Tối ưu hóa định tuyến dựa trên kiểm soát tắc nghẽn cho mạng cảm biến không dây

Wei Ding1, Liangrui Tang1, Shiyu Ji1
1State Key Laboratory of Alternate Electrical Power System with Renewable Energy Sources, North China Electric Power University, Beijing, China

Tóm tắt

Cùng với sự gia tăng nhu cầu ứng dụng trên mạng cảm biến không dây (WSN), tiêu thụ năng lượng và tình trạng tắc nghẽn trở thành hai vấn đề chính cần được giải quyết gấp rút. Tuy nhiên, trong hầu hết các trường hợp, hai vấn đề này không được xem xét đồng thời. Để giải quyết vấn đề này, trong bài báo này, một giải pháp duy trì hiệu quả năng lượng và kiểm soát tắc nghẽn cho các WSN thu năng lượng được trình bày. Đầu tiên, chúng tôi xây dựng một mô hình mạng hàng đợi để phát hiện mức độ tắc nghẽn của các nút. Sau đó, với sự trợ giúp của nguyên lý lưu lượng trong thủy lực, chúng tôi đề xuất một thuật toán định tuyến tối ưu dựa trên kiểm soát tắc nghẽn (CCOR). Thuật toán CCOR được thiết kế bằng cách xây dựng hai hàm có tên là độ dốc liên kết và bán kính lưu lượng dựa trên vị trí của các nút và tỷ lệ dịch vụ của các gói tin. Cuối cùng, xác suất chọn tuyến đường cho mỗi lối đi được phân bổ theo tỷ lệ lưu lượng liên kết. Kết quả mô phỏng cho thấy giải pháp được đề xuất giảm đáng kể tỷ lệ mất gói tin và duy trì hiệu quả năng lượng cao dưới các tải lưu lượng khác nhau.

Từ khóa

#Mạng cảm biến không dây #Kiểm soát tắc nghẽn #Tiêu thụ năng lượng #Định tuyến tối ưu #Mô hình mạng hàng đợi.

