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物联网中考虑节点故障的报文调度方案

更新时间:2019-12-21 17:24:08 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

在物联网(IoT)环境中,为提升全网系统效率,提出一种考虑节点故障的报文调度方案。利用最短时间调度机制实现报文顺序重排,在节省能量和备份节点部署成本的基础上,通过备份节点选择机制寻找最佳替代节点,缩短报文响应时间。仿真结果表明,该方案能有效降低网络能量消耗及缩短 IoT 系统报文平均响应时间,并从延长网络寿命角度给出不同节点故障率条件下的 IoT最佳备份节点配置数目。

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42 1 1 期  
Vol. 42ꢀ No. 1 1  
201 1 月  
ꢀ ꢀ  
Computer Engineering  
November 206  
· 物 联 网 专 题 ·  
文 章 编 号 : 10003428201611003206ꢀ ꢀ ꢀ 文 献 标 志 码 : Aꢀ ꢀ ꢀ 中 图 分 类 号 : TP393  
物 联 网 中 考 虑 节 点 故 障 的 报 文 调 度 方 案  
英 , 红  
湖 南 第 一 师 范 学 院 信 息 科 学 与 工 程 学 院 , 长 沙 0205中 州 大 学 信 息 工 程 学 院 , 郑 州 450000)  
要 : 在 物 联 网 ( IoT) 环 境 中 , 为 提 升 全 网 系 统 效 率 , 提 出 一 种 考 虑 节 点 故 障 的 报 文 调 度 方 案 。 利 用 最 短 时 间 调  
度 机 制 实 现 报 文 顺 序 重 排 , 在 节 省 能 量 和 备 份 节 点 部 署 成 本 的 基 础 上 , 通 过 备 份 节 点 选 择 机 制 寻 找 最 佳 替 代 节 点 ,  
缩 短 报 文 响 应 时 间 。 仿 真 结 果 表 明 , 该 方 案 能 有 效 降 低 网 络 能 量 消 耗 及 缩 短 IoT 系 统 报 文 平 均 响 应 时 间 , 并 从 延  
长 网 络 寿 命 角 度 给 出 不 同 节 点 故 障 率 条 件 下 的 IoT 最 佳 备 份 节 点 配 置 数 目 。  
关 键 词 : 物 联 网 ; 代 理 节 点 ; 报 文 调 度 ; 节 点 故 障 ; 备 份 节 点 ; 能 量 消 耗 ; 响 应 时 间  
中 文 引 用 格 式 : 英 , 物 联 网 中 考 虑 节 点 故 障 的 报 文 调 度 方 案 [ 计 算 机 工 程 , 20421 1 ) : 3237.  
英 文 引 用 格 式 : Hu YingLou Hong. Message Scheduling Scheme Considering Node Failure for Internet of Things.  
Computer Engineering20421 1 ) : 3237.  
Message Scheduling Scheme Considering Node Failure for Internet of Things  
HU YingLOU Hong2  
. School of Information Science and EngineeringHunan First Normal UniversityChangsha 0205China;  
. School of Information EngineeringZhongzhou UniversityZhengzhou 450000China)  
AbstractIn Internet of ThingsIoTenvironmentin order to improve the IoT system efficiencythis paper proposes a  
message scheduling scheme considering node failure. It realizes message order rearrangement by using the shortest time  
scheduling mechanism. The best alternative node is found through the backup node selection mechanism based on saving  
energy and reducing the cost of backup node deployment. Simulation results show that the scheme can provide a faster  
response time of messages and a lower energy consumption of the IoT system. From the perspective of prolonging  
network lifeit also provides the optimal number configuration of IoT backup nodes under the condition of different node  
failure probability.  
Key wordsInternet of ThingsIoT) ; proxy nodemessage schedulingnode failurebackup nodeenergy consumption;  
response time  
DOI3969 / j. issn. 10003428201 1 006  
响 应 时 间 、 分 组 到 达 率 等 应 用 层 业 务 性 能 特 征 。  
0ꢀ 概 述  
献 [ ] 提 出 一 种 面 向 IoT 子 群 报 文 交 换 的 报 文 调 度  
方 案 。 文 献 [ ] 使 用 备 份 簇 首 节 点 解 决 代 理 节 点 出  
现 故 障 的 问 题 , 并 提 出 能 够 降 低 传 输 功 率 的 能 量 感  
知 协 议 。 文 献 [ ] 研 究 了 传 感 器 网 络 节 点 故 障 时 的  
节 点 再 部 署 问 题 , 分 析 了 应 用 层 业 务 Qos 质 量 、 网 络  
连 接 性 和 覆 盖 范 围 。 文 献 [ ] 提 出 一 种 故 障 容 忍 算  
法 用 于 检 测 无 线 传 感 器 网 络 中 的 突 然 紧 急 事 件 , 并  
研 究 主 要 关 注 簇 首 的 节 点 故 障 问 题 。  
物 联 网 ( Internet of ThingsIoT) 是 一 种 实 现 物  
]  
物 间 信 息 交 互 的 网 络 体 系 结 构 。 通 过 设 计 合 适 的  
报 文 数 据 流 顺 序 和 备 份 节 点 选 择 机 制 , 提 升 IoT 整  
]  
体 网 络 能 量 、 运 行 成 本 和 全 寿 命 周 期 等 性 能  
。 当  
传 感 器 节 点 向 代 理 节 点 发 送 查 询 请 求 时 , 查 询 响 应  
由 报 文 投 递 顺 序 和 时 延 决 定 , 合 适 的 报 文 调 度 设 计  
]  
将 有 助 于 减 少 时 延 和 缩 短 查 询 响 应 时 间  
。 此 外 ,  
针 对 节 点 出 现 突 然 故 障 的 特 殊 情 形 , 不 仅 需 要 考 虑  
设 备 节 能 , 而 且 需 要 设 计 合 理 的 节 点 自 修 复 、 自 动 配  
置 和 备 份 节 点 选 择 机 制 。  
在 此 基 础 上 , 本 文 提 出 一 种 考 虑 节 点 故 障 问 题 的  
报 文 调 度 方 案 ( Message Scheduling Scheme Condersing  
Node FailureMSSN ) , 包  
括 最 短 时 间 调 度 机 制  
目 前 , 大 多 数 报 文 调 度 算 法 主 要 考 虑 失 效 时 间 、  
Shortest Time Scheduling MechanismSTSM) 和 备 份  
作 者 简 介 : 英 ( 1978— ) , 女 , 讲 师 、 硕 士 , 主 研 方 向 为 物 联 网 、 图 像 处 理 、 智 能 计 算 ; 红 , 讲 师 、 硕 士 。  
收 稿 日 期 : 2009ꢀ ꢀ 修 回 日 期 : 201 1 23ꢀ ꢀ Emailhuying_2. com  
万方数据  
42 1 1 期  
英 , 红 : 物 联 网 中 考 虑 节 点 故 障 的 报 文 调 度 方 案  
                                                                                           
