黃 欣 趙志剛

1(廣西農(nóng)業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院網(wǎng)絡(luò)信息中心 廣西 南寧 530007)2(廣西大學(xué)計(jì)算機(jī)與電子信息學(xué)院 廣西 南寧 530004)

0 引 言

低功耗有損網(wǎng)絡(luò)LLN[1]通常是由幾十、幾百甚至成千上萬個(gè)嵌入式網(wǎng)絡(luò)設(shè)備所組成的網(wǎng)絡(luò)，在智能電網(wǎng)[2]、工業(yè)控制[3]和物聯(lián)網(wǎng)[4]等領(lǐng)域具有廣闊地應(yīng)用前景。在電氣電子工程師協(xié)會(huì)IEEE、國(guó)際互聯(lián)網(wǎng)工程任務(wù)組IETF以及Zigbee等標(biāo)準(zhǔn)化組織的支持下，物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)現(xiàn)已擁有多種應(yīng)用于大規(guī)模部署的協(xié)議和標(biāo)準(zhǔn)。其中，IETF提出的一種基于IPv6的LLN路由協(xié)議RPL(IPv6-based Routing Protocol for LLN)[5]成為了當(dāng)下的研究熱點(diǎn)。

然而，由于LLN的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)呈樹形且LLN中的嵌入式設(shè)備通常是由能量受限的無線傳感器節(jié)點(diǎn)組成，從而極易因負(fù)載不均衡導(dǎo)致能量瓶頸節(jié)點(diǎn)的出現(xiàn)，一旦未對(duì)能量瓶頸節(jié)點(diǎn)及時(shí)處理，將會(huì)對(duì)網(wǎng)絡(luò)各方面性能產(chǎn)生嚴(yán)重影響。因此，在LLN中如何有效地解決能量瓶頸節(jié)點(diǎn)的問題，以及最大化地均衡節(jié)點(diǎn)能耗具有極其重要的研究?jī)r(jià)值。

1 相關(guān)工作

目前，針對(duì)LLN的負(fù)載均衡方面已經(jīng)取得了大量的研究成果。文獻(xiàn)[6]在組網(wǎng)的過程中將緩存占用率作為選擇最優(yōu)父節(jié)點(diǎn)的路由度量，雖然能夠提高網(wǎng)絡(luò)吞吐量，但是由于未考慮節(jié)點(diǎn)的剩余能量，從而無法有效均衡節(jié)點(diǎn)能耗。為了避免選擇重負(fù)載節(jié)點(diǎn)作為最優(yōu)父節(jié)點(diǎn)，文獻(xiàn)[7]同樣參考了緩存占用率。此外，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)擁塞出現(xiàn)時(shí)，通過對(duì)溪流計(jì)時(shí)器(Trickle timer)[8]重置策略的改進(jìn)，使得網(wǎng)絡(luò)擁塞節(jié)點(diǎn)的子節(jié)點(diǎn)以一定概率進(jìn)行切換，但是其同樣未考慮節(jié)點(diǎn)剩余能量以及未考慮節(jié)點(diǎn)因負(fù)載較重而出現(xiàn)能量瓶頸狀態(tài)的情況。文獻(xiàn)[9]在組網(wǎng)的過程中考慮了多種路由度量，其中包括節(jié)點(diǎn)剩余能量，但同樣未考慮高負(fù)載場(chǎng)景下能量瓶頸節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)的情況以及對(duì)其提出相關(guān)解決方法。文獻(xiàn)[10]中將節(jié)點(diǎn)剩余能量作為構(gòu)建路由的判據(jù)，能夠有效減輕剩余能量不足節(jié)點(diǎn)的負(fù)載。但是，一旦剩余能量充足但鏈路質(zhì)量較差的節(jié)點(diǎn)被選作為最優(yōu)父節(jié)點(diǎn)時(shí)，將會(huì)使此類節(jié)點(diǎn)的能耗速率加快。為了彌補(bǔ)文獻(xiàn)[10]中的缺陷，文獻(xiàn)[11]在組網(wǎng)時(shí)結(jié)合了期望傳輸次數(shù)和節(jié)點(diǎn)剩余能量，可以有效避免剩余能量相對(duì)充足但無線鏈路質(zhì)量相對(duì)較差的節(jié)點(diǎn)被選作為最優(yōu)父節(jié)點(diǎn)。為了延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間，文獻(xiàn)[12]中通對(duì)節(jié)點(diǎn)所需傳輸?shù)臄?shù)據(jù)流量按比例分配進(jìn)行多路徑傳輸，旨在使網(wǎng)絡(luò)中瓶頸節(jié)點(diǎn)的能耗均衡，其不足在于增添了額外控制開銷且未考慮如何處理網(wǎng)絡(luò)中出現(xiàn)剩余能量不足節(jié)點(diǎn)的情況。文獻(xiàn)[13]提出了一種機(jī)會(huì)RPL路由算法ORPL(Opportunistic Routing Protocol for LLN)。該算法根據(jù)節(jié)點(diǎn)當(dāng)前剩余能量和通信忙閑程度對(duì)其休眠間隔進(jìn)行一定調(diào)整，但是該算法會(huì)導(dǎo)致剩余能量充足的節(jié)點(diǎn)擁有大量的子節(jié)點(diǎn)，從而加快了其能耗速率。文獻(xiàn)[14]提出了一種基于期望壽命與能量消耗的RPL路由協(xié)議ELT-BE-RPL(Expected Life Time Balance Energy based Routing Protocol for LLN)，該協(xié)議將節(jié)點(diǎn)期望壽命作為路由度量，在選擇最優(yōu)父節(jié)點(diǎn)時(shí)采用最大最小原則，從而最小化每條路徑上的剩余能量最小節(jié)點(diǎn)的能耗速率。

