姚玉坤，劉江兵，李小勇

(移動(dòng)通信技術(shù)重慶市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(重慶郵電大學(xué))，重慶400065)

基于簇父集協(xié)作通信的低功耗有損網(wǎng)絡(luò)路由算法優(yōu)化

姚玉坤，劉江兵*，李小勇

(移動(dòng)通信技術(shù)重慶市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(重慶郵電大學(xué))，重慶400065)

(*通信作者電子郵箱liujb_cqupt@163.com)

針對(duì)當(dāng)前低功耗有損網(wǎng)絡(luò)(LLN)中基于簇父集協(xié)作通信的路由算法(CRPL)沒有考慮節(jié)點(diǎn)剩余能量,存在不能有效地均衡節(jié)點(diǎn)能耗和最大化延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)壽命的問題，提出一種高效的基于簇父集協(xié)作通信的低功耗有損網(wǎng)絡(luò)路由(RPL)算法(HE-CRPL)。所提算法采取了三個(gè)優(yōu)化思路:一是同時(shí)考慮節(jié)點(diǎn)間無線鏈路質(zhì)量和節(jié)點(diǎn)剩余能量進(jìn)行簇父節(jié)點(diǎn)的選擇；二是在簇父節(jié)點(diǎn)優(yōu)先級(jí)判定和最優(yōu)簇父集的選擇過程中把節(jié)點(diǎn)間的無線鏈路質(zhì)量和簇父節(jié)點(diǎn)的期望壽命(ELT)相結(jié)合；三是在網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涑跏蓟倪^程中通過利用目的地通告對(duì)象(DAO)消息攜帶簇父節(jié)點(diǎn)優(yōu)先級(jí)列表告知最優(yōu)簇父集中簇父節(jié)點(diǎn)的優(yōu)先級(jí)順序。仿真結(jié)果表明，與CRPL算法相比，HE-CRPL算法在延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間、提高數(shù)據(jù)包投遞成功率和減少數(shù)據(jù)包重傳次數(shù)等方面的性能得到了提升，其中網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間提高了18.7%，數(shù)據(jù)包重傳次數(shù)降低了15.9%。

低功耗有損網(wǎng)絡(luò)；簇父集；協(xié)作通信；優(yōu)先級(jí)列表；剩余能量；期望壽命

0 引言

近年來，隨著信息與通信技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展，低功耗有損網(wǎng)絡(luò)(Low Power and Lossy Network, LLN)在工業(yè)控制[1]、醫(yī)療保健[2]和環(huán)境檢測(cè)[3]等領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛; 然而，LLN因?yàn)闊o線傳感器節(jié)點(diǎn)的處理能力、內(nèi)存大小和功率等性能方面的缺陷以及無線通信鏈路質(zhì)量的不穩(wěn)定而受到制約。因此，LLN的上述特征給LLN中的路由協(xié)議設(shè)計(jì)帶來極大挑戰(zhàn)[4-5]。

LLN通常用于一些特殊的應(yīng)用場(chǎng)景，使得無線傳感器節(jié)點(diǎn)的電池不易更換因而能量受限，因此在最小化節(jié)點(diǎn)能量消耗的同時(shí)最大化延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)壽命是LLN中路由協(xié)議設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。已有的路由協(xié)議，如移動(dòng)Ad-Hoc網(wǎng)絡(luò)中的按需距離矢量路由協(xié)議(Ad-Hoc On-demand Distance Vector, AODV)[6]和動(dòng)態(tài)源路由(Dynamic Source Routing, DSR)[7]因?yàn)槁酚砷_銷較大而不適用于LLN的應(yīng)用場(chǎng)景，因此互聯(lián)網(wǎng)工程任務(wù)組(Internet Engineering Task Force, IETF)的低功耗路由算法工作組(Routing over LLN, ROLL)制定了一種基于IPv6的按需低功耗有損路由協(xié)議(Routing Protocol for Low Power and Lossy Networks, RPL)[8]。

隨著工業(yè)界和學(xué)術(shù)界對(duì)LLN的深入研究，目前已取得大量研究成果。為了滿足不同應(yīng)用場(chǎng)景的多樣化需求，ROLL工作組在文獻(xiàn)[9]中提出了適用于LLN中的多種路由度量標(biāo)準(zhǔn)和約束條件，但未對(duì)每種路由度量標(biāo)準(zhǔn)和約束條件進(jìn)行詳細(xì)量化。

目前，ROLL工作組規(guī)定了兩種目標(biāo)函數(shù)：一種是將跳數(shù)作為度量標(biāo)準(zhǔn)的零目標(biāo)函數(shù)(Objective Function Zero, OF0)[10],OF0僅考慮源節(jié)點(diǎn)到根節(jié)點(diǎn)之間的傳輸跳數(shù)加快了無線鏈路質(zhì)量較差的節(jié)點(diǎn)的能耗速率；另一種是將期望傳輸次數(shù)(Expected Transmission Count, ETX)作為度量標(biāo)準(zhǔn)的具有遲滯性的最小網(wǎng)絡(luò)深度目標(biāo)函數(shù)(Minimum Rank with Hysteresis Objective Function, MRHOF)[11]，MRHOF僅考慮ETX，加快了無線鏈路質(zhì)量較好的節(jié)點(diǎn)的能量消耗速率。

