基于泊松分布的無線物聯(lián)網(wǎng)延遲接入路由研究

周冬梅　劉錦榮　王建勤

摘要：物聯(lián)網(wǎng)的終端數(shù)量多、分布廣，研究快速、低成本接入網(wǎng)絡具現(xiàn)實意義。在假定物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點服從泊松分布的基礎(chǔ)上，建立了物聯(lián)網(wǎng)終端的基本接入路由模型?？紤]到物聯(lián)網(wǎng)終端具有高度移動性、動態(tài)性等特點，建立了改進接入路由模型。為了提高物聯(lián)網(wǎng)終端接入的可靠性，提出了延遲接入路由策略及其算法。

關(guān)鍵詞：泊松分布；物聯(lián)網(wǎng)；移動性；接入路由模型；延遲接入

DOIDOI：10.11907/rjdk.1431055

中圖分類號：TP393

文獻標識碼：A 文章編號：16727800（2015）006016403

作者簡介作者簡介：周冬梅（1973-），女，黑龍江黑河人，博士，成都理工大學信息工程學院副教授、碩士生導師，研究方向為網(wǎng)絡互聯(lián)技術(shù)及交通運輸安全評估；劉錦榮（1992-），女，陜西延安人，成都理工大學信息工程學院碩士研究生，研究方向為無線網(wǎng)絡技術(shù)。

0 引言

物聯(lián)網(wǎng)[1，9]是指通過射頻識別（ Radio Frequency Identification，RFID） 裝置、紅外感應器、全球定位系統(tǒng)、激光掃描儀等信息傳感設(shè)備，按約定協(xié)議，把任何物品與互聯(lián)網(wǎng)連接，進行信息交換和通信，以實現(xiàn)智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡。由于物聯(lián)網(wǎng)終端分布廣、數(shù)量多，快速、低成本接入物聯(lián)網(wǎng)成為物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域亟待研究解決的問題。

全球主要發(fā)達國家和地區(qū)均十分重視物聯(lián)網(wǎng)研究，其中路由技術(shù)[5]是物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡層的核心技術(shù)，也是當今國內(nèi)外研究的熱點。從路由的角度看，物聯(lián)網(wǎng)有其自身的特點：物聯(lián)網(wǎng)的終端具有高度移動性和動態(tài)性、異構(gòu)性及能量有限性，所以計算機網(wǎng)絡中的路由協(xié)議[2]對物聯(lián)網(wǎng)是不適用的。因此，物聯(lián)網(wǎng)終端接入路由設(shè)計成為研究重點之一。目前已經(jīng)研究出許多適合于無線網(wǎng)絡[3]的路由協(xié)議，包括先驗式路由協(xié)議DSDV[10]和FSR[11]、按需式路由協(xié)議DSR[12，13]和ADOV[6，14]以及混合式路由協(xié)議ZRP[15]和DDR[16]等。

1 模型建立的假設(shè)條件

假設(shè)條件如下：①假設(shè)物聯(lián)網(wǎng)的體系結(jié)構(gòu)中節(jié)點都在同一個平面以內(nèi)；②假設(shè)節(jié)點的通信覆蓋區(qū)域[8]相同，都是半徑為r的圓域，覆蓋面積為πr2，節(jié)點只能與通信范圍內(nèi)的節(jié)點直接通信。

2 基本接入路由模型及其仿真

物聯(lián)網(wǎng)的終端接入是通過與基站建立連接來實現(xiàn)的，其接入方式分兩種情況：①每個終端直接與其鄰接基站相接；②先由終端組成一個自組網(wǎng)絡，然后再由某個節(jié)點與基站建立連接。

2.2 基本接入路由模型仿真分析

圖1、圖2、圖3是運用MATLAB[4]工具對物聯(lián)網(wǎng)的基本接入路由模型進行的3組分析。圖中用橫坐標表示節(jié)點的通信半徑，縱坐標表示終端的接入概率，它們的節(jié)點通信半徑取值范圍均為0～1000m。

圖1顯示了當基站泊松分布參數(shù)為0.000 05（個/m2）、終端泊松分布參數(shù)為0.01（個/m2）時，終端與基站中轉(zhuǎn)跳數(shù)分別取1、2、3時，終端的接入概率隨物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點通信半徑的變化情況。從圖 1可以看出，在基站泊松分布參數(shù)與終端設(shè)備泊松分布參數(shù)固定不變的條件下，物聯(lián)網(wǎng)終端接入概率隨中轉(zhuǎn)跳數(shù)的增加而增加。 通信半徑的變化情況：在終端的泊松分布參數(shù)與終端距離基站的跳數(shù)固定不變的條件下，物聯(lián)網(wǎng)基站分布越密集，物聯(lián)網(wǎng)終端的接入概率就越大。

