一種低能耗的能量感知物聯(lián)網(wǎng)M2M路由協(xié)議

杜經(jīng)緯

（運(yùn)城學(xué)院計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系，運(yùn)城 044000）

一種低能耗的能量感知物聯(lián)網(wǎng)M2M路由協(xié)議

杜經(jīng)緯

（運(yùn)城學(xué)院計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系，運(yùn)城 044000）

隨著M2M的快速發(fā)展，基于蜂窩網(wǎng)路的M2M通信已經(jīng)成為當(dāng)前的主要移動(dòng)通信方法，然而基于蜂窩網(wǎng)絡(luò)的M2M的能耗問題是阻礙其迅速發(fā)展的一個(gè)瓶頸。為了降低網(wǎng)絡(luò)的能耗和實(shí)現(xiàn)負(fù)載的均衡，提出一種低能耗的能量感知物聯(lián)網(wǎng)M2M路由協(xié)議。在AODV網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的基礎(chǔ)上，對(duì)路由發(fā)現(xiàn)的過程進(jìn)行改進(jìn)，在對(duì)下一跳節(jié)點(diǎn)的選擇上充分考慮當(dāng)前節(jié)點(diǎn)到下一跳節(jié)點(diǎn)的發(fā)送能耗和下一跳節(jié)點(diǎn)對(duì)當(dāng)前節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)的接收能耗，同時(shí)對(duì)網(wǎng)絡(luò)鏈路的斷裂進(jìn)行重新修復(fù)。仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：該低能耗的路由協(xié)議能適時(shí)感知鏈路質(zhì)量，同時(shí)在選擇路由時(shí)盡可能地降低路由總能耗，是一種M2M下的可行路由協(xié)議。

路由協(xié)議；低能耗；能量感知；物聯(lián)網(wǎng)

0 引言

M2M在廣義上可以被定義為機(jī)器與機(jī)器之間的通信，它包含機(jī)器對(duì)機(jī)器、人對(duì)機(jī)器、機(jī)器對(duì)人以及移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)機(jī)器等幾個(gè)含義[1]。M2M從狹義上來說僅表示機(jī)器與機(jī)器的通信，主要指利用無線移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)非IT機(jī)器設(shè)備與IT設(shè)備的通信。M2M作為一種物聯(lián)網(wǎng)的最普遍的形式，其涉及一個(gè)或多個(gè)實(shí)體，且無需人為干預(yù)而進(jìn)行數(shù)據(jù)通信[2-3]。M2M的顯著特點(diǎn)就是能在僅有較小數(shù)據(jù)通信的情況下，實(shí)現(xiàn)低移動(dòng)性、時(shí)延容忍和業(yè)務(wù)突發(fā)。M2M其需要多種網(wǎng)絡(luò)的支持，這些網(wǎng)絡(luò)主要包括GSM、CDMA、TD-SCDMA等蜂窩網(wǎng)絡(luò)，以及專用無線網(wǎng)絡(luò)WLAN和WPAN，以及 Internet網(wǎng)絡(luò)。隨著M2M的快速發(fā)展，基于蜂窩網(wǎng)路的M2M通信已經(jīng)成為了當(dāng)前的主要移動(dòng)通信方法[4]，然而這種方法是主要基于H2H通信業(yè)務(wù)，無法滿足M2M的業(yè)務(wù)需求。然而，M2M的能耗問題是阻礙其迅速發(fā)展的一個(gè)瓶頸，由于M2M網(wǎng)絡(luò)采用自組織方式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享和數(shù)據(jù)傳輸，因此，提出了一種低能耗的路由策略。

1 能量感知的低能耗M2M路由協(xié)議

1.1M2M 網(wǎng)絡(luò)基本結(jié)構(gòu)

M2M網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)機(jī)構(gòu)是：采用移動(dòng)終端以及傳感器設(shè)備來采集信息，并采用無線或者有線通信方式將信息傳送到基站中心來進(jìn)行匯聚和處理，在基站中心處理完數(shù)據(jù)后，將其發(fā)送到數(shù)據(jù)終端進(jìn)行利用。M2M的示意圖如圖1所示：