由于基于上述兩種目標(biāo)函數(shù)的RPL路由算法均無法均衡網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)能耗和最大化網(wǎng)絡(luò)壽命，文獻(xiàn)[12]在單路徑RPL路由的基礎(chǔ)上提出了一種纏繞多路徑的改進(jìn)策略。該策略將大量連續(xù)數(shù)據(jù)流按鏈路的路徑權(quán)重分發(fā)到不同的路徑上傳輸，能夠均衡負(fù)載的能耗。但在路徑權(quán)重的計(jì)算中未考慮節(jié)點(diǎn)的剩余能量，不能有效地延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)壽命。

文獻(xiàn)[13]提出了一種基于多邊界路由器的負(fù)載均衡路由協(xié)議。該協(xié)議通過網(wǎng)關(guān)檢測(cè)邊界路由器的流量信息，判斷流量是否過載。當(dāng)流量過載時(shí)，利用網(wǎng)關(guān)計(jì)算網(wǎng)絡(luò)的不均衡度并和切換閾值進(jìn)行比較決定是否通知邊界路由器啟動(dòng)負(fù)載均衡機(jī)制。該協(xié)議的缺陷在于當(dāng)網(wǎng)絡(luò)的不均衡度低于切換閾值時(shí)，不能達(dá)到負(fù)載均衡的目的，無法徹底解決網(wǎng)絡(luò)擁塞問題。

文獻(xiàn)[14]提出了一種基于節(jié)點(diǎn)期望壽命(Expected LifeTime, ELT)的均衡節(jié)點(diǎn)能量消耗的RPL路由算法。該算法通過計(jì)算網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲忻總€(gè)節(jié)點(diǎn)的ELT，根據(jù)ELT判斷每條路徑上的能量瓶頸節(jié)點(diǎn)，通過減少能量瓶頸節(jié)點(diǎn)的能耗達(dá)到延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)壽命的目的。但在減少能量瓶頸節(jié)點(diǎn)的能耗過程中，加快了其他節(jié)點(diǎn)的能耗，同時(shí)子節(jié)點(diǎn)頻繁更換父節(jié)點(diǎn)會(huì)產(chǎn)生網(wǎng)絡(luò)震蕩，并不能有效地延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)壽命。

文獻(xiàn)[15]提出了一種負(fù)載均衡的機(jī)會(huì)RPL路由算法(Opportunistic Routing Protocol for LLN, ORPL)，該算法在RPL路由協(xié)議的基礎(chǔ)上融入機(jī)會(huì)路由算法，根據(jù)中繼節(jié)點(diǎn)當(dāng)前剩余能量和通信情況不斷地調(diào)整中繼節(jié)點(diǎn)的喚醒間隔。喚醒間隔的大小反映出中繼節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包的概率，即喚醒間隔越大，中繼節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包的概率越小。通過控制中繼節(jié)點(diǎn)的喚醒間隔達(dá)到控制節(jié)點(diǎn)的能耗的目的。該算法的缺陷在于傳輸數(shù)據(jù)包時(shí)未考慮節(jié)點(diǎn)間的無線鏈路質(zhì)量，導(dǎo)致丟包率上升，從而增加了發(fā)送節(jié)點(diǎn)的能量開銷。

文獻(xiàn)[16]提出了一種基于簇父集協(xié)作通信的RPL路由算法 (Cluster parent set based Routing Protocol for LLN, CRPL)，該算法的核心思想是通過簇父集協(xié)作轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包到達(dá)根節(jié)點(diǎn)。在簇父集協(xié)作通信的算法中考慮無線鏈路質(zhì)量，能夠達(dá)到均衡節(jié)點(diǎn)能耗和延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)壽命的目的。但是在該算法中并未考慮簇父節(jié)點(diǎn)的剩余能量，導(dǎo)致簇父集中剩余能量不足但優(yōu)先級(jí)較高的簇父節(jié)點(diǎn)的能量過早耗盡，不能有效地均衡節(jié)點(diǎn)能耗和延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)壽命。

針對(duì)上述路由算法的缺陷，本文在CRPL算法的基礎(chǔ)上提出一種高效的基于簇父集協(xié)作通信的RPL路由算法(High-Efficient Cluster parent set based Routing Protocol for LLN, HE-CRPL)并進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。

1 網(wǎng)絡(luò)模型及問題描述

1.1 網(wǎng)絡(luò)模型

針對(duì)由N個(gè)無線傳感器節(jié)點(diǎn)(中繼節(jié)點(diǎn)和葉子節(jié)點(diǎn))和1個(gè)根節(jié)點(diǎn)(邊界路由器)組成的低功耗有損網(wǎng)絡(luò)模型，如圖1所示。

圖1 基于HE-CRPL算法的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淠Ｐ虵ig. 1 Network topology model based on HE-CRPL algorithm

為了便于問題分析，給出以下假設(shè)：

1)所有無線傳感器節(jié)點(diǎn)均部署在一個(gè)正方形監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)，根節(jié)點(diǎn)位于正方形監(jiān)測(cè)區(qū)域正上方。所有無線傳感器節(jié)點(diǎn)位置一旦確定，將不再發(fā)生移動(dòng)。

2)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涑跏蓟瘯r(shí)，所有無線傳感器節(jié)點(diǎn)的性能和參數(shù)保持一致，即節(jié)點(diǎn)的初始能量、傳輸功率、內(nèi)存大小和數(shù)據(jù)處理能力等均相同。

3)根節(jié)點(diǎn)一直處于工作狀態(tài)(時(shí)刻保持監(jiān)聽狀態(tài))，不進(jìn)入休眠模式。其余所有無線傳感器節(jié)點(diǎn)的休眠時(shí)間均較短，在通信范圍內(nèi)都能夠監(jiān)聽到鄰居節(jié)點(diǎn)的工作狀態(tài)。

