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实时响应物联网中基于查询的数据转发方案

更新时间：2019-12-10 11:07:14 大小：1M 上传用户：xiaohei1810 查看TA发布的资源 标签：物联网 下载积分：1分评价赚积分（如何评价?）打赏收藏评论(0) 举报

资料介绍

在许多基于传感器网络技术的物联网应用中,用户需要快速的查询响应,比如智能交通物联网应用中,行驶在路上的司机即时查询附近的空停车位信息.如何为此类物联网设计一种符合传感器网络特性(如能量有效等)的快速数据转发方案是一项重要的挑战性工作.已有的传感器网络实时数据转发协议大都因未解决好转发断路带来的额外开销、孤立节点处理耗时、难以适应网络拓扑动态变化等关键性问题而未取得理想的实时性效果.为此,该文提出一种新的基于查询的快速数据转发方案,利用查询消息为每个传感器节点建立最快速的数据转发路径(有向无环图),此外文中给出的综合路径代价模型可以均衡网络能量和减少网络拥塞延时,最后设计了贪婪的分布式数据转发算法及其改进算法,并用仿真实验验证了该方案的有效性和高效性.

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第35卷第3期

计

CHINESE

算

机

学

OF COMPUTERS

JOURNAL

报

v01．35 No．3

Mar．2012

2012年3月

实时响应物联网中基于查询的数据转发方案

红”’2’

’(教育部数据工程与知识工程重点实验室(中国人民大学)

尚丰”’2h3’

莫

李英龙”’2h∞

陈

北京100872)

100872)

2’(中国人民大学信息学院北京

湖南湘潭411201)

”(湖南科技大学数学与计算科学学院

要

摘

在许多基于传感器网络技术的物联网应用中，用户需要快速的查询响应，比如智能交通物联网应用中，行

驶在路上的司机即时查询附近的空停车位信息．如何为此类物联网设计一种符合传感器网络特性(如能量有效等)

的快速数据转发方案是一项重要的挑战性工作．已有的传感器网络实时数据转发协议大都因未解决好转发断路带

来的额外开销、孤立节点处理耗时、难以适应网络拓扑动态变化等关键性问题而未取得理想的实时性效果．为此，

该文提出一种新的基于查询的快速数据转发方案，利用查询消息为每个传感器节点建立最快速的数据转发路径

(有向无环图)，此外文中给出的综合路径代价模型可以均衡网络能量和减少网络拥塞延时，最后设计了贪婪的分

布式数据转发算法及其改进算法，并用仿真实验验证了该方案的有效性和高效性．

关键词物联网；实时数据转发；转发断路；孤立节点；优先转发节点；备份转发节点；连通度；无线传感器网络

中图法分类号TP393

DOI号：10．3724／SP．J．1016．2012．00464

Data

Real-_Time

in Internet of

Novel

Query‘-Driven

Forwarding

Things

CHEN

Shang—Fen91’'2’，3’

Hon91’，∞

Ying—Lon91’’2’，3’

Data and

100872)

411201)

University of China)，Ministry of Education，Beijing

100872)