33  
节 点 选 择 机 制 ( Backup Node Selection Mechanism,  
BNSM) 。 在 设 计 高 效 的 报 文 调 度 机 制 的 同 时 考 虑 了  
非 代 理 普 通 故 障 节 点 的 修 复 概 率 。 当 修 复 失 败 后 , 通  
过 选 择 合 适 的 备 份 节 点 以 确 保 系 统 获 得 快 速 的 响 应  
时 间 和 更 长 的 网 络 存 活 时 间 。  
IoT 节 点 故 障 类 型 主 要 有 能 量 耗 尽 故 障 、 收 发 器  
1 1 ]  
硬 件 故 障 和 软 件 故 障 等  
, 由 于 本 文 系 统 中 IoT 子  
群 通 过 代 理 节 点 实 现 所 有 传 感 器 发 送 信 息 到 汇 聚 节  
点 的 功 能 , 因 此 主 要 考 虑 备 份 节 点 数 目 对 网 络 性 能  
]  
的 影 响  
1ꢀ 系 统 构 建 和 问 题 描 述  
2ꢀ 报 文 调 度 方 案  
2. 1ꢀ 能 量 消 耗 模 型  
IoT 网 络 体 系 结 构 , 由 分 布 于 多 个 子 群  
的 分 布 式 传 感 器 组 成 。 由 此 可 知 , IoT 分 为 多 个 IoT  
IoT 网 络 中 有 个 传 感 器 节 点 随 机 分 布 在  
子 群 , 每 个 子 群 选 举 一 个 代 理 节 点 , 子 群 内 所 有 节 点  
IoT 各 子 群 中 。 传 感 器 节 点 通 过 子 群 预 先 设 定 的 代  
理 节 点 实 现 数 据 发 送 。 所 有 节 点 具 有 相 同 的 感 知 、  
通 过 代 理 节 点 和 远 程 服 务 器 或 者 目 标 接 收 机 实 现 远  
]  
程 通 信  
IoT 系 统 架 构 需 要 同 时 考 虑 网 络 层 的 路  
处 理 和 传 输 能 力 且 能 量 初 始 值 相 同 。 本 文 方 案 使 用  
]  
由 算 法 和 应 用 层 的 报 文 调 度 算 法 。  
STSM 协 议  
一 阶 无 线 电 能 量 消 耗 模 型  
, 设 汇 聚 节 点 远 离 传 感  
中 , 报 文 调 度 器 仅 在 代 理 节 点 上 运 行 , 用 于 调 度 其 子  
群 内 所 有 传 感 器 节 点 发 送 的 信 息 。 代 理 节 点 缓 存 众  
多 来 自 子 群 传 感 器 节 点 的 请 求 , 并 针 对 这 些 请 求 通  
过 合 理 调 度 给 出 快 速 响 应 。  
器 节 点 , 为 减 少 发 往 汇 聚 节 点 的 总 数 据 量 , 在 路 由 协  
议 中 完 成 数 据 融 合 过 程 。 代 理 节 点 接 收 并 压 缩 报 文  
信 息 后 , 再 放 大 信 号 功 率 将 报 文 发 往 汇 聚 节 点 。  
在 模 型 中 , elec 表 示 收 发 机 电 路 消 耗 的 能 量 ,  
amp 表 示 功 率 放 大 器 件 消 耗 的 能 量 。 因 此 , 系 统 发 送  
报 文 消 耗 的 能 量 为 :  
elec · · · 2  
)  
)  
系 统 接 收 报 文 消 耗 的 能 量 为 :  
elec · k  
其 中 , 表 示 每 个 报 文 的 比 特 数 目 ; 表 示 收 发 节 点  
间 距 。  
2. 2ꢀ 最 短 时 间 调 度 机 制  
首 先 分 析 来 自 传 感 器 节 点 的 不 同 传 感 器 报 文 周  
