物联网专用频点自组网驱动路由协议算法分析

张 宇, 任 帅

(河南财政金融学院软件学院, 郑州 450000)

物联网专用频点自组网是一种由移动通信与计算机网络组成的网络,主要应用于没有通信基础设施的环境中[1-2]。物联网专用频点自组网的研究和发展受到新闻媒体、企业以及学术界高度关注[3],由于物联网专用频点自组网关系到信息资源和网络,中国对物联网专用频点自组网的重视度逐渐提高,以期同国际物联网接轨,增强自组网的竞争力和应用价值。

路由协议作为物联网专用频点自组网的核心部分,其算法直接影响整个网络性能。传统路由协议算法存在很多弊端。例如基于互联网协议第六版(internet protocol version 6)的路由协议算法,虽然可以实现物联网专用频点自组网中链路故障诊断和修复[4],但是该方法计算较复杂,并且运算量大；基于低功耗自适应集簇分层型协议(low energy adaptive clustering hierarchy，LEAGH)的路由协议算法,无能有效应对处理物联网专用频点自组网中路由链路节点不断增加,导致的路由节点定位和数据包到达率低的问题。姜磊[5]提出了一种基于Quagga的动态路由信息协议(routing information protocol)的设计方法,能够对物联网专用频点自组网中链路进行故障进行智能诊断,但是此方法是对链路故障的诊断结果准确性较差。段圆圆等[6]提出了一种基于LEACH的能量高效分簇路由协议,能够在网络节点增加的情况下快速进行故障定位,同时准确性也有了一定的改善,但是这种方法计算过大,容易造成网络崩溃,适应性较差。

现以物联网专用频点自组网网络模型为基础,通过多媒体印刷读物(multimedia print reader, MPR)集合综合选取节点机制确保自组网能耗均衡。采用网络路由协议改进算法,修复自组网链路故障,增强自组网数据传输性、连通性以及网络寿命。对网络路由协议进行改进,能够提高自组网链路修复效果,增强网络传输效率,同时数据吞吐量也较传统方法高,提升数据包到达率和控制数据量。

1 物联网专用频点自组网驱动路由协议算法

1.1 物联网专用频点自组网网络模型设计

设计物联网专用频点自组网网络模型,研究物联网专用频点自组网驱动路由协议改进算法。网络模型包括感知现场、汇聚节点和互联网3个主要部分。在感知现场随机分布许多传感器节点[7],采用自组织方式建立子网络,传感器节点主要作用是监控、搜集、感知和协调感知现场中的所有信息[8],并将得到的数据传输到汇聚节点,利用卫星和Internet传输将数据至远程监控中心,最终传输到用户,或者数据通过网络之间传输到用户。图1所示为物联网专用频点自组网网络模型基本结构[9]。

图1 物联网专用频点自组网网络模型基本结构Fig.1 Basic structure of ad hoc network model with dedicated frequency points for Internet of things

假设物联网专用频点自组网包括x个节点[10],SX×K和PX×1分别为节点链路矩阵和通信周期矩阵,SX×K利用圆盘布尔覆盖,S={si|i=1,2,…,Xs}(S⊂N)是最初拓扑结构中激活网络的移动位置,传感器节点与节点集合间的关系为c∈Nx,(xc,yc)表示物联网专用频点自组网的路由移动节点坐标,路由开销通过主动探测法检查有问题链路,专用频点自组网中所有节点的链路特征存在较大差异性,专用频点自组网系统的节点通信周期为

(1)

1.2 能量代价函数设计

优化链接状态路由(optimized link state routing,OLSR)协议的优势在于增加多点中继MPR,通过路由协议算法选取恰当的MPR节点,大程度减少网络拓扑维护开销,但因此增加了MPR信令负载以及节点业务,MPR节点的能量快速减少,并且网络节点的存活时间将会降低。本文算法将物联网专用频点自组网的能量均衡消耗问题作为路由协议优化的重点,增加能量代价函数使路由层能量消耗达到均衡[11]。

以物联网专用频点自组网网络模型和网络节点剩余能量为基础,构建能量代价函数,利用该函数衡量网络中所有节点信号传输时能量投递代价和分析路由节点数据。能量代价函数公式为

(2)

选择MPR节点作为OLSR协议的核心步骤之一。传统路由协议算法通常利用网络最小连接拓扑树,但当节点能量有限时,传统路由协议模式中网络核心位置节点担负多数数据业务和拓扑维护的中继任务,致使本节点能量消耗比其他节点能量消耗快,并产生“节点死亡”现象,导致整个网络的通信性能以及连通性能降低。

