一種低能耗的能量感知物聯網M2M路由協議

杜經緯

（運城學院計算機科學與技術系，運城 044000）

一種低能耗的能量感知物聯網M2M路由協議

杜經緯

（運城學院計算機科學與技術系，運城 044000）

隨著M2M的快速發展，基于蜂窩網路的M2M通信已經成為當前的主要移動通信方法，然而基于蜂窩網絡的M2M的能耗問題是阻礙其迅速發展的一個瓶頸。為了降低網絡的能耗和實現負載的均衡，提出一種低能耗的能量感知物聯網M2M路由協議。在AODV網絡協議的基礎上，對路由發現的過程進行改進，在對下一跳節點的選擇上充分考慮當前節點到下一跳節點的發送能耗和下一跳節點對當前節點發送數據的接收能耗，同時對網絡鏈路的斷裂進行重新修復。仿真實驗結果表明：該低能耗的路由協議能適時感知鏈路質量，同時在選擇路由時盡可能地降低路由總能耗，是一種M2M下的可行路由協議。

路由協議；低能耗；能量感知；物聯網

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絡對機器等幾個含義[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絡實現非IT機器設備與IT設備的通信。M2M作為一種物聯網的最普遍的形式，其涉及一個或多個實體，且無需人為干預而進行數據通信[2-3]。M2M的顯著特點就是能在僅有較小數據通信的情況下，實現低移動性、時延容忍和業務突發。M2M其需要多種網絡的支持，這些網絡主要包括GSM、CDMA、TD-SCDMA等蜂窩網絡，以及專用無線網絡WLAN和WPAN，以及 Internet網絡。隨著M2M的快速發展，基于蜂窩網路的M2M通信已經成為了當前的主要移動通信方法[4]，然而這種方法是主要基于H2H通信業務，無法滿足M2M的業務需求。然而，M2M的能耗問題是阻礙其迅速發展的一個瓶頸，由于M2M網絡采用自組織方式實現數據共享和數據傳輸，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路由協議

1.1M2M 網絡基本結構

M2M網絡的結構機構是：采用移動終端以及傳感器設備來采集信息，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據后，將其發送到數據終端進行利用。M2M的示意圖如圖1所示：

圖1 M2M基本結構示意圖

從圖1中可以看出，M2M網絡的結構結構主要包含：（1）傳感器、制動器、RFID標簽等智能通信設備；（2）M2M網關：主要負責接收從智能通信設備獲取的原始數據并進行網絡的初始化；（3）M2M網絡：主要實現智能設備和M2M網關之間的連接；（4）通信網絡：實現網絡的數據傳輸；（5）遠程客戶端或應用程序：實現一些數據的加工處理、數據的可視化以及為實現用戶指定的功能。

1.2 能耗目標函數

AODV（Ad Hoc On-demand Distance Vector Routing，AODV）路由協議是一種按需路由協議，它可以實現按需建立路由連接，然后基于此連接進行數據傳輸，直到鏈路斷裂，因此部分節點會因為能量開銷過大而提早死亡，不能很好適應于M2M物聯網的需求。在M2M網絡中，采用重傳機制來實現數據的傳輸，以確保數據能正確被傳輸。當某節點發送數據包給目標節點時，目標節點在接收到該數據包后會向源節點發送一個確認包；如果目標節點并未收到數據包或者數據包未被目標節點正確接收，則發送節點繼續向源節點發送相同的數據包，知道目標節點已接收到正確的數據包或者達到最大重傳次數，此時，傳輸過程結束。

假設數據包的最大允許重傳次數為n，目標節點j接收到來自源節點i的大小為Lbit的數據包，其接收到的概率為pij(L)。源節點發送的數據包的大小為Ldbit，目標節點發回的確認包大小為Lhbit，接收數據包Ld和發回確認包Lh所消耗的能量為：

其中，Ej[Lh]表示目標節點j發回確認包的平均次數，Ei[Ld]表示源節點發送數據包的平均次數。Ai和Aj分別表示源節點和目標節點處理單元所需功率。Bi和Bj表示源節點和目標節點無線接口電路所需功率。Pi和Pj表示源節點和目標節點功率放大器的功率效率。r表示數據的傳輸比特率。

