基于泊松分布的无线物联网延迟接入路由研究

周冬梅　刘锦荣　王建勤

摘要：物联网的终端数量多、分布广，研究快速、低成本接入网络具现实意义。在假定物联网节点服从泊松分布的基础上，建立了物联网终端的基本接入路由模型。考虑到物联网终端具有高度移动性、动态性等特点，建立了改进接入路由模型。为了提高物联网终端接入的可靠性，提出了延迟接入路由策略及其算法。

关键词：泊松分布；物联网；移动性；接入路由模型；延迟接入

DOIDOI：10.11907/rjdk.1431055

中图分类号：TP393

文献标识码：A 文章编号：16727800（2015）006016403

作者简介作者简介：周冬梅（1973-），女，黑龙江黑河人，博士，成都理工大学信息工程学院副教授、硕士生导师，研究方向为网络互联技术及交通运输安全评估；刘锦荣（1992-），女，陕西延安人，成都理工大学信息工程学院硕士研究生，研究方向为无线网络技术。

0 引言

物联网[1，9]是指通过射频识别（ Radio Frequency Identification，RFID） 装置、红外感应器、全球定位系统、激光扫描仪等信息传感设备，按约定协议，把任何物品与互联网连接，进行信息交换和通信，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。由于物联网终端分布广、数量多，快速、低成本接入物联网成为物联网领域亟待研究解决的问题。

全球主要发达国家和地区均十分重视物联网研究，其中路由技术[5]是物联网网络层的核心技术，也是当今国内外研究的热点。从路由的角度看，物联网有其自身的特点：物联网的终端具有高度移动性和动态性、异构性及能量有限性，所以计算机网络中的路由协议[2]对物联网是不适用的。因此，物联网终端接入路由设计成为研究重点之一。目前已经研究出许多适合于无线网络[3]的路由协议，包括先验式路由协议DSDV[10]和FSR[11]、按需式路由协议DSR[12，13]和ADOV[6，14]以及混合式路由协议ZRP[15]和DDR[16]等。

1 模型建立的假设条件

假设条件如下：①假设物联网的体系结构中节点都在同一个平面以内；②假设节点的通信覆盖区域[8]相同，都是半径为r的圆域，覆盖面积为πr2，节点只能与通信范围内的节点直接通信。

2 基本接入路由模型及其仿真

物联网的终端接入是通过与基站建立连接来实现的，其接入方式分两种情况：①每个终端直接与其邻接基站相接；②先由终端组成一个自组网络，然后再由某个节点与基站建立连接。

2.2 基本接入路由模型仿真分析

图1、图2、图3是运用MATLAB[4]工具对物联网的基本接入路由模型进行的3组分析。图中用横坐标表示节点的通信半径，纵坐标表示终端的接入概率，它们的节点通信半径取值范围均为0～1000m。

图1显示了当基站泊松分布参数为0.000 05（个/m2）、终端泊松分布参数为0.01（个/m2）时，终端与基站中转跳数分别取1、2、3时，终端的接入概率随物联网节点通信半径的变化情况。从图 1可以看出，在基站泊松分布参数与终端设备泊松分布参数固定不变的条件下，物联网终端接入概率随中转跳数的增加而增加。 通信半径的变化情况：在终端的泊松分布参数与终端距离基站的跳数固定不变的条件下，物联网基站分布越密集，物联网终端的接入概率就越大。

图 2显示当中转跳数为2、基站泊松分布参数为0.000 05（个/m2）时，终端的泊松分布参数分别取0.000 1（个/m2）、0.001（个/m2）、0.01（个/m2）时，终端的接入概率随物联网节点通信半径的变化情况。从图3可以看出，在基站的泊松分布参数与终端距离基站的跳数固定不变的条件下，物联网终端分布越密集，其接入物联网的概率就越大。

从图 1、图 2、图3还可看出，物联网节点的通信半径越大，终端的接入概率就越大。但是由于物联网终端往往能量较低，其通信半径难以增大。

3 延迟接入路由模型及仿真分析

物联网中的基站和终端都具有随机分布的特点，没有固定的位置。由于任意节点可以自由地加入或离开网络，这样就给网络的接入路由带来了随机性。物联网的终端具有高度的移动性和动态性，因此在其接入策略上应考虑如何利用终端的移动性来提高接入概率。

3.1 延迟接入路由模型考虑到移动性对接入路由的影响，本研究对基本接入路由模型采取增加速度、延迟时间这两个方式。

用终端与基站之间建立路由的跳数n来表示相应的链路开销，相应的终端接入概率Pn表示传输的报文可靠性，由上文可知：n越大，相应的Pn就越大。于是建立一个路由方案，最大程度地权衡连接可靠度和链路开销两个指标，使网络资源得到充分利用。取接入概率Pn为纵坐标、延迟接入时间Δt为横坐标建立直角坐标系，画出不同跳数下终端设备接入概率的大致图形，如图3所示。

3.2 延迟接入路由算法实现

从图3可知，取相同n跳数时，随着延迟时间的增加，终端的接入概率Pn就越大。因此，提出延迟接入路由算法，算法的基本思想是：在相同接入概率下，节点采用基于动态模型的动态延迟接入，使n减小，从而节约链路开销。综合考虑链路开销及接入概率问题，设定一个物联网终端的接入概率阈值P0，最大延迟接入时间Δtmax=T，这两个参数可以根据网络情况动态修改。终端刚接入物联网时，通过路由算法接入到距其最近的一个基站。假如通过路由算法得出的最近基站是在n跳范围内，通过基于泊松分布的终端动态接入模型得出n跳、n-1跳直到1跳等接入概率公式，如图4所示。

3.3 延迟接入路由模型仿真结果分析

运用MATLAB工具对物联网的延迟接入路由模型作分析，用横坐标表示终端延迟接入时间，纵坐标表示接入概率。分析中转跳数为1、基站泊松分布参数为0.000 05（个/m2）、终端泊松分布参数为0.01（个/m2）、通信半径为100m，终端的移动速度分别取60（m/min）、90（m/min）、500（m/min）时，物联网终端接入概率随终端接入延迟时间的变化情况。当基站、终端的泊松分布参数与终端距离基站的跳数固定的条件下，终端的移动速度越大，终端接入的概率值越大。

4 结语

在分析物联网终端移动性对接入路由模型的影响之后，提出了延迟接入路由策略。通过MATLAB工具对接入路由模型进行了仿真，验证了在不考虑移动性对接入成功率的影响下，延迟接入路由策略对物联网终端接入网络的概率有一定的提高作用，这为研究如何让更多的物联网终端快速并且低成本地接入物联网提供了参考。

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责任编辑（责任编辑：杜能钢）