綜上所述，現(xiàn)有研究并未對(duì)網(wǎng)絡(luò)中的能量瓶頸節(jié)點(diǎn)進(jìn)行考慮，也并未對(duì)此種情況進(jìn)行處理。因此，為了盡量避免網(wǎng)絡(luò)中出現(xiàn)的能量瓶頸節(jié)點(diǎn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能造成嚴(yán)重影響，本文提出了一種基于負(fù)載均衡的高能效RPL路由協(xié)議LBEE-RPL。

2 網(wǎng)絡(luò)模型

如圖1所示，LLN是由大量無線傳感器節(jié)點(diǎn)所組成且呈樹形結(jié)構(gòu)。其中，節(jié)點(diǎn)共包括3種類型：根節(jié)點(diǎn)、能量瓶頸節(jié)點(diǎn)和普通節(jié)點(diǎn)。根節(jié)點(diǎn)主要功能是進(jìn)行數(shù)據(jù)的匯聚，通常其能量不受限制；能量瓶頸節(jié)點(diǎn)的主要特征在于其剩余能量不足，即將處于能量耗盡的狀態(tài)；普通節(jié)點(diǎn)的主要功能在于數(shù)據(jù)的收集和轉(zhuǎn)發(fā)，初始能量有限且自始自終均不能補(bǔ)充。此外，本文研究的對(duì)象均處于靜態(tài)，即節(jié)點(diǎn)的位置一旦被確定，將不再改變其所處的位置。

圖1 LLN網(wǎng)絡(luò)模型圖

為了便于闡述，本文給出以下幾個(gè)定義：

定義1能量閾值：網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)(除根節(jié)點(diǎn)外)的剩余能量與自身初始能量的比值為0.2時(shí)，此節(jié)點(diǎn)當(dāng)前剩余能量被稱為能量閾值。

定義2期望壽命閾值：網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的當(dāng)前期望壽命與節(jié)點(diǎn)初始期望壽命的比值為10%時(shí)，此節(jié)點(diǎn)當(dāng)前期望壽命被稱之為期望壽命閾值。

定義3期望壽命安全閾值：網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的當(dāng)前期望壽命與節(jié)點(diǎn)初始期望壽命的比值為30%時(shí)，此節(jié)點(diǎn)當(dāng)前期望壽命被稱之為期望壽命安全閾值。

定義4能量瓶頸節(jié)點(diǎn)：當(dāng)節(jié)點(diǎn)的期望壽命第一次低于期望壽命閾值或是節(jié)點(diǎn)的剩余能量低于能量閾值時(shí)，此節(jié)點(diǎn)為能量瓶頸節(jié)點(diǎn)；如果節(jié)點(diǎn)的期望壽命并非第一次低于期望壽命閾值，則只有當(dāng)此節(jié)點(diǎn)的剩余能量低于能量閾值時(shí)，此節(jié)點(diǎn)才被稱之為能量瓶頸節(jié)點(diǎn)。