4)根節(jié)點(diǎn)的能量可以無限制補(bǔ)充，網(wǎng)絡(luò)中其余所有無線傳感器節(jié)點(diǎn)的能量均不能補(bǔ)充，由電池提供能量，且中途不更換電池，直至電池能量耗盡。

5)葉子節(jié)點(diǎn)只產(chǎn)生數(shù)據(jù)分組，不轉(zhuǎn)發(fā)其他節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)分組。中繼節(jié)點(diǎn)既能夠產(chǎn)生數(shù)據(jù)分組，又可以轉(zhuǎn)發(fā)其他節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)分組。

為了便于問題分析，給出以下定義。

定義1 最大簇父集。最大簇父集是指由一個(gè)子節(jié)點(diǎn)的所有簇父節(jié)點(diǎn)組成的集合。如圖1所示，節(jié)點(diǎn)H的最大簇父集為節(jié)點(diǎn)B、C、D組成的集合{B,C,D}。

定義2 期望壽命因子系數(shù)。期望壽命因子系數(shù)是指最大簇父集中各個(gè)簇父節(jié)點(diǎn)的ELT在最大簇父集中所占權(quán)重的倒數(shù)，用θ表示。

1.2 問題描述

CRPL算法的核心思想是通過計(jì)算選出LLN中每個(gè)節(jié)點(diǎn)(根節(jié)點(diǎn)除外)的最優(yōu)簇父集，通過最優(yōu)簇父集協(xié)作轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包到達(dá)根節(jié)點(diǎn)，完成數(shù)據(jù)包的匯聚過程。該算法將節(jié)點(diǎn)間的無線鏈路質(zhì)量作為簇父節(jié)點(diǎn)的選擇標(biāo)準(zhǔn)；其次依據(jù)簇父節(jié)點(diǎn)成功傳輸一個(gè)數(shù)據(jù)包到達(dá)根節(jié)點(diǎn)的傳輸代價(jià)判斷簇父節(jié)點(diǎn)的優(yōu)先級(jí)順序；然后依據(jù)源節(jié)點(diǎn)成功傳輸一個(gè)數(shù)據(jù)包經(jīng)過簇父集到達(dá)根節(jié)點(diǎn)的累積傳輸代價(jià)選擇最優(yōu)簇父集；最后通過將最優(yōu)簇父集中的簇父節(jié)點(diǎn)的優(yōu)先級(jí)列表添加到待發(fā)送數(shù)據(jù)包的頭部告知最優(yōu)簇父集中簇父節(jié)點(diǎn)的優(yōu)先級(jí)順序。通過深入研究，作者發(fā)現(xiàn)該算法存在以下3個(gè)問題：

1)選擇簇父節(jié)點(diǎn)時(shí)僅依據(jù)節(jié)點(diǎn)之間的無線鏈路質(zhì)量，而當(dāng)剩余能量較低的節(jié)點(diǎn)被選擇為簇父節(jié)點(diǎn)時(shí)，由于沒有考慮簇父節(jié)點(diǎn)的剩余能量，會(huì)加劇剩余能量不足的簇父節(jié)點(diǎn)的能耗速率，無法有效地達(dá)到節(jié)點(diǎn)能耗均衡的目的，降低了網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間。

2)簇父節(jié)點(diǎn)優(yōu)先級(jí)的高低依據(jù)簇父節(jié)點(diǎn)成功傳輸一個(gè)數(shù)據(jù)包到達(dá)根節(jié)點(diǎn)的傳輸代價(jià)大小決定，而未考慮源節(jié)點(diǎn)成功傳輸一個(gè)數(shù)據(jù)包到達(dá)簇父節(jié)點(diǎn)的傳輸代價(jià)。此外，傳輸代價(jià)的計(jì)算僅僅考慮了節(jié)點(diǎn)間的無線鏈路質(zhì)量，未考慮簇父節(jié)點(diǎn)的ELT，從而影響簇父節(jié)點(diǎn)優(yōu)先級(jí)的判定。同樣，在選擇最優(yōu)簇父集的過程中也因?yàn)槲纯紤]簇父節(jié)點(diǎn)的ELT而影響最優(yōu)簇父集的選擇。

3)源節(jié)點(diǎn)將優(yōu)先級(jí)列表添加到需發(fā)送數(shù)據(jù)包的頭部，通過數(shù)據(jù)包的傳輸告知簇父集中簇父節(jié)點(diǎn)的優(yōu)先級(jí)順序。由于無線鏈路有損特性，無法確定最優(yōu)簇父集中所有簇父節(jié)點(diǎn)均接收到攜帶有簇父節(jié)點(diǎn)優(yōu)先級(jí)列表的數(shù)據(jù)包，從而無法確保最優(yōu)簇父集中所有簇父節(jié)點(diǎn)都獲知優(yōu)先級(jí)列表。一旦某個(gè)簇父節(jié)點(diǎn)未成功接收到數(shù)據(jù)包將會(huì)導(dǎo)致源節(jié)點(diǎn)在傳輸下一個(gè)數(shù)據(jù)包時(shí)，需再次將優(yōu)先級(jí)列表添加到數(shù)據(jù)包的頭部，從而增大了源節(jié)點(diǎn)的能耗。

