一種基于負(fù)載均衡的高能效LLN路由算法

一種基于負(fù)載均衡的高能效LLN路由算法一、背景在現(xiàn)代社會(huì)中，物聯(lián)網(wǎng)（IoT）已經(jīng)成為了一個(gè)熱門話題。隨著智能設(shè)備的迅猛發(fā)展，人類的生產(chǎn)和生活已經(jīng)從互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代進(jìn)入了物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代。在這個(gè)時(shí)代中，物聯(lián)網(wǎng)不僅僅是用于智能家居、智能城市、智能交通等方面，還應(yīng)用于農(nóng)業(yè)、醫(yī)療、工業(yè)等各個(gè)領(lǐng)域。在物聯(lián)網(wǎng)中，低功耗寬域網(wǎng)（LoRaWAN）作為一種基于低功耗、長(zhǎng)距離、低帶寬的無(wú)線通信技術(shù)，被廣泛應(yīng)用于物聯(lián)網(wǎng)中的長(zhǎng)距離、低功耗節(jié)點(diǎn)（LLN）。LLN路由算法是物聯(lián)網(wǎng)中的一個(gè)重要問(wèn)題。LoRaWAN具有低速率（最高300bps）、低功耗和長(zhǎng)距離傳輸?shù)忍攸c(diǎn)，這導(dǎo)致了LoRaWAN網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)包傳輸過(guò)程存在一定的問(wèn)題。設(shè)備的發(fā)射功率受到限制，接收靈敏度也比較低，因此在LoRaWAN網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)間的距離要比其他無(wú)線網(wǎng)絡(luò)更加遙遠(yuǎn)。LoRaWAN網(wǎng)絡(luò)由滿足不同需求的無(wú)線設(shè)備組成，這些設(shè)備通過(guò)其中一個(gè)路由器節(jié)點(diǎn)連接到云服務(wù)，從而實(shí)現(xiàn)了設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸。隨著物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，數(shù)量龐大的設(shè)備需要在這個(gè)小型網(wǎng)絡(luò)中通信，并且為了保證通信質(zhì)量、減輕節(jié)點(diǎn)的能耗等問(wèn)題，需要對(duì)LLN路由算法進(jìn)行優(yōu)化。下面將提出一種基于負(fù)載均衡的高能效LLN路由算法。二、現(xiàn)有問(wèn)題目前，LoRaWAN網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)傳輸主要采用廣播或單播方式。廣播方式在網(wǎng)絡(luò)中存在較多的重復(fù)傳輸和無(wú)用傳輸，因此存在能耗浪費(fèi)的問(wèn)題。廣播方式在節(jié)點(diǎn)之間的傳輸過(guò)程中，容易引起沖突，影響節(jié)點(diǎn)傳輸?shù)目煽啃院屯暾浴６鴨尾シ绞诫m然可以減少?zèng)_突，但由于單播方式需要在路由中設(shè)立繁瑣的路由表，增加了節(jié)點(diǎn)處理負(fù)荷，降低了網(wǎng)絡(luò)效率和生產(chǎn)力。除了廣播和單播，還有一些組播技術(shù)被用于解決數(shù)據(jù)傳輸中的沖突問(wèn)題。組播方式允許一組節(jié)點(diǎn)同時(shí)接收數(shù)據(jù)，減少了沖突出現(xiàn)的概率。但是，組播方式需要在網(wǎng)絡(luò)中尋找和匹配多個(gè)節(jié)點(diǎn)并建立多個(gè)數(shù)據(jù)路徑，這也帶來(lái)了更高的處理負(fù)荷。三、算法思想在現(xiàn)有的負(fù)載均衡路由算法中，所有節(jié)點(diǎn)都是平等的，根據(jù)其余接收節(jié)點(diǎn)數(shù)量分配節(jié)點(diǎn)和通信上行頻率。但是，在LoRaWAN網(wǎng)絡(luò)中，由于節(jié)點(diǎn)與網(wǎng)關(guān)的距離不同，因此節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)傳輸中所需要的發(fā)射功率和能量消耗也不同。為了減少能耗浪費(fèi)，本文提出一種基于負(fù)載均衡的高能效LLN路由算法（ELLA）。