圖1 M2M基本結(jié)構(gòu)示意圖

從圖1中可以看出，M2M網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)主要包含：（1）傳感器、制動(dòng)器、RFID標(biāo)簽等智能通信設(shè)備；（2）M2M網(wǎng)關(guān)：主要負(fù)責(zé)接收從智能通信設(shè)備獲取的原始數(shù)據(jù)并進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)的初始化；（3）M2M網(wǎng)絡(luò)：主要實(shí)現(xiàn)智能設(shè)備和M2M網(wǎng)關(guān)之間的連接；（4）通信網(wǎng)絡(luò)：實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸；（5）遠(yuǎn)程客戶端或應(yīng)用程序：實(shí)現(xiàn)一些數(shù)據(jù)的加工處理、數(shù)據(jù)的可視化以及為實(shí)現(xiàn)用戶指定的功能。

1.2 能耗目標(biāo)函數(shù)

AODV（Ad Hoc On-demand Distance Vector Routing，AODV）路由協(xié)議是一種按需路由協(xié)議，它可以實(shí)現(xiàn)按需建立路由連接，然后基于此連接進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，直到鏈路斷裂，因此部分節(jié)點(diǎn)會(huì)因?yàn)槟芰块_銷過大而提早死亡，不能很好適應(yīng)于M2M物聯(lián)網(wǎng)的需求。在M2M網(wǎng)絡(luò)中，采用重傳機(jī)制來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸，以確保數(shù)據(jù)能正確被傳輸。當(dāng)某節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)包給目標(biāo)節(jié)點(diǎn)時(shí)，目標(biāo)節(jié)點(diǎn)在接收到該數(shù)據(jù)包后會(huì)向源節(jié)點(diǎn)發(fā)送一個(gè)確認(rèn)包；如果目標(biāo)節(jié)點(diǎn)并未收到數(shù)據(jù)包或者數(shù)據(jù)包未被目標(biāo)節(jié)點(diǎn)正確接收，則發(fā)送節(jié)點(diǎn)繼續(xù)向源節(jié)點(diǎn)發(fā)送相同的數(shù)據(jù)包，知道目標(biāo)節(jié)點(diǎn)已接收到正確的數(shù)據(jù)包或者達(dá)到最大重傳次數(shù)，此時(shí)，傳輸過程結(jié)束。

假設(shè)數(shù)據(jù)包的最大允許重傳次數(shù)為n，目標(biāo)節(jié)點(diǎn)j接收到來自源節(jié)點(diǎn)i的大小為Lbit的數(shù)據(jù)包，其接收到的概率為pij(L)。源節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)包的大小為Ldbit，目標(biāo)節(jié)點(diǎn)發(fā)回的確認(rèn)包大小為Lhbit，接收數(shù)據(jù)包Ld和發(fā)回確認(rèn)包Lh所消耗的能量為：

其中，Ej[Lh]表示目標(biāo)節(jié)點(diǎn)j發(fā)回確認(rèn)包的平均次數(shù)，Ei[Ld]表示源節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)包的平均次數(shù)。Ai和Aj分別表示源節(jié)點(diǎn)和目標(biāo)節(jié)點(diǎn)處理單元所需功率。Bi和Bj表示源節(jié)點(diǎn)和目標(biāo)節(jié)點(diǎn)無線接口電路所需功率。Pi和Pj表示源節(jié)點(diǎn)和目標(biāo)節(jié)點(diǎn)功率放大器的功率效率。r表示數(shù)據(jù)的傳輸比特率。

1.3 協(xié)議設(shè)計(jì)

（1）路由發(fā)現(xiàn)過程

本文設(shè)計(jì)的基于AODV的低能耗路由協(xié)議，主要有兩個(gè)改進(jìn)：即在下一跳節(jié)點(diǎn)時(shí)綜合考慮了能耗因素，同時(shí)建立多條冗余的路由，防止由于某條通信路由的斷鏈導(dǎo)致數(shù)據(jù)無法被正常傳輸。

