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(zhǎng)沙410075;2.中國(guó)電子科技集團(tuán)第48研究所，湖南長(zhǎng)沙410111)

0 引言

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò) (WSN)作為信息感知與傳輸?shù)幕A(chǔ)平臺(tái)，應(yīng)用相當(dāng)廣泛，如智能電網(wǎng)、工業(yè)自動(dòng)化、智慧城市、家庭自動(dòng)化、樓宇自動(dòng)化、工業(yè)自動(dòng)化等［1］。在某些應(yīng)用中，WSN所涉及的節(jié)點(diǎn)數(shù)量龐大，節(jié)點(diǎn)需要全局唯一標(biāo)識(shí)，且收集過(guò)來(lái)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(mén)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(biāo)準(zhǔn)IPv6以其海量的地址標(biāo)識(shí)、自動(dòng)配置機(jī)制、各種設(shè)備與服務(wù)發(fā)現(xiàn)機(jī)制以及廣泛被采用及部署等特點(diǎn)為WSN設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)和實(shí)現(xiàn)所面臨的很多問(wèn)題和挑戰(zhàn)帶來(lái)了解決機(jī)制［2］。

針對(duì)ZigBee開(kāi)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(gè)很好的實(shí)例。互聯(lián)網(wǎng)工程任務(wù)組(IETF)提出了關(guān)于在符合IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的低功率無(wú)線鏈路上收發(fā)傳輸IPv6數(shù)據(jù)包的框架，同時(shí)總結(jié)出了在WSN中引入TCP/IP架構(gòu)所面臨的主要問(wèn)題及挑戰(zhàn)，以及解決這些問(wèn)題以及克服這些挑戰(zhàn)所需添加的機(jī)制和功能，具體可參看IETF頒布的6LoWPAN協(xié)議說(shuō)明文檔RFC4919和RFC4944。6LoWPAN無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的總體體系架構(gòu)如圖1所示，無(wú)線網(wǎng)絡(luò)由LoWPAN主機(jī)，LoWPAN路由器和LoWPAN邊界路由器組成，無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通過(guò)邊界路由器連接Internet。

圖1 6LoWPAN無(wú)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(lái)減少I(mǎi)P協(xié)議開(kāi)銷(xiāo)，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(bào)頭壓縮機(jī)制來(lái)減少報(bào)頭傳輸開(kāi)銷(xiāo)，提供分片機(jī)制來(lái)滿足傳輸IPv6最小MTU的要求，支持在開(kāi)放性協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)參考模型的第二層上通過(guò)無(wú)線多跳的方式來(lái)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(jī)制。任播是一種新的有信路由機(jī)制，其將數(shù)據(jù)包路由到從路由拓?fù)渖蟻?lái)看是“最近”或者“最佳”的目的地。這種機(jī)制常用于為無(wú)狀態(tài)服務(wù)提供高可靠性和負(fù)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(jī)制不同。最后一種是組播，其類(lèi)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(jī)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(bào)頭壓縮、IP層數(shù)據(jù)報(bào)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(kāi)研究的。

一般來(lái)說(shuō)，WSN路由協(xié)議依照其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、協(xié)議實(shí)現(xiàn)機(jī)制、確定性路由還是協(xié)同路由等基準(zhǔn)可以分為4大類(lèi)。能量感知QoS路由協(xié)議是WSN路由協(xié)議研究熱門(mén)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(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)整體生命周期。文獻(xiàn)［7］提出了一個(gè)基于成本估計(jì)的路由協(xié)議。其依照預(yù)期傳輸次數(shù) (ETX)度量來(lái)選擇下跳轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)。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(guò)在每個(gè)雙向無(wú)線鏈路上進(jìn)行鏈路丟包率測(cè)量來(lái)預(yù)測(cè)所需重傳次數(shù)。ETX設(shè)計(jì)的首要目標(biāo)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(xiàn)［8］提出了一個(gè)自主路由協(xié)議，使WSN的無(wú)線通信功能能自適應(yīng)其網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜凸ぷ鳝h(huán)境的變化。該路由算法是一個(gè)獨(dú)立的路由協(xié)議，無(wú)需任何系統(tǒng)級(jí)的輔助，便可在任意節(jié)點(diǎn)獨(dú)立工作。單個(gè)節(jié)點(diǎn)故障不會(huì)影響整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性，網(wǎng)絡(luò)路由數(shù)據(jù)包的同時(shí)可以兼顧負(fù)載平衡和能量均衡。因此，網(wǎng)絡(luò)可以保持長(zhǎng)時(shí)間的高覆蓋率。然而，對(duì)減少WSN整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的能量消耗來(lái)說(shuō)，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(lái)指示能量強(qiáng)弱的RSSI度量?？梢酝ㄟ^(guò)估計(jì)給定節(jié)點(diǎn)的無(wú)線電信號(hào)衰減模型，動(dòng)態(tài)調(diào)整無(wú)線電發(fā)射功率來(lái)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(xiàn) ［9］中提出的成本感知?jiǎng)討B(tài)路由協(xié)議在源節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)上創(chuàng)建成本度量梯度。利用能量、節(jié)點(diǎn)負(fù)載、延遲和鏈路可靠性等成本度量信息來(lái)求得在性能和能量消耗之間的平衡。鄰居節(jié)點(diǎn)提供路線查詢回復(fù)及路線丟失高效恢復(fù)機(jī)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(wú)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(jì)和RSSI三個(gè)參數(shù)計(jì)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(diǎn)。為了能從所有的鄰居節(jié)點(diǎn)處獲得上述3個(gè)參數(shù)值，傳感器節(jié)點(diǎn)需要在啟動(dòng)過(guò)程中執(zhí)行鄰居發(fā)現(xiàn)。在所有鄰居中，擁有相對(duì)最佳轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)值的節(jié)點(diǎn)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(shí)驗(yàn)板組成4*3的節(jié)點(diǎn)陣列來(lái)進(jìn)行分析評(píng)估。