2 HE-CRPL路由算法的優(yōu)化機(jī)制

本文針對(duì)CRPL算法中存在的上述三個(gè)問題提出改進(jìn)算法HE-CRPL，在HE-CRPL算法中提出了四種優(yōu)化機(jī)制，分別是簇父節(jié)點(diǎn)選擇機(jī)制、簇父節(jié)點(diǎn)優(yōu)先級(jí)判定機(jī)制、最優(yōu)簇父集選擇機(jī)制和優(yōu)先級(jí)列表攜帶機(jī)制。

2.1 簇父節(jié)點(diǎn)選擇機(jī)制

簇父節(jié)點(diǎn)選擇機(jī)制涉及一個(gè)父節(jié)點(diǎn)作為理想的簇父節(jié)點(diǎn)應(yīng)滿足兩個(gè)條件：第一，父節(jié)點(diǎn)與子節(jié)點(diǎn)之間的無線鏈路質(zhì)量高于設(shè)定的鏈路質(zhì)量閾值；第二，父節(jié)點(diǎn)的剩余能量同樣應(yīng)高于設(shè)定的能量閾值。在LLN中構(gòu)建面向目的地有向無環(huán)圖(Destination Oriented Directed Acyclic Graph, DODAG)的過程中，中繼節(jié)點(diǎn)將自身的剩余能量信息和無線鏈路質(zhì)量信息添加到DODAG信息對(duì)象(DODAG Information Object, DIO)中。當(dāng)某一節(jié)點(diǎn)接收到鄰居節(jié)點(diǎn)廣播的DIO消息后，判斷鄰居節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)深度值(Rank)是否低于自身的Rank值。如果上述條件滿足，該節(jié)點(diǎn)則從收到的DIO消息中獲取鄰居節(jié)點(diǎn)的無線鏈路質(zhì)量信息和剩余能量信息，并分別判斷無線鏈路質(zhì)量和節(jié)點(diǎn)剩余能量是否滿足要求。

隨著網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的能量不斷消耗和網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲芷谛缘闹亟?，?dāng)某一節(jié)點(diǎn)與其全部父節(jié)點(diǎn)之間的無線鏈路質(zhì)量均低于無線鏈路質(zhì)量閾值時(shí)，選取無線鏈路質(zhì)量相對(duì)較高的無線鏈路對(duì)應(yīng)的父節(jié)點(diǎn)作為簇父節(jié)點(diǎn)。當(dāng)某一節(jié)點(diǎn)的全部父節(jié)點(diǎn)的剩余能量均低于能量閾值時(shí)，選取剩余能量相對(duì)較高的父節(jié)點(diǎn)作為簇父節(jié)點(diǎn)。具體判斷方法遵循圖2所示的流程。

2.2 簇父節(jié)點(diǎn)優(yōu)先級(jí)判定機(jī)制

簇父節(jié)點(diǎn)優(yōu)先級(jí)判斷機(jī)制是指在網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涑跏蓟^程中，分別計(jì)算源節(jié)點(diǎn)成功傳輸一個(gè)數(shù)據(jù)包經(jīng)過其各個(gè)簇父節(jié)點(diǎn)到達(dá)根節(jié)點(diǎn)的傳輸代價(jià)，傳輸代價(jià)值越小，賦予簇父節(jié)點(diǎn)的優(yōu)先級(jí)越高。在簇父集中，優(yōu)先級(jí)越高的簇父節(jié)點(diǎn)具有優(yōu)先轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包的特性。簇父節(jié)點(diǎn)優(yōu)先級(jí)的具體判定步驟如下：

圖2 簇父節(jié)點(diǎn)的選擇流程Fig. 2 Flow chart of cluster parent node selection

步驟1 在網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲芷谛缘臉?gòu)建過程中，子節(jié)點(diǎn)獲得與簇父節(jié)點(diǎn)之間的無線鏈路質(zhì)量信息和簇父節(jié)點(diǎn)剩余能量信息后，計(jì)算每個(gè)簇父節(jié)點(diǎn)的期望壽命ELT[17]。ELT的計(jì)算如式(1)，式(1)中各個(gè)度量值的物理意義如表1所示。

(1)

其中：Ttotal(j)和ETX(j,CPS(j))的計(jì)算如式(2)和式(3)所示:

(2)

(3)

其中：Tgen(j)表示簇父節(jié)點(diǎn)j產(chǎn)生的數(shù)據(jù)包，Ttotal(b)表示簇父節(jié)點(diǎn)j收到其子節(jié)點(diǎn)b發(fā)送的數(shù)據(jù)包，pjl表示節(jié)點(diǎn)j與其簇父節(jié)點(diǎn)l之間的無線鏈路質(zhì)量。

表1 ELT的計(jì)算公式中各度量值的物理意義Tab. 1 Physical meaning of each metric in ELT

步驟2 根據(jù)式(4)計(jì)算簇父節(jié)點(diǎn)j的期望壽命ELT(j)在最大簇父集中所占的權(quán)重。

(4)

步驟3 根據(jù)式(5)計(jì)算每一個(gè)簇父節(jié)點(diǎn)的期望壽命因子系數(shù)θ。

θj=1/Kj

(5)

步驟4 根據(jù)式(6)分別計(jì)算源節(jié)點(diǎn)成功傳輸一個(gè)數(shù)據(jù)包經(jīng)過其各個(gè)簇父節(jié)點(diǎn)到達(dá)根節(jié)點(diǎn)的傳輸代價(jià)，并根據(jù)傳輸代價(jià)值的大小判定簇父節(jié)點(diǎn)的優(yōu)先級(jí)順序。

(6)

