姚玉坤, 何 亮, 任 智, 李維政, 周佳琦

(1.重慶郵電大學(xué)通信與信息工程學(xué)院, 重慶 400065;2.重慶郵電大學(xué)移動通信技術(shù)重慶市重點實驗室, 重慶 400065)

0 引 言

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(wireless sensor networks,WSNs)是由大量自身內(nèi)存、處理能力、電池能量等資源受限的無線傳感器設(shè)備以自組織和多跳的方式構(gòu)成的無線網(wǎng)絡(luò),不僅能夠滿足特定情況下的網(wǎng)絡(luò)需求而且成本較低。其目的是協(xié)作地采集、感知和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍內(nèi)其他節(jié)點的信息。但傳統(tǒng)的無線自組織網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議如按需平面距離向量路由協(xié)議[1]和最優(yōu)鏈路狀態(tài)路由協(xié)議[2]的能量消耗較大,均不能有效應(yīng)用于低功耗有損網(wǎng)絡(luò)(low power lossy networks,LLN)。為了克服上述問題,國際互聯(lián)網(wǎng)工程任務(wù)組在2012年提出一種基于IPV6的LLN路由協(xié)議(routing protocol for LLN,RPL)[3-5]。

標準RPL是一種支持點到點、點到多點和多點到點的網(wǎng)絡(luò)拓撲為樹形的路由協(xié)議。其廣泛應(yīng)用于醫(yī)療護理[6]、環(huán)境監(jiān)測[7]和農(nóng)業(yè)領(lǐng)域。然而標準RPL并不適用無線傳感器這種具有移動性的場景。

無線傳感器具有移動性場景，按不同移速分為3類:一般來說,移動速度處于正常人類行走速度即0.5～2 m/s屬于低速場景。移動速度處于2～10 m/s屬于中速場景。移動速度大于10 m/s屬于高速場景。例如,低速場景下的礦井工人的健康狀況監(jiān)控[8]、中速場景下的無人機野外信息采集、高速場景下的移動車輛間信息交互[9]。在各種不同移速的場景下,移動傳感器與其他靜態(tài)傳感器之間的通信鏈路的切換次數(shù)增多,移動傳感器的能量消耗增大,丟包率增加。這些問題逐漸成為了近年來的研究熱點[10-12]。但現(xiàn)有國內(nèi)外大多文獻均在低速場景下對RPL進行增強性研究。這些文獻提出的算法均不能很好的適用于中速或高速場景下。

文獻[13]提出一種支持RPL中節(jié)點隨機遷移的移動感知節(jié)能父節(jié)點選擇算法。該算法結(jié)合多種路由度量選擇下一個父節(jié)點(next parent node,NPN),但在選擇NPN時并未考慮到節(jié)點剩余能量。文獻[14]提出一種在LLN中靜態(tài)節(jié)點(static node,SN)和移動節(jié)點(mobile node,MN)使用多種路由度量來選擇NPN。但該算法端到端時延較大,影響了協(xié)議的性能。文獻[15]提出一種增強物聯(lián)網(wǎng)移動性(boosting mobility in the internet of things,MRPL)的協(xié)議。該協(xié)議通過MN周期性接收控制消息計算出接收信號強度指標(indicator of received signal strength,RSSI),依靠自身處理移動性帶來的問題。但會消耗大量MN的能量。文獻[16]提出依靠父節(jié)點為MN進行移動檢測。MN根據(jù)預(yù)期傳輸數(shù)、RSSI、剩余能量等指標選擇新的父節(jié)點,但在移動速度過快時仍需依靠MN主動廣播面向目的地有向無循環(huán)圖請求消息(destination oriented directed acyclic graph information solicitation，DIS)去尋找NPN。文獻[17]提出一種使用跳數(shù)度量來減少傳遞的控制消息的數(shù)量。MN在選擇父節(jié)點時,還使用跳數(shù)選擇一個可以與之保持較長時間連接的父節(jié)點,這將增加網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性。但當有多個MN連接到同一父節(jié)點時,將加劇父節(jié)點的能量消耗。文獻[18]提出一種物聯(lián)網(wǎng)中的能量和移動性感知路由協(xié)議(energy and mobility aware routing for the internet of mobile things,EMA-RPL),其是一種將移動性處理過程委托給其父節(jié)點的協(xié)議。減少了MN的能源消耗,并提供了切換父節(jié)點時的無縫連接。但中速場景下存在尋路不及時和路由度量單一的問題。文獻[19]提出基于葉子節(jié)點計數(shù)和RSSI的父節(jié)點預(yù)測算法。該算法能夠有效均衡網(wǎng)絡(luò)負載和減少MN的能耗,但仍存在路由度量單一的問題。文獻[20]提出一種基于鄰居變異性的跨層移動性支持算法,該算法通過MN監(jiān)聽鄰居節(jié)點的RSSI去測量節(jié)點的可變性鄰域,實現(xiàn)了MN切換父節(jié)點的無縫連接,但MN能耗較大,縮短了MN的網(wǎng)絡(luò)壽命。

通過對以上協(xié)議的研究與分析,現(xiàn)有文獻的仿真場景均未考慮到無線傳感器節(jié)點之間存在障礙物的情況,且在中速場景下均存在MN尋路不及時、能耗較大和路由度量單一等問題。由此,本文提出LLN中基于移動節(jié)點鄰居探測的高效路由尋路算法。該算法通過基于障礙物的信道傳輸模型計算出安全閾值(safe threshold,ST)和危險閾值(risk threshold,RT),使得MN可以提前尋路,有效提高了MN的數(shù)據(jù)傳輸成功率。同時提出基于變異系數(shù)的父本選擇目標函數(shù)和基于鄰居節(jié)點的監(jiān)聽預(yù)選機制,減少了MN切換父節(jié)點的次數(shù)和能量消耗。