1 最佳轉(zhuǎn)發(fā)路由協(xié)議的設(shè)計(jì)

如前所述，該路由協(xié)議是基于一個(gè)最佳轉(zhuǎn)發(fā)方程。該轉(zhuǎn)發(fā)方程運(yùn)算基于鏈路估算、成本估計(jì)和RSSI三個(gè)參數(shù)。擬設(shè)機(jī)制找尋出投遞率性能最佳時(shí)各個(gè)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(jì)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(fù)責(zé)在啟動(dòng)時(shí)基于與3個(gè)已知鄰居節(jié)點(diǎn)的距離或者GPS系統(tǒng)來(lái)定位節(jié)點(diǎn)的位置。本實(shí)驗(yàn)中，每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的位置已經(jīng)預(yù)先確定。

鄰居管理采用鄰居發(fā)現(xiàn)機(jī)制。開(kāi)啟無(wú)線電模塊后，傳感器節(jié)點(diǎn)向其鄰居節(jié)點(diǎn)廣播路由請(qǐng)求信息。鄰居接收到該信號(hào)后，將回復(fù)包含鏈路估算、成本估計(jì)和RSSI等信息的路由廣播包。請(qǐng)求節(jié)點(diǎn)在收到路由廣播后，更新其路由表。如果某節(jié)點(diǎn)是新鄰居并且路由表中還有閑置表項(xiàng)，則將其加入到路由表中。若沒(méi)有閑置表項(xiàng)，但最后一個(gè)表項(xiàng)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(gè)節(jié)點(diǎn)定期發(fā)送路由器廣播，鄰居路由表實(shí)時(shí)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(jì)算最佳轉(zhuǎn)發(fā)值，并決定轉(zhuǎn)發(fā)報(bào)文的最佳候選節(jié)點(diǎn)。計(jì)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(jì)和RSSI參數(shù)值計(jì)算每個(gè)鄰居的轉(zhuǎn)發(fā)最佳值，做出決定。

1.2 鏈路估算、成本估計(jì)和RSSI參數(shù)

鏈路估算基于式 (1)計(jì)算得出。鏈路質(zhì)量指示(LQI)表征數(shù)據(jù)包接收信號(hào)的強(qiáng)度或質(zhì)量。LQI取值范圍［0，255］。軟件負(fù)責(zé)針對(duì)不同應(yīng)用對(duì)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(biāo)志值為每個(gè)傳入數(shù)據(jù)包提供一個(gè)平均相關(guān)系數(shù)［10］。無(wú)符號(hào)7位值可視為“芯片錯(cuò)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(lái)經(jīng)驗(yàn)獲得，PER是相關(guān)系數(shù)的函數(shù)。成本估計(jì)是基于傳送給鄰居節(jié)點(diǎn)的總數(shù)據(jù)包量和成功傳輸量。成本估計(jì)值越高，投遞率越低。成本估計(jì)計(jì)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(hào)強(qiáng)度指示器。傳播效應(yīng)將造成傳輸信號(hào)的衰減。對(duì)退化和衰減建模，可以基于RSSI估算相鄰節(jié)點(diǎn)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(lái)表征RSSI。RSSI在8個(gè)符號(hào)周期128μs內(nèi)求均值，這也意味著收發(fā)器至少需開(kāi)啟8個(gè)符號(hào)周期。RSSI與能量的相互關(guān)系如下式

RSSI_OFFSET是在系統(tǒng)開(kāi)發(fā)時(shí)，從前端的增益中憑經(jīng)驗(yàn)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(dòng)態(tài)值是100dBm，范圍為 ［-100dBm，0dBm］。

