仇英輝，陳　玲

（華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，北京102206）

基于普通節(jié)點(diǎn)負(fù)載均衡的RPL路由協(xié)議*

仇英輝*，陳玲

（華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，北京102206）

傳統(tǒng)的RPL路由協(xié)議并未涉及到節(jié)點(diǎn)負(fù)載均衡的問題，容易造成網(wǎng)絡(luò)局部負(fù)載過重導(dǎo)致部分節(jié)點(diǎn)死亡。闡述了RPL路由協(xié)議的拓?fù)錁?gòu)建、路由過程及一些現(xiàn)有的目標(biāo)函數(shù)，定義了鄰居距離和剩余能量級別兩個參考指標(biāo)，通過劃分能量級別和改變通信半徑兩重負(fù)載均衡方法，提出了一種基于普通節(jié)點(diǎn)負(fù)載均衡的RPL路由協(xié)議——OLB-RPL。通過實驗仿真驗證結(jié)果證明改進(jìn)后的協(xié)議可以實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中普通節(jié)點(diǎn)的負(fù)載均衡，并且在減少節(jié)點(diǎn)能量消耗的同時延長了整個網(wǎng)絡(luò)的生存時間。

低功耗有損網(wǎng)絡(luò)；RPL路由協(xié)議；剩余能量級別；鄰居距離；負(fù)載均衡

EEACC:6150Pdoi:10.3969/j.issn.1004-1699.2016.07.021

在低功耗有損網(wǎng)絡(luò)LLNs（Low-power and Lossy Networks）中［1］，路由器往往受到處理能力、存儲能力和能量或電池功率方面的限制。它們之間的連接具有高丟包率、低帶寬和不穩(wěn)定的特點(diǎn)。而RPL路由協(xié)議LLNs（Routing Protocol for LLNs）是IETF提出的針對LLN網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)的路由協(xié)議［2-3］。

目前，國內(nèi)外對RPL的研究熱點(diǎn)主要是在路由算法、拓?fù)淇刂坪蛥f(xié)議安全這幾個方面［4-6］。在負(fù)載均衡［6-9］方面文獻(xiàn)［6］提出了一種基于RPL的多Sink節(jié)點(diǎn)的負(fù)載均衡的方法LB-RPL，通過均衡網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載延長了網(wǎng)絡(luò)的生存時間，但是文中只針對多Sink節(jié)點(diǎn)考慮負(fù)載平衡，卻沒有考慮普通傳感節(jié)點(diǎn)的過負(fù)荷情況，這樣以來容易使普通節(jié)點(diǎn)因提前耗盡能量而死亡，造成通信障礙。為進(jìn)一步研究適用于LLNs的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)錁?gòu)建方式和路由方法，并且避免不同傳感節(jié)點(diǎn)負(fù)載不均衡的情況，本文提出一種基于普通節(jié)點(diǎn)負(fù)載均衡的RPL路由協(xié)議的優(yōu)化算法——OLB-RPL，綜合考慮能量指標(biāo)和傳感器鄰居節(jié)點(diǎn)集范圍對網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建和路由過程進(jìn)行優(yōu)化。

1　RPL路由協(xié)議

RPL是一個距離矢量路由協(xié)議，通過目標(biāo)函數(shù)和度量集合構(gòu)建一個具有目的地的有向無環(huán)圖DODAG（Destination Oriented Directed Acyclic Graph），然后根據(jù)路由度量和約束條件選擇最優(yōu)路徑完成路由過程。RPL路由協(xié)議中定義了三種ICMPv6控制消息用來交換圖的相關(guān)信息并構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌篋ODAG信息對象DIO（DODAG information object），用于通告有關(guān)DODAG的參數(shù)；DODAG請求信息DIS（DODAG Information Solicitation），用于向鄰居節(jié)點(diǎn)請求DODAG信息；目的廣播對象DAO（Destination Advertisement Object），用于構(gòu)建向上的路由［2，4］。

