袁 雪，王一軍，劉桂波，楊 金

(1.中南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，湖南長沙410075;2.中國電子科技集團第48研究所，湖南長沙410111)

0 引言

無線傳感器網(wǎng)絡(luò) (WSN)作為信息感知與傳輸?shù)幕A(chǔ)平臺，應(yīng)用相當(dāng)廣泛，如智能電網(wǎng)、工業(yè)自動化、智慧城市、家庭自動化、樓宇自動化、工業(yè)自動化等［1］。在某些應(yīng)用中，WSN所涉及的節(jié)點數(shù)量龐大，節(jié)點需要全局唯一標識，且收集過來的數(shù)據(jù)需要便捷且低成本地共享到以現(xiàn)有Internet為基礎(chǔ)的企業(yè)或公用事業(yè)部門等的信息系統(tǒng)中去。這就要求WSN具有自組織、自配置、自愈合以及連接互聯(lián)網(wǎng)等功能。下一代互聯(lián)網(wǎng)IP協(xié)議標準IPv6以其海量的地址標識、自動配置機制、各種設(shè)備與服務(wù)發(fā)現(xiàn)機制以及廣泛被采用及部署等特點為WSN設(shè)計、開發(fā)和實現(xiàn)所面臨的很多問題和挑戰(zhàn)帶來了解決機制［2］。

針對ZigBee開放性和互操作性差、連接互聯(lián)網(wǎng)不便捷且成本高等不足而提出的6LoWPAN協(xié)議即是IPv6和WSN嘗試相互結(jié)合的一個很好的實例?；ヂ?lián)網(wǎng)工程任務(wù)組(IETF)提出了關(guān)于在符合IEEE802.15.4標準的低功率無線鏈路上收發(fā)傳輸IPv6數(shù)據(jù)包的框架，同時總結(jié)出了在WSN中引入TCP/IP架構(gòu)所面臨的主要問題及挑戰(zhàn)，以及解決這些問題以及克服這些挑戰(zhàn)所需添加的機制和功能，具體可參看IETF頒布的6LoWPAN協(xié)議說明文檔RFC4919和RFC4944。6LoWPAN無線網(wǎng)絡(luò)的總體體系架構(gòu)如圖1所示，無線網(wǎng)絡(luò)由LoWPAN主機，LoWPAN路由器和LoWPAN邊界路由器組成，無線網(wǎng)絡(luò)通過邊界路由器連接Internet。

圖1 6LoWPAN無線網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)

6LoWPAN在數(shù)據(jù)鏈路層和網(wǎng)絡(luò)層之間引入自適應(yīng)層(LoWPAN)，用來減少IP協(xié)議開銷，使IPv6數(shù)據(jù)包能在802.15.4鏈路層上有效地傳輸。自適應(yīng)層提供報頭壓縮機制來減少報頭傳輸開銷，提供分片機制來滿足傳輸IPv6最小MTU的要求，支持在開放性協(xié)議標準參考模型的第二層上通過無線多跳的方式來轉(zhuǎn)發(fā)投遞IPv6數(shù)據(jù)包［3-4］。

組播、單播和任播是IPv6所支持的三種網(wǎng)絡(luò)尋址和有信路由機制。任播是一種新的有信路由機制，其將數(shù)據(jù)包路由到從路由拓撲上來看是“最近”或者“最佳”的目的地。這種機制常用于為無狀態(tài)服務(wù)提供高可靠性和負荷平衡。單播傳輸將數(shù)據(jù)包發(fā)送到唯一特定的目的地，其和將數(shù)據(jù)包發(fā)送到所有目的地的廣播機制不同。最后一種是組播，其類似于廣播，使用最有效地策略將數(shù)據(jù)包發(fā)送到某一組目的地。上述3種有信路由機制都可以用到6LoWPAN中［5-6］。當(dāng)前有關(guān)6LoWPAN的研究主要集中在IP網(wǎng)絡(luò)層及傳輸層的報頭壓縮、IP層數(shù)據(jù)報分片及重組以及適合6LoWPAN的路由協(xié)議上，本文就是圍繞6LoWPAN的路由協(xié)議展開研究的。