定義5死亡節(jié)點(diǎn)：當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的剩余能量低于節(jié)點(diǎn)初始化時(shí)能量的1%時(shí)，此節(jié)點(diǎn)被稱之為死亡節(jié)點(diǎn)。

3 改進(jìn)的路由協(xié)議

本文提出的路由協(xié)議進(jìn)行了如下改進(jìn)：

(1) 提出一種Trickle timer重置改進(jìn)策略，即一旦當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)處于能量瓶頸狀態(tài)時(shí)，通過對(duì)Trickle timer的重置策略進(jìn)行改進(jìn)，從而將能量瓶頸節(jié)點(diǎn)的能量狀態(tài)盡快通告給其子節(jié)點(diǎn)和鄰居節(jié)點(diǎn)。

(2) 提出一種能量瓶頸節(jié)點(diǎn)的子節(jié)點(diǎn)切換機(jī)制，即能量瓶頸節(jié)點(diǎn)采用集中式的方式?jīng)Q定其子節(jié)點(diǎn)的切換，旨在降低能量瓶頸節(jié)點(diǎn)的能耗，從而延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間。

3.1 Trickle timer重置改進(jìn)策略

在RPL標(biāo)準(zhǔn)[5]中，面向目的地的有向無循環(huán)圖DODAG(Destination Oriented Directed Acyclic Graph)信息對(duì)象消息DIO(DODAG Information Object)主要用于上行路由的構(gòu)建和網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞木S護(hù)，其發(fā)送由Trickle timer[8]控制。而在現(xiàn)有DIO控制消息的發(fā)送策略中，僅當(dāng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)發(fā)生重大變化時(shí)Trickle timer才會(huì)被重置，否則DIO控制消息的發(fā)送周期將會(huì)成倍遞增。因此，當(dāng)檢測(cè)到網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)處于能量瓶頸狀態(tài)時(shí)，由于Trickle timer控制發(fā)送DIO控制消息的時(shí)間間隔較大，將會(huì)延遲節(jié)點(diǎn)能量瓶頸狀態(tài)的通告，從而加快了能量瓶頸節(jié)點(diǎn)的死亡速率。

當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)第一次處于能量瓶頸狀態(tài)不是因其剩余能量不足所導(dǎo)致時(shí)，若對(duì)能量瓶頸節(jié)點(diǎn)的子節(jié)點(diǎn)進(jìn)行部分切換，能量瓶頸節(jié)點(diǎn)的當(dāng)前期望壽命將會(huì)高于期望壽命閾值，則當(dāng)前能量瓶頸節(jié)點(diǎn)便能夠快速地解除能量瓶頸狀態(tài)。但是，隨著時(shí)間的推移，該節(jié)點(diǎn)可能再次出現(xiàn)期望壽命低于期望壽命閾值的情況。如果一旦上述情況發(fā)生就對(duì)Trickle timer進(jìn)行重置，將會(huì)增加大量額外控制開銷。因此，當(dāng)檢測(cè)到網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)處于能量瓶頸狀態(tài)時(shí)，應(yīng)當(dāng)判斷該節(jié)點(diǎn)處于能量瓶頸狀態(tài)是由于節(jié)點(diǎn)負(fù)載較重所導(dǎo)致還是由于節(jié)點(diǎn)當(dāng)前剩余能量過低所導(dǎo)致。如果節(jié)點(diǎn)處于能量瓶頸狀態(tài)是因?yàn)楫?dāng)前剩余能量過低所導(dǎo)致，那么Trickle timer至始至終僅需被重置一次；如果節(jié)點(diǎn)處于能量瓶頸狀態(tài)是因?yàn)楣?jié)點(diǎn)負(fù)載較重所導(dǎo)致，那么Trickle timer的重置需要考慮多種情況。首先，判斷該能量瓶頸節(jié)點(diǎn)是否是首次出現(xiàn)能量瓶頸狀態(tài)。如果是，則立即對(duì)Trickle timer進(jìn)行重置；否則，只有當(dāng)該能量瓶頸節(jié)點(diǎn)的剩余能量低于能量閾值時(shí)Trickle timer才被重置。Trickle timer的重置改進(jìn)策略的具體實(shí)施過程如圖2所示。

