预期的传输能量路由度量无线网状网络先生

文摘

网格是一种网络拓扑结构,实现高吞吐量和稳定的内部通信。巨大的潜力,它预计将未来网络架构的关键。无线传感器网络是一个活跃的研究领域与众多的研讨会和会议安排。传感器网络的整体性能高度依赖网络的能源消耗。本文设计了一种新的路由度量传感器无线网状网络。仿真实验结果表明,新的度量算法提高了整个网络的能量平衡和扩展无线网状传感器网络的生命周期(WMSNs)。

1。介绍

无线传感器网络是一种最快速发展的研究和开发为微电子领域。无线传感器网络可能包含成百上千的节点。这些节点通常固定在部署后,除了极少数的移动传感器节点,如图1。无线传感器网络描述自己的分布式的、动态的和自组织结构。网络中的每个节点可以根据环境变化调整自己和身体条件。传感器节点将低功耗和结构简单的特点,同时具有感知的能力,沟通,和计算。传统无线网络,高度重视流动性管理和故障恢复是为了达到较高的系统性能。然而,传感器节点通常由电池提供的力量,没有持续的维护和电池补充,设计一个良好的网络协议,第一个属性必须被认为是低能耗,保证很长的网络寿命。网络的最新进展是可行的实现低成本的嵌入式电力监测和诊断系统(1,2]。在这些系统中,无线多功能传感器节点安装在智能电网监控的关键设备参数对每个设备的条件至关重要。这些信息使智能电网系统应对不同条件更积极和及时。在这方面,网络扮演着至关重要的角色在创建一个高度可靠和自修复智能电网快速响应网络事件以适当的动作。网络的现有的和潜在的应用在智能电网跨度范围广泛,包括无线自动抄表(WAMR),远程系统监控和设备故障诊断。

有很多无线网络的拓扑结构,如星形拓扑结构、网状拓扑,拓扑。在这些拓扑中,网有大量的吞吐量和优良的稳定性,这是即将成为未来网络的模型。从无线网状网络,社区网络(3,4),是由静态无线节点的一些特性,如充足的能源供应,一个分布式基础设施、自组织和自配置能力,缓解和网络部署的速度,如图2。每一个无线节点可以配备多个无线电,称为multiradio /多通道节点,每个的收音机可以配置为一个不同的频道来增强网络容量。无线网状网(WMN),拥有一个更计划配置,可能部署提供动态的和具有成本效益的连接在一个特定的地理区域。初期自成立以来的这一年,它已经在聚光灯下的所有人员。

无线网状网络的兴趣增加了近年来和一些国际标准化组织正在开发规范无线网状网络。IEEE 802.11任务组(TGs), IEEE 802.16任务组,IEEE 802.15.5th任务组标准化无线网状网络。混合无线网状协议(HWMP)被视为强制性WLAN网网络路由协议(5]。虽然HWMP提供了一个成熟的路由方案,合并的按需路由主动路由、网络不存在方法,有限的能量是关键和相关作品几乎完成(6]。达到延长传感器网络的寿命,节能意识架构和协议已经彻底调查在最近的文学。工作(7]介绍了NeLMUK算法最大化802.15.4-based无线传感器网络的生命周期。工作(8)提高了无线个域网网格为节能路由协议使用和提出了一个结合AODV路由算法和节点剩余能量。网状拓扑不讨论。Sereiko首先提出了无线网状传感器网络的概念(WMSN)通过部署无线路由器连接传感器网络(9]。

本文研究的方法寻找最优路由路径的无线网状传感器网络在HWMP通过修改路由度量。提出了一种新的路由度量,考虑到路由对网络的能量分布的影响,预期的传输能量(高频)。我们模拟的新度量算法相比HWMP和min-hop NS3评估提出的路由方法的性能。通过实验,我们确认我们的算法有更好的性能在延长WMSNs的一生。

本文的其余部分组织如下。节2,我们描述按需路由、主动路由和HWMP,指出他们的优点和缺点。部分3介绍了ETX, ETT提出高频度量指标和礼物。节4,我们引入高频HWMP通话时间度量和分析仿真结果。最后,部分5本文总结道。

2。网状网络的路由协议

路由协议可以分为两类:按需路由和主动路由。不同的路由协议有不同的成本方面的消息开销和管理复杂性。

2.1。按需路由

最初提出了ad hoc网络点播或被动路由协议(例如,动态安全域(10],AODV [11],MCR [12],LBAR [13],DLAR [14)只创建一个一对源和目的节点之间的路由时,源节点需要将数据包发送到目的地。全网洪水时通常是用来发现路线是必要的。特设网络,因为有经常性的联系休息由于节点的移动性,基于洪泛路由发现提供了高的网络连接和相对较低的消息开销而主动路由协议。然而在无线网状传感器网络,链接通常有一个更长的预期寿命由于节点的静态特性。因为链接中断的频率远低于流动的频率到达在网状网络,基于洪泛路由发现冗余和非常昂贵的控制消息开销。因此,纯粹的按需路由协议通常不是可伸缩的和不恰当的网状网络。