如圖1所示，是整個DODAG圖的構(gòu)建。DODAG圖是基于樹的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其構(gòu)建一般從根節(jié)點(diǎn)開始，即邊界路由LBR（LLN Border Router）或sink節(jié)點(diǎn)。如圖1所示，LBR節(jié)點(diǎn)和普通RPL節(jié)點(diǎn)隨機(jī)分布在傳感區(qū)域內(nèi)，首先LBR向自己發(fā)送功率半徑范圍內(nèi)的鄰居節(jié)點(diǎn)廣播攜帶有關(guān)于圖的配置屬性的DIO信息，節(jié)點(diǎn)A通過DIO獲取發(fā)送節(jié)點(diǎn)的配置屬性及其Rank值，決定是否加入圖中。若加入圖中，LBR成為A的父節(jié)點(diǎn)，此時A節(jié)點(diǎn)根據(jù)DIO中的信息計算自己的Rank值，并修改DIO中的信息向周圍的節(jié)點(diǎn)廣播DIO數(shù)據(jù)包，處于A節(jié)點(diǎn)發(fā)送功率半徑內(nèi)的節(jié)點(diǎn)B收到A發(fā)來的DIO后決定加入圖中，計算自己的Rank值，然后向周圍節(jié)點(diǎn)發(fā)送自己的DIO消息，并回送給A一個DAO消息。以此類推節(jié)點(diǎn)C也加入圖中。假設(shè)一個節(jié)點(diǎn)收到了幾個DIO消息，則選擇使自己Rank值最小的DIO幀的發(fā)送節(jié)點(diǎn)作為父節(jié)點(diǎn)。此時，未收到DIO的節(jié)點(diǎn)D也想加入圖中，它主動向自己的鄰居節(jié)點(diǎn)A發(fā)送DIS信息請求加入DODAG中，A收到DIS后向節(jié)點(diǎn)D發(fā)送DIO信息邀請D加入圖中，D加入圖中后回送DAO信息。重復(fù)上述過程，直到所有節(jié)點(diǎn)加入到DODAG圖中，LBR節(jié)點(diǎn)即是整個DODAG的根，如圖1所示。

圖1　DODAG的構(gòu)建

值得注意的是，在非存儲模式下，葉子節(jié)點(diǎn)回復(fù)的DAO消息需要發(fā)送至根節(jié)點(diǎn)，在根節(jié)點(diǎn)處計算整個網(wǎng)絡(luò)的DODAG圖；而存儲模式下，葉子節(jié)點(diǎn)將DAO發(fā)送至父節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)至根節(jié)點(diǎn)的過程中，父節(jié)點(diǎn)要維護(hù)一個記錄到達(dá)各個葉子節(jié)點(diǎn)路由的下一跳的路由表。

2　目標(biāo)函數(shù)

目標(biāo)函數(shù)OF（Objective Function）定義了路由度量標(biāo)準(zhǔn)和路由限制條件，即定義了怎樣在一個RPL實例中選擇父節(jié)點(diǎn)和最優(yōu)路由。OF具體內(nèi)容包括：如何獲取更新度量信息；如何計算每個節(jié)點(diǎn)的Rank值；如何選出最佳父節(jié)點(diǎn)。

路由度量（metric）是計算路徑損失及最短路徑的重要標(biāo)準(zhǔn)，用于評估路徑代價，一般可以累加，OF需要結(jié)合路由度量來尋找父節(jié)點(diǎn)并計算最佳路徑。IETF發(fā)布的RFC6551文檔中，闡述了RPL路由協(xié)議中可以使用的幾種度量標(biāo)準(zhǔn)［10］。以下簡單介紹兩種以不同的度量標(biāo)準(zhǔn)為準(zhǔn)則的目標(biāo)函數(shù)。

2.1目標(biāo)函數(shù)OF0

目標(biāo)函數(shù)OF0是官方文件RFC6552文檔中明確規(guī)定的，它以跳數(shù)（HC）為最佳選路標(biāo)準(zhǔn)，是RPL協(xié)議中最簡單的目標(biāo)函數(shù)［5-6，11］。

OF0（Object Function Zero）的目標(biāo)是使節(jié)點(diǎn)加入一個連通性足夠好的DODAG中，而不要求路由對某一度量做出特殊的優(yōu)化［12］。假設(shè)P為某節(jié)點(diǎn)N的父節(jié)點(diǎn)，那么OF0中Rank值計算如下：

