1 Gerelateerd werk: Delay Tolerant Network (DTN) (delay tolerant network) wordt gebruikt om gegevens te verzenden in netwerken met een intermitterende verbinding. In literatuurbron [5] wordt de algemene structuur van DTN beschreven. Als overlay-netwerk op de transmissielaag tijdens netwerkinterconnectie biedt het gegevensopslag en diensten zoals herverzending en geauthenticeerde gegevensoverdracht. DTN is gebaseerd op berichtenuitwisseling, en de gegevenseenheden kunnen berichten, pakketten of bundels zijn. Burleigh et al. hebben ook een nieuw end-to-end-overlay-netwerkprotocol [6] voorgesteld, genaamd „bundling“.
De DTN-technologie is de afgelopen jaren geïntroduceerd in draadloze sensornetwerken. Afhankelijk van de mate van mobiliteit van de knooppunten kan het betreffende onderzoek grofweg in drie categorieën worden onderverdeeld: (1) Alle sensorknooppunten zijn stationair. Het eerste type vertragingstolerant draadloos sensornetwerk, DTSN (delay tolerant sensor networks), is statisch en alle sensorknooppunten en convergentiepunten zijn vast. Vanwege de beperkte zendafstand van de sensorknooppunten en de beperkte batterijcapaciteit zijn de knooppunten losjes met elkaar verbonden, waardoor sensorknooppunten het netwerk kunnen verlaten en geïsoleerde knooppunten worden. Dit fenomeen doet zich van tijd tot tijd voor. Document [7] is een voorbeeld van een specifieke toepassing van een statisch DTSN. Het artikel stelt voor om een sensornetwerk te gebruiken om de leefomgeving van de mens te monitoren en geeft gebruikers de mogelijkheid om dit sensornetwerk via het internet te bedienen. In document [8] wordt vermeld dat het doel van het SENDT-project is om een proof-of-concept-sensornetwerk op te zetten voor het monitoren van de waterkwaliteit van meren. Aangezien sommige sensorknooppunten regelmatig moeten worden uitgeschakeld om batterijcapaciteit te besparen, ontstaat er tussen elk knooppunt een discontinu verbonden DTSN-structuur. .
(2) Er zijn enkele eenvoudig te beheren mobiele knooppunten in het netwerk. In het tweede type DTSN kunnen sommige mobiele knooppunten worden ingezet om de connectiviteit van het netwerk te verbeteren. Zo wordt bijvoorbeeld de ‘data mule’-methode [9] gebruikt om de gegevens van elke sensor in een netwerk met een gering aantal sensoren te bundelen. Gegevens die door sensorknooppunten worden verzameld. Er is een ‘data mule’-entiteit in het netwerk die zich willekeurig verplaatst binnen het gebied waar de sensoren zijn geplaatst. Deze verzamelt regelmatig de gegevens die door elk knooppunt zijn verzameld en biedt interactieve diensten voor het opslaan en doorsturen van informatie. Vanwege de grote transmissieafstand die sensorknooppunten vereisen, kan deze strategie de energie van de sensoren beter sparen dan het statische DTSN.
(3) Het sensorknooppunt is in beweging, dat wil zeggen: DTMSN. Het belangrijkste is hoe het routeringsalgoritme in de DTMSN-omgeving moet worden ontworpen. Het meest elementaire routeringsalgoritme (methode voor gegevensverzameling) wordt ‘directe overdracht’ genoemd [10]. Het basisidee is dat de sensorknoop alleen communiceert met het verzamelpunt; dat wil zeggen dat de twee alleen berichten uitwisselen wanneer de sensorknoop binnen het communicatiebereik van het verzamelpunt komt. Het is duidelijk dat het energieverbruik voor de overdracht bij deze strategie zeer laag is (omdat het sensorknooppunt alleen met het verzamelpunt communiceert), en dat de vertraging bij de berichtverzending voornamelijk afhangt van de communicatiefrequentie tussen elk sensorknooppunt en het verzamelpunt: hoe lager de communicatiefrequentie, hoe groter de vertraging bij de berichtverzending. Aangezien de communicatiefrequentie tussen sensorknooppunten en verzamelpunten in DTMSN vaak laag is, is de vertraging bij de verzending van het algoritme groot en is het succespercentage van de gegevensoverdracht eveneens laag. Als