2.2。主动路由

在主动路由协议中,每个节点维护一个或多个表包含路由信息网络中其他节点。所有节点更新这些表保持一致和最新的网络视图。当网络拓扑发生变化时,节点传播更新消息在整个网络维护整个网络的路由信息。这些路由协议数据包转发的方法以及不同的路线。每个节点维护一个路由表指示的下一跳路由网络中所有其他节点。一个数据包到达目的地,它只需要携带目的地址。中间节点转发数据包沿着路径仅基于目的地址。由于其简单的转发方案和较低的消息开销,主动路由是有线网络中占主导地位。

2.3。混合无线网状协议(HWMP)

IEEE 802.11年代认为HWMP WLAN网的强制路由协议网络和选择允许其他路由协议,如无线电链路状态路由(RA-OLSR)意识到优化的协议。HWMP支持随需应变的两种路由模式和基于树的积极合作。HWMP使用一组通用的协议原语,生成和处理规则的灵感来自于临时按需距离矢量(AODV)协议(11]。四个消息帧用于HWMP,即路径请求(PREQ),路径回复(预科),路径错误(穗青葱)和根公告(RANN)。除了RANN只是用于主动路由模式,这三个消息帧大多采用AODV协议。

HWMP,与传统的路由协议和IP地址,第三层是由2层使用MAC地址。当使用在第三层路由协议时,数据包必须交付给IP层路由。MAC地址和IP地址之间的交换的ARP表,开销也发生。然而,采用一层2路由机制,HWMP可以减少开销在WLAN网转发数据包到目的节点网络,基于多次反射拓扑。因此,可以实现较高的网络吞吐量。

操作方法和按需路由模式的特点HWMP非常类似于现有的AODV,除了HWMP使用层2路由。在按需路由模式下,如果一个源节点没有目的节点路由路径,它广播一个PREQ消息在网状网络。收到了PREQ消息的目标节点发送一个单播准备消息源节点,然后双向路由路径建立了源节点和目标节点之间。在这个过程中,PREQ ID和目的地序列号是用来防止发送重复信息,建立无路由循环的路由路径。按需路由模式总是提供最优路由路径建立它的路径,当数据传输是必需的。

图3显示了网状网络的沟通步骤的实例。如果网格point4想与网格点9(1)议员4首先检查其本地转发表为一个活跃的转发条目议员9日(2)如果活动路径不存在,议员4可能立即转发的消息主动路径向根议员1(3)议员1接收到消息时,国旗的消息“intra-mesh”和积极的道路上向前议员9日(4)议员9接收消息时,它可以按需RREQ议员4建立最佳intramesh MP-to-MP路径为未来的消息。

如果议员4想与X,谁不在当前的集群网,(1)议员4首先检查其本地转发为积极转发条目表X,(2)如果活动路径不存在,议员4可能立即转发的消息主动路径向根议员1,(3)当议员1接收消息,如果没有一个积极的转发条目X可能假设之外的目的地是网格和转发其他局域网段根据本地互相配合实现。

不需要广播发现当目的地以外的网。这个有效的路由满足无线传感器网络的严重的能源约束和柔性连接的移动节点。

3所示。路由度量

路由器指标可以包含任意数量的值,帮助路由器确定多个路由到目的地之间的最佳路径。路由器指标通常是基于信息,如路径长度、带宽、负载、跳数,路径成本,延迟,最大传输单位(MTU)、可靠性和通信成本。在本节中,我们将讨论3提出了传统路由度量和HWMP路由度量在802.11 s。之后,我们提出了一种新的衡量标准配重平衡网络能量消耗的基础上HWMP指标。

3.1。传统路由度量

3.1.1。跳数

跳数是最常用的路由度量等现有的路由协议的安全域(10],AODV [11)、DSDV和GSR。它反映了对性能的流动路径长度的影响。高效的算法可以找到无路由循环路径以最小跳数,因为跳数指标等张。然而,跳数不考虑传输速率和丢包率的差异在不同的无线链接,或网络中的干扰。因此,使用跳跃数度量可能不会导致性能良好。

3.1.2。预期的传输计数(ETX)

ETX,库托提出De et al。15),被定义为预期的MAC层传输需要通过无线连接成功交付一个包。的重量总和的路径被定义为所有链接的ETX沿着路径

在这里,意味着传输时间节点节点发送一个数据包成功。和意味着错误率的传播。

因为长路径和路径损耗有很大的权重根据ETX, ETX度量了丢包率和路径长度的影响。此外,ETX也是一个等压的路由度量,保证容易计算的最低重量路径和无路由循环路由在路由协议。然而,能源消耗的设备不是ETX考虑。

3.1.3。期望传输时间(ETT)

斯考特提出的ETT路由度量,et al。16),提高ETX通过考虑链路传输速率的差异。一个链接的摘要被定义为预期的MAC层时间对于一个成功的传输包的链接。

一个路径的重量只是ETT求和的路径上的链接。ETT之间的关系的一个链接和ETX可以表示为 在哪里的传输速率是链接和数据包大小。从本质上讲,通过引入到一个路径的重量,ETT度量捕获链路容量的影响路径的性能。类似于ETX, ETT也是等张。然而,ETT剩余的缺点是,它还不完全捕获网络中的能源消耗。例如,ETT可能选择一个路径的能量很低的设备。尽管它可能实现高吞吐量,WMSN的生命周期可能很短,聚焦于能源消耗一些节点。