Tài liệu tham khảo

Chen, M., Gonzalez, S., Vasilakos, A., Cao, H., & Leung, V. C. M. (2010). Body area networks: A survey. Mobile Networks and Applications, 16(2), 171–193. Liu, J., Wang, Q., Wan, J., X, J., & Zeng, B. (2013). Towards key issues of disaster aid based on wireless body area networks. KSII Transactions on Internet and Information Systems, 7(5), 1014–1035. Xiang, L., Luo, J., & Vasilakos, A. (2011).Compressed data aggregation for energy efficient wireless sensor networks. In Proceedings of the 8th annual IEEE communications society conference on sensor, mesh and ad hoc communications and networks (SECON’11). Vasilakos, A. V., Li, Z., Simon, G., & You, W. (2015). Information centric network: Research challenges and opportunities. Journal of Network and Computer Applications, 52, 1–10. Wu, Y., & Liu, W. (2013). Routing protocol based on genetic algorithm for energy harvesting-wireless sensor networks. Wireless Sensor Systems, 3(2), 112–118. Li, M., Li, Z., & Vasilakos, A. V. (2013). A Survey on topology control in wireless sensor networks, taxonomy, comparative study, and open issues. Proceedings of the IEEE, 101(12), 2538–2557. Zeng, Y., Xiang, K., Li, D., & Vasilakos, A. V. (2013). Directional routing and scheduling for green vehicular delay tolerant networks. Wireless Networks, 19(2), 161–173. Xu, X., Ansari, R., Khokhar, A., & Vasilakos, A. V. (2015). Hierarchical data aggregation using compressive sensing in WSNs. ACM Transactions on Sensor Networks (TOSN), 11(3), 294–312. Sengupta, S., Das, S., Nasir, M., Vasilakos, A. V., & Pedrycz, W. (2012). An evolutionary multiobjective sleep-scheduling scheme for differentiated coverage in wireless sensor networks. IEEE Transactions on Systems, Man, and Cybernetics, Part C: Applications and Review, 42(6), 1093–1102. Wang, X., Vasilakos, A. V., Chen, M., Liu, Y., & Kwon, T. T. (2012). A survey of green mobile networks: Opportunities and challenges. Mobile Networks and Applications, 17(1), 4–20. Han, K., Luo, J., Liu, Y., & Vasilakos, A. V. (2013). Algorithm design for data communications in duty-cycled wireless sensor networks: A survey. IEEE Communications Magazine, 51(7), 107–113. Youssef, M., Ibrahim, M., Abdelatif, M., Chen, L., & Vasilakos, A. V. (2014). Routing metrics of cognitive radio networks: A survey. IEEE Communications Surveys and Tutorials, 16(1), 92–109. Dvir, A., & Vasilakos, A. V. (2011). Backpressure-based routing protocol for DTNs. ACM SIGCOMM Computer Communication Review, 41(4), 405–406. Chen, M., Wan, J., Gonzalez, S., Liao, X., & Leung, V. C. M. (2014). A survey of recent developments in home M2M networks. IEEE Communications Surveys and Tutorials, 16(1), 98–114. Sheng, Z., Yang, S., Yu, Y., Vasilakos, A. V., McCann, J. A., & Leung, K. K. (2013). A survey on the ietf protocol suite for the internet of things: standards, challenges, and opportunities. IEEE Wireless Communications, 20(6), 91–98. Busch, C., Kannan, R., & Vasilakos, A. V. (2012). Approximating congestion+ dilation in networks via “quality of routing” games. IEEE Trans. Computers, 61(9), 1270–1283. Zawodniok, M., & Jagannathan, S. (2007). Predictive congestion control protocol for wireless sensor networks. IEEE Transactions on Wireless Communications, 6(11), 3955–3963. Yaghmaee, M. H., & Adjeroh, D. A. (2009). Priority-based rate control for service differentiation and congestion control in wireless multimedia sensor networks. Computer Networks, 53(11), 1798–1811. Levis, P., Lee, N., Welsh, M., & Culler, D. (2003). TOSSIM: Accurate and scalable simulation of entire Tinyos applications. In Proceedings of the 1st international conference on Embedded networked sensor systems (SenSys’03). Ren, F., He, T., Das, S., & Lin, C. (2011). Traffic-aware dynamic routing to alleviate congestion in wireless sensor networks. IEEE Transactions on Parallel and Distributed Systems, 22(9), 1585–1599. Yao, Y., Cao, Q., & Vasilakos, A. V. (2015). EDAL: An energy-efficient, delay-aware, and lifetime-balancing data collection protocol for heterogeneous wireless sensor networks. IEEE/ACM Transactions on Networking, 23(3), 810–823. Yen, Y. S., Chao, H. C., Chang, R. S., & Vasilakos, A. V. (2011). Flooding-limited and multi-constrained QoS multicast routing based on the genetic algorithm for MANETs. Mathematical and Computer Modelling, 53(11–12), 2238–2250. Song, Y., Liu, L., Ma, H., & Vasilakos, A. V. (2014). A Biology-based algorithm to minimal exposure problem of wireless sensor networks. IEEE Transactions on Network and Service Management, 11(3), 417–430. Meng, T., Wu, F., Yang, Z., Chen, G., & Vasilakos, A. V. (2015). Spatial reusability-aware routing in multi-hop wireless networks. IEEE Transactions on Computers, PP(99), 1–13. Li, P., Guo, S., & Vasilakos, A.V. (2012). CodePipe: An opportunistic feeding and routing protocol for reliable multicast with pipelined network coding. In Proceedings of IEEE INFOCOM. Li, P., Guo, S., Yu, S., & Vasilakos, A. V. (2014). Reliable multicast with pipelined network coding using opportunistic feeding and routing. IEEE Transactions on Parallel and Distributed Systems, 25(12), 3264–3273. Wu, J., & Wang, Y. (2014). Hypercube-based multipath social feature routing in human contact networks. IEEE Transactions on Computers, 63(2), 383–396. Azad, S., Casari, P., & Zorzi, M. (2014). Multipath routing with limited cross-path interference in underwater networks. IEEE Wireless Communications Letters, 3(5), 465–468. Han, D., & Chung, J. M. (2014). Self-similar traffic end-to-end delay minimization multipath routing algorithm. IEEE Wireless Communications Letters, 18(12), 2121–2124. Xiao, Y., Peng, M., Gibson, J., Xie, G. G., Du, D. Z., & Vasilakos, A. V. (2012). Tight performance bounds of multihop fair access for mac protocols in wireless sensor networks and underwater sensor networks. IEEE Transactions on Mobile Computing, 11(10), 1538–1554. Chilamkurti, N., Zeadally, S., Vasilakos, A., & Sharma, V. (2009). Cross-layer support for energy efficient routing in wireless sensor networks. Journal of Sensor, 29(2), 334–342. Liu, Y., Xiong, N., Zhao, Y., Vasilakos, A. V., & Gao, J. (2009). Multi-layer clustering routing algorithm for wireless vehicular sensor networks. IET Communications, 4(7), 810–816. Gupta, P., & Kumar, P. (2000). The capacity of wireless networks. IEEE Transactions on Information Theory, 46(2), 388–404. Bisnik, N., & Abouzeid, A. (2009). Queuing network models for delay analysis of multihop wireless ad hoc networks. Ad Hoc Networks, 7(1), 79–97. Burno, R., Conti, M., & Pinizzotto, A. (2009). A queuing modeling approach for load-aware route selection in heterogeneous mesh networks. IEEE International Symposium on a World of Wireless, Mobile and Multimedia Networks & Workshops (WoWMoM 2009).