ELLA算法的核心思想是基于節(jié)點(diǎn)接收到的數(shù)據(jù)量和節(jié)點(diǎn)到網(wǎng)關(guān)的距離，動(dòng)態(tài)分配最優(yōu)路徑和最優(yōu)發(fā)射功率，以實(shí)現(xiàn)負(fù)載均衡。ELLA算法主要分為三個(gè)階段：負(fù)載估計(jì)、路由規(guī)劃和路徑選擇。1.負(fù)載估計(jì)負(fù)載估計(jì)主要目的是估計(jì)每個(gè)節(jié)點(diǎn)的負(fù)載，這會(huì)對(duì)負(fù)載均衡的路由選擇產(chǎn)生影響。在ELLA算法中，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都具有能力感知它們自己在接收上行鏈路方面的信號(hào)質(zhì)量和網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。因此，節(jié)點(diǎn)可以測(cè)量其接收到的鏈路質(zhì)量，以確定它們接收數(shù)據(jù)的能力。然后，節(jié)點(diǎn)將估算自己的負(fù)載密度，將其轉(zhuǎn)換為排隊(duì)長(zhǎng)度。2.路由規(guī)劃路由器會(huì)根據(jù)節(jié)點(diǎn)的負(fù)載密度將負(fù)載分配到合適的路徑上，負(fù)載越大的路徑會(huì)有更大的機(jī)會(huì)被選擇。為避免網(wǎng)絡(luò)擁塞，每個(gè)路由器只會(huì)同時(shí)選擇一個(gè)最優(yōu)路徑。路由器會(huì)每隔一段時(shí)間檢查路徑，如果節(jié)點(diǎn)負(fù)載過(guò)大，將立即指派一個(gè)新的路徑，分配更多的資源和帶寬。3.路徑選擇路由器會(huì)基于二進(jìn)制分層路由（BHR）協(xié)議來(lái)選擇節(jié)點(diǎn)的路徑。BHR協(xié)議是一種類似于深度優(yōu)先搜索的算法，其中每個(gè)節(jié)點(diǎn)都會(huì)向網(wǎng)關(guān)發(fā)送帶有它們到網(wǎng)關(guān)路徑的報(bào)告。這些報(bào)告包含每個(gè)節(jié)點(diǎn)相對(duì)于網(wǎng)關(guān)的距離、每個(gè)路由器的負(fù)載、每個(gè)路由器的剩余帶寬和每個(gè)節(jié)點(diǎn)要發(fā)送的數(shù)據(jù)包的大小。根據(jù)這些報(bào)告，網(wǎng)關(guān)將計(jì)算每個(gè)節(jié)點(diǎn)到網(wǎng)關(guān)的最短路徑，并為所有到達(dá)網(wǎng)關(guān)的節(jié)點(diǎn)分配一個(gè)最佳的緩存區(qū)域。緩存區(qū)域的目的是存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，并按照指定的方向轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包。四、實(shí)測(cè)結(jié)果本文通過(guò)模擬和實(shí)際測(cè)試，對(duì)ELLA算法進(jìn)行了驗(yàn)證。在進(jìn)行模擬和測(cè)試時(shí)，本文使用LoRaWAN1.0網(wǎng)絡(luò)模擬器和三個(gè)附有LoRa晶片的節(jié)點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在使用ELLA算法時(shí)，數(shù)據(jù)傳輸?shù)某晒β?、網(wǎng)絡(luò)能耗和吞吐量均有所提高。同時(shí)，ELLA算法可以有效地減少重傳丟失率和延遲，使得數(shù)據(jù)傳輸更加可靠。總的來(lái)說(shuō)，ELLA算法具有良好的能效和優(yōu)化的路由負(fù)載均衡能力，可以為L(zhǎng)oRaWAN網(wǎng)絡(luò)提高效率和降低能耗。五、結(jié)論本文提出了一種基于負(fù)載均衡的高能效LLN路由算法（ELLA）。ELLA算法的核心思想是基于節(jié)點(diǎn)接收到的數(shù)據(jù)量和節(jié)點(diǎn)到網(wǎng)關(guān)的距離，動(dòng)態(tài)分配最優(yōu)路徑和最優(yōu)發(fā)射功率，以實(shí)現(xiàn)負(fù)載均衡。ELLA算法主要分為三個(gè)階段：負(fù)載估計(jì)、路由規(guī)劃和路徑選擇。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在使用ELLA算法時(shí)，數(shù)據(jù)傳輸?shù)某晒β?、網(wǎng)絡(luò)能耗和吞