reactie op de bovengenoemde problemen werd in literatuur [11] een ‘flooding’-algoritme voorgesteld, waarmee het sensorknooppunt het bericht naar alle knooppunten binnen zijn communicatiebereik kan kopiëren, met als doel dat elk knooppunt in het netwerk een kopie van dit bericht bevat. De grootte van de opslagwachtrij van het knooppunt en de strategie voor pakketverlies wanneer de wachtrij vol is, hebben een grote invloed op de prestaties van dit algoritme. Als de opslagwachtrij groot genoeg is, kan dit algoritme de gewenste prestaties bereiken, ten koste van een groot energieverbruik van de sensoren. Dit leidt tot een hoger succespercentage bij de gegevensoverdracht. Vanwege de beperkte opslagwachtrij van sensorknooppunten leidt dit algoritme echter tot ernstig pakketverlies en slechte prestaties. Daarnaast maakt ZebraNet [12] gebruik van mobiele sensoren om de leefgewoonten van zebra’s te monitoren. Het is gebaseerd op historische gegevens voor de routering: elk sensorknooppunt slaat het historische niveau van zijn succesvolle doorsturing van datapakketten rechtstreeks naar het convergentiepunt op. Wanneer een sensorknooppunt een ander sensorknooppunt tegenkomt, zullen de twee alleen gegevens uitwisselen als het historische niveau van het eerste lager is dan dat van het tweede. Deze eenvoudige strategie garandeert echter niet het vereiste succespercentage bij de gegevensoverdracht. In literatuur [13] wordt het scenario besproken waarbij het SWIM-systeem wordt gebruikt om biologische informatie over walvissen te verzamelen. SWIM gaat ervan uit dat de willekeurige mobiliteit van sensoren ervoor zorgt dat alle sensorknooppunten dezelfde kans hebben om het verzamelpunt te bereiken. Om het vereiste succespercentage voor gegevensoverdracht te behalen, hoeft het sensorknooppunt slechts kopieën van een bepaald aantal gegevenspakketten over het netwerk te verspreiden. In de praktijk zijn de kansen dat elk sensorknooppunt en het verzamelpunt elkaar ontmoeten echter niet gelijk, wat resulteert in een lage efficiëntie van SWIM.
Naast de hierboven genoemde algoritmen omvat het gerelateerde onderzoek ook de literatuur [14,15]. De RED-strategie (replication-based efficient data delivery), voorgesteld in literatuur [14], bestaat uit twee onderdelen: gegevensoverdracht en berichtbeheer. Tijdens de gegevensoverdracht wordt voor de berekening van de overdrachtskans een verbeterde methode gebruikt die is gebaseerd op historische gegevens. Telkens wanneer er een bericht wordt verzonden, wordt de overdrachtskans van het knooppunt verhoogd. Als er gedurende een bepaalde periode geen berichten worden verzonden, wordt de waarde van de overdrachtskans op passende wijze verlaagd. Het berichtenbeheer is gebaseerd op de huidige waarde van de transmissiekans van het knooppunt, die de optimale parameters voor erasure-codering bepaalt om het succespercentage van de transmissie te verbeteren. De berekende waarden van de optimale parameters voor erasure-codering in RED zijn echter niet nauwkeurig [10], waardoor er een groot aantal kleine fouten in het netwerk wordt doorgegeven. Gefragmenteerde berichten verergeren het energieverbruik van het netwerk bij de overdracht nog verder. De FAD-strategie [15] is gebaseerd op de RED-strategie. FAD maakt gebruik van dezelfde berekeningsmethode voor de overdrachtskans als RED, en beheert tegelijkertijd de berichtenwachtrij op basis van de fouttolerantie van elk bericht. Het energieverbruik voor de transmissie van dit mechanisme is echter nog steeds groot, en het houdt geen rekening met de levensduur van het bericht, waardoor het mogelijk is dat sommige berichten waarvan de transmissievertraging de tolerantiegrens voor netwerkvertraging heeft overschreden, blijven bestaan. Dit leidt tot verbruik van netwerkbandbreedte en energie in het netwerk. Daarnaast wordt DTN-technologie ook op grote schaal toegepast in zelforganiserende netwerken [16-19].