圖 2顯示當中轉(zhuǎn)跳數(shù)為2、基站泊松分布參數(shù)為0.000 05（個/m2）時，終端的泊松分布參數(shù)分別取0.000 1（個/m2）、0.001（個/m2）、0.01（個/m2）時，終端的接入概率隨物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點通信半徑的變化情況。從圖3可以看出，在基站的泊松分布參數(shù)與終端距離基站的跳數(shù)固定不變的條件下，物聯(lián)網(wǎng)終端分布越密集，其接入物聯(lián)網(wǎng)的概率就越大。

從圖 1、圖 2、圖3還可看出，物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點的通信半徑越大，終端的接入概率就越大。但是由于物聯(lián)網(wǎng)終端往往能量較低，其通信半徑難以增大。

3 延遲接入路由模型及仿真分析

物聯(lián)網(wǎng)中的基站和終端都具有隨機分布的特點，沒有固定的位置。由于任意節(jié)點可以自由地加入或離開網(wǎng)絡，這樣就給網(wǎng)絡的接入路由帶來了隨機性。物聯(lián)網(wǎng)的終端具有高度的移動性和動態(tài)性，因此在其接入策略上應考慮如何利用終端的移動性來提高接入概率。

3.1 延遲接入路由模型考慮到移動性對接入路由的影響，本研究對基本接入路由模型采取增加速度、延遲時間這兩個方式。

用終端與基站之間建立路由的跳數(shù)n來表示相應的鏈路開銷，相應的終端接入概率Pn表示傳輸?shù)膱笪目煽啃?，由上文可知：n越大，相應的Pn就越大。于是建立一個路由方案，最大程度地權(quán)衡連接可靠度和鏈路開銷兩個指標，使網(wǎng)絡資源得到充分利用。取接入概率Pn為縱坐標、延遲接入時間Δt為橫坐標建立直角坐標系，畫出不同跳數(shù)下終端設(shè)備接入概率的大致圖形，如圖3所示。

3.2 延遲接入路由算法實現(xiàn)

從圖3可知，取相同n跳數(shù)時，隨著延遲時間的增加，終端的接入概率Pn就越大。因此，提出延遲接入路由算法，算法的基本思想是：在相同接入概率下，節(jié)點采用基于動態(tài)模型的動態(tài)延遲接入，使n減小，從而節(jié)約鏈路開銷。綜合考慮鏈路開銷及接入概率問題，設(shè)定一個物聯(lián)網(wǎng)終端的接入概率閾值P0，最大延遲接入時間Δtmax=T，這兩個參數(shù)可以根據(jù)網(wǎng)絡情況動態(tài)修改。終端剛接入物聯(lián)網(wǎng)時，通過路由算法接入到距其最近的一個基站。假如通過路由算法得出的最近基站是在n跳范圍內(nèi)，通過基于泊松分布的終端動態(tài)接入模型得出n跳、n-1跳直到1跳等接入概率公式，如圖4所示。

3.3 延遲接入路由模型仿真結(jié)果分析

運用MATLAB工具對物聯(lián)網(wǎng)的延遲接入路由模型作分析，用橫坐標表示終端延遲接入時間，縱坐標表示接入概率。分析中轉(zhuǎn)跳數(shù)為1、基站泊松分布參數(shù)為0.000 05（個/m2）、終端泊松分布參數(shù)為0.01（個/m2）、通信半徑為100m，終端的移動速度分別取60（m/min）、90（m/min）、500（m/min）時，物聯(lián)網(wǎng)終端接入概率隨終端接入延遲時間的變化情況。當基站、終端的泊松分布參數(shù)與終端距離基站的跳數(shù)固定的條件下，終端的移動速度越大，終端接入的概率值越大。

4 結(jié)語

在分析物聯(lián)網(wǎng)終端移動性對接入路由模型的影響之后，提出了延遲接入路由策略。通過MATLAB工具對接入路由模型進行了仿真，驗證了在不考慮移動性對接入成功率的影響下，延遲接入路由策略對物聯(lián)網(wǎng)終端接入網(wǎng)絡的概率有一定的提高作用，這為研究如何讓更多的物聯(lián)網(wǎng)終端快速并且低成本地接入物聯(lián)網(wǎng)提供了參考。

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責任編輯（責任編輯：杜能鋼）