式中:Pi, j∈CPS(i)表示節(jié)點(diǎn)i與簇父集CPS(i)中各簇父節(jié)點(diǎn)之間的無線鏈路質(zhì)量，Cj表示簇父節(jié)點(diǎn)j成功傳輸一個(gè)數(shù)據(jù)包到達(dá)根節(jié)點(diǎn)的傳輸代價(jià)，Ci→j∈CPS(i)→Root表示節(jié)點(diǎn)i成功傳輸一個(gè)數(shù)據(jù)包經(jīng)過其簇父節(jié)點(diǎn)j到達(dá)根節(jié)點(diǎn)的傳輸代價(jià)。根據(jù)傳輸代價(jià)值Ci→j∈CPS(i)→Root的大小可以判斷簇父集中各個(gè)簇父節(jié)點(diǎn)的優(yōu)先級(jí)，即Ci→j∈CPS(i)→Root越小，簇父節(jié)點(diǎn)優(yōu)先級(jí)越高，Ci→j∈CPS(i)→Root越大，簇父節(jié)點(diǎn)優(yōu)先級(jí)越低。

2.3 最優(yōu)簇父集選擇機(jī)制

最優(yōu)簇父集選擇機(jī)制是指簇父節(jié)點(diǎn)優(yōu)先級(jí)判定之后，源節(jié)點(diǎn)分別計(jì)算成功傳輸一個(gè)數(shù)據(jù)包經(jīng)過其各個(gè)簇父集到達(dá)根節(jié)點(diǎn)的傳輸累積代價(jià)，傳輸累積代價(jià)最小值對(duì)應(yīng)的簇父集為最優(yōu)簇父集。端到端傳輸累積代價(jià)的計(jì)算與簇父節(jié)點(diǎn)優(yōu)先級(jí)判定類似，也需要同時(shí)考慮節(jié)點(diǎn)間的無線鏈路質(zhì)量和簇父節(jié)點(diǎn)的ELT。傳輸累積代價(jià)的計(jì)算步驟如下：

步驟1 通過簇父節(jié)點(diǎn)選擇機(jī)制選出合適的簇父節(jié)點(diǎn)，將簇父節(jié)點(diǎn)劃分為不同的簇父集。例如在圖1中，節(jié)點(diǎn)K有三個(gè)簇父節(jié)點(diǎn)E、H和G，其簇父集組合方式則有7種，分別為{E}、{H}、{G}、{E,H}、{E,G}、{H,G}和{E,H,G}。

步驟2 通過簇父節(jié)點(diǎn)優(yōu)先級(jí)判定機(jī)制獲知子節(jié)點(diǎn)的每個(gè)簇父節(jié)點(diǎn)的優(yōu)先級(jí)順序。例如在圖1中，假設(shè)節(jié)點(diǎn)K與其簇父節(jié)點(diǎn)E、H和G之間的無線鏈路質(zhì)量分別為0.8、0.6和0.7，如何計(jì)算節(jié)點(diǎn)間的無線鏈路質(zhì)量不在本文考慮范圍內(nèi)，由數(shù)據(jù)鏈路層決定。同時(shí)假設(shè)通過式(1)計(jì)算得知節(jié)點(diǎn)E、H和G的期望壽命分別為50、25和25，且節(jié)點(diǎn)E、H和G成功傳輸一個(gè)數(shù)據(jù)包到達(dá)根節(jié)點(diǎn)的傳輸代價(jià)分別為4、3和2。根據(jù)式(6)計(jì)算得知節(jié)點(diǎn)K分別成功傳輸一個(gè)數(shù)據(jù)包經(jīng)過簇父節(jié)點(diǎn)E、H和G到達(dá)根節(jié)點(diǎn)的傳輸代價(jià)大小為H>G>E，故簇父節(jié)點(diǎn)E、H和G的優(yōu)先級(jí)順序?yàn)镋>G>H。

步驟3 分別計(jì)算節(jié)點(diǎn)K成功傳輸一個(gè)數(shù)據(jù)包到達(dá)其各簇父集的聯(lián)合代價(jià)和各簇父集成功轉(zhuǎn)發(fā)一個(gè)數(shù)據(jù)包到達(dá)根節(jié)點(diǎn)的剩余路徑代價(jià)。聯(lián)合代價(jià)的計(jì)算如式(7)所示，剩余路徑代價(jià)的計(jì)算如式(8)所示:

(7)

(8)

步驟4 根據(jù)步驟3計(jì)算得知的聯(lián)合代價(jià)ETXCPS(i)和剩余路徑代價(jià)RCCPS(i)，由式(9)分別計(jì)算節(jié)點(diǎn)K成功傳輸一個(gè)數(shù)據(jù)包經(jīng)過其各個(gè)簇父集到達(dá)根節(jié)點(diǎn)的傳輸累積代價(jià)CCPSi,CPS(i)，CCPSi,CPS(i)最小值對(duì)應(yīng)的簇父集為最優(yōu)簇父集。計(jì)算得知節(jié)點(diǎn)K成功傳輸一個(gè)數(shù)據(jù)包經(jīng)過簇父集{E,G}到達(dá)根節(jié)點(diǎn)的CCPSi,CPS(i)最小，故最優(yōu)簇父集為{E,G}。

CCPSi,CPS(i)=ETXCPS(i)+RCi,CPS(i)

(9)