一般來說，WSN路由協(xié)議依照其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、協(xié)議實現(xiàn)機制、確定性路由還是協(xié)同路由等基準可以分為4大類。能量感知QoS路由協(xié)議是WSN路由協(xié)議研究熱門之一。該路由協(xié)議能很好地平衡鏈路帶寬 (延遲)等性能和能效之間的關(guān)系。均衡消耗網(wǎng)絡(luò)能量，延長網(wǎng)絡(luò)整體生命周期。文獻［7］提出了一個基于成本估計的路由協(xié)議。其依照預(yù)期傳輸次數(shù) (ETX)度量來選擇下跳轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點。在投遞數(shù)據(jù)包到其目的地的所有可選路徑中，ETX找尋一條預(yù)期所需傳輸次數(shù)最少的路徑 (包括重傳)。此度量通過在每個雙向無線鏈路上進行鏈路丟包率測量來預(yù)測所需重傳次數(shù)。ETX設(shè)計的首要目標是要尋找出具有高吞吐量的路徑，即使有丟失。ETX也不考慮鏈路質(zhì)量和RSSI等鏈路狀態(tài)參數(shù)。文獻［8］提出了一個自主路由協(xié)議，使WSN的無線通信功能能自適應(yīng)其網(wǎng)絡(luò)拓撲和工作環(huán)境的變化。該路由算法是一個獨立的路由協(xié)議，無需任何系統(tǒng)級的輔助，便可在任意節(jié)點獨立工作。單個節(jié)點故障不會影響整個網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性，網(wǎng)絡(luò)路由數(shù)據(jù)包的同時可以兼顧負載平衡和能量均衡。因此，網(wǎng)絡(luò)可以保持長時間的高覆蓋率。然而，對減少WSN整個網(wǎng)絡(luò)的能量消耗來說，只注重平衡網(wǎng)絡(luò)中的通信流是不夠的，還需兼顧考慮存在于接收數(shù)據(jù)包中的用來指示能量強弱的RSSI度量?？梢酝ㄟ^估計給定節(jié)點的無線電信號衰減模型，動態(tài)調(diào)整無線電發(fā)射功率來中繼網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包，這樣可大大降低WSN的能量消耗。文獻 ［9］中提出的成本感知動態(tài)路由協(xié)議在源節(jié)點到目的節(jié)點上創(chuàng)建成本度量梯度。利用能量、節(jié)點負載、延遲和鏈路可靠性等成本度量信息來求得在性能和能量消耗之間的平衡。鄰居節(jié)點提供路線查詢回復(fù)及路線丟失高效恢復(fù)機制。相比傳統(tǒng)的泛洪，該協(xié)議只需其25%的帶寬，端到端得延遲也更小。

提出了一種新的適合IPv6無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議——最佳轉(zhuǎn)發(fā)路由協(xié)議。在該協(xié)議中，基于鏈路估算、成本估計和RSSI三個參數(shù)計算最佳轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)值，然后根據(jù)最佳轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)值選取數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)的下一跳節(jié)點。為了能從所有的鄰居節(jié)點處獲得上述3個參數(shù)值，傳感器節(jié)點需要在啟動過程中執(zhí)行鄰居發(fā)現(xiàn)。在所有鄰居中，擁有相對最佳轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)值的節(jié)點被選為數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)的候選下一跳。關(guān)于此路由協(xié)議的性能，文章采用Moteiv公司的Tmote-sky實驗板組成4*3的節(jié)點陣列來進行分析評估。

1 最佳轉(zhuǎn)發(fā)路由協(xié)議的設(shè)計

如前所述，該路由協(xié)議是基于一個最佳轉(zhuǎn)發(fā)方程。該轉(zhuǎn)發(fā)方程運算基于鏈路估算、成本估計和RSSI三個參數(shù)。擬設(shè)機制找尋出投遞率性能最佳時各個參數(shù)的加權(quán)值。

