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内蒙古大学研究团队提出先进的DTMSN可靠节能路由算法

2018-06-27 13:40:13 | 来源: 消费日报网 | 编辑: 朱安娜 | 责编: 韩俣
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  随着微电子和通信技术的飞速发展,移动联网技术得到快速发展。延迟容忍移动传感器网络(DTMSN)作为移动互联网的支撑技术之一,广泛应用在物联网领域,特别是对消息传输时延不高的环境。DTMSN凭借其低成本、易部署等优势在军事、野生动物监测、环境监测、医疗卫生等场景得到了广泛的应用。但目前,DTMSN中的传感器节点通常是由电池供电,很容易因电量不足而失效;另外节点和链路失效会导致数据传输过程中出现随机性丢包现象,影响了网络中数据传输的可靠性。因此如何在保证链路可靠性的条件下,降低节点的通信能耗、延长网络的生存时间是需要解决的一个重要问题。

  内蒙古大学计算机学院马学彬副教授研究团队依托“无线网络与移动计算”内蒙古自治区重点实验室,积极探索新型无线和移动网络的基本原理和重要特性。近日,该团队在延迟容忍移动传感器网络路由算法方面取得了显著成绩,该算法能够提高传输数据的成功率,并达到节能的目的。该研究成果中以《延迟容忍移动传感器网络中基于最优距离的可靠节能路由算法》为题被《电子学报》录用,即将发表。

  本研究旨在通过解决DTMSN中链路质量差和能量受限的问题,获得一个数据传输可靠性强、能源利用率高的路由算法。针对DTMSN中数据传输的可靠性以及传感器节点能量使用效率这两个关键问题,重点研究以下四个方面:

  (1)为保证网络可靠性,分析了有限数量的传输次数以及ACK确认包对链路能量消耗的影响;

  (2)在可靠性保证下,分析了传输距离对节点能量消耗以及网络生存时间的影响;

  (3)由于节点频繁移动,在消息传输时考虑了节点的运动方向、节点剩余能量及节点成功接收数据的概率等因素的影响;

  (4)在消息传输过程中分析节点消耗的能量时,不仅计算发送消息的节点消耗的能量,而且计算接收消息的节点消耗的能量。

  基于以上四部分,本研究获得以下研究成果:

  (1)基于距离优化的可靠节能路由算法。该路由算法利用距离与能量的关系解决DTMSN中的三个重要问题:可靠性、能源效率、网络生存时间。首先,在链路质量保证下,引入了“可靠节能距离”和“可靠能量平衡距离”两个概念。其次,通过分析节点间的距离、节点的运动方向及节点的当前剩余能量来确定节点的综合效用值。最后根据节点综合效用值的大小来路由消息。实验主要实现了两部分,第一部分在基于距离优化的可靠节能路由算法的框架中引入不同的效用值函数U1、U2、U3,如图1所示。根据实验结果选择U3作为基于距离优化的可靠节能路由算法的效用值函数,并记为RBOD。第二部分实现了基于距离优化的可靠节能路由算法RBOD、基于距离优化的节能路由算法BOD以及基于距离的能量感知路由算法DER在平均投递率、平均网络负载率、平均时延、平均跳数和网络生存时间等方面进行比较,如图2所示。结果表明,RBOD路由算法虽然平均时延有所增加,但是提高了平均投递率,降低了平均网络负载率、平均跳数,节省并均衡了节点能量消耗,使得网络生存时间明显增加,而且在单副本传输条件下保证了消息传输的可靠性,是一种高效的路由算法。

【业界】内蒙古大学研究团队提出先进的DTMSN可靠节能路由算法

图1  网络节点密度对U1、U2和U3的影响

【业界】内蒙古大学研究团队提出先进的DTMSN可靠节能路由算法

图2  网络节点密度对RBOD、BOD和DER的影响

  (2)基于能量成本的可靠路由算法。该路由算法综合考虑数据传输的可靠性和节点能量消耗的有效性,设计了一种新的度量,即基于距离的可靠能量成本(Reliable Energy Cost Based on Distance,RECBD),利用节点间的距离、节点的当前剩余能量、转发节点的预期能量成本以及转发节点成功接收数据的概率来确定节点的RECBD值,最后根据RECBD值的大小来路由消息。通过实验,基于能量成本的可靠路由算法RECBD、可靠节能路由算法REC以及基于距离优化的可靠节能路由算法RBOD,在平均投递率、平均网络负载率、平均时延、平均跳数以及网络生存时间等方面进行比较,如图3所示。实验结果显示,相比于REC以及RBOD,虽然该路由算法平均时延略高,但进一步提高了平均投递率,延长了网络生存时间,同时降低了消息传输的平均网络负载率以及平均跳数,是一种更高效的可靠节能路由算法。

【业界】内蒙古大学研究团队提出先进的DTMSN可靠节能路由算法

图4.2  网络节点密度对RECBD、REC和RBOD的影响

  在IOT技术盛行的今天,DTMSN成为学术界和工业界的广泛关注,虽然本研究在理论上已经取得了一些成果,并在实际部署中获得了较好的效果,但在其还有改进的空间。未来该项目组关于DTMSN路由算法的研究将从以下两个方面进一步优化和完善:

  (1)缩短时延。综合本研究所有实验结果,消息的时延比较高,因此,可以研究如何在可靠性以及消息投递率、网络负载率等性能的保证下,减小消息的平均传输时延。

  (2)信息保护。DTMSN路由消息的过程使用无线通信的方式,这种方式传输的数据很容易被窃听、截获、篡改。此外,DTMSN中的传感器节点一般部署在工作人员很难到达的涉险环境中,对这些传感器节点的有效保护和维护很难完成,因此DTMSN中数据的安全传输是一个很严峻的挑战。

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