2.4 簇父節(jié)點(diǎn)優(yōu)先級(jí)列表攜帶機(jī)制

簇父節(jié)點(diǎn)優(yōu)先級(jí)列表攜帶機(jī)制是指在網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涑跏蓟倪^程中，首先依據(jù)簇父節(jié)點(diǎn)優(yōu)先級(jí)判斷機(jī)制獲知子節(jié)點(diǎn)的簇父節(jié)點(diǎn)優(yōu)先級(jí)順序，然后通過最優(yōu)簇父集判定機(jī)制獲知子節(jié)點(diǎn)的最優(yōu)簇父集后，子節(jié)點(diǎn)將其最優(yōu)簇父集中簇父節(jié)點(diǎn)優(yōu)先級(jí)列表添加到目的地通告對(duì)象(Destination Advertisement Object, DAO)中，通過回復(fù)攜帶優(yōu)先級(jí)列表的DAO消息告知簇父節(jié)點(diǎn)在最優(yōu)簇父集中的優(yōu)先級(jí)順序。簇父節(jié)點(diǎn)收到攜帶優(yōu)先級(jí)列表的DAO消息后，檢查優(yōu)先級(jí)列表中是否包含其自身信息。如果包含其自身信息，則提取節(jié)點(diǎn)優(yōu)先級(jí)列表并存儲(chǔ)。反之，如果不包含自身信息則丟棄DAO消息。

3 HE-CRPL路由算法的操作步驟

HE-CRPL路由算法的核心思想在于利用簇父節(jié)點(diǎn)協(xié)作轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包，均衡網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)能耗，同時(shí)降低數(shù)據(jù)包的丟包率，減少數(shù)據(jù)包的重傳，能夠高效地利用帶寬資源、延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)整體壽命和提升數(shù)據(jù)包的投遞成功率。例如在圖1中，假設(shè)節(jié)點(diǎn)H的最優(yōu)簇父集為{B,C,D}，且最優(yōu)簇父集中簇父節(jié)點(diǎn)B、C和D的優(yōu)先級(jí)順序?yàn)镃>D>B。如圖3所示，最優(yōu)簇父集{B,C,D}協(xié)作通信的步驟如下。

圖3 簇父集協(xié)作通信示意圖Fig. 3 Diagram of cluster parent set collaborative communication

步驟1 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涑跏蓟瓿珊?，?jié)點(diǎn)H開始傳輸數(shù)據(jù)包并開啟重傳計(jì)時(shí)器T1。

步驟2 最優(yōu)簇父集{B,C,D}中的節(jié)點(diǎn)C收到數(shù)據(jù)包后，先將其緩存，然后判斷在最優(yōu)簇父集中的優(yōu)先級(jí)順序。節(jié)點(diǎn)C檢測(cè)到其優(yōu)先級(jí)最高，于是向節(jié)點(diǎn)H回復(fù)ACK消息，并向上一跳轉(zhuǎn)發(fā)先前緩存的該數(shù)據(jù)包。本文中不考慮ACK消息發(fā)生丟包情況，因?yàn)樗梢酝ㄟ^復(fù)雜的編碼技術(shù)恢復(fù).

步驟3 節(jié)點(diǎn)D收到數(shù)據(jù)包后，同樣先緩存該數(shù)據(jù)包，然后檢測(cè)其在最優(yōu)簇父集中的優(yōu)先級(jí)順序。節(jié)點(diǎn)D檢測(cè)到優(yōu)先級(jí)順序低于節(jié)點(diǎn)C，于是開啟ACK計(jì)時(shí)器T2，開始監(jiān)聽節(jié)點(diǎn)C是否向節(jié)點(diǎn)H回復(fù)ACK消息。如果節(jié)點(diǎn)D監(jiān)聽到節(jié)點(diǎn)C已回復(fù)ACK消息，則丟棄先前緩存的數(shù)據(jù)包，且停止ACK計(jì)時(shí)器T2并歸零。如果節(jié)點(diǎn)D在ACK計(jì)時(shí)器T2到期后依舊未監(jiān)聽到節(jié)點(diǎn)C向節(jié)點(diǎn)H回復(fù)ACK消息，節(jié)點(diǎn)D則立刻向節(jié)點(diǎn)H回復(fù)ACK消息，并向上一跳轉(zhuǎn)發(fā)先前緩存的該數(shù)據(jù)包。

步驟4 節(jié)點(diǎn)B重復(fù)節(jié)點(diǎn)D的處理過程，開啟ACK計(jì)時(shí)器T3，開始監(jiān)聽節(jié)點(diǎn)C和D是否向節(jié)點(diǎn)H回復(fù)ACK消息。如果在ACK計(jì)時(shí)器T2到期后，節(jié)點(diǎn)B未監(jiān)聽到節(jié)點(diǎn)C或D向節(jié)點(diǎn)H回復(fù)ACK消息，節(jié)點(diǎn)B則立刻向節(jié)點(diǎn)H回復(fù)ACK消息，并向上一跳轉(zhuǎn)發(fā)先前緩存的該數(shù)據(jù)包.

步驟5 只要節(jié)點(diǎn)H收到最優(yōu)簇父集{B,C,D}中的任意一個(gè)簇父節(jié)點(diǎn)回復(fù)的ACK消息，節(jié)點(diǎn)H則取消重傳計(jì)時(shí)器T1，并向最優(yōu)簇父集{B,C,D}傳輸下一個(gè)數(shù)據(jù)包。如果節(jié)點(diǎn)H在重傳計(jì)時(shí)器T1到期后依舊未收到其最優(yōu)簇父集{B,C,D}中任意一個(gè)簇父節(jié)點(diǎn)回復(fù)的ACK消息，則重傳上一個(gè)數(shù)據(jù)包，重置重傳計(jì)時(shí)器T1，并重復(fù)上述所有步驟。