1.1 最佳轉(zhuǎn)發(fā)路由協(xié)議

最佳轉(zhuǎn)發(fā)路由協(xié)議的設(shè)計包括地理位置管理、鄰居管理和路由管理三大模塊。地理位置管理模塊負責(zé)在啟動時基于與3個已知鄰居節(jié)點的距離或者GPS系統(tǒng)來定位節(jié)點的位置。本實驗中，每個傳感器節(jié)點的位置已經(jīng)預(yù)先確定。

鄰居管理采用鄰居發(fā)現(xiàn)機制。開啟無線電模塊后，傳感器節(jié)點向其鄰居節(jié)點廣播路由請求信息。鄰居接收到該信號后，將回復(fù)包含鏈路估算、成本估計和RSSI等信息的路由廣播包。請求節(jié)點在收到路由廣播后，更新其路由表。如果某節(jié)點是新鄰居并且路由表中還有閑置表項，則將其加入到路由表中。若沒有閑置表項，但最后一個表項滿足置信度閾值，則什么也不做。若其已存在，則只需更新鄰居信息。網(wǎng)絡(luò)中的每個節(jié)點定期發(fā)送路由器廣播，鄰居路由表實時同步當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)狀況，使路由更高效。表1是鄰居路由表格式。

表1 鄰居路由表格式

路由管理模塊的功能是計算最佳轉(zhuǎn)發(fā)值，并決定轉(zhuǎn)發(fā)報文的最佳候選節(jié)點。計算和決定是基于鄰居路由表信息的。該模塊將基于鏈路估算，成本估計和RSSI參數(shù)值計算每個鄰居的轉(zhuǎn)發(fā)最佳值，做出決定。

1.2 鏈路估算、成本估計和RSSI參數(shù)

鏈路估算基于式 (1)計算得出。鏈路質(zhì)量指示(LQI)表征數(shù)據(jù)包接收信號的強度或質(zhì)量。LQI取值范圍［0，255］。軟件負責(zé)針對不同應(yīng)用對LQI做適當(dāng)變換。LQI是由RSSI和相關(guān)值組合產(chǎn)生的。Tmote-sky的CC2420收發(fā)器基于SFD首8位標志值為每個傳入數(shù)據(jù)包提供一個平均相關(guān)系數(shù)［10］。無符號7位值可視為“芯片錯誤率”度量［11］。式 (2)描述LQI的值

變量a和b值是基于PER的值來經(jīng)驗獲得，PER是相關(guān)系數(shù)的函數(shù)。成本估計是基于傳送給鄰居節(jié)點的總數(shù)據(jù)包量和成功傳輸量。成本估計值越高，投遞率越低。成本估計計算公式如下

"CONF"是總傳輸量而"SUCC"是成功傳輸量。RSSI是接收信號強度指示器。傳播效應(yīng)將造成傳輸信號的衰減。對退化和衰減建模，可以基于RSSI估算相鄰節(jié)點之間的距離。CC2420收發(fā)器中創(chuàng)建8位的可讀取的數(shù)值來表征RSSI。RSSI在8個符號周期128μs內(nèi)求均值，這也意味著收發(fā)器至少需開啟8個符號周期。RSSI與能量的相互關(guān)系如下式

RSSI_OFFSET是在系統(tǒng)開發(fā)時，從前端的增益中憑經(jīng)驗找出的。RSSI_OFFSET大約是-45。例如，如果RSSI是-20，射頻輸入功率約為-65dBm［11］。典型的RSSI動態(tài)值是100dBm，范圍為 ［-100dBm，0dBm］。