圖2 Trickle timer重置改進(jìn)流程圖

Trickle timer重置改進(jìn)策略的具體實(shí)施步驟如下：

步驟1當(dāng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涑跏蓟瘶?gòu)建開始時(shí)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)用C(n)統(tǒng)計(jì)自身出現(xiàn)能量瓶頸狀態(tài)的次數(shù)，并將其值初始化設(shè)置為0。

步驟2網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涑跏蓟瘶?gòu)建結(jié)束后，每當(dāng)節(jié)點(diǎn)檢測(cè)到自身處于能量瓶頸狀態(tài)時(shí)，便將統(tǒng)計(jì)量C(n)自增1。

步驟3節(jié)點(diǎn)根據(jù)自身C(n)的值判定是否第一次處于能量瓶頸狀態(tài)。如果C(n)=1，則表明當(dāng)前節(jié)點(diǎn)是第一次處于能量瓶頸狀態(tài)，則進(jìn)入步驟4；否則，進(jìn)入步驟7。

步驟4該能量瓶頸節(jié)點(diǎn)立刻重置Trickle timer，及時(shí)通過廣播DIO控制消息將其能量瓶頸狀態(tài)通告給其子節(jié)點(diǎn)和鄰居節(jié)點(diǎn)。

步驟5能量瓶頸節(jié)點(diǎn)的子節(jié)點(diǎn)接收到上述DIO控制消息后，按照下一小節(jié)中的能量瓶頸節(jié)點(diǎn)子節(jié)點(diǎn)切換機(jī)制對(duì)能量瓶頸節(jié)點(diǎn)子節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸路徑進(jìn)行更換；能量瓶頸節(jié)點(diǎn)的鄰居節(jié)點(diǎn)接收到上述DIO控制消息后，記錄下能量瓶頸節(jié)點(diǎn)的能量狀態(tài)。

步驟6對(duì)能量瓶頸節(jié)點(diǎn)的子節(jié)點(diǎn)進(jìn)行處理后，判斷該節(jié)點(diǎn)的剩余能量是否小于預(yù)設(shè)的能量閾值。如果該節(jié)點(diǎn)的剩余能量小于預(yù)設(shè)的能量閾值，則結(jié)束；反之，則返回至步驟2。

步驟7判斷該節(jié)點(diǎn)剩余能量是否小于預(yù)設(shè)的能量閾值。如果該節(jié)點(diǎn)剩余能量小于預(yù)設(shè)的能量閾值，則立刻重置Trickle timer；反之，則解除當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的能量瓶頸狀態(tài)，并返回至步驟2。

3.2 能量瓶頸節(jié)點(diǎn)的子節(jié)點(diǎn)切換機(jī)制

為了更好地使能量瓶頸節(jié)點(diǎn)的子節(jié)點(diǎn)獲知該能量瓶頸節(jié)點(diǎn)的能量瓶頸狀態(tài)信息以及不增加額外的控制開銷，利用DIO控制消息中的保留字段中的第1 bit，將其設(shè)置為節(jié)點(diǎn)能量瓶頸狀態(tài)字段，用S表示。當(dāng)該字段的值為1時(shí)，表明當(dāng)前節(jié)點(diǎn)處于能量瓶頸狀態(tài)；當(dāng)該字段的值為0時(shí)，則表明當(dāng)前節(jié)點(diǎn)處于能量充足狀態(tài)。

網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)通過周期性廣播的DIO控制消息將自身備選父節(jié)點(diǎn)的剩余能量狀態(tài)信息共享給父節(jié)點(diǎn)，利用DIO控制消息的保留字段中的第2 bit，將其設(shè)置為節(jié)點(diǎn)備選父節(jié)點(diǎn)的能量瓶頸狀態(tài)字段，用B表示。當(dāng)該字段的值為1時(shí)，則表明節(jié)點(diǎn)的備選父節(jié)點(diǎn)處于能量瓶頸狀態(tài)；當(dāng)該字段的值為0，則表明節(jié)點(diǎn)的備選父節(jié)點(diǎn)處于能量充足狀態(tài)。因此，能量瓶頸節(jié)點(diǎn)通過接收到其子節(jié)點(diǎn)周期性廣播的DIO控制消息便能獲知它所有子節(jié)點(diǎn)的備選父節(jié)點(diǎn)的剩余能量狀態(tài)信息。但是，在能量瓶頸節(jié)點(diǎn)的子節(jié)點(diǎn)切換過程中，其子節(jié)點(diǎn)可能同時(shí)切換到另外一個(gè)節(jié)點(diǎn)，發(fā)生“羊群效應(yīng)”，從而增大了該節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)能量瓶頸狀態(tài)的概率，且極有可能導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)震蕩現(xiàn)象。為了避免能量瓶頸節(jié)點(diǎn)的子節(jié)點(diǎn)在切換的過程中出現(xiàn)“羊群效應(yīng)”，因而制定了一種完善的能量瓶頸節(jié)點(diǎn)的子節(jié)點(diǎn)切換機(jī)制，其具體實(shí)施過程如下：