3.2。HWMP通话时间指标

HWMP, radio-aware路径的成本函数,建立基于时间成本。通话时间成本反映了消费的渠道资源数量传输框架在一个特定的链接。这种方法是近似和设计为易于实现和互操作性。

每个链接的时间成本计算 在哪里,,在表中列出是常数1和输入参数和是Mb / s的比特率和帧错误率测试帧尺寸,分别。率代表了网格点的速率传输一帧的标准尺寸()基于当前的条件,及其估计依赖于当地的实现率适应;帧错误率当一帧的概率是标准尺寸()传播当前传输比特率(),框架损坏是由于传输错误,它的估计是一个当地的实现选择。帧下降由于超过TTL不应该包含在这个估计他们不与链路性能。这个度量算法只考虑了节点之间的通信通道。但是,它不考虑节点的自身的条件。

3.3。预期的传输能量(高频)

所有上面提到的算法不考虑能量因素是无线传感器网络最重要的问题之一。我们假设,所有节点WMSN被认为是同样重要的。如果一个节点死亡,我们将失去控制的空间在传感领域。为了防止这种情况,我们想要确保没有节点消耗能量的速度明显高于其他节点,同时保持平均能耗率低。

这一概念可以制定两个重要参数: 节点的剩余能量吗在传输之后,节点的能量消耗吗在遥远的相关的传输,是整个网络的节点数量,然后呢沿着选定的路线是节点的数量。

路线的判断可以总结为以下四个步骤。(1) 必须小于最大预算阈值。(2) 传输后应该最小化。(3)一旦(1)和(2)满意,越少它是更好的途径。(4)一旦一个节点的能量低于指定的阈值,节点不会加入路由度量的计算这意味着它只发送他的新包,不会为别人转发数据包。

路由度量必须确保最优路径可以通过高效的算法找到多项式复杂性。然而,的表达使得实现算法太复杂。因此,算法需要简化。的最小化和最大等于选择路线吗。如果是不同的,这种情况可以简化为图4。实线的路径与强大的节点将被选择作为传输路径。虚线的道路,虽然跳数少,不能帮助做网络的能量平衡,不会被选中。

集中节点的能耗组成的路由上更多的力量将有助于平衡整个网络的能量分布。但这需要进一步的路径包含更强大的节点,可以帮助增加平均能量。所以,我们的简化指标可以修改。结合802.11秒的通话时间度量,它是标准化的和是归一化。最后充分表达我们的度量可以总结为以下几点:

作为,贡献不到到的结果。

如果存在两种途径与近似等于能量。防止额外的能源消耗在建立路由,路由度量将不会重新计算,直到第十老路线传播。

4所示。模拟和分析

我们所有的模拟执行NS3模拟器。和数字印刷的过程后由Matlab awk脚本。一百个节点经常放在一个10×10网格。数据流的来源和目的地是随机位于网状网络而网状网络是指定的根源。为了简化仿真,我们设置一个节点的初始能量100。如果一个节点发送一个数据包,它将花费1,接收过程一样。这意味着该节点将失去2转发数据包时的能量。如果一个节点的能量小于20%,该节点将拒绝为其他节点转发数据包。剩余的能量,它只会用于发送自己的新数据。

4.1。一生

在图5线与三角形,最左边的一个,代表min-hop度量,它的生命周期是最短的。这是因为它只考虑跳数的最小化。然而,尽管一些路径跳数少,错误率是可怕的。因此,迫使节点重新发送数据包,导致浪费能源。线在最右边的星号代表了改进算法。仿真结果表明,改进算法更有效地平衡能源消耗,也就是说,WMSN的生命周期延长。

4.2。吞吐量

作为显示在图6,高频达到更高的吞吐量。在改进算法中,节点与能量阈值将拒绝为他人转发数据包,帮助延长的寿命低功率节点和网络的能量分布平衡。此外,这些节点与低功率消耗能量只有当他们有自己的新数据发送。因此,我们有一个更高的吞吐量在仿真的最后一部分,最右边的一个。相比于高频、低功率节点在802.11年代和min-hop路由消失更快和总节点感知到的数据量不再拉下的吞吐量。

5。结论

在本文中,我们研究了传统路线指标和指出其共同deficiency-neglecting能源消耗。我们提出了一种新的路由度量称为高频引入到802.11秒时间指标。仿真表明,新算法提高了整个网络的能量平衡和扩展了无线网状传感器网络的生命周期。在未来,该算法可能会进一步考虑多通道无线传感器网络。此外,它将用于WMSNs的现有的和潜在的应用在智能电网。

确认

作者要感谢那些评论家的详细评论这篇文章的早期版本中。这项工作是由上海市重点学科建设项目(S30108, 08年dz2231100),上海教育委员会(09 yz33)、上海科学委员会(08220510900,10511501303)和上海SMIT基金。

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