馬 磊，孫懋珩

（上海同濟大學 電子與信息工程學院，上海 201804）

0 引言

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN，Wireless Sensor Network)就是由部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)大量廉價微型傳感器節(jié)點組成，通過無線通信方式形成的一個多跳的自組織的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)[1]，是一種以數(shù)據(jù)為中心的長距離傳輸網(wǎng)絡(luò)[2]。由低成本和低功耗的節(jié)點組成的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在實際生活中的應用越來越廣泛，特別是在軍事、醫(yī)療、教育、環(huán)境監(jiān)測、運輸以及工業(yè)自動化等領(lǐng)域中無線傳感器網(wǎng)絡(luò)扮演者越來越重要的角色[3]。

目前，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展主要受限制于兩個因素：首先，無線傳感器節(jié)點本身受限制于自身的協(xié)議和低功耗的特點，無法實現(xiàn)與互聯(lián)網(wǎng)的“兼容”；其次，在許多實際的應用情景中需要傳感器節(jié)點在大范圍內(nèi)移動。例如醫(yī)療監(jiān)護，一些需要長期監(jiān)護的對象會處于運動狀態(tài)，傳感器節(jié)點隨之在較大范圍內(nèi)移動，因此需要合理的移動管理策略實現(xiàn)對傳感器網(wǎng)絡(luò)的移動管理。

對于前者，通過6LoWPAN(IPv6 over Low power)協(xié)議，可以實現(xiàn)IPv6與WSN之間實現(xiàn)無縫連接。而實現(xiàn)了“兼容”IP的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可以參考已有的來自IPv6的移動設(shè)備管理方案進行傳感器網(wǎng)絡(luò)的移動管理。移動IPv6技術(shù)充分利用了IPv6協(xié)議對移動性的內(nèi)在支持[4]。

1 MIPv6和PMIPv6

文獻[5]介紹了移動IPv6(MIPv6，Mobile Internet Protocol version 6MIPv6)和代理移動 IPv6協(xié)議(PMIPv6，Proxy MIPv6)各自的特點。MIPv6是基于主機的移動管理協(xié)議，移動節(jié)點（MN，Mobile Node）通過發(fā)送和接收大量的控制信息以確保通信的連續(xù)性以及減少丟包率，但是對于功率受限的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)大量的控制信息的傳遞會導致傳感器節(jié)點的能量利用率降低；PMIPv6是一種基于網(wǎng)絡(luò)的移動管理協(xié)議，與MIPv6相比，PMIPv6協(xié)議中，移動節(jié)點協(xié)議棧不需要支持移動功能，整個切換由代理完成。

圖1和圖2是兩者的切換示意圖。比較而言使用代理處理路由切換信息的 PMIPv6協(xié)議由于不需要移動節(jié)點處理大量的移動管理過程中的信令信息更適合能量受限的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。

圖1 MIPv6切換示意簡圖

圖2 PMIPv6切換示意簡圖

2 基于代理的傳感器網(wǎng)絡(luò)移動管理策略

在 PMIPv6的基礎(chǔ)上提出一種基于代理的分層網(wǎng)絡(luò)移動管理策略。

2.1 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

采用分層的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計結(jié)構(gòu)；整個網(wǎng)絡(luò)被分成不同的子網(wǎng)，每個子網(wǎng)通過一個邊界網(wǎng)關(guān)連接到互聯(lián)網(wǎng)；每個子網(wǎng)由不同的傳感器網(wǎng)絡(luò)單元組成。單個的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)被稱為一個簇[6]，而簇是最小的網(wǎng)絡(luò)單元，簇由多個傳感器節(jié)點組成，每個簇有一個簇頭節(jié)點（SMAG，Sensor Mobile Access Gateway），簇頭節(jié)點負責對自己所在的“簇網(wǎng)絡(luò)”進行管理；這樣做的好處是在簇內(nèi)部，各節(jié)點之間可以使用IEEE802.15.4規(guī)定的16位短地址直接通信，只有在需要與外網(wǎng)進行通行時才需要添加IP頭[7]。網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖3所示，不同的WSN網(wǎng)絡(luò)一起組成一個IP_WSN子網(wǎng)，子網(wǎng)通過一個邊界路由網(wǎng)關(guān)（SLMA，Sensor Localized Mobility Anchor）與互聯(lián)網(wǎng)中的路由器連接，由此實現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與互聯(lián)網(wǎng)的連接。

圖3 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

2.2 移動管理策略

鑒于整個網(wǎng)絡(luò)采用分層的設(shè)計結(jié)構(gòu)，移動性有以下幾種情況：

1）單個節(jié)點在自己的簇內(nèi)移動。移動管理直接由該節(jié)點所在的簇的簇頭節(jié)點控制完成。

2）單個或多個節(jié)點移動至本身所在的簇外但仍處于簇所在的子網(wǎng)。移動管理通過簇頭節(jié)點和邊界網(wǎng)關(guān)共同完成，這與 PMIPv6協(xié)議中的域內(nèi)切換方案相同。