1.3 最佳轉(zhuǎn)發(fā)值計算

為了選擇最佳鄰居轉(zhuǎn)投數(shù)據(jù)包，路由協(xié)議需為鄰居表中的每個鄰居計算其最佳轉(zhuǎn)發(fā)值。計算如下

式 (5)中:λ1+λ2+λ3=1。l1、λ2和λ3的值由實驗測量中估算而來，在下一節(jié)中解釋。

2 實驗研究

2.1 配置無線傳感器網(wǎng)絡(luò)WSN試驗平臺

WSN測試平臺含硬、軟件部分。測試平臺采用Moteiv公司的Tmote-sky傳感器節(jié)點，使用遵循IEEE802.15.4射頻標準的2.4GHz ISM頻段?？赏ㄟ^USB連接PC機。傳感器節(jié)點設(shè)有On/Off開關(guān)，必須拔掉電池才能關(guān)閉Tmote-sky。Tmote-sky有板載光、溫度和濕度傳感器。這些傳感器節(jié)點運行Contiki OS，開發(fā)板及體系架構(gòu)如圖2所示。

圖2 Tmote-sky板及體系結(jié)構(gòu)

軟件含Contiki OS和用戶應(yīng)用程序。Contiki OS是一款輕量級的、開源的、高度可移植的、多任務(wù)的、基于事件的、模塊可動態(tài)裝卸的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)，專門針對資源 (內(nèi)存、計算等)高度受約束的硬件平臺而設(shè)計的。盡管提供多任務(wù)操作和內(nèi)嵌TCP/IP協(xié)議棧，其只需幾kB的代碼和幾百Bytes的RAM。

WSN實驗需要在一個24*16m區(qū)域內(nèi)按4*3的陳列布置12個Tmote-sky傳感器節(jié)點。右上角的源節(jié)點編號為11，左下角落的匯聚節(jié)點編號為0。如圖3所示。源節(jié)點和匯聚節(jié)點的位置選取是為了在傳輸數(shù)據(jù)包的過程中增加跳數(shù)。使用開源的數(shù)據(jù)包嗅探器Wireshark來觀察網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)包。Wireshark是用來捕獲接收器所接收到的數(shù)據(jù)包。包投遞率和丟包率是衡量評估最佳轉(zhuǎn)發(fā)路由協(xié)議性能的指標參數(shù)。

圖3 網(wǎng)絡(luò)拓撲

實驗由兩部分組成。第一部分確定最佳轉(zhuǎn)發(fā)的系數(shù)。第二部分比較評估最佳轉(zhuǎn)發(fā)路由協(xié)議與RIP(路由信息協(xié)議)和貪婪轉(zhuǎn)發(fā)等路由協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)性能。

RIP協(xié)議是基于距離矢量的路由算法。它使用“跳數(shù)”來衡量到達目標地的路由距離。貪婪轉(zhuǎn)發(fā)路由算法是基于地理位置信息的一種路由算法。當(dāng)節(jié)點S需要向節(jié)點D轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)分組的時候，它首先在自己所有的鄰居節(jié)點中選擇一個距離D最近的節(jié)點作為數(shù)據(jù)分組的下一跳，然后將數(shù)據(jù)分組傳送給它。該過程一直重復(fù)，直到數(shù)據(jù)分組到達目的節(jié)點D或者某個最佳主機。

在第一部分實驗中，進行了36組測試。流量負載設(shè)置為0.5包/秒。系數(shù)取值范圍為 ［0.1，0.8］。系數(shù)總和不超過1。36組系數(shù)如表2所示。

表2 概率變量值的組合

實驗的第二部分包速率在 ［0.2，20］包/秒中變化。Moteiv公司建議Tmote-sky多跳通信的包速率閾值應(yīng)設(shè)置為0.5包/秒，過高的包速率，可能導(dǎo)致包擁塞或通信隊列溢出［8］。使用貪婪轉(zhuǎn)發(fā)和RIP兩種路由協(xié)議重復(fù)同樣的實驗。測量三個路由協(xié)議下投遞率和丟包率兩個網(wǎng)絡(luò)性能指標。