步驟1當(dāng)檢測(cè)到LLN網(wǎng)絡(luò)中出現(xiàn)能量瓶頸節(jié)點(diǎn)時(shí)，判斷該節(jié)點(diǎn)是否是首次出現(xiàn)能量瓶頸狀態(tài)。如果非首次出現(xiàn)，則進(jìn)入步驟8；反之，則進(jìn)入步驟2。

步驟2判斷該能量瓶頸節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)能量瓶頸狀態(tài)的原因。如果能量瓶頸節(jié)點(diǎn)的能量瓶頸狀態(tài)不是因?yàn)楣?jié)點(diǎn)當(dāng)前剩余能量低于節(jié)點(diǎn)能量閾值所引起，則進(jìn)入步驟5；反之，則進(jìn)入步驟3。

步驟3只要該能量瓶頸節(jié)點(diǎn)子節(jié)點(diǎn)的備選父節(jié)點(diǎn)的剩余能量高于能量安全閾值，該能量瓶頸節(jié)點(diǎn)就將這類子節(jié)點(diǎn)添加到子節(jié)點(diǎn)切換列表中，并將子節(jié)點(diǎn)切換列表添加到DIO控制消息的選項(xiàng)字段中，同時(shí)將DIO控制消息中的EBS字段的值設(shè)置為1，通過廣播該DIO控制消息通告給其子節(jié)點(diǎn)。

步驟4能量瓶頸節(jié)點(diǎn)的子節(jié)點(diǎn)接收到上述DIO控制消息后，首先檢查DIO控制消息中的S字段，如果該字段的值為0，則表明子節(jié)點(diǎn)當(dāng)前父節(jié)點(diǎn)處于能量充足狀態(tài)，并按照常規(guī)的路由判據(jù)決定是否需要切換當(dāng)前父節(jié)點(diǎn)；如果該字段的值為1，表明節(jié)點(diǎn)當(dāng)前父節(jié)點(diǎn)處于能量瓶頸狀態(tài)，于是該節(jié)點(diǎn)從接收到的能量瓶頸節(jié)點(diǎn)廣播的DIO控制消息的選項(xiàng)字段中提取出子節(jié)點(diǎn)切換列表，并查看其中是否包含自身信息。如果包含其自身信息，則在內(nèi)存中將當(dāng)前父節(jié)點(diǎn)標(biāo)記為能量瓶頸狀態(tài)，并從其父節(jié)點(diǎn)列表中刪除當(dāng)前能量瓶頸節(jié)點(diǎn)的信息，同時(shí)從父節(jié)點(diǎn)列表中選取一個(gè)備選父節(jié)點(diǎn)作為新的父節(jié)點(diǎn)，并將原父節(jié)點(diǎn)的瓶頸狀態(tài)信息通過DIO控制消息通告給新的父節(jié)點(diǎn)；反之，若不包含其自身信息，則繼續(xù)與能量瓶頸節(jié)點(diǎn)保持連狀態(tài)。

步驟5能量瓶頸節(jié)點(diǎn)將可切換的子節(jié)點(diǎn)按照節(jié)點(diǎn)發(fā)包率的大小由高到低排序，依次計(jì)算排除掉需切換的子節(jié)點(diǎn)后的能量瓶頸節(jié)點(diǎn)新的期望壽命，直至能量瓶頸節(jié)點(diǎn)新的期望壽命高于期望壽命安全閾值，達(dá)到解除能量瓶頸狀態(tài)的目的為止，并將排除掉的子節(jié)點(diǎn)添加到子節(jié)點(diǎn)切換列表中。若切換掉所有可切換的子節(jié)點(diǎn)后，能量瓶頸節(jié)點(diǎn)的期望壽命依舊低于期望壽命安全閾值，那么只有切換掉滿足切換條件的當(dāng)前所有子節(jié)點(diǎn)。