2 Netwerkmodel en probleemstelling 2.1 Netwerkmodel In dit artikel wordt aangenomen dat in de begintoestand N sensorknooppunten willekeurig zijn verdeeld over een M×M tweedimensionaal vierkant gebied A, en ter vereenvoudiging wordt aangenomen dat het enige convergentiepunt in het netwerk eveneens in gebied A is geplaatst en vastligt. De communicatieradius van alle sensorknooppunten en verzamelpunten is R. Daarnaast wordt aangenomen dat het sensornetwerk de volgende eigenschappen heeft:
De bewegingsregels van alle sensorknooppunten volgen het ‘Random Waypoint’-bewegingsmodel. Om de berekening te vereenvoudigen, wordt aangenomen dat de bewegingssnelheid van alle knooppunten in het model gelijk is, namelijk V. Het Random Waypoint-bewegingsmodel wordt als volgt beschreven: het sensorknooppunt kiest willekeurig een startpunt S en een bestemmingspunt D, beweegt zich met constante snelheid V in een rechte lijn van S naar D, kiest willekeurig een pauzetijd T in D die binnen (Tmin, Tmax) valt en blijft daar stilstaan, waarmee een bewegingsproces wordt voltooid. Gebruik dit eindpunt D als startpunt voor de volgende beweging. Vanaf startpunt S wordt het volgende bewegingsproces uitgevoerd, enzovoort. Alle sensorknooppunten in het netwerk volgen het bovenstaande bewegingsproces en zijn onafhankelijk van elkaar. Het bewegingsproces van het knooppunt wordt weergegeven in figuur 2. • Aangezien het convergentiepunt stationair is, is voor alle sensorknooppunten de locatie van het convergentiepunt bekend. • Elk sensorknooppunt kent het bestemmingspunt D van de beweging van dit knooppunt (vóór het stoppen). • Via het GPS-systeem (Global Positioning System) kan elk sensorknooppunt op elk moment zijn eigen huidige locatie bepalen. • Voer een tijdsynchronisatie-algoritme uit nadat alle sensorknooppunten zijn ingezet, om de tijd van alle sensorknooppunten gesynchroniseerd te houden. Dit algoritme hoeft natuurlijk niet al te nauwkeurig te zijn. Bij sommige quasi-synchrone algoritmen kan de synchronisatie-overhead bijvoorbeeld kleiner worden verondersteld, omdat de time-outtijd voor berichten in het DTN-netwerk langer kan zijn, zoals minuten, uren of zelfs dagen, waardoor het synchronisatie-interval groter kan zijn.
2.2 Probleembeschrijving In vergelijking met traditionele sensornetwerken heeft DTMSN de volgende kenmerken: 1) Willekeurige mobiliteit van knooppunten. Aangezien sensorknooppunten of convergentiepunten op willekeurig bewegende objecten worden geplaatst, is de topologie van het netwerk dynamisch. 2) Intermitterende connectiviteit. De connectiviteit van DTMSN is slecht, en een bepaald sensorknooppunt staat slechts af en toe in verbinding met andere sensorknooppunten. 3) Vertragingstolerantie. Vanwege de intermitterende connectiviteit tussen sensorknooppunten is de transmissievertraging van gegevens in DTMSN vaak groot, waardoor de toepassing een grote gegevensvertraging kan verdragen. Bovendien is de opslagruimte van sensorknooppunten beperkt, en deze beperking heeft een aanzienlijke invloed op de prestaties van DTMSN. Dit komt doordat de gegevensberichten van sensorknooppunten lange tijd in de wachtrij moeten worden opgeslagen voordat ze naar andere sensorknooppunten of aggregatiepunten worden verzonden. De tijd die hiermee gemoeid is en de manier waarop strategieën voor wachtrijbeheer worden ontworpen, vormen knelpunten.
Om aan de bovengenoemde kenmerken te voldoen, moet een effectief DTMSN-routeringsalgoritme tegelijkertijd aan de volgende kenmerken voldoen: 1) Dynamisch de sensorknoop selecteren die op het volgende moment waarschijnlijk het dichtst bij het convergentiepunt ligt, als drager van het bericht. Als het knooppunt van de volgende hop niet correct wordt geselecteerd, leidt dit tot overmatig energieverbruik van de knooppunten en een scherpe daling van de netwerkprestaties. 2) Ontwerp geschikte mechanismen voor bericht- en wachtrijbeheer. Redelijk wachtrijbeheer zal ongetwijfeld bijdragen aan het verbeteren van de prestaties van het gehele netwerk. In het huidige onderzoek naar DTMSN-transmissiealgoritmen zijn er studies die niet tegelijkertijd aan de bovenstaande eisen kunnen voldoen. Zo voeren bijvoorbeeld zowel het RED-algoritme als het FAD-algoritme routing uit op basis van historische gegevens, en hangt de effectiviteit van de op geschiedenis gebaseerde strategie af van de bewegingsstatus (snelheid, richting) van het knooppunt. Figuur 3 toont een schematisch diagram van een DTMSN-systeem bestaande uit 8 sensoren, knooppunten en een convergentiepunt (de inhoud tussen haakjes geeft de transmissiekans weer, berekend op basis van historische gegevens, en de pijl geeft de bewegingsrichting van het knooppunt aan), waarin knooppunten die zich in dezelfde cirkel bevinden met elkaar kunnen communiceren, en knooppunt 3 en knooppunt 4 de hoogste transmissiekans hebben. Volgens de RED- en FAD-transmissiestrategieën wordt aangenomen dat de communicatiefrequentie tussen deze twee knooppunten en het convergentiepunt het hoogst is, zodat knooppunt 3 en knooppunt 4 worden geselecteerd als de volgende hop-routeringsknooppunten. Aangezien de bewegingsrichtingen van beide knooppunten op dit moment echter in tegengestelde richting gaan. om het bovenstaande probleem op te lossen, stelt dit artikel een dynamische gegevensoverdrachtsstrategie voor, SRAD, die aan beide bovenstaande vereisten tegelijk voldoet. In de volgende paragraaf geven we een gedetailleerde beschrijving van de SRAD-strategie.