2.2 最佳轉(zhuǎn)發(fā)系數(shù)測定

為了確定系數(shù)的最佳組合，投遞率閾值設(shè)為0.9，如圖4所示。選擇高于閾值的系數(shù)組合，忽略低于閾值的系數(shù)組合。根據(jù)圖4，低于閾值的有4種組合，組合1、4、11和26。其余的系數(shù)組合其吞吐率高于閾值，在這些組合中，有17個組合的最高投遞率達到1。穩(wěn)定區(qū)出現(xiàn)在當(dāng)RSSI相關(guān)系數(shù)值為0.3的時候，鏈路估計和成本估計的相關(guān)系數(shù)可以任意取值。在這個穩(wěn)定區(qū)域里，有六個組合，從組合16到組合21。由此，最佳轉(zhuǎn)發(fā)公式表示如下

選取這6種組合任何一種，結(jié)果幾乎是一樣。在最佳轉(zhuǎn)發(fā)路由協(xié)議中，選擇式 (8)作為最佳轉(zhuǎn)發(fā)公式。

圖4 最佳轉(zhuǎn)發(fā)系數(shù)測定的實驗結(jié)果

2.3 最佳轉(zhuǎn)發(fā)路由協(xié)議的性能

如圖5(a)所示，3種路由協(xié)議 (OF，RIP和貪婪轉(zhuǎn)發(fā))在不同的數(shù)據(jù)包速率下的吞吐量。它顯示了OF路由協(xié)議與貪婪轉(zhuǎn)發(fā)和RIP路由協(xié)議吞吐量網(wǎng)絡(luò)性能比較，OF提供了最佳吞吐量性能。包速率低于2包/秒，3個路由協(xié)議的性能表現(xiàn)相似，且吞吐量都為1。然而，在包速率2包/秒以上時，貪婪轉(zhuǎn)發(fā)的吞吐量開始下降。當(dāng)包速率為20包/秒時，該協(xié)議吞吐量性能最差，為0.57。包速率增加到20包/秒以上時，此協(xié)議的性能會不斷下降。RIP路由協(xié)議的吞吐量性能比貪婪轉(zhuǎn)發(fā)好。該協(xié)議的最低吞吐量出現(xiàn)在當(dāng)包速率為20包/秒時，為0.89。總體而言，最佳轉(zhuǎn)發(fā)在不同的包速率下吞吐量都等于1，因此該路由協(xié)議提供了更好的性能。

3個路由協(xié)議的數(shù)據(jù)包丟失情況如圖5(b)所示。3個協(xié)議在包速率低于2包/秒時，數(shù)據(jù)包幾乎不發(fā)生丟失。然而，貪婪轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議數(shù)據(jù)包丟失是從包速率為5包/秒時開始的，而且數(shù)據(jù)包的丟失，隨著包速率增加而增大。最大丟包是在20包/秒時達38.7%。對于RIP，嚴重丟包只發(fā)生在包速率為20包/秒時，百分比是11.8%。幾乎沒有觀察到最佳路由協(xié)議的丟包情況，意味著所有傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包都成功到達目的地。因此，在包丟失方面，與其他兩個路由協(xié)議相比，最佳轉(zhuǎn)發(fā)的性能更好。

圖5 三種路由協(xié)議的性能比較

3 結(jié)束語

本文介紹了一種基于IPv6的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)最佳轉(zhuǎn)發(fā)路由協(xié)議。該路由協(xié)議綜合考慮了鏈路估算、成本估計和RSSI，更好地實現(xiàn)了高投遞率、低丟包率。為了確定鏈路估算、成本估計和RSSI相關(guān)系數(shù)值，實驗第一部分完成了36種組合下的性能測試。實驗表明，有6種系數(shù)組合下的投遞率表現(xiàn)良好。選擇其中一個組合用于路由算法和路由的實際性能測試評估。實驗選取的兩個比較路由協(xié)議分別為RIP和貪婪轉(zhuǎn)發(fā)路由協(xié)議。結(jié)果表明，相比RIP和貪婪轉(zhuǎn)發(fā)路由協(xié)議，最佳轉(zhuǎn)發(fā)路由協(xié)議在投遞率和丟包率方面提供了更好的性能。

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