步驟6能量瓶頸節(jié)點(diǎn)將其子節(jié)點(diǎn)切換列表添加到DIO控制消息的選項(xiàng)字段中，同時(shí)將DIO控制消息中的S字段的值設(shè)置為1，通過廣播該DIO控制消息通告給其子節(jié)點(diǎn)。

步驟7能量瓶頸節(jié)點(diǎn)的子節(jié)點(diǎn)接收到上述DIO控制消息后，重復(fù)步驟4。

步驟8判斷該節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)能量瓶頸狀態(tài)的原因。如果該節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)能量瓶頸狀態(tài)是因?yàn)楣?jié)點(diǎn)當(dāng)前期望壽命小于節(jié)點(diǎn)期望壽命閾值，為了避免增加額外的控制開銷以及避免網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)頻繁的發(fā)生變化，因此將對(duì)其不作任何處理，直到其剩余能量低于能量閾值時(shí)，返回至步驟3；如果能量瓶頸節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)能量瓶頸狀態(tài)是因?yàn)楣?jié)點(diǎn)當(dāng)前剩余能量低于節(jié)點(diǎn)能量閾值所引起，則直接返回至步驟3。

在瓶頸節(jié)點(diǎn)的子節(jié)點(diǎn)切換策略執(zhí)行過程中，如果已切換的子節(jié)點(diǎn)的當(dāng)前父節(jié)點(diǎn)因后續(xù)出現(xiàn)能量瓶頸狀態(tài)而再度切回到先前能量瓶頸狀態(tài)節(jié)點(diǎn)，那么會(huì)導(dǎo)致先前能量瓶頸節(jié)點(diǎn)再度快速地出現(xiàn)能量瓶頸狀態(tài)。因此，每個(gè)因?yàn)橄惹案腹?jié)點(diǎn)處于能量瓶頸狀態(tài)而切換的子節(jié)點(diǎn)均需記錄先前父節(jié)點(diǎn)的能量瓶頸狀態(tài)信息，并將其通過DIO控制消息共享給當(dāng)前父節(jié)點(diǎn)。

4 仿真實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

采用Contiki 2.7仿真軟件對(duì)本文方法各方面網(wǎng)絡(luò)性能進(jìn)行模擬仿真驗(yàn)證，并選取ORPL[13]和ELT-BE-RPL[14]在相同仿真模擬場(chǎng)景下進(jìn)行比較分析，主要對(duì)比分析了網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間、節(jié)點(diǎn)死亡率和根節(jié)點(diǎn)平均吞吐量三個(gè)方面的性能。

4.1 仿真環(huán)境及參數(shù)設(shè)置

在500 m×500 m的仿真區(qū)域內(nèi)根據(jù)節(jié)點(diǎn)數(shù)量不同設(shè)置6種不同的模擬仿真場(chǎng)景，網(wǎng)絡(luò)規(guī)模大小分別為30、50、70、90、110和130，仿真周期為4 800 s，每個(gè)場(chǎng)景中節(jié)點(diǎn)隨機(jī)分布且位置固定，除根節(jié)點(diǎn)外，其余所有節(jié)點(diǎn)的能量均受限，初始能量為10 J，且在仿真過程中不補(bǔ)給能量。節(jié)點(diǎn)的發(fā)包速率介于1 pkt/s到4 pkt/s之間，且每個(gè)數(shù)據(jù)包的大小均為1 500 B。節(jié)點(diǎn)的最大發(fā)射功率為50 MW，發(fā)送單位比特?cái)?shù)據(jù)的能耗為65 nJ/bit。

4.2 仿真結(jié)果分析

圖3為網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間的對(duì)比。網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間是指網(wǎng)絡(luò)中首次出現(xiàn)死亡節(jié)點(diǎn)所耗費(fèi)的時(shí)間。從圖3中可以發(fā)現(xiàn)，隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，與ORPL和ELT-BE-RPL相比，本文方法的網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間至少能夠提升10.53%。其主要原因有以下兩點(diǎn)：(1) 當(dāng)檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)中出現(xiàn)能量瓶頸節(jié)點(diǎn)時(shí)，通過對(duì)Trickle timer重置策略進(jìn)行改進(jìn)，能夠及時(shí)將節(jié)點(diǎn)能量瓶頸狀態(tài)通告給其子節(jié)點(diǎn)，從而迅速地對(duì)能量瓶頸節(jié)點(diǎn)的子節(jié)點(diǎn)進(jìn)行處理；(2) 能量瓶頸節(jié)點(diǎn)的子節(jié)點(diǎn)切換機(jī)制能夠使得能量瓶頸節(jié)點(diǎn)的負(fù)載減輕，有效地降低能量瓶頸節(jié)點(diǎn)的能耗速率，從而延長(zhǎng)了能量瓶頸節(jié)點(diǎn)的生存時(shí)間。

