杜經(jīng)緯

（運城學(xué)院計算機科學(xué)與技術(shù)系，運城 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

（運城學(xué)院計算機科學(xué)與技術(shù)系，運城 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)展的一個瓶頸。為了降低網(wǎng)絡(luò)的能耗和實現(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，對路由發(fā)現(xiàn)的過程進行改進，在對下一跳節(jié)點的選擇上充分考慮當(dāng)前節(jié)點到下一跳節(jié)點的發(fā)送能耗和下一跳節(jié)點對當(dāng)前節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)的接收能耗，同時對網(wǎng)絡(luò)鏈路的斷裂進行重新修復(fù)。仿真實驗結(jié)果表明：該低能耗的路由協(xié)議能適時感知鏈路質(zhì)量，同時在選擇路由時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器與機器之間的通信，它包含機器對機器、人對機器、機器對人以及移動網(wǎng)絡(luò)對機器等幾個含義[1]。M2M從狹義上來說僅表示機器與機器的通信，主要指利用無線移動網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)非IT機器設(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，其涉及一個或多個實體，且無需人為干預(yù)而進行數(shù)據(jù)通信[2-3]。M2M的顯著特點就是能在僅有較小數(shù)據(jù)通信的情況下，實現(xiàn)低移動性、時延容忍和業(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)展的一個瓶頸，由于M2M網(wǎng)絡(luò)采用自組織方式實現(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)機構(gòu)是：采用移動終端以及傳感器設(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)并進行網(wǎng)絡(luò)的初始化；（3）M2M網(wǎng)絡(luò)：主要實現(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，它可以實現(xiàn)按需建立路由連接，然后基于此連接進行數(shù)據(jù)傳輸，直到鏈路斷裂，因此部分節(jié)點會因為能量開銷過大而提早死亡，不能很好適應(yīng)于M2M物聯(lián)網(wǎng)的需求。在M2M網(wǎng)絡(luò)中，采用重傳機制來實現(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)點發(fā)送數(shù)據(jù)包給目標(biāo)節(jié)點時，目標(biāo)節(jié)點在接收到該數(shù)據(jù)包后會向源節(jié)點發(fā)送一個確認(rèn)包；如果目標(biāo)節(jié)點并未收到數(shù)據(jù)包或者數(shù)據(jù)包未被目標(biāo)節(jié)點正確接收，則發(fā)送節(jié)點繼續(xù)向源節(jié)點發(fā)送相同的數(shù)據(jù)包，知道目標(biāo)節(jié)點已接收到正確的數(shù)據(jù)包或者達到最大重傳次數(shù)，此時，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j接收到來自源節(jié)點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)點發(fā)送的數(shù)據(jù)包的大小為Ldbit，目標(biāo)節(jié)點發(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j發(fā)回確認(rèn)包的平均次數(shù)，Ei[Ld]表示源節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)包的平均次數(shù)。Ai和Aj分別表示源節(jié)點和目標(biāo)節(jié)點處理單元所需功率。Bi和Bj表示源節(jié)點和目標(biāo)節(jié)點無線接口電路所需功率。Pi和Pj表示源節(jié)點和目標(biāo)節(jié)點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

（1）路由發(fā)現(xiàn)過程

本文設(shè)計的基于AODV的低能耗路由協(xié)議，主要有兩個改進：即在下一跳節(jié)點時綜合考慮了能耗因素，同時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)點的選擇：源節(jié)點有數(shù)據(jù)要發(fā)送給目標(biāo)節(jié)點時，首先需要查找路由表中是否存在著到目標(biāo)節(jié)點的路由，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)點的下一跳節(jié)點集，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：對于傳輸路徑中的任意節(jié)點，包括源節(jié)點，如果沒有緩沖隊列，就建立多條正向路由。