①下一跳節(jié)點(diǎn)的選擇：源節(jié)點(diǎn)有數(shù)據(jù)要發(fā)送給目標(biāo)節(jié)點(diǎn)時(shí)，首先需要查找路由表中是否存在著到目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的路由，如果不存在就要重新發(fā)送路由發(fā)現(xiàn)過程；如果存在，就查找源節(jié)點(diǎn)的下一跳節(jié)點(diǎn)集，根據(jù)公式（1）來查找具有最小發(fā)送能耗和最小接收能耗。

②建立多條冗余路徑：對(duì)于傳輸路徑中的任意節(jié)點(diǎn)，包括源節(jié)點(diǎn)，如果沒有緩沖隊(duì)列，就建立多條正向路由。

路由建立的過程為：源節(jié)點(diǎn)對(duì)所有鄰居節(jié)點(diǎn)廣播路由請(qǐng)求包RREQ，當(dāng)中間節(jié)點(diǎn)收到該請(qǐng)求數(shù)據(jù)包，就通過RREQID和源節(jié)點(diǎn)IP來判斷是否曾接收過此報(bào)文；如果接收過就放棄，否則建立到上一跳的路由。同時(shí)查看自己的路由表中是否存在著到目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的路由，如果不存在則，則開始新一輪的廣播路由請(qǐng)求包RREQ過程，否則生成RREP并沿著反向路由發(fā)送到源節(jié)點(diǎn)。

當(dāng)路由發(fā)現(xiàn)的過程中，發(fā)現(xiàn)某節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的下一跳節(jié)點(diǎn)的數(shù)量小于等于1時(shí)，就會(huì)在該節(jié)點(diǎn)處啟動(dòng)路由發(fā)現(xiàn)過程，從而建立網(wǎng)絡(luò)中任意節(jié)點(diǎn)之間的多條路由，提高網(wǎng)絡(luò)的可靠性，同時(shí)進(jìn)一步降低網(wǎng)絡(luò)能耗，實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)負(fù)載均衡。

（2）路由斷裂的維護(hù)

路由斷裂的監(jiān)測(cè)和修復(fù)都是通過網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)對(duì)自身能量的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)實(shí)現(xiàn)。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的剩余能量低于初始值的30%時(shí)，此可能發(fā)生鏈路斷裂的節(jié)點(diǎn)就發(fā)送RREQ數(shù)據(jù)包給所有上游節(jié)點(diǎn)，上游節(jié)點(diǎn)在接收到該節(jié)點(diǎn)發(fā)送的RREQ包后，刪除所有路由中的下一條節(jié)點(diǎn)集中的該節(jié)點(diǎn)，并發(fā)送RRER包給該可能發(fā)生鏈路斷裂的節(jié)點(diǎn)。當(dāng)該可能發(fā)生鏈路斷裂的節(jié)點(diǎn)收到的RRER包的數(shù)量等于其上一跳節(jié)點(diǎn)集中的元素個(gè)數(shù)時(shí)，將該節(jié)點(diǎn)刪除。

節(jié)點(diǎn)刪除和鏈路修復(fù)的過程如圖2所示：

圖2 節(jié)點(diǎn)連接拓?fù)鋱D

在圖2中，當(dāng)根據(jù)源節(jié)點(diǎn)發(fā)送能耗和節(jié)點(diǎn)接收能耗總和進(jìn)行計(jì)算時(shí)，能耗最小的路徑為S→B→E→F，當(dāng)節(jié)點(diǎn)E發(fā)現(xiàn)其剩余能量已小于30%時(shí)，節(jié)點(diǎn)E通知其所有上游節(jié)點(diǎn)，即B，并通常B刪除從B到E的路由。

此時(shí)，S發(fā)送到節(jié)點(diǎn)B時(shí)，將判斷是否存在著下一跳節(jié)點(diǎn)，這里為G，因此將啟動(dòng)G作為一跳傳輸節(jié)點(diǎn)進(jìn)行傳輸，即啟動(dòng)路徑S→B→G→D，而在節(jié)點(diǎn)E處啟動(dòng)路由修復(fù)過程。如果在節(jié)點(diǎn)B處已無下一跳傳輸節(jié)點(diǎn)，則會(huì)返回信息給S，要求源節(jié)點(diǎn)重新選擇其他下一跳節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

2 仿真實(shí)驗(yàn)