圖3 網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間比較

圖4所示為節(jié)點(diǎn)死亡率的對(duì)比。節(jié)點(diǎn)死亡率是指在網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行時(shí)間內(nèi)網(wǎng)絡(luò)中的死亡節(jié)點(diǎn)數(shù)與網(wǎng)絡(luò)中總的節(jié)點(diǎn)數(shù)的比值。從圖4中可以發(fā)現(xiàn)，隨著網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)數(shù)量的增多，本文方法的節(jié)點(diǎn)死亡率均低于ORPL和ELT-BE-RPL，且至少降低了18.59%。其主要原因在于當(dāng)檢測(cè)到LLN中出現(xiàn)能量瓶頸節(jié)點(diǎn)后，通過對(duì)Trickle timer重置策略的改進(jìn)，能夠及時(shí)地將能量瓶頸節(jié)點(diǎn)的能量瓶頸狀態(tài)通知給其子節(jié)點(diǎn)，進(jìn)而快速地對(duì)能量瓶頸節(jié)點(diǎn)子節(jié)點(diǎn)進(jìn)行切換，降低了能量瓶頸節(jié)點(diǎn)的能耗速率，從而延長(zhǎng)了能量瓶頸節(jié)點(diǎn)的生存時(shí)間，有效地減少了死亡節(jié)點(diǎn)的數(shù)量。

圖4 節(jié)點(diǎn)死亡率比較

圖5所示為根節(jié)點(diǎn)平均吞吐量的對(duì)比。根節(jié)點(diǎn)平均吞吐量是指根節(jié)點(diǎn)在單位時(shí)間內(nèi)平均收到的數(shù)據(jù)流量?？梢园l(fā)現(xiàn)，3種方法的根節(jié)點(diǎn)平均吞吐量均隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的擴(kuò)大而逐漸張?jiān)龃蟆５潜疚姆椒ㄔ诿糠N場(chǎng)景中的根節(jié)點(diǎn)平均吞吐量均明顯高于ORPL和ELT-BE-RPL，至少提高了8.76%。通過分析發(fā)現(xiàn)其主要原因在于當(dāng)LLN中檢測(cè)出能量瓶頸節(jié)點(diǎn)后，能夠?qū)δ芰科款i節(jié)點(diǎn)的子節(jié)點(diǎn)進(jìn)行快速的處理，有效地延長(zhǎng)了網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間和降低了節(jié)點(diǎn)死亡率，從而提高了根節(jié)點(diǎn)的平均吞吐量。

圖5 根節(jié)點(diǎn)平均吞吐量比較

5 結(jié) 語

由于LLN中現(xiàn)有負(fù)載均衡路由算法未對(duì)檢測(cè)出的能量瓶頸節(jié)點(diǎn)及時(shí)進(jìn)行處理，進(jìn)而嚴(yán)重影響網(wǎng)絡(luò)各方面性能，因此本文提出了改進(jìn)的路由協(xié)議。該協(xié)議通過對(duì)Trickle timer重置策略的改進(jìn)，及時(shí)將能量瓶頸節(jié)點(diǎn)的能量瓶頸狀態(tài)通告給其子節(jié)點(diǎn)，并進(jìn)一步快速地對(duì)能量瓶頸節(jié)點(diǎn)的子節(jié)點(diǎn)進(jìn)行處理，降低了能量瓶頸節(jié)點(diǎn)的能耗速率，從而能夠有效地延長(zhǎng)能量瓶頸節(jié)點(diǎn)的生存時(shí)間。理論分析和仿真結(jié)果表明，相比較于現(xiàn)有路由算法，本文方法能夠有效延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間、降低節(jié)點(diǎn)死亡率和提升根節(jié)點(diǎn)平均吞吐量。在接下來的研究中，將重點(diǎn)對(duì)動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景下的能量瓶頸節(jié)點(diǎn)進(jìn)行研究。