物联网中面向低功耗和损耗路由的移动性管理方法技术

在无线网络中，移动节点的存在都会影响网络的性能，导致更高的能量消耗和更多的包丢失，但许多最新的应用程序都需要移动性的支持，故处理移动节点的有效方法式必不可少的。本文提出了一种物联网中面向低功耗和损耗路由的移动性管理方法，通过建立节点间的非合作博弈竞争网络资源模型，使用RSSI和链路质量指标(LQI)来评估每个节点的噪声水平和移动条件，采集所有节点共享一个特定于应用程序的流动性度量MI(反映在特定应用程序中预期的流动强度)和一个损耗功率度量LPI代入成本函数，之后构建拉格朗日函数，利用博弈优化算法(G

【技术实现步骤摘要】
物联网中面向低功耗和损耗路由的移动性管理方法


[0001]本专利技术属于无线传感器网络和算法研究
，具体包含RPL路由协议的博弈优化算法以及使用RSSI和链路质量指标(LQI)来评估每个节点的噪声水平和移动条件的方法。
[0002]研究技术
[0003]在任何无线网络中，移动节点的存在都会影响网络的性能，导致更多的数据包丢失和更高的能量消耗。然而许多最新的应用程序需要移动性的支持，而处理移动节点的有效方法是必不可少的。
[0004]近年来，为了使资源有限的小型传感器节点能够有效地进行通信，IETF低功耗和损耗网络路由(ROLL)工作组为低功耗和损耗网络路由协议(RPL)提供了协议规范。使用RPLIPv6节点可以在网络级别通信，很容易连接到互联网，因此RPL被认为是物联网的路由协议。RPL使用IPv6在低功耗无线个人区域网(6Lowpan)作为一种适应层允许完整的集成的无线传感器网络(WSNs)和互联网。内部6Lowpan驻留在IEEE 802.15.4MAC和提供服务的互联网协议(IP)物联网的网络层协议栈，它负责数据包分片和重组的。这允许在IEEE 802.15.4链路上传输最大传输单元(MTU)为1280字节的IP数据包，而IEEE 802.15.4链路最多只允许传输127字节数据。RPL最初是为静态网络设计的，一旦连接建立，它假设网络处于稳定状态，不考虑移动节点。有很多工作在增强RPL，其中很多都成功地创建了考虑到移动节点存在的RPL新版本。然而，这些努力都没有考虑分析和优化移动环境中关于吞吐量、能耗和端到端延迟的RPL效率。
[0005]RPL是低功耗和损耗网络(LLNs)的标准化路由协议，被认为是物联网应用的标准路由协议。利用RPL的灵活和可伸缩设计，人们做了很多工作来改进和创建增强版本。由于使用RPL的一个明显缺点是它缺乏移动性支持，一些研究人员专注于提供解决方案来适应移动节点。Korbi等人在DIO消息中加入了一个移动标志来区分静态节点，移动节点在父节点选择过程中会付出更高的代价。该协议提供了一个更高的分组分发比(PDR)和更好的网络稳定性,然而，它不包括任何指标在父选择过程中，它改变了RPL标准，添加移动标志的DIO消息，使其不兼容的本地RPL。Cobarzan等人使用一种新的滴流计时器算法分析了移动性下的RPL。该协议对移动节点使用反向涓流计时器，该计时器减少间隔，直到达到其最小值。该协议提高了断开连接的移动节点的恢复，但由于无法自行检测移动性，因此需要用户预先配置一个移动标志。Gaddour等引入了RPL(Co
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RPL)电晕结构。该机制将DODAG分解成围绕根节点的圆形“冕”，以允许游离节点无缝地重新加入DODAG。采用了一种基于模糊逻辑FL
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OF的目标函数，该函数以链路质量、跳数、时延和剩余能量作为路由指标。与RPL相比，该协议提高了PDR、延迟和能耗，但只支持一个低速移动节点，不能适应动态网络中的多个移动节点。
[0006]最流行的移动RPL协议之一是mRPL，它是为移动物联网应用而设计的。这个协议通过引入四个额外的定时器来检测和管理移动性，显著地改进了存在移动节点时RPL的操作。连接计时器负责检测到父节点的连接丢失。移动检测计时器使用平均接收信号强度指示值
(ARSSI)来评估连接的可靠性。切换计时器负责分配一个自适应的短周期，这是足够的DIS和接收DIO响应发送爆发，以减少切换延迟。应答计时器负责使用自适应周期向移动节点发送应答，以最小化冲突。mRPL认为ARSSI是路由的唯一度量，而不考虑使用导致许多不必要的转移的其他度量。对mRPL的一个改进是在中引入的mRPL++。建议在目标函数中使用其他路由度量作为ARSSI与潜在父节点的路由度量与当前路由度量之比的乘积。该协议对mRPL的贡献不大，有时甚至在PDR、延迟和能耗方面效率更低。Kharrufa等人提出了用于动态物联网应用中多跳路由的D
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RPL，旨在改善RPL在动态需求的移动环境中的运行。D
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RPL使用了mRPL的一些特性，此外还有一个自适应计时器，当检测到移动性时，它可以作为一个反向涓流计时器工作。它还在决策制定中包括路由指标，以最小化不必要的转移数量，同时保持高响应性和平稳过渡。