OF0在運(yùn)作的時候會根據(jù)自己的路由度量計算出一個Rank的階梯值，然后沿著階梯值計算Rank的增加值Rank_increase，選擇Rank_increase最小的節(jié)點(diǎn)作為自己的父節(jié)點(diǎn)。但OF0只考慮跳數(shù)，在選路的時候選擇了跳數(shù)最短的路徑，每一跳的距離卻可能變長，如此以來會降低鏈路的質(zhì)量。

2.2目標(biāo)函數(shù)MRHOF

目標(biāo)函數(shù) MRHOF（The Minimum Rank with Hysteresis Objective Function）是一種帶有滯回作用的目標(biāo)函數(shù)。MRHOF的主要目標(biāo)是當(dāng)選擇路徑損耗最小的路徑時，避免因為度量的略微變化而引起拓?fù)涞亩秳樱?-6］。

MRHOF中采用了三種路由度量：跳數(shù)（Hop-Count）、時延（Latency）、ETX。ETX表示節(jié)點(diǎn)成功發(fā)送一個數(shù)據(jù)包所期望的傳輸次數(shù)，ETX的計算方法有很多，ContikiRPL用EWMA函數(shù)來計算ETX［13］：

其中ETXnew指包成功被發(fā)送或接收前傳輸?shù)目偞螖?shù)，一般a設(shè)為0.9。MRHOF的Rank值的計算是給ETX乘了一個因子，此處不再具體贅述。MRHOF的運(yùn)作是在初次加入圖中，節(jié)點(diǎn)選擇Rank值最小的節(jié)點(diǎn)作為自己的父節(jié)點(diǎn)，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中出現(xiàn)了新的備選父節(jié)點(diǎn)不會立馬更換，比較當(dāng)前父節(jié)點(diǎn)與備選父節(jié)點(diǎn)所在路徑的開銷，當(dāng)開銷的差值大于預(yù)先設(shè)定的門限值，才會改變父節(jié)點(diǎn)，選擇新出現(xiàn)的備選父節(jié)點(diǎn)。

3　基于普通節(jié)點(diǎn)負(fù)載均衡的RPL路由協(xié)議

RPL網(wǎng)絡(luò)一般選擇能量充足存儲能力較強(qiáng)的節(jié)點(diǎn)作為Sink節(jié)點(diǎn)，目標(biāo)函數(shù)OF0選路時只考慮跳數(shù)（HC）的問題，上文所提到的LB-RPL只考慮了多Sink節(jié)點(diǎn)間的負(fù)載均衡，兩者均未對普通節(jié)點(diǎn)進(jìn)行負(fù)載均衡，如此若普通節(jié)點(diǎn)負(fù)載較多，能耗較大，比如在數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)中，若該節(jié)點(diǎn)正在參與數(shù)據(jù)采集的過程，一旦能量耗盡死亡，則會出現(xiàn)監(jiān)測盲點(diǎn)，甚至?xí)?dǎo)致網(wǎng)絡(luò)分裂，部分?jǐn)?shù)據(jù)無法傳回Sink節(jié)點(diǎn)［14］。為此，本文提出了一種基于普通節(jié)點(diǎn)負(fù)載均衡的RPL路由協(xié)議——OLB-RPL，通過修改目標(biāo)函數(shù)，不僅減小了普通節(jié)點(diǎn)的能量消耗，而且延長了整個網(wǎng)絡(luò)的生存時間。

3.1參考度量

本文以節(jié)點(diǎn)鄰居距離di和節(jié)點(diǎn)剩余能量級別REL為依據(jù)來計算路徑，以尋找最優(yōu)傳感器網(wǎng)絡(luò)鄰居節(jié)點(diǎn)范圍為路由算法來實現(xiàn)RPL網(wǎng)絡(luò)中普通節(jié)點(diǎn)的負(fù)載均衡。

3.1.1節(jié)點(diǎn)鄰居距離di

本文定義的節(jié)點(diǎn)鄰居距離針對每個節(jié)點(diǎn)，指每個節(jié)點(diǎn)的鄰居節(jié)點(diǎn)集內(nèi)的節(jié)點(diǎn)距該節(jié)點(diǎn)的歐式距離。