4 仿真實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

本文采用contiki2.7操作系統(tǒng)的COOJA軟件進(jìn)行仿真平臺(tái)搭建，選取RPL算法、ORPL算法和CRPL算法作為參照對(duì)象，在相同場(chǎng)景條件下通過仿真對(duì)比分析與HE-CRPL算法在不同節(jié)點(diǎn)數(shù)量的網(wǎng)絡(luò)中的網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間、數(shù)據(jù)包投遞成功率和數(shù)據(jù)包重傳次數(shù)性能指標(biāo)上的差異。

4.1 網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景及參數(shù)設(shè)置

為了評(píng)估HE-CRPL路由算法的性能相對(duì)于RPL算法、ORPL算法和CRPL算法的優(yōu)越性，在300 m×300 m的正方形區(qū)域構(gòu)建節(jié)點(diǎn)數(shù)分別為20、40、60、80且節(jié)點(diǎn)隨機(jī)分布的低功耗有損網(wǎng)絡(luò)，其無線信道采用陰影衰落模型。LLN中的節(jié)點(diǎn)通常有兩種工作模式：存儲(chǔ)模式和非存儲(chǔ)模式。在仿真過程中節(jié)點(diǎn)選擇存儲(chǔ)模式，且每次仿真重復(fù)10次，最終取平均值作為仿真結(jié)果。具體仿真參數(shù)設(shè)置如表2所示。

表2 仿真參數(shù)設(shè)定Tab. 2 Simulation parameters setting

4.2 仿真結(jié)果分析

1)網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間。

網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間定義為網(wǎng)絡(luò)初始化過后出現(xiàn)第一個(gè)能量耗盡的節(jié)點(diǎn)所耗費(fèi)的時(shí)間，是衡量網(wǎng)絡(luò)性能的一項(xiàng)重要指標(biāo)。從圖4中可以得知隨著網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)數(shù)量的增加，4種算法的網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間均呈下降趨勢(shì)。這是因?yàn)殡S著節(jié)點(diǎn)數(shù)量的增加，網(wǎng)絡(luò)密度增大，導(dǎo)致根節(jié)點(diǎn)附近的節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包的數(shù)量急劇增加，加快了附近節(jié)點(diǎn)能量消耗，因而網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間呈下降趨勢(shì)。但是HE-CRPL算法明顯優(yōu)于其他3種算法，相對(duì)于RPL算法和ORPL算法，HE-CRPL算法通過簇父集協(xié)作通信降低了發(fā)送節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)包重傳消耗的能量，同時(shí)使簇父節(jié)點(diǎn)的能耗實(shí)現(xiàn)均衡；相對(duì)于CRPL算法， HE-CRPL算法選擇簇父節(jié)點(diǎn)時(shí)考慮了節(jié)點(diǎn)的剩余能量，從而不選擇優(yōu)先級(jí)較高但剩余能量不足的節(jié)點(diǎn)作為簇父節(jié)點(diǎn)。此外，通過DAO消息攜帶簇父節(jié)點(diǎn)優(yōu)先級(jí)列表，在數(shù)據(jù)傳輸過程中能夠有效地避免因丟包重復(fù)將優(yōu)先級(jí)列表添加到數(shù)據(jù)包中，從而降低了發(fā)送節(jié)點(diǎn)的能量開銷。

圖4 網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間比較Fig. 4 Comparison of network lifetime

2)數(shù)據(jù)包投遞成功率。

數(shù)據(jù)包投遞成功率是指數(shù)據(jù)包成功到達(dá)根節(jié)點(diǎn)的個(gè)數(shù)與網(wǎng)絡(luò)中源節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)包總數(shù)的比值。從圖5可以得知隨著網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)數(shù)量的增加，4種算法的數(shù)據(jù)包投遞成功率均不斷降低。因?yàn)殡S著節(jié)點(diǎn)數(shù)量的增加，網(wǎng)絡(luò)密度增大，數(shù)據(jù)包的傳輸距離相對(duì)增大，由于無線鏈路有損特性，導(dǎo)致丟包率增加。但是HE-CRPL算法優(yōu)于其他3種算法，原因在于相對(duì)于RPL算法和ORPL算法，HE-CRPL算法通過簇父集協(xié)作通信方式傳輸數(shù)據(jù)包，降低了數(shù)據(jù)包因丟包而重傳的概率，從而提高了數(shù)據(jù)包的投遞成功率；相對(duì)于CRPL算法，HE-CRPL算法在判定簇父節(jié)點(diǎn)的優(yōu)先級(jí)順序和選擇最優(yōu)簇父集時(shí)綜合考慮了簇父節(jié)點(diǎn)的ELT，使得簇父節(jié)點(diǎn)的優(yōu)先級(jí)判定更加準(zhǔn)確，最優(yōu)簇父集的選擇更加合理，從而有利于數(shù)據(jù)包的傳輸；同時(shí)ELT的計(jì)算過程中考慮了節(jié)點(diǎn)中緩存的數(shù)據(jù)包數(shù)量，能夠有效地降低網(wǎng)絡(luò)擁塞發(fā)生的概率，從而降低了數(shù)據(jù)包因發(fā)生網(wǎng)絡(luò)擁塞而產(chǎn)生的丟失率。