1.3 協議設計

（1）路由發現過程

本文設計的基于AODV的低能耗路由協議，主要有兩個改進：即在下一跳節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致數據無法被正常傳輸。

①下一跳節點的選擇：源節點有數據要發送給目標節點時，首先需要查找路由表中是否存在著到目標節點的路由，如果不存在就要重新發送路由發現過程；如果存在，就查找源節點的下一跳節點集，根據公式（1）來查找具有最小發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點，包括源節點，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：源節點對所有鄰居節點廣播路由請求包RREQ，當中間節點收到該請求數據包，就通過RREQID和源節點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節點的路由，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并沿著反向路由發送到源節點。

當路由發現的過程中，發現某節點對應的下一跳節點的數量小于等于1時，就會在該節點處啟動路由發現過程，從而建立網絡中任意節點之間的多條路由，提高網絡的可靠性，同時進一步降低網絡能耗，實現節點負載均衡。

（2）路由斷裂的維護

路由斷裂的監測和修復都是通過網絡中節點對自身能量的實時監測實現。當網絡中節點的剩余能量低于初始值的30%時，此可能發生鏈路斷裂的節點就發送RREQ數據包給所有上游節點，上游節點在接收到該節點發送的RREQ包后，刪除所有路由中的下一條節點集中的該節點，并發送RRER包給該可能發生鏈路斷裂的節點。當該可能發生鏈路斷裂的節點收到的RRER包的數量等于其上一跳節點集中的元素個數時，將該節點刪除。

節點刪除和鏈路修復的過程如圖2所示：

圖2 節點連接拓撲圖

在圖2中，當根據源節點發送能耗和節點接收能耗總和進行計算時，能耗最小的路徑為S→B→E→F，當節點E發現其剩余能量已小于30%時，節點E通知其所有上游節點，即B，并通常B刪除從B到E的路由。

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

2 仿真實驗

采用NS2仿真工具對本文提出的低能耗M2M路由協議進行仿真和評價。M2M物聯網參數設置如下：

表1 無線傳感器網絡參數設置

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，它們分別是基于負載均衡的M2M網絡多徑路由算法[5]和基于社區的能耗感知路由策略[6]，三種方法得到的結果如圖3所示：

圖3 各方法能耗比較

從圖3中可以看出，文中的方法對應的總能耗在整個仿真期間，一直低于另外兩種方法。隨著節點數量的增加，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點時，充分考慮了當前節點到下一跳節點的發送能耗和下一跳節點到當前節點的接收能耗。同時在節點剩余能量太低時，會啟動路由修復過程，使得網絡的可靠性較高。

這三種方法對應的仿真時間和網絡總能耗如表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現和路由維護過程，提高了網絡的可靠性，因此，具有較短的傳輸時間。

3 結語

為了降低物聯網M2M網絡的能耗開銷，本文提出了一種物聯網環境下的M2M低能耗的路由協議，對路由發現和路由修復過程都進行了改進，尤其是在路由發現的過程中通過考慮發送節點的發送能耗開銷和接收節點的接收能耗開銷，來降低網絡總開銷。通過在NS2仿真環境下進行實驗，結果表明了文中方法的能耗開銷隨著網絡節點數增多始終處于較低水平，并遠遠低于其他方法，同時在規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.

[3]Kim J,Lee J,Kim J,et al.M2M Service Platforms：Survey,Issues,and Enabling Technologies[J].IEEE Communications Surveys&Tutorials,2014,16（1）：61-76.

[4]林啟中,張冬梅,許魁,等.蜂窩網絡中M2M通信上行接入資源分配[J].應用科學學報,2015,33（2）：129-141.

[5]錢志鴻,馮冬,王雪,等.基于負載均衡的M2M網絡多徑路由算法[J].吉林大學學報（工）,2016,46（3）：934-940.

[6]鄭鑫,張曉潔,賓冬梅,等.物聯網M2M中基于社區的能耗感知路由策略[J].小型微型計算機系統,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絡

2017-10-25

2017-11-12