期 。 然 后 基 于 队 列 理 论 , 使 用 M / M / 队 列 分 析 业 务  
量 并 判 断 报 文 轮 询 频 率 。 最 后 使 用 STSM 算 法 重 排  
报 文 请 求 顺 序 。  
1ꢀ IoT 系 统 体 系 结 构  
使 用 M / M / 队 列 模 型 模 拟 分 析 传 感 器 节 点 报  
ꢀ ꢀ 因 为 BNSM 是 网 络 层 的 算 法 , 所 以 需 要 考 虑 系  
统 路 由 协 议 使 用 情 况 。 备 份 节 点 选 择 机 制 是 在 IoT  
网 络 层 实 施 , 需 要 考 虑 IoT 网 络 层 路 由 协 议 的 选 择 ,  
为 了 进 一 步 减 少 IoT 全 网 的 能 量 消 耗 , 从 节 能 、 可 扩  
展 性 、 可 靠 性 的 分 层 路 由 协 议 角 度 , 本 文 选 择 文  
献 [ ] 提 出 的 分 层 路 由 协 议 作 为 基 础 协 议 。  
文 到 达 速 率 和 业 务 服 务 速 率 , 分 别 表 示 为  
λr  
μr  
其 中 , 表 示 报 文 ID, 据 此 可 得 到 报 文 业 务 量 强 度 。  
报 文 性 能 指 标 有 服 务 请 求 周 期 时 间 和 成 功 传 输 时  
间 。 服 务 请 求 周 期 时 间 由 服 务 时 间 和 请 求 周 期 时 间  
构 成 。 服 务 时 间 是 指 代 理 节 点 的 成 功 传 输 时 间 , 而  
请 求 周 期 时 间 则 由 报 文 到 达 代 理 节 点 队 列 的 速 率  
确 定 。  
为 提 高 网 络 可 靠 性 , 防 止 关 键 节 点 出 现 故 障 影  
响 网 络 可 靠 性 , 引 入 备 份 节 点 , 初 始 状 态 为 静 默 沉 睡  
来 自 传 感 器 的 报 文 可 归 为 类 , 对 于 第 类 报  
文 , , … } , 其 请 求 的 成 功 传 输 时 间 为  
trans, 请 求 时 间 周 期 为 Req, 每 个 报 文 可 被 表 示 为  
MessReq trans) 。 报 文 的 到 达 速 率 和 服 务 速 率  
状 态 。 当 故 障 节 点 修 复 失 败 时 , 唤 醒 备 份 节 点 。  
节 点 确 定 死 亡 时 , 检 查 所 有 可 用 备 份 节 点 , 并 选 择 距  
离 死 亡 节 点 距 离 最 近 的 备 份 节 点 。 IoT 系 统 初 始 设  
定 一 定 比 例 的 备 份 节 点 数 目 , 当 节 点 故 障 时 , 首 先 以  
一 定 的 修 复 概 率 启 动 自 修 复 进 程 , 如 果 自 修 复 不 起  
作 用 , 则 启 动 备 份 节 点 替 代 进 程 。 本 文 方 案 旨 在 寻  
找 最 佳 范 围 内 的 备 份 节 点 替 代 故 障 节 点 , 并 通 过 最  
佳 备 份 节 点 计 算 获 得 网 络 中 备 份 节 点 的 最 佳 配 置  
数 目 。  
分 别 为  
= 1 / TReq和  
= 1 / Ttrans  
μr  
因 此 , 对 于 IoT  
λr  
整 体 系 统 业 务 量  
分 析 获 得 , 且 有 :  
的 考 察 , 可 通 过 报 文 的 业 务 量  
ρr  
ρ
trans  
λr  
μr  
)  
ρr  
Req  
万方数据  

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