自组网模型采用MPR集合综合选取节点机制,该机制以网络节点总能量消耗相加得到的值Fall以及能量代价D为基础,通过除去少数剩余能量少与功率低的相邻节点,增加能量均衡以及节能路由的选取概率,因此确保能量消耗处于均衡状态,为网络节省能量。以网络节点总能量消耗相加得到的值Fall为出发点,得到MPR集合选取节点优化目标函数为

(3)

1.3 网络路由协议改进

物联网专用频点自组网网络路由协议采用多跳汇聚协议,虽然通过引入上述能量代价函数使节点能量消耗达到均衡,但是随着网络节点数量增加,容易造成网络拥挤,增加链路故障的产生,为此,采用如下网络路由协议改进算法,以修复物联网专用频点自组网网络中的链路故障。

假设V为拟定区域,链路路由修复下的物联网专用频点自组网的路由修复问题用公式表示为

y(l+1)=B(l)y(l)+Γ(l)w(l)

(4)

ti(l)=Pi(l)y(l)+ui(l),i=1,2,…,N

(5)

式中：y和B分别为网格数量和节点耗能因子；l为节点；l和w均为相关性系数；t为节点传输预测时间；P为传输信号功率；Γ为路由协议的特征量。由于自组网中包括X个传感器节点,设定G为参考节点数量,且G≥3,当预测时间为tl+1时,采用模糊神经网络得到l+1代节点ui最后坐标(xi,g+1,yi,g+1)的路由引擎信息，即

(6)

式(6)中：E为路由端口容量。利用特征状态方程的正交性获得控制物联网专用频点自组网节点数的簇头数目为

(7)

(8)

式中：τ为选举轮数。利用预加重方法广播解决专用频点自组网节点竞选簇头节点能量消耗情况,路由转发消息开销的总值为

s+l+X-l=X+s

(9)

式(9)中：s表示路由转发消息时间开销。

路由转发分簇阶段消息消耗能量总和为

(10)

式(10)中：b表示路由转让发分簇簇数；g表示分簇阶段消耗的能量；hi表示路由转发分簇节点的模坐标。

通过数据融合模型获得物联网专用频点自组网路中的随机元素代表节点的耗能效率，即

Pinit=FR+FT+FB

(11)

式(11)中：FR为路由的通信半径；FT链路通信频率指数。

为了提高路由协议的鲁棒性,得到网络路由协议改进算法下的路由转发数据传递效率为

(12)

式(12)中：ei、ej为在si、sj单位时间内路由引擎能量消耗的吞吐量；λ表示随机数,区间为[0，1],选取物联网专用频点自组网中最小覆盖集C={si,…sj,…}实现网络路由链路损伤修复；β表示路由协议的鲁棒性。

2 实验分析

2.1 通信传输性能以及路由链路转发情况分析

实验相关设置如表1所示。

采用能够准确分析复杂网络性能和行为的OPNET 14.5平台和Tiktronix TX3的安卓客户端构建某物联网专用频点自组网实验网络结构模型,该模型采用本文路由协议算法控制,测试本文算法的通信传输性能以及路由链路转发情况,本文算法路由节点获取的待转发报文信息折线图如图2所示。根据以上由路由节点获取的报文信息情况,研究本文算法的路由链路收发情况,利用本文算法提取链路信息簇头节点并进行信息源定位,图3所示为链路信息簇头节点情况。

表1 参数设置Table 1 Parameter settings

分析图3得到在0.01 ms内提取到6次链路信息簇头节点特征信息,说明本文算法可以有效提取链路信息簇头节点,正确定位物联网专用频点自组网下的链路信息。

为了进一步验证本文算法驱动物联网专用频点自主网路由链路转发情况,对比分析本文算法、基于IPv6的RIP路由协议算法以及基于LEACH的路由协议算法的路由转发吞吐性能,结果如图4所示。

图2 路由节点获取的待转发报文信息折线图Fig.2 Line chart of message information to be forwarded acquired by routing node

图3 链路信息簇头节点提取情况Fig.3 Extraction of link information cluster head node

图4 路由链路信息转发性能对比Fig.4 Comparison of routing link information forwarding performance