技术实现思路

[0007]本文的目的是：利用一种博弈论算法(G
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RPL)改进和优化基于RPL路由协议中的移动性管理，同时引入依赖于网络条件和资源可用性的自适应传输速率，使用RSSI和链路质量指标(LQI)来评估每个节点的噪声水平和移动条件。增加成本函数以反映能源效率和优先次序，从而产生符合网络条件和应用要求的最佳传输速率。
[0008]在网络应用场景中，一个使用RPL的节点通过等待一个DIO消息开始它的操作，一个节点在给定的时间内接收到这个消息的概率取决于邻近节点的数量和它们的涓流计时器设置。一旦节点接收到DIO，它就向DODAG根发送一个DAO消息，并移动到活动状态。节点向汇聚节点传输或中继数据，并期望从其父节点接收周期性的DIO消息。这些消息会根据网络状态和涓流计时器的设置定期发送。RPL的跃迁状态如附图1所示。当一个RPL节点启动时，它等待一个戴奥，a表示保持该状态的概率。如果该节点接收戴奥，那么请求关联的潜在的父节点的概率是1
‑
a。成功关联的概率用b表示，那么请求失败的概率则为1
‑
b。一旦节点连接成功，它就开始向sink发送数据，用概率c表示。在这种状态下，由于包括节点流动性在内的任何原因导致的分离概率为1
‑
c。最后该节点有一个d概率仍然在操作中，在这种情况下，它可以重新启动循环并等待另一个DIO。反过来，如果能量耗尽，节点就会有1
‑
d的概率出现故障，在安装新电池之前无法恢复运行。由于网络中存在移动节点，需要在RPL中添加自适应设置，因此，考虑到应用的要求和网络条件，制定了节点争夺网络资源的非合作博弈。尽管应用程序场景给出了协作行为的指示，但节点正在以更高的传输速率竞争发送数据，从而导致更高水平的噪音。一个节点如果提高了自己的传输速率，就最大化了自己的效用函数，但同时也对其他节点的效用函数产生了负面影响。这意味着增加传输速率会增加节点本身的收益，但不一定会增加所有参与者的集体收益。
[0009]为更好的说明上述节点间非合作博弈场景，可将过程分为博弈规则和博弈基本要素的确定、构建效用函数、成本函数、收益函数的确定、最后利用改进的博弈优化算法得到在物联网应用中各移动节点的一个纳什均衡，即最佳传输速率。
[0010](1)博弈规则的确定
[0011]玩家在玩移动性管理游戏时，竞争着向汇聚节点发送数据包。在博弈论中，一个玩家执行的每一个动作都会影响其他玩家的效用函数，这些动作包括改变数据速率、父节点、点滴设置和传输功率。以下规则定义游戏:
[0012]①
每个节点Pk发送数据的速率可以是
②
移动节本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.物联网中面向低功耗和损耗路由的移动性管理方法，其特征在于其过程包括确定迁移率函数和迁移度量、确定能量函数、确定优先级函数，最后求解最佳传输速率。所述的物联网中面向低功耗和损耗路由的移动性管理方法包括：(1)确定迁移率函数和迁移度量：迁移率函数M
k
(A
k
)可给出因移动存在所带来的成本度量，从而得出移动成本，其公式表示如下：其中，A
k
表示节点的第k个动作，表示可根据用户喜好和应用程序的类型设定的可变因子，MI为迁移度量，LQ为链路质量成本，λ
k
为节点传输速率。迁移度量MI可用于指示给定应用程序的迁移级别，根据迁移度场景进行估计后可得：其中，N为节点数量，E
elec
为射频能耗系数，δ
fx
为自由传输功率放大倍数，M为节点之间的平均传输数据量，d为节点之间的平均距离，T为总运行时间，V表示节点移动速率。因此迁移率函数也可表示为：(2)确定能量函数：数据传输成本占比较大的能量函数表示如下：E
k
(A
k
)＝τ
·
LPI
·
λ
k
其中，τ表示为了节能需求用户定义的比重因子，λ
k
为节点传输速率，损...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱赟，吴小军，郭翔，汤磊，王军，
申请(专利权)人：赣南师范大学，
类型：发明
国别省市：