1’(KeyLaboratory of

KnowledgeEngineering(Renmin

”(Schoolof Information，Renmin University of China，Beijing

Mathematics and

Science，Hunan

Science and

University of Technology，Xiangtan，Hunan

3’(Department of

Computing

Internet of

Abstract

sensor network

involved

need

Things(IoT)，users

technologies

many

drivers

the road check the real—time informa—

parking

quick queryresponse，e．g．，the

tion loTs of

driving

fast data

scheme for

sensor net—

traffic

system．Designing

intelligent

forwarding

nearby

such kind of loTs as well as

the

meeting

requirements(e．g．，energy efficiency)of

real—time

of sensor networks

works is

crucial and

challenging issue．Existing

routing protocols

do not achieve the desired real——time

because

suffer from the

of extra over——

key

problems

goal

they

reach the

have to

time

backtrack)and

head of void

overhead of

destination，but

forwarding paths(cannot

isolated nodes，as well as difficult to

to the network

topological

adapt

processing

data

scheme is

in this

paper，which

new

changes．Therefore，a

query-driven

forwarding

on the

forwarding paths(directed acyclic graphs)based query

proposed

node

its fastest data

the

every

gets

link cost model is

to achieve local

distributed data

corresponding greedy

flooded

message

Sink．Moreover，hybrid

given trying

the

balance and

avoidance，and

finally

energy

congestion

and its

one are

simulations show the effec—

forwarding algorithm

improved

provided．Extensive

and

tiveness and

efficiency

of the

schemes

proposed

algorithms．

data

Internet of

forwarding；void forwarding path；isolated node；

sensor networks

Keywords

Things；real—time

preferred forwarding node；backup forwarding node；connectivity；wireless

收稿日期：201I-06—24；最终修改稿收到日期：2011-11-20．本课题得国家自然科学基金(61070056)、国家自然科学基金重点项目

(61033010)及中国人民大学科学研究基金(中央高校基本科研业务费专项资金资助)项目成果(12XNHl75)资助．李英龙，男，1981年

生，博士研究生，主要研究方向为物联网中的路由和复杂查询．E-mail：liyinglong@ruc．edu．cn．陈红(通信作者)，女，1965年生，博士，

教授，博士生导师，中国计算机学会(CCF)高级会员，主要研究领域为无线传感器网络中的数据处理．E—mail：chongj@ruc．edu．ca．

莫尚丰，男，1977年生，博士研究生，主要研究方向为无线传感器网络中的路由设计和数据处理．

万方数据

3期

李英龙等：实时响应物联网中基于查询的数据转发方案465

则．LOGF可以在端到端数据包延迟和转发跳数之

间取得较好的平衡，但该策略基于一个很苛刻的假

设前提，即在LOGF中，假设每个节点至少有一个

引

言

物联网(Internet

离汇聚节点(Sink)近于自己的邻居节点，使得沿此

类邻居节点转发数据时总能到达Sink．虽然这个假

设前提可以较好地回避转发断路问题，但相同跳数

邻居节点之间的数据转发也会影响查询响应的实时

性．文献Es]基于一种虚拟队列结构为传感器网络设

计了一个机会调度算法，可以控制单跳和多跳网络

中最坏情况下的延迟，但不适用于实时性要求高的

应用．文献[6]提出了通过贪婪嵌入机制以确保基于

嵌入坐标的路由总能找到目的节点，但没有有效地

解决能量有效和传输延迟问题．文献E7]提出一种无

线网络中非编码传输协助的编码方案来减少多播流

数据传输跳数，同样存在转发断路问题．文献E83引

入“睡眠一唤醒”调度机制以减少端到端的延迟，但不

能保证数据以最小跳数方式转发，从而影响了实时

性．文献[9]通过减少每个节点的先进先出队列积压

和实际物理队列出队连接数，提出一种镜像架构来

改进背压(back—pressure)调度算法的延迟性能．

Things，IoT)是以感知为目

的，实现人与人、人与物、物与物全面互联的网络，其

特征是通过传感器、射频识别(RFID)等方式获取物

理世界的各种信息，结合互联网、移动通信网等网络

进行信息的传送与交互，采用智能计算技术对信息

进行分析处理，从而提高对物质世界的感知能力，实

现智能化的决策和控制[1]．物联网广泛应用于安防、

电力、交通、医疗等许多领域．

在许多物联网应用中，用户需要得到快速而可

靠的查询响应．比如智能交通物联网应用中，行驶在

道路上的司机即时查找附近的空闲停车位信息；在

安防物联网视频监控应用系统中获取指定区域的实

时音频／视频监控信息；国家核电站监控物联网中查

询实时的放射物辐射水平；在闭环控制物联网系统

中快速查找事故点[23；在国防军事物联网中，搜集敌

对区域的实时情报等等．在此类实时响应的物联网

应用中，数据需要非常及时地转发给用户，否则就会

失效(数据的有效期很短)．如何为此类物联网设计

一种快速的数据转发方案是一项亟待解决的挑战性

工作．

SPEED[1

o]是传感器网络一种著名的实时性地理路

由，它只选择满足要求的快速连接作为转发路径，并

采用局部反馈控制以应对不断变化的负载和拥塞．

MMSPEED

物联网体系结构包括应用层、通信网络层(包括

互联网，2G、3G、4G等移动通信网络)和感知层，其

中感知层主要由各类同构或异构传感器网络(Wire—

E11]是SPEED的扩充，除了在转发速率

等方面的改进之外，MMSPEED还支持数据的可靠

传输．SPEED和MMSPEED虽然在数据转发时采

用了局部反馈控制，但都没有解决转发断路问题，而

且缺少对延迟、可靠性和能效的均衡考虑．

less Sensor

Networks，WSNs)组成[3]，这些传感器

网络负责各类物理目标的感知、监控以及感知数据

的转发和上传，它们是物联网实现物与物、人与物等

互联通信的基础设施，是物联网的核心组成部分之

一．物联网底层的数据转发主要依靠传感器网络

完成．

目前，有不少研究[16‘20]也关注传感器网络基于

查询的路由．文献[163提出了在间歇性的连接移动

传感器网络中分别利用数据对象和查询的空间信息

来指引数据聚集和转发的方法，但该方法没有考虑多

跳数据转发的情况，也未能较好地解决网络拓扑结构

变化问题．定向扩散(Directed Diffusion，DD)[17]是

一个著名的基于查询的路由协议，该路由包含(查

询)兴趣传播阶段、初始梯度建立阶段和沿加强路径

传输数据阶段．DD虽然可以解决转发断路问题，但

梯度中会存在跳数相同的邻节点(有时还存在

“环”)，影响了数据转发的实时性．文献[18]提出优

先调度策略以改进DD，但仍未解决上述问题．谣传

近年来，有许多研究[4。2叩试图提高传感器网络

数据转发的实时性、能量有效性、可靠性等方面的服

务质量，但由于这些数据转发策略和算法未能较好

地解决数据转发断路带来的额外时间和能量的开

销、孤立节点处理耗时、难以适应网络拓扑结构动态

变化等关键性问题，因此它们都未能在实时性方面

取得理想效果，难以满足物联网感知层中数据转发

的实时性要求．

路由(rumor

文献E43提出了传感器网络中可调的局部最优

地理转发策略(tunable Locally—Optimal Geograph—

routing)[1钉提出了基于查询消息的随

机单播数据转发机制．在谣传路由中，事件区域内的

传感器节点产生的代理消息和Sink发送的查询消

息都沿随机路径传播，当它们相遇时，一条从Sink

ical

Forwarding policy，LOGF)，包括一个简化的数

据转发数学模型和一个简单的单步前瞻数据转发规

万方数据

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