圖2　節(jié)點(diǎn)鄰居距離示意圖

如圖2所示為節(jié)點(diǎn)i的鄰居距離示意圖，整個網(wǎng)絡(luò)初始時刻每個節(jié)點(diǎn)的功率發(fā)送范圍半徑為R0，即為節(jié)點(diǎn)i的廣播域或通信半徑。由圖中看出周圍有節(jié)點(diǎn)1～6處于通信半徑中，那么這些節(jié)點(diǎn)的集合即為當(dāng)前節(jié)點(diǎn)i的鄰居節(jié)點(diǎn)集，通過測試信號節(jié)點(diǎn)i記錄各鄰居節(jié)點(diǎn)到該節(jié)的距離即節(jié)點(diǎn)鄰居距離di：

其中k表示第k個鄰居節(jié)點(diǎn)。

3.1.2節(jié)點(diǎn)剩余能量級別REL

本文引入剩余能量級別REL，一方面避免了網(wǎng)絡(luò)更新過快帶來的抖動，另一方面通過設(shè)置每個能級RELi對應(yīng)的負(fù)載數(shù)目閾值Fi實現(xiàn)節(jié)點(diǎn)的負(fù)載均衡，即剩余能量多的RPL節(jié)點(diǎn)負(fù)載多一些，而剩余能量少的RPL節(jié)點(diǎn)負(fù)載相對少一些。負(fù)載數(shù)閾值Fi的值視具體情況而定，會受到節(jié)點(diǎn)發(fā)送功率、節(jié)點(diǎn)密度、剩余能量及鄰居距離等因素的影響。設(shè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)最初能量為E0，設(shè)每個節(jié)點(diǎn)有m個能量級別，那么每個等級的能量為Eaverage=E0/m，設(shè)每個節(jié)點(diǎn)i的當(dāng)前的剩余能量為Ei_cur，則可以得到某時刻網(wǎng)絡(luò)中某個節(jié)點(diǎn)i的剩余能量級別為［15］：

［Ei_cur/Eaverage］表示大于［Ei_cur/Eaverage］的最小整數(shù)。由式（4）得到每個節(jié)點(diǎn)的剩余能量級別的取值范圍是［1，m］內(nèi)的正整數(shù)。能量級別m的選取對整個優(yōu)化協(xié)議的性能有重要影響，可依據(jù)整個網(wǎng)絡(luò)平均節(jié)點(diǎn)密度來設(shè)置，根據(jù)不同網(wǎng)絡(luò)對通信質(zhì)量的要求m可以靈活設(shè)置。若m取值較小則不能體現(xiàn)出每個節(jié)點(diǎn)剩余能量的差異，根據(jù)剩余能量級設(shè)定的負(fù)載數(shù)目不會有明顯改變，負(fù)載均衡的效果會很不明顯［15-17］。

3.2基于普通節(jié)點(diǎn)負(fù)載均衡的目標(biāo)函數(shù)

3.2.1均衡策略

圖3所示為基于普通節(jié)點(diǎn)負(fù)載均衡的RPL路由協(xié)議流程圖，算法如下：

S1進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)的初始化，初始半徑為R0，通過測試信號來記錄鄰居節(jié)點(diǎn)及各節(jié)點(diǎn)鄰居距離di；

S2初始化以后，每個普通節(jié)點(diǎn)計算自己的剩余能量級別RELi，并統(tǒng)計自己所攜帶的負(fù)載數(shù)目fi；

S3判斷當(dāng)前節(jié)點(diǎn)所攜帶的負(fù)載數(shù)目fi是否大于當(dāng)前節(jié)點(diǎn)剩余能量級別RELi所對應(yīng)的負(fù)載數(shù)門限Fi；

S4一旦fi大于門限值Fi則對當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的通信半徑Ri調(diào)整，減小相應(yīng)的調(diào)整值；

