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內蒙古大學研究團隊提出先進的DTMSN可靠節能路由算法

2018-06-27 13:40:13 | 來源: 消費日報網 | 編輯: 朱安娜 | 責編: 韓俁
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  隨著微電子和通信技術的飛速發展,移動聯網技術得到快速發展。延遲容忍移動傳感器網絡(DTMSN)作為移動互聯網的支撐技術之一,廣泛應用在物聯網領域,特別是對消息傳輸時延不高的環境。DTMSN憑藉其低成本、易部署等優勢在軍事、野生動物監測、環境監測、醫療衛生等場景得到了廣泛的應用。但目前,DTMSN中的傳感器節點通常是由電池供電,很容易因電量不足而失效;另外節點和鏈路失效會導致數據傳輸過程中出現隨機性丟包現象,影響了網絡中數據傳輸的可靠性。因此如何在保證鏈路可靠性的條件下,降低節點的通信能耗、延長網絡的生存時間是需要解決的一個重要問題。

  內蒙古大學計算機學院馬學彬副教授研究團隊依託“無線網絡與移動計算”內蒙古自治區重點實驗室,積極探索新型無線和移動網絡的基本原理和重要特性。近日,該團隊在延遲容忍移動傳感器網絡路由算法方面取得了顯著成績,該算法能夠提高傳輸數據的成功率,並達到節能的目的。該研究成果中以《延遲容忍移動傳感器網絡中基於最優距離的可靠節能路由算法》為題被《電子學報》錄用,即將發表。

  本研究旨在通過解決DTMSN中鏈路質量差和能量受限的問題,獲得一個數據傳輸可靠性強、能源利用率高的路由算法。針對DTMSN中數據傳輸的可靠性以及傳感器節點能量使用效率這兩個關鍵問題,重點研究以下四個方面:

  (1)為保證網絡可靠性,分析了有限數量的傳輸次數以及ACK確認包對鏈路能量消耗的影響;

  (2)在可靠性保證下,分析了傳輸距離對節點能量消耗以及網絡生存時間的影響;

  (3)由於節點頻繁移動,在消息傳輸時考慮了節點的運動方向、節點剩餘能量及節點成功接收數據的概率等因素的影響;

  (4)在消息傳輸過程中分析節點消耗的能量時,不僅計算發送消息的節點消耗的能量,而且計算接收消息的節點消耗的能量。

  基於以上四部分,本研究獲得以下研究成果:

  (1)基於距離優化的可靠節能路由算法。該路由算法利用距離與能量的關係解決DTMSN中的三個重要問題:可靠性、能源效率、網絡生存時間。首先,在鏈路質量保證下,引入了“可靠節能距離”和“可靠能量平衡距離”兩個概念。其次,通過分析節點間的距離、節點的運動方向及節點的當前剩餘能量來確定節點的綜合效用值。最後根據節點綜合效用值的大小來路由消息。實驗主要實現了兩部分,第一部分在基於距離優化的可靠節能路由算法的框架中引入不同的效用值函數U1、U2、U3,如圖1所示。根據實驗結果選擇U3作為基於距離優化的可靠節能路由算法的效用值函數,並記為RBOD。第二部分實現了基於距離優化的可靠節能路由算法RBOD、基於距離優化的節能路由算法BOD以及基於距離的能量感知路由算法DER在平均投遞率、平均網絡負載率、平均時延、平均跳數和網絡生存時間等方面進行比較,如圖2所示。結果表明,RBOD路由算法雖然平均時延有所增加,但是提高了平均投遞率,降低了平均網絡負載率、平均跳數,節省並均衡了節點能量消耗,使得網絡生存時間明顯增加,而且在單副本傳輸條件下保證了消息傳輸的可靠性,是一種高效的路由算法。

【業界】內蒙古大學研究團隊提出先進的DTMSN可靠節能路由算法

圖1  網絡節點密度對U1、U2和U3的影響

【業界】內蒙古大學研究團隊提出先進的DTMSN可靠節能路由算法

圖2  網絡節點密度對RBOD、BOD和DER的影響

  (2)基於能量成本的可靠路由算法。該路由算法綜合考慮數據傳輸的可靠性和節點能量消耗的有效性,設計了一種新的度量,即基於距離的可靠能量成本(Reliable Energy Cost Based on Distance,RECBD),利用節點間的距離、節點的當前剩餘能量、轉發節點的預期能量成本以及轉發節點成功接收數據的概率來確定節點的RECBD值,最後根據RECBD值的大小來路由消息。通過實驗,基於能量成本的可靠路由算法RECBD、可靠節能路由算法REC以及基於距離優化的可靠節能路由算法RBOD,在平均投遞率、平均網絡負載率、平均時延、平均跳數以及網絡生存時間等方面進行比較,如圖3所示。實驗結果顯示,相比于REC以及RBOD,雖然該路由算法平均時延略高,但進一步提高了平均投遞率,延長了網絡生存時間,同時降低了消息傳輸的平均網絡負載率以及平均跳數,是一種更高效的可靠節能路由算法。

【業界】內蒙古大學研究團隊提出先進的DTMSN可靠節能路由算法

圖4.2  網絡節點密度對RECBD、REC和RBOD的影響

  在IOT技術盛行的今天,DTMSN成為學術界和工業界的廣泛關注,雖然本研究在理論上已經取得了一些成果,並在實際部署中獲得了較好的效果,但在其還有改進的空間。未來該項目組關於DTMSN路由算法的研究將從以下兩個方面進一步優化和完善:

  (1)縮短時延。綜合本研究所有實驗結果,消息的時延比較高,因此,可以研究如何在可靠性以及消息投遞率、網絡負載率等性能的保證下,減小消息的平均傳輸時延。

  (2)信息保護。DTMSN路由消息的過程使用無線通信的方式,這種方式傳輸的數據很容易被竊聽、截獲、篡改。此外,DTMSN中的傳感器節點一般部署在工作人員很難到達的涉險環境中,對這些傳感器節點的有效保護和維護很難完成,因此DTMSN中數據的安全傳輸是一個很嚴峻的挑戰。

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