根据图4中信息可知,在相同的时间下,本文算法的路由转发吞吐量均高于其他两种算法,并且在0.3 s以后吞吐量呈递增状态,最高值达到13×103byte,而随着时间的推移,基于IPv6的RIP路由协议算法和基于LEACH的路由协议算法的路由转发吞吐量波动较大,达到的最高吞吐量分别为9.85×103byte和7.8×103byte,主要因为本文算法对自组网路由进行改进设计,修复路由链路损伤,提高了提取链路信息簇头节点有效性,实现物联网专用频点自组网下的链路信息的正确定位。因此本算法对路由链路信息转发具有很好的吞吐性能,说明本文算法展示出较好的物联网专用频点自组网的数据传输性和连通性。

2.2 节点生存时间分析

实验对比分析本文算法、基于IPv6的RIP路由协议算法以及基于LEACH的路由协议算法的物联网专用频点自组网网络节点生存情况。图5所示为3种算法的网络死亡节点数和时间的关系。

分析图5可知,当死亡节点为1个时,本文算法在410轮左右,而基于IPv6的RIP路由协议算法在330轮左右,基于LEACH的路由协议算法仅为310轮,明显小于本文算法；当死亡节点为40个时,本文方法在410轮,基于IPv6的RIP路由协议算法在350轮左右,基于LEACH的路由协议算法为340轮,并且随着死亡节点的增加,本文方法基本保持在410轮左右,没有太大的波动情况,而且起始节点和最终节点时间轮数基本一致,主要是因为本文算法采用MPR集合综合选取节点机制,通过能量代价函数使物联网专用频点自组网中每个节点的能量消耗达到均衡,即网络能量消耗平均分布到所有节点,大幅度增加节点生存时间。而其他两种方法不仅波动较大,对物联网专用频点自组网中节点消耗过大,同时节点的生存概率也没有本文方法大。

图5 死亡节点和时间的关系图Fig.5 Relationship between death node and time

2.3 网络寿命分析

分析3种算法的网络寿命和汇聚节点距离之间的关系,用图6描述,验证本文算法优化的物联网专用频点自组网寿命状况。

分析图6看出,随着汇聚节点距离不断增加,物联网专用频点自组网寿命衰减速度逐渐减慢,本文算法优化的网络寿命从425轮减少到230轮,减少幅度约为46%,其他两种方法的减少幅度分别为73%和85%左右,远远高于本文算法,说明本文算法下的物联网专用频点自组网的网络寿命显著高于其他两种方法。

图6 网络寿命和汇聚节点距离关系Fig.6 Relationship between network life and convergence node distance

2.4 性能分析

实验利用NS2网络软件,以网络拓扑节点数作为因变量,构建物联网专用频点自组网网络仿真场景,比较分析3种算法的性能效果。分析3种算法在节点数目不同情况下,数据包到达率、路由开销性能,对比结果如图7所示。

图7 网络拓扑节点数和性能参数的变化关系Fig.7 Relationship between the number of network topology nodes and performance parameters

分析图7得到,在物联网专用频点自组网网络拓扑节点产生变化情况下,网络拓扑节点不断增加的同时3种算法获得的数据包到达率、路由开销基本处于持续增长状态,对于数据包到达率和节点的变化关系,本文算法数据包到达率增长速度比其他两种方法快很多,增长幅度在60%左右,并最终达到100%,其他两种算法的最终数据包到达率分别为81%和69%左右,与本文算法相比数据包达到率相差约19%～31%,说明本文算法有效实现物联网专用频点自组网数据信息传输。

对于控制数据量和节点的变化关系,在节点数为10个时,3种算法的控制数据量均为0.4×105字节,当节点数为50个时,本文算法的控制数据量为1.2×106,远高于其他两种算法,说明本文方法能够满足物联网专用频点自组网路由开销。这是因为自组网能量消耗处于均衡状态,减少了损耗,并对网络路由协议算法进行改进,能够及时修复物联网专用频点自组网链路故障,性能让比传统方法好。

3 结论

分析物联网专用频点自组网驱动路由协议算法,构建链路路由修复下的物联网专用频点自组网网络模型,在该模型的基础上,通过能量代价函数设计和网络路由协议改进算法,分析确保自组网能量消耗处于均衡状态和物联网专用频点自组网链路故障的有效修复,增强物联网专用频点自组网的数据传输性能,提升网络节点的生存时间和网络可控制数据量,确保物联网专用频点自组网在通信基础设施的环境中充分发挥自身的通信价值和使用价值。