S5若fi小于門限值Fi則當(dāng)前節(jié)點(diǎn)保持通信半徑Ri不變，不必進(jìn)行接下去的負(fù)載均衡機(jī)制。

上述算法所述通信半徑調(diào)整值Δ為當(dāng)前鄰居節(jié)點(diǎn)集內(nèi)所有節(jié)點(diǎn)的平均節(jié)點(diǎn)鄰居距離。當(dāng)通信半徑變小以后，鄰居節(jié)點(diǎn)集中鄰居節(jié)點(diǎn)的個數(shù)變少，父節(jié)點(diǎn)斷開與多出來的負(fù)載節(jié)點(diǎn)的連接，這些負(fù)載節(jié)點(diǎn)可以尋找新的剩余能量級別較大的節(jié)點(diǎn)作為父節(jié)點(diǎn)。若當(dāng)前節(jié)點(diǎn)在當(dāng)前剩余能量級內(nèi)所帶負(fù)載個數(shù)小于相應(yīng)的負(fù)載數(shù)目閾值，則節(jié)點(diǎn)停留在原來的深度不變，并且不必進(jìn)行負(fù)載均衡機(jī)制，等待定時器到下一個時刻更新后再進(jìn)行條件判斷是否進(jìn)行負(fù)載均衡。

圖3　基于普通節(jié)點(diǎn)負(fù)載均衡的RPL路由協(xié)議流程圖

3.2.2通信半徑調(diào)整策略

圖4所示為某時刻對某節(jié)點(diǎn)i當(dāng)前通信半徑Ri調(diào)整示意圖。為方便描述，圖4將樹形拓?fù)鋾簳r畫為星形拓?fù)?，且?jié)點(diǎn)i通信半徑范圍內(nèi)的節(jié)點(diǎn)都是i的葉子節(jié)點(diǎn)。某一時刻節(jié)點(diǎn)i的通信半徑為Ri，調(diào)整后的通信半徑為Ri+1。起初節(jié)點(diǎn)i通信半徑范圍覆蓋的子節(jié)點(diǎn)有節(jié)點(diǎn)1～n，當(dāng)檢測到節(jié)點(diǎn)i的剩余能量級別小于門限值并且i所帶負(fù)載數(shù)目大于閾值時，計算通信半徑的調(diào)節(jié)值Δ：

則新的通信半徑為

從新的通信半徑覆蓋范圍看出，只有節(jié)點(diǎn)2、4、n位于通信半徑范圍內(nèi)，故其他節(jié)點(diǎn)不能再以當(dāng)前節(jié)點(diǎn)i作為父節(jié)點(diǎn)，而需要重新尋找距離較近并且節(jié)點(diǎn)剩余能量級別高的節(jié)點(diǎn)為父節(jié)點(diǎn)。依次類推每個節(jié)點(diǎn)都執(zhí)行這個策略即可實現(xiàn)負(fù)載均衡。

圖4　節(jié)點(diǎn)通信半徑調(diào)整示意圖

4　仿真驗證

本文使用Matlab仿真平臺進(jìn)行驗證，將本文的OLB-RPL路由協(xié)議與RPL路由協(xié)議進(jìn)行了對比分析。為了驗證本文算法的有效性，選取網(wǎng)絡(luò)死亡節(jié)點(diǎn)數(shù)、網(wǎng)絡(luò)平均能量消耗以及網(wǎng)絡(luò)生存時間為衡量指標(biāo)進(jìn)行對比分析。網(wǎng)絡(luò)死亡節(jié)點(diǎn)數(shù)隨著網(wǎng)絡(luò)建立后時間延長而增加，增加的快慢程度可反映網(wǎng)絡(luò)均衡的性能；平均總能量消耗指平均每輪所有節(jié)點(diǎn)消耗的能量的總和；網(wǎng)絡(luò)生存時間指網(wǎng)絡(luò)中出現(xiàn)第一個節(jié)點(diǎn)能量耗盡所用的時間，用輪數(shù)表示，為擬合實際通信系統(tǒng)，當(dāng)剩余能量小于5%時即認(rèn)為節(jié)點(diǎn)失效死亡。

在100×100的區(qū)域內(nèi)隨機(jī)設(shè)置200個傳感節(jié)點(diǎn)，按區(qū)域分為兩個DODAG，并手動設(shè)置每個DODAG的Sink節(jié)點(diǎn)，分別是每個區(qū)域內(nèi)橫縱坐標(biāo)最小的節(jié)點(diǎn)。由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)為自組網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)初始化時每個節(jié)點(diǎn)的初始能量均不同，而一般已選的Sink節(jié)點(diǎn)是能量比較充足的節(jié)點(diǎn)，考慮到以上情況，將Sink節(jié)點(diǎn)的初始能量設(shè)為1.00，為了可以突出剩余能量級別的差異，將其余普通節(jié)點(diǎn)的初始能量設(shè)為0.50～1.00之間的隨機(jī)值?？筛鶕?jù)表1設(shè)置其他仿真參量。