圖5 數(shù)據(jù)包投遞成功率比較Fig. 5 Comparison of packet delivery rate

3)數(shù)據(jù)包重傳次數(shù)。

若中繼節(jié)點(diǎn)未成功收到源節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)包則會(huì)導(dǎo)致源節(jié)點(diǎn)重傳該數(shù)據(jù)包。圖6是不同節(jié)點(diǎn)數(shù)量的網(wǎng)絡(luò)對(duì)不同路由算法數(shù)據(jù)包重傳次數(shù)影響的仿真結(jié)果。從圖中可以得知隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的擴(kuò)大，4種算法的數(shù)據(jù)包重傳次數(shù)均不斷增加。但HE-CRPL算法優(yōu)于其他3種算法，相對(duì)于RPL算法和ORPL算法，原因在于HE-CRPL算法通過簇父集協(xié)作轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包，可以盡可能避免因數(shù)據(jù)包在某一條鏈路上發(fā)生丟包而導(dǎo)致源節(jié)點(diǎn)重傳該數(shù)據(jù)包，能夠最大化提高數(shù)據(jù)包投遞成功率，從而最大限度地降低了數(shù)據(jù)包的重傳次數(shù)；相對(duì)于CRPL 算法，HE-CRPL算法在計(jì)算簇父節(jié)點(diǎn)的ELT時(shí)考慮了節(jié)點(diǎn)中數(shù)據(jù)包的緩存數(shù)量，能夠有效地降低數(shù)據(jù)包因緩存或是網(wǎng)絡(luò)擁塞而導(dǎo)致丟包發(fā)生的概率，從而降低了數(shù)據(jù)包重傳次數(shù)。

圖6 數(shù)據(jù)包重傳次數(shù)比較Fig. 6 Comparison of the number of data packet retransmission

5 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)LLN的相關(guān)特點(diǎn)，提出一種高效的基于簇父集協(xié)作通信的RPL路由算法(HE-CRPL)。該算法在CRPL算法的基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化，通過與現(xiàn)有RPL能量均衡相關(guān)算法的有效結(jié)合，能夠使網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)能耗均衡并進(jìn)一步延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間。HE-CRPL算法在選擇簇父節(jié)點(diǎn)時(shí)在保證通信質(zhì)量的前提下同時(shí)考慮節(jié)點(diǎn)的剩余能量；在簇父節(jié)點(diǎn)的優(yōu)先級(jí)判定和最優(yōu)簇父集的選擇過程中引入節(jié)點(diǎn)期望壽命，從而有效地延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)壽命；另外，將優(yōu)先級(jí)列表通過DAO消息攜帶，在數(shù)據(jù)傳輸過程中避免了因丟包而重傳攜帶優(yōu)先級(jí)列表的數(shù)據(jù)包，從而降低了發(fā)送節(jié)點(diǎn)的能量開銷。通過實(shí)驗(yàn)仿真結(jié)果表明，相對(duì)于CRPL算法，HE-CRPL算法能夠有效地實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)能耗均衡，最大化地延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間和減少數(shù)據(jù)包重傳次數(shù)，其中網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間提高了18.7%，數(shù)據(jù)包重傳次數(shù)降低了15.9%。

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This work is partially supported by the National Natural Science Foundation of China (61379159), the Foundation and Frontier Research Project of Chongqing (cstc2015jcyjBX008).

YAO Yukun, born in 1964, M. S., professor. Her research interests include network management and application, network coding.

LIU Jiangbing, born in 1989, M. S. candidate. His research interests include routing of wireless networks.

LI Xiaoyong, born in 1992, M. S. candidate. His research interests include wireless network coding.

Optimized routing algorithm based on cooperative communication of cluster parent set for low power and lossy network

YAO Yukun, LIU Jiangbing*, LI Xiaoyong

(KeyLaboratoryofMobileCommunicationTechnology(ChongqingUniversityofPostsandTelecommunications),Chongqing400065,China)

To deal with the problems that the routing algorithm based on Collaborative communication of Cluster Parent (CRPL) for Low Power and Lossy Network (LLN) can’t balance the energy consumption of the node and maximize the extension of the lifetime for network efficiently due to take no account of the residual energy of the node, a high-efficient routing algorithm based on collaborative communications of cluster parent set HE-CRPL was proposed. The proposed algorithm chiefly carried out three optimization schemes. Firstly, the wireless link quality and the residual energy of node could be considered during the cluster parent selection. Secondly, the wireless link quality and the Expected LifeTime (ELT) of cluster parent node were combined while estimating the priority of the cluster parent node and selecting the optimal cluster parent set. Thirdly, the cluster parent nodes were notified the priority list by Destination Advertisement Object (DAO) message during the initialization of the network topology. The simulation results show that, compared with the CRPL algorithm, the performance of the HE-CRPL algorithm is improved obviously in prolonging the network lifetime, increasing the packet delivery success rate and reducing the number of packet retransmissions, and that the lifetime of network prolonging by more than 18.7% and the number of retransmissions decrease by more than 15.9%.

Low power and Lossy Network (LLN); cluster parent set; collaborative communication; priority list; residual energy; Expected LifeTime (ELT)

2016-10-21;

2016-12-13。

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(61379159); 重慶市基礎(chǔ)與前沿研究計(jì)劃項(xiàng)目(cstc2015jcyjBX0085)。

姚玉坤(1964—)，女，重慶人，教授，主要研究方向：網(wǎng)絡(luò)管理與應(yīng)用、網(wǎng)絡(luò)編碼； 劉江兵(1989—)，男，重慶人，碩士研究生，主要研究方向：無線組織網(wǎng)絡(luò)路由； 李小勇(1992—)，男，湖北荊州人，碩士研究生，主要研究方向：無線網(wǎng)絡(luò)編碼。

1001-9081(2017)05-1300-06

10.11772/j.issn.1001-9081.2017.05.1300

TP393

A