3）單個或多個節(jié)點移動至非己所在的子網(wǎng)。移動節(jié)點一旦離開所在的子網(wǎng)進入新的子網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)范圍，需要通過邊界網(wǎng)關(guān)作為代理，通過控制中心進行“域間切換”。邊界網(wǎng)關(guān)A檢測到MN即將離開自身網(wǎng)絡(luò)，便向互聯(lián)網(wǎng)中的控制中心發(fā)送消息，與此同時新的子網(wǎng)中的簇頭節(jié)點會檢測到有新的節(jié)點移動到自身網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi)，該簇頭節(jié)點接收新的節(jié)點的同時向邊界網(wǎng)關(guān)B發(fā)送該MN節(jié)點的地址消息，網(wǎng)關(guān)B通過比較來自簇頭節(jié)點和控制中心的消息來確定新的節(jié)點移動到自身網(wǎng)絡(luò)，之后發(fā)送消息更新節(jié)點的地址，并且通知控制中心進行路徑更新；整個過程節(jié)點本身只需要檢測并且能夠連接到新的簇頭節(jié)點即可而不需要節(jié)點本身支持移動協(xié)議。

4）整個簇網(wǎng)絡(luò)同時在自己所在的子網(wǎng)內(nèi)部移動。

5）整個簇網(wǎng)絡(luò)向著非自己所屬的子網(wǎng)移動。

最后兩種情景，整個簇網(wǎng)絡(luò)移動的情況可以只有簇頭節(jié)點參與移動切換，這是因為簇內(nèi)部的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)并沒有發(fā)生變化。簇頭節(jié)點在更新自身的地址之后將新的IP頭在自己所在的簇內(nèi)部廣播由此來使得每一個簇成員獲得新的IP頭，這樣每個簇成員便可以確定新的IP路由路徑。在實際的應用情景中，這種基于整個簇網(wǎng)絡(luò)移動的模型也較為實用；例如在醫(yī)療監(jiān)護中，病人身體上的多個傳感器節(jié)點可以組成一個小型的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，而這個網(wǎng)絡(luò)是作為一個整體移動的。

移動節(jié)點在同一個網(wǎng)絡(luò)中移動的情況可以簡化為一個簡單的PMIPv6模型： SMAG負責檢測傳感器節(jié)點的移動及與邊界網(wǎng)關(guān)間進行綁定注冊，而SLMA負責保持傳感器節(jié)點可訪問并為傳感器節(jié)點提供網(wǎng)絡(luò)前綴；這種移動情況被視為“域內(nèi)切換”（移動節(jié)點在同一個 SLMA域，連接不同的SMAG）。在不同子網(wǎng)的移動由于會涉及到不同的SLMA稱為“域間切換”。PMIPv6協(xié)議僅給出了移動終端在SLMA域內(nèi)移動的切換管理方案，節(jié)點移動至SLMA管理范圍之外的切換管理較為困難，因此通過增加了核心路由器來補充 PMIPv6域間切換的不足。涉及到域間切換時，核心路由器負責實現(xiàn)MN和SLMA的綁定。

3 實驗與分析

切換時延是移動性管理的一項主要性能指標，如果時延過大，會引起數(shù)據(jù)包過多丟失從而影響實時通信。本節(jié)通過對 2.1節(jié)提出的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)模型結(jié)合2.2節(jié)的移動情況（MN移動到不同的子網(wǎng)）分別采用MIPv6協(xié)議和PMIPv6協(xié)議進行仿真，比較兩者的切換時延。

3.1 切換時延分析

切換時間分析模型采用文獻[8]中所用的模型，如圖4所示，該模型定義了不同網(wǎng)絡(luò)實體間的信令傳輸所消耗的時間。為了便于計算假設(shè)由通信終端（CN，Correspondent Node）到SLMA的時延是對稱的，即CN連接到SLMA1和SLMA2所花費的時間是相同的，同理假設(shè)核心路由器到SLMA的通信鏈路也是對稱的。

圖4 切換模型示意

根據(jù)模型以及不同協(xié)議的特點可以得到不同協(xié)議的切換時延公式：

基于代理的方案不需要進行地址檢測和 DAD過程，取而代之的是對將要連接的鏈路進行初始化，這部分時延為：；因此最終產(chǎn)生的切換時延：

3.2 仿真實驗

文獻[6]中提供的數(shù)據(jù)能真實的反映實際的應用情況，參考其中的數(shù)據(jù)對本文的參數(shù)進行初始化：；由于在切換發(fā)生時，移動節(jié)點MN距離前一個SMAG和新的SMAG的物理距離相差并不大，MN與兩者的通信時延近似相等，所以這里取t1= t2=t= 1 0ms 。核心路由器可以視為CN與SLMA路徑上的一個接入路由器，不考慮路由器處理的時間，這里取個近似≈+。

如圖5所示，兩種方法的切換時延都隨著MN接入時延的增加而增大，但由于沒有花費大量時間在DAD過程，基于代理的方案產(chǎn)生的時延遠遠小于另外一種切換方案。

圖5 MN接入時延對切換時延的影響

最終的路由時延主要由CN與SLMA之間的通信時延決定。根據(jù)圖6的仿真結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)當路由時延不斷增大的同時切換時延也在不斷增加，但基于代理的方案明顯優(yōu)于MIPv6切換策略。

圖6 路由時延對不同管理策略切換時延的影響

4 結(jié)語

采用分層的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)在保持無線傳感器網(wǎng)絡(luò)自身結(jié)構(gòu)獨立的前提下，實現(xiàn)單個傳感器節(jié)點與互聯(lián)網(wǎng)中的終端進行實時的信息交互；通過一個核心路由器代理切換的方案完善了 PMIPv6協(xié)議中并不支持的域間切換，以此來支持提出的分層網(wǎng)絡(luò)的移動管理；通過仿真分析可以發(fā)現(xiàn)基于代理的方案產(chǎn)生的切換時延明顯優(yōu)于MIPv6協(xié)議。

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