纳米物联网中的机会路由机制研究

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近年来,纳米通信和纳米网络的不断发展为物联网在纳米领域提供了技术支持,许多纳米节点组合起来监控复杂的环境并将信息传至因特网网关构成了纳米物联网的通信范式,特别是在人体心血管检测系统中,这种通信范式占据重要优势。然而这种人体内的健康检测存在重要挑战:首先,在复杂的移动环境中,纳米节点的运动增加了网络通信的不稳定性,降低了数据包的链路质量;其次,由于纳米节点的尺寸特点,不具有诸如GPS等位置感知设备,无法定位网关节点,确定数据包的转发方向;最后,人体介质导致高通信能耗,在没有外界充电的情况下纳米网络生命周期短。因此,本文针对人体心血管系统的应用场景,提出了基于相对位置感知的机会路由协议(Relative Position Awareness Based Opportunistic Routing Protocol,RPAOR)和基于移动感知的机会路由协议(Mobile Awareness Based Opportunistic Routing Protocol,MAOR),网关节点的探测包借助人体血流引导标识相对位置信息,充分利用无线广播的优势,采用机会路由机制,数据包的传输路径由链路质量决定,实现移动纳米网络中信息的可靠传输。本文主要从机会路由候选节点集的选择机制(Candidate Relay Selection,CRS)和优化两个方面,结合纳米节点和人体心血管应用场景的特点对纳米物联网中的机会路由机制进行研究,主要的研究内容包括:1.在候选节点集的选择方面,利用网关节点周期性发送的探测包,结合人体血管应用场景的移动特点,提出了RPAOR协议,量化节点的相对位置信息,利用该信息选择候选节点集。候选节点集中的节点根据自身不同参数(能量捕获率、剩余能量、相对位置信息)按优先级进行排序,成功接收到数据包的候选节点按优先级顺序广播确认包,接收到确认包且在候选节点集合中的节点停止退避等待确认包的发送。通过仿真实验与Flooding、Random协议从包传输成功率、吞吐量、传输时延、传输能耗四个方面进行比较,实验证明了RPAOR协议在包传输成功率、传输能耗、吞吐量方面的优越性,在时延方面与Random协议相比有较大优越性,而相较于Flooding协议,由于候选节点集的退避转发机制造成了数据包的传输时延,RPAOR协议的优势不明显。2.为了提高转发节点的数据包传输效率,减少节点移动性对RPAOR协议传输效率的影响,对CRS进行了优化,提出了MAOR协议。在人体血管中由于血液的引导,纳米节点整体呈现一定方向性移动,但人体的运动性、细胞的撞击和阻挡使得纳米节点的运动并非保持平稳均匀,为了获得纳米节点的运动状态,我们在量化节点相对位置信息的基础上建立移动梯度模型,选择移动性更优的节点作为候选节点集,同时将中继节点周围节点的相对位置信息列入候选节点集优先级排序标准使得候选节点集中最接近网关节点的候选中继节点首先进行数据包的转发,MAOR协议在符合移动性要求的前提下兼顾距离因素进行数据包转发,通过仿真实验与RPAOR、Random、Flooding协议从包传输成功率、吞吐量、传输时延、传输能耗四个方面进行比较,在时延、包传输成功率、吞吐量均占优势,但MAOR协议的能耗由于移动梯度模型的建立有所增加,并且随着节点密度的增加增长速度较快。
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