采用NS2仿真工具對(duì)本文提出的低能耗M2M路由協(xié)議進(jìn)行仿真和評(píng)價(jià)。M2M物聯(lián)網(wǎng)參數(shù)設(shè)置如下：

表1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)參數(shù)設(shè)置

為了對(duì)文中方法進(jìn)行驗(yàn)證，從總能量消耗來對(duì)文中方法與其他方法進(jìn)行比較，它們分別是基于負(fù)載均衡的M2M網(wǎng)絡(luò)多徑路由算法[5]和基于社區(qū)的能耗感知路由策略[6]，三種方法得到的結(jié)果如圖3所示：

圖3 各方法能耗比較

從圖3中可以看出，文中的方法對(duì)應(yīng)的總能耗在整個(gè)仿真期間，一直低于另外兩種方法。隨著節(jié)點(diǎn)數(shù)量的增加，也始終保持一個(gè)較低的水平。這是因?yàn)槲闹蟹椒ㄔ谶x擇下一跳節(jié)點(diǎn)時(shí)，充分考慮了當(dāng)前節(jié)點(diǎn)到下一跳節(jié)點(diǎn)的發(fā)送能耗和下一跳節(jié)點(diǎn)到當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的接收能耗。同時(shí)在節(jié)點(diǎn)剩余能量太低時(shí)，會(huì)啟動(dòng)路由修復(fù)過程，使得網(wǎng)絡(luò)的可靠性較高。

這三種方法對(duì)應(yīng)的仿真時(shí)間和網(wǎng)絡(luò)總能耗如表2所示：

表2 仿真時(shí)間比較

從表2所示，文中方法的總仿真時(shí)間為300ms，遠(yuǎn)小于文獻(xiàn)[5]方法和文獻(xiàn)[9]方法的600 ms和700 ms，這是因?yàn)槲闹蟹椒ú捎昧烁倪M(jìn)的路由發(fā)現(xiàn)和路由維護(hù)過程，提高了網(wǎng)絡(luò)的可靠性，因此，具有較短的傳輸時(shí)間。

3 結(jié)語

為了降低物聯(lián)網(wǎng)M2M網(wǎng)絡(luò)的能耗開銷，本文提出了一種物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下的M2M低能耗的路由協(xié)議，對(duì)路由發(fā)現(xiàn)和路由修復(fù)過程都進(jìn)行了改進(jìn)，尤其是在路由發(fā)現(xiàn)的過程中通過考慮發(fā)送節(jié)點(diǎn)的發(fā)送能耗開銷和接收節(jié)點(diǎn)的接收能耗開銷，來降低網(wǎng)絡(luò)總開銷。通過在NS2仿真環(huán)境下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明了文中方法的能耗開銷隨著網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)增多始終處于較低水平，并遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于其他方法，同時(shí)在規(guī)劃路由時(shí)具有較短的仿真時(shí)間。

[1]International Telecommunication Union.Internet Reports 2005：the Internet of Things[R].Geneva：ITU,2005.

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[4]林啟中,張冬梅,許魁,等.蜂窩網(wǎng)絡(luò)中M2M通信上行接入資源分配[J].應(yīng)用科學(xué)學(xué)報(bào),2015,33（2）：129-141.

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Design of Route Protocol with Low Energy Consumption for M2M in Internet of Things

DU Jing-wei
（Department of computer science and technology,Yuncheng University，Yuncheng 044000）

With the rapid development of M2M,the M2M communication becomes the main mobile communication method based on cellular network,but it also brings the problem of large energy consumption.In order to reduce the energy consumption and realize the load balance,proposes a M2M route protocol with low energy consumption.On the basis of AODV,improves the route finding procedure,the selection of the next hop node considers both the sending energy consumption between the current node to the next hop node and the receiving energy consumption between the next hop node to the current node.Furthermore,the route can be restored when it is broken.The experiment result shows that the proposed route protocol can sense the route energy and reduce the energy consumption,so it is a feasible protocol.

Route Protocol;Low Energy Consumption;Energy Sensing;Internet of Things

1007-1423（2017）32-0024-04

10.3969/j.issn.1007-1423.2017.32.006

杜經(jīng)緯（1979-06），男，山西芮城人，碩士研究生，副教授，研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)

2017-10-25

2017-11-12