1.3 最佳轉(zhuǎn)發(fā)值計(jì)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(gè)鄰居計(jì)算其最佳轉(zhuǎn)發(fā)值。計(jì)算如下

式 (5)中:λ1+λ2+λ3=1。l1、λ2和λ3的值由實(shí)驗(yàn)測(cè)量中估算而來(lái)，在下一節(jié)中解釋。

2 實(shí)驗(yàn)研究

2.1 配置無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)WSN試驗(yàn)平臺(tái)

WSN測(cè)試平臺(tái)含硬、軟件部分。測(cè)試平臺(tái)采用Moteiv公司的Tmote-sky傳感器節(jié)點(diǎn)，使用遵循IEEE802.15.4射頻標(biāo)準(zhǔn)的2.4GHz ISM頻段。可通過(guò)USB連接PC機(jī)。傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)有On/Off開(kāi)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(diǎn)運(yùn)行Contiki OS，開(kāi)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(jí)的、開(kāi)源的、高度可移植的、多任務(wù)的、基于事件的、模塊可動(dòng)態(tài)裝卸的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)，專(zhuān)門(mén)針對(duì)資源 (內(nèi)存、計(jì)算等)高度受約束的硬件平臺(tái)而設(shè)計(jì)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(shí)驗(yàn)需要在一個(gè)24*16m區(qū)域內(nèi)按4*3的陳列布置12個(gè)Tmote-sky傳感器節(jié)點(diǎn)。右上角的源節(jié)點(diǎn)編號(hào)為11，左下角落的匯聚節(jié)點(diǎn)編號(hào)為0。如圖3所示。源節(jié)點(diǎn)和匯聚節(jié)點(diǎn)的位置選取是為了在傳輸數(shù)據(jù)包的過(guò)程中增加跳數(shù)。使用開(kāi)源的數(shù)據(jù)包嗅探器Wireshark來(lái)觀察網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)包。Wireshark是用來(lái)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(píng)估最佳轉(zhuǎn)發(fā)路由協(xié)議性能的指標(biāo)參數(shù)。

圖3 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/p>

實(shí)驗(yàn)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(píng)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(lái)衡量到達(dá)目標(biāo)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(diǎn)S需要向節(jié)點(diǎn)D轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)分組的時(shí)候，它首先在自己所有的鄰居節(jié)點(diǎn)中選擇一個(gè)距離D最近的節(jié)點(diǎn)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(guò)程一直重復(fù)，直到數(shù)據(jù)分組到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)D或者某個(gè)最佳主機(jī)。

在第一部分實(shí)驗(yàn)中，進(jìn)行了36組測(cè)試。流量負(fù)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(guò)1。36組系數(shù)如表2所示。

表2 概率變量值的組合

實(shí)驗(yàn)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(guò)高的包速率，可能導(dǎo)致包擁塞或通信隊(duì)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(shí)驗(yàn)。測(cè)量三個(gè)路由協(xié)議下投遞率和丟包率兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)性能指標(biāo)。

2.2 最佳轉(zhuǎn)發(fā)系數(shù)測(cè)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(gè)組合的最高投遞率達(dá)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(shí)候，鏈路估計(jì)和成本估計(jì)的相關(guān)系數(shù)可以任意取值。在這個(gè)穩(wěn)定區(qū)域里，有六個(gè)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(cè)定的實(shí)驗(yàn)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(gè)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(shí)，貪婪轉(zhuǎn)發(fā)的吞吐量開(kāi)始下降。當(dāng)包速率為20包/秒時(shí)，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(shí)，此協(xié)議的性能會(huì)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(shí)，為0.89?？傮w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(gè)路由協(xié)議的數(shù)據(jù)包丟失情況如圖5(b)所示。3個(gè)協(xié)議在包速率低于2包/秒時(shí)，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(shí)開(kāi)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(shí)達(dá)38.7%。對(duì)于RIP，嚴(yán)重丟包只發(fā)生在包速率為20包/秒時(shí)，百分比是11.8%。幾乎沒(méi)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(dá)目的地。因此，在包丟失方面，與其他兩個(gè)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(yǔ)

本文介紹了一種基于IPv6的無(wú)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(jì)和RSSI，更好地實(shí)現(xiàn)了高投遞率、低丟包率。為了確定鏈路估算、成本估計(jì)和RSSI相關(guān)系數(shù)值，實(shí)驗(yàn)第一部分完成了36種組合下的性能測(cè)試。實(shí)驗(yàn)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(gè)組合用于路由算法和路由的實(shí)際性能測(cè)試評(píng)估。實(shí)驗(yàn)選取的兩個(gè)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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