表1　仿真參量設(shè)置

本文的仿真參量的設(shè)置可以根據(jù)具體情況及網(wǎng)絡(luò)大小來靈活配置。仿真中RPL和OLB-RPL的路由更新周期都是96，但由于OLB-RPL是實時更新的，而每一輪能耗過小一般能級不會改變，所以本文仿真中設(shè)置每50輪執(zhí)行一次負(fù)載均衡機(jī)制進(jìn)行更新。發(fā)送信息能量消耗采用無線通信距離與能量消耗的模型E=δ·d3，δ取值為δ=0.000 1（1/253）。能量級別m的選擇對協(xié)議的性能有影響，所以m的取值至關(guān)重要，本文根據(jù)整個傳感區(qū)域節(jié)點(diǎn)的平均密度來選取m的值，本文m取值為10，則RPL共有10個級別。

網(wǎng)絡(luò)生存時間指網(wǎng)絡(luò)中出現(xiàn)第一個節(jié)點(diǎn)能量耗盡的時間，而網(wǎng)絡(luò)死亡節(jié)點(diǎn)數(shù)目也可以體現(xiàn)出算法對整個網(wǎng)絡(luò)每個節(jié)點(diǎn)的負(fù)載均衡性能。本文算法OLB-RPL與RPL的網(wǎng)絡(luò)死亡節(jié)點(diǎn)對比如圖5所示。

圖5　網(wǎng)絡(luò)死亡節(jié)點(diǎn)對比圖

圖5中數(shù)據(jù)采集為等間隔采樣，因此采樣輪數(shù)反映了網(wǎng)絡(luò)生存時間的長短，當(dāng)出現(xiàn)第一個死亡節(jié)點(diǎn)時，輪數(shù)越大，網(wǎng)絡(luò)生存時間越長圖5記錄了每一輪對應(yīng)的死亡節(jié)點(diǎn)數(shù)，由圖知，RPL算法中，第一次出現(xiàn)死亡節(jié)點(diǎn)是在第74輪，而在本文的OLB-RPL算法中，第一次出現(xiàn)死亡節(jié)點(diǎn)是在第204輪，因此，說明本算法的改進(jìn)較大程度地提高了網(wǎng)絡(luò)的生存時間；此后的數(shù)據(jù)采集過程中，同樣的數(shù)據(jù)采集輪數(shù)下，采用OLB-RPL算法的網(wǎng)絡(luò)死亡節(jié)點(diǎn)數(shù)也小于采用RPL算法的網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生的死亡節(jié)點(diǎn)數(shù)，而且隨著采集輪數(shù)的增加，兩種算法產(chǎn)生的死亡節(jié)點(diǎn)數(shù)的差值進(jìn)一步增加，當(dāng)采集輪數(shù)為6 000輪時，差值擴(kuò)大到80個死亡節(jié)點(diǎn)數(shù)，說明RPL網(wǎng)絡(luò)死亡節(jié)點(diǎn)數(shù)目的增長速率大于OLB-RPL。由此證明了OLB-RPL確實可以均衡網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載，延長整個網(wǎng)絡(luò)的壽命。

圖6所示為網(wǎng)絡(luò)平均能量消耗對比圖，網(wǎng)絡(luò)初始化時，由于兩種算法采用相同的路由建立過程，因此，初始能耗一致，但此后，本文OLB-RPL算法的仿真中網(wǎng)絡(luò)平均每50輪執(zhí)行一次動態(tài)路由選擇，更新網(wǎng)絡(luò)路由拓?fù)洌此惴ㄔ?，網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)負(fù)載數(shù)大于其能級對應(yīng)的數(shù)量閾值時，節(jié)點(diǎn)將減小自己的負(fù)載數(shù)目到閾值以下，網(wǎng)絡(luò)得到均衡優(yōu)化，所以圖中出現(xiàn)開始一段驟降的情形；隨著時間的推移，能耗才逐漸緩慢增加；最終，本算法建立起的網(wǎng)絡(luò)在死亡節(jié)點(diǎn)、重啟節(jié)點(diǎn)以及整個網(wǎng)絡(luò)之間建立起一種動態(tài)平衡，能耗也趨于穩(wěn)定。較之RPL算法，本文OLB-RPL算法的能耗也有明顯下降，在實現(xiàn)負(fù)載均衡的同時也降低了能耗。

