月表通信网络自适应路由方法研究

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月表通信网络是由大量无中心的、存储及数据处理能力弱、能量受限的无线通信节点组成。这些通信节点随机地分布于月表探测区域,自组织地形成多跳网络。由于月表通信环境非常恶劣,受月尘及陨石坑等的影响,通讯信号强度随传播距离的增加而急剧衰减,导致月表通信网络具有低功耗、有损等特点,是一种典型的低功耗有损网络。国际互联网工程任务组针对低功耗有损网络特点专为其设计了RPL(Routing Protocol for Low-Power and Lossy Networks)路由协议。然而,传统RPL无法直接用于月表通信网络。首先,月球表面呈14天极昼、14天极夜且周期切换特点,极昼、极夜网络场景差异巨大,两种场景业务模型存在差异,且在极夜期节点有十四天无能源补给,传统RPL无法自适应极昼、极夜场景变化;其次,传统RPL以单一路由度量组建网络拓扑,所组建的网络存在严重的负载不均衡问题。针对现有RPL中存在的上述问题,本文设计了一种基于RPL的月表通信网络路由方法BPSC-RPL。首先,本文提出了节点供电能力指标PSC(Power Supply Capacity),PSC由节点初始能量、充电效能、能耗融合光照强度因子综合计算得到。PSC中的光照强度因子可有效感知月表的极昼、极夜变化,并自适应调整PSC数值。其次,由于逻辑跳数与节点能耗呈正相关,在最优父节点选择时综合考虑PSC及逻辑跳数,用三角模算子融合两指标形成新的判决指标,该新指标能够在自适应月表极昼、极夜变化的同时,利用三角模算子的同类信息增强、异类信息调和特点,总是选择供电能力强、逻辑跳数小的节点作最优父节点,可有效均衡网络负载,延长网络寿命。最后,本文提出了一种基于布隆过滤器的路由压缩方法,并使用SAX函数生成函数集,可在不损失路由信息的前提下将字节级别的路由表压缩成比特级别的转发表,在点到多点(P2MP)路由时减小了通信开销,进一步节约节点能源,增强了网络生存能力。为了验证BPSC-RPL的算法性能,本文使用Contiki操作系统中的Cooja仿真器对BPSC-RPL进行了建模仿真,并与OF0-RPL、EETX、EHRPL等协议进行了对比分析。仿真结果表明:本文所提出的BPSC-RPL在月表这种小规模、低速移动网络场景下可有效减小丢包率及端到端时延,提高网络吞吐量,且能降低节点平均能耗,均衡网络负载并延长网络寿命。节点平均能耗与其它三种协议相比,最大可减小20%。
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