随着5G移动网络的日益成熟,物联网(Internet of Things,IoT)也得到了快速发展。移动无线传感器网络(Mobile Wireless Sensor Network,MWSN)因其节点具有移动感知能力的优势成为IoT的一种重要感知网络,但是自组织的MWSN存在的感知数据类...
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随着5G移动网络的日益成熟,物联网(Internet of Things,IoT)也得到了快速发展。移动无线传感器网络(Mobile Wireless Sensor Network,MWSN)因其节点具有移动感知能力的优势成为IoT的一种重要感知网络,但是自组织的MWSN存在的感知数据类型的多样性、节点的移动性、网络资源的有限性等特点,也使其自身以及所处IoT的QoS(Quality of Service)保障能力面临着挑战。特别是,集成了多种类型传感器的节点所采集的数据对QoS还存在差异性的需求。因此,针对因MWSN节点的感知任务多样性、资源受限和移动性而容易出现的数据业务QoS难以保障的问题,改进其网络运行状态、提升网络效率一直是MWSN的QoS保障研究的重要方向。这不仅要解决MWSN中存在的QoS问题,还要考虑其上下行链路数据业务的QoS需求及其负载的差异性。目前,以QoS需求为条件的相关路由策略中,尚未有同时针对MWSN数据业务差异QoS保障和负载均衡的解决方案。本文针对IoT中MWSN的上下行数据业务的特点,改进了传统无线传感器的节点模型,以提出的动态移动网关(Dynamic Mobile Gate Way,DMGW)为连接架构,设计了一种能同时满足差异服务需求和负载均衡的路由策略。对上行链路的数据业务采用了差异服务的路由策略,对下行链路的数据业务采用了自适应网络拓扑变化的路由策略。利用NS2平台,在节点速度为10～50m/s的移动场景中对相应协议进行了仿真研究。本文的主要研究工作和成果如下:(1)针对移动感知节点接入IoT网关(IoT Gate Way,IGW)存在频繁切换的问题,提出了动态移动网关(DMGW)的接入方案,选择与IGW连接最稳定的MWSN节点作为DMGW,并辅以链路维护和故障处理措施提高DMGW与IGW的连接稳定性,并采用AOMDV(Ad-hoc On-demand Multipath Distance Vector)路由协议实现。仿真结果显示,在节点密度高、移动速度大的场景中,DMGW比IGW连接稳定性高,当节点数为50、速度为50m/s时,DMGW的分组投递率(Packet Delivery Ratio,PDR)比IGW高14.95%,切换延迟时间低8.01%。(2)针对IoT下行数据业务的完整性需求,提出了一种自适应网络拓扑变化的路由策略(Topological change Adaptive Ad hoc On-demand Multipath Distance Vector,TA-AOMDV),通过对链路质量的评估选出最优路由路径,链路监测机制根据丢包率和时延调整路由策略,并通过链路故障自修复机制减小路由开销。仿真结果显示,随着节点数增多,丢包率减小,归一化端对端时延(End to End Delay,E2ED)和路由开销增大;随着节点速度提高,这三项指标都升高。在节点速度45～50m/s的高速场景中,TA-AOMDV性能均优于QMR(QoS aware Mulitpath Routing protocol)、LRMR(Link Reliable Multipath Routing)、QoS-AOMDV;其中当节点数为30、速度为50m/s时,PDR分别提高了3.2%、5.34%、4.6%,端到端延时(End to End Delay,E2ED)分别降低了19.1%、24.62%、21.3%,吞吐量分别提高了19.6%、32.7%、26.3%,路由开销增大了43.1%、34.7%、29.2%。(3)针对IoT上行的多样性数据业务存在的差异QoS需求,提出了一种预留路径的多径路由策略(Path Reservation Multipath Routing,PRMR),满足不同数据业务的QoS需求,并通过分组调度实现预留路径间的负载均衡。仿真结果显示,随着节点速度的提高,完整性需求数据的丢包率、时延敏感数据的归一化E2ED和路由路径节点能量平均偏差均呈现升高趋势。在节点数为60～120的场景中,PRMR性能优于MQRTS(Multipath QoS Routing protocol for Traffic Splitting)和Improved-AOMDV协议,节点密度越高优势越明显;当速度为10m/s、节点数为120时,对完整性敏感的数据,PRMR的PDR比MQRTS和Improved-AOMDV协议分别高6.42%和32.4%,对时延敏感数据,PRMR的E2ED与MQRTS的相当,分别为5.37ms和7.55ms,优于Improved-AOMDV的56.51ms。PRMR的负载均衡优于MQRTS但略逊于Improved-AOMDV,路由路径节点能量平均偏差比MQRTS低18.35%,比Imp
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