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

當(dāng)路由發(fā)現(xiàn)的過程中，發(fā)現(xiàn)某節(jié)點對應(yīng)的下一跳節(jié)點的數(shù)量小于等于1時，就會在該節(jié)點處啟動路由發(fā)現(xiàn)過程，從而建立網(wǎng)絡(luò)中任意節(jié)點之間的多條路由，提高網(wǎng)絡(luò)的可靠性，同時進一步降低網(wǎng)絡(luò)能耗，實現(xiàn)節(jié)點負(fù)載均衡。

（2）路由斷裂的維護

路由斷裂的監(jiān)測和修復(fù)都是通過網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點對自身能量的實時監(jiān)測實現(xiàn)。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點的剩余能量低于初始值的30%時，此可能發(fā)生鏈路斷裂的節(jié)點就發(fā)送RREQ數(shù)據(jù)包給所有上游節(jié)點，上游節(jié)點在接收到該節(jié)點發(fā)送的RREQ包后，刪除所有路由中的下一條節(jié)點集中的該節(jié)點，并發(fā)送RRER包給該可能發(fā)生鏈路斷裂的節(jié)點。當(dāng)該可能發(fā)生鏈路斷裂的節(jié)點收到的RRER包的數(shù)量等于其上一跳節(jié)點集中的元素個數(shù)時，將該節(jié)點刪除。

節(jié)點刪除和鏈路修復(fù)的過程如圖2所示：

圖2 節(jié)點連接拓?fù)鋱D

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

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

2 仿真實驗

采用NS2仿真工具對本文提出的低能耗M2M路由協(xié)議進行仿真和評價。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

為了對文中方法進行驗證，從總能量消耗來對文中方法與其他方法進行比較，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，文中的方法對應(yīng)的總能耗在整個仿真期間，一直低于另外兩種方法。隨著節(jié)點數(shù)量的增加，也始終保持一個較低的水平。這是因為文中方法在選擇下一跳節(jié)點時，充分考慮了當(dāng)前節(jié)點到下一跳節(jié)點的發(fā)送能耗和下一跳節(jié)點到當(dāng)前節(jié)點的接收能耗。同時在節(jié)點剩余能量太低時，會啟動路由修復(fù)過程，使得網(wǎng)絡(luò)的可靠性較高。

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

表2 仿真時間比較

從表2所示，文中方法的總仿真時間為300ms，遠(yuǎn)小于文獻[5]方法和文獻[9]方法的600 ms和700 ms，這是因為文中方法采用了改進的路由發(fā)現(xiàn)和路由維護過程，提高了網(wǎng)絡(luò)的可靠性，因此，具有較短的傳輸時間。

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，對路由發(fā)現(xiàn)和路由修復(fù)過程都進行了改進，尤其是在路由發(fā)現(xiàn)的過程中通過考慮發(fā)送節(jié)點的發(fā)送能耗開銷和接收節(jié)點的接收能耗開銷，來降低網(wǎng)絡(luò)總開銷。通過在NS2仿真環(huán)境下進行實驗，結(jié)果表明了文中方法的能耗開銷隨著網(wǎng)絡(luò)節(jié)點數(shù)增多始終處于較低水平，并遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于其他方法，同時在規(guī)劃路由時具有較短的仿真時間。

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

[2]TAN L,WANG N.Future Internet：the Internet of Things[A].IEEE ICACTE[C].2010.376-380.

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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,2015,33（2）：129-141.

[5]錢志鴻,馮冬,王雪,等.基于負(fù)載均衡的M2M網(wǎng)絡(luò)多徑路由算法[J].吉林大學(xué)學(xué)報（工）,2016,46（3）：934-940.

[6]鄭鑫,張曉潔,賓冬梅,等.物聯(lián)網(wǎng)M2M中基于社區(qū)的能耗感知路由策略[J].小型微型計算機系統(tǒng),2017,38（4）：797-802.

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，研究方向為計算機網(wǎng)絡(luò)

2017-10-25

2017-11-12