圖6　平均能量消耗對比圖

圖7為網(wǎng)絡(luò)規(guī)模與生存時間關(guān)系圖，反映了網(wǎng)絡(luò)規(guī)模即網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)總數(shù)與生存時間的關(guān)系。為保證較為準(zhǔn)確的反映兩者關(guān)系，避免偶然性的發(fā)生，實驗中，在某一網(wǎng)絡(luò)規(guī)模下，仿真執(zhí)行50次就取其對應(yīng)的生存時間的均值作為參考值，由于采樣間隔一致，網(wǎng)絡(luò)生存時間用采樣輪數(shù)表示。從圖7可以看出，兩種算法的對應(yīng)曲線都大致呈遞減趨勢，即兩者都是隨著網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)的增加，網(wǎng)絡(luò)生存時間逐漸減小，這是由于節(jié)點(diǎn)數(shù)增加，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)密度增加，網(wǎng)絡(luò)中平均每個節(jié)點(diǎn)的負(fù)載數(shù)目增加而引起的節(jié)點(diǎn)能耗增加引起的。但相較于RPL路由算法，本文算法OLB-RPL明顯改善了網(wǎng)絡(luò)負(fù)載不均衡性，提高了網(wǎng)絡(luò)生存時間。

圖7　網(wǎng)絡(luò)規(guī)模與生存時間的關(guān)系

5　結(jié)論

本文結(jié)合了低功耗有損網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)，提出了一種基于普通節(jié)點(diǎn)負(fù)載均衡的RPL路由協(xié)議OLBRPL，改善了網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載均衡機(jī)制，降低網(wǎng)絡(luò)能耗。本文提出的算法通過節(jié)點(diǎn)能量分級和改變通信半徑兩個負(fù)載均衡辦法改進(jìn)了RPL的目標(biāo)函數(shù)；并通過實驗仿真對算法的有效性進(jìn)行了驗證分析，實驗數(shù)據(jù)表明采用本文的算法網(wǎng)絡(luò)負(fù)載得到有效均衡，網(wǎng)絡(luò)的損耗明顯降低，整個網(wǎng)絡(luò)的生命周期得以延長，而且由此帶來的跳數(shù)增加和網(wǎng)絡(luò)抖動可以接受。本改進(jìn)算法進(jìn)一步完善了RPL路由協(xié)議并在實時監(jiān)控數(shù)據(jù)采集等領(lǐng)域的應(yīng)用具有很重大意義。

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仇英輝（1975-），男，河北定州人，副教授，博士，主要研究方向為智能電網(wǎng)和電力系統(tǒng)通信；

陳玲（1992-），女，寧夏銀川人，碩士研究生，主要研究方向為智能電網(wǎng)與電力系統(tǒng)通信，382685891@qq.com。

The RPL Routing Protocal Based on Load Balance of Ordinary Node*

QIU Yinghui*，CHEN Ling
（College of Electrical and Electronic Engineering，North China Electric Power University，Beijing 102206，China）

Traditional RPL routing protocol does not involve the load balance strategies，which is easy to cause local networks over load even leads to the deaths of some nodes.This paper expounds the topological construction and the routing process of RPL routing protocol and some existing Objective Function，then it defines two reference indexes which are the Node Neighbor Distance and Remaining Energy Level.The paper proposes a OLB-RPL routing protocol based on load balance of ordinary node through dividing the energy level and changing the communication radius.At last，we proved that the improved routing protocol achieve the load balancing of the ordinary node through simulation verification，andthenewprotocolreducesthenodeenergyconsumption，andprolongthesurvivalofthewholenetwork.

low-power and lossy networks；RPL routing protocol；remaining energy level；neighbor distance；load balance

TP393.04

A

1004-1699（2016）07-1077-06

項目來源：中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項資金項目（12MS18）

2016-01-05修改日期：2016-02-18