NIMF方式并不合適。不過，一般用于數(shù)據(jù)采集的傳感器網(wǎng)絡(luò)，其節(jié)點(diǎn)數(shù)目都比較多。而從前面的研究中看出，隨著網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)數(shù)目的增加，CB-NIMF的優(yōu)勢(shì)也會(huì)逐漸增加。因此，CB-NIMF相比較于NIMF還是有巨大優(yōu)勢(shì)的。
　　本文針對(duì)用于數(shù)據(jù)采集且基于“ferry”的容遲網(wǎng)絡(luò)中采用NIMF路由時(shí)節(jié)點(diǎn)移動(dòng)時(shí)間過長(zhǎng)的缺陷，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)中普通節(jié)點(diǎn)也可以進(jìn)行數(shù)據(jù)路由以及網(wǎng)絡(luò)分布的特點(diǎn)，提出新的基于簇的路由算法CB-NIMF，理論推導(dǎo)和仿真結(jié)果說明，CB-NIMF能有效地減少節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)時(shí)間，從而增加節(jié)點(diǎn)在固定時(shí)間內(nèi)的數(shù)據(jù)采集量。