1 網(wǎng)絡(luò)模型

如圖1所示,所有無線傳感器節(jié)點部署在一個云形監(jiān)測區(qū)域內(nèi)。MN將采集的信息通過父節(jié)點向上傳輸,最終匯聚到根節(jié)點。在LLN網(wǎng)絡(luò)中,部署一個根節(jié)點,多個SN、MN隨機移動,但始終在部署的SN的附近。

圖1 網(wǎng)絡(luò)模型

(1)根節(jié)點:根節(jié)點可以被認為是中央處理器,處理從各個節(jié)點發(fā)送回來的數(shù)據(jù)?？梢哉J為該節(jié)點的能量可以得到及時補充。而SN和MN的能量均不能補充,由電池提供能量。

(2)MN:由于MN的隨機移動性且該節(jié)點能量有限,必須在保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐瑫r,盡可能減少該節(jié)點的能量消耗。因此,在本文的算法中,MN只能是葉子節(jié)點。即不能作為任何類型節(jié)點的父節(jié)點來中繼數(shù)據(jù),只能向上傳輸采集的數(shù)據(jù)。MN作為葉子節(jié)點的另一個好處是避免MN切換父節(jié)點導(dǎo)致的路由變化,確保路由穩(wěn)定性。

(3)SN:SN的主要任務(wù)是采集和處理周圍可感知對象的信息,并中繼MN采集的數(shù)據(jù),以上傳到根節(jié)點。因此,有些靜態(tài)節(jié)點SN可能會成為MN的當前父節(jié)點(current parent node,CPN)。

(4)每一個SN都有一個RSSI閾值。該閾值等于后文提到的RT。用于判斷MN是否還能正常傳輸數(shù)據(jù)。在網(wǎng)絡(luò)模型中,除根節(jié)點以外的所有無線傳感器節(jié)點具有相同的性能和參數(shù)配置。

2 NDM-RPL算法

在現(xiàn)有文獻對RPL移動性支持研究的基礎(chǔ)上,本文提出了NDM-RPL路由算法,該算法的創(chuàng)新點如下。

(1)提出基于障礙物的鏈路質(zhì)量檢測機制。該機制通過基于障礙物的信道傳輸模型為靜態(tài)節(jié)點SN計算出安全閾值ST和危險閾值RT。當RSSI值小于ST時,MN便可以提前開始尋路；當RSSI小于RT時,MN會停止發(fā)送數(shù)據(jù)，降低了MN的丟包率。

(2)針對移動節(jié)點提出一種基于變異系數(shù)的父本選擇目標函數(shù)。NDM-RPL協(xié)議中MN選擇NPN綜合考慮了備選CPN的網(wǎng)絡(luò)深度、當前連接的子節(jié)點數(shù)、節(jié)點剩余能量和與移動性相關(guān)的變異系數(shù),能夠有效均衡網(wǎng)絡(luò)負載和保證移動節(jié)點網(wǎng)絡(luò)連接穩(wěn)定性。

(3)提出基于鄰居節(jié)點的監(jiān)聽預(yù)選機制。MN的鄰居節(jié)點會監(jiān)聽MN發(fā)向其CPN的數(shù)據(jù)包并測得RSSI。通過RSSI平均值大小判斷是否遠離MN。如果靠近,則會根據(jù)基于變異系數(shù)的父本選擇目標函數(shù)計算出綜合路由度量值(rank值)并向MN或其CPN回復(fù)一個帶有rank值的DIS消息。解決了備選CPN集冗余的問題,并減少了MN的控制開銷。

2.1 基于障礙物的鏈路質(zhì)量檢測機制

為了解決中速場景下MN移動速度過快導(dǎo)致切換CPN不及時和存在障礙物時信號衰減增大的問題,本文提出為無線傳感器節(jié)點預(yù)設(shè)兩個通信閾值,即ST和RT。為了得到合理的通信閾值,必須考慮包接收率與接收信號強度RSSI的關(guān)系。該算法使用基于障礙物的信道傳輸模型[21]如式(1)所示來計算得到合理的ST和RT。

(1)

式中：PR為接收信號強度，即RSSI值;PT為發(fā)射功率。A為1 m處接收信號強度;n為路徑損耗指數(shù)因子;dw為無障礙物時通信距離;dm為有障礙物通信距離;S為經(jīng)驗指數(shù);C為與頻率、通信距離相關(guān)的指數(shù)。

為了便于計算ST和RT，定義Dw表示無障礙物時無線傳感器節(jié)點的最大通信半徑，Dm表示有障礙物時無線傳感器節(jié)點的最大通信半徑。

假如無線傳感器有無障礙物的最大通信半徑是已知的。為了降低數(shù)據(jù)包丟失的概率，當信號發(fā)射端與信號接收端之間存在障礙物時，利用式(1)求出dm=Dm時的PR作為危險閾值。同時令dw=Dm代入式(1)求出PR作為安全閾值。

如圖2所示，假設(shè)lac屬于有障礙物的最大通信距離，lab屬于無障礙物通信距離，且lac=lab。c點處的RSSI即為危險閾值。b點處的RSSI即為安全閾值ST。b、c兩點處的RSSI值之差即為由障礙物導(dǎo)致的信號衰減值。有障礙物的信號衰減比無障礙物的信號衰減強。由障礙物導(dǎo)致的信號衰減越強，安全閾值越大,MN便能及時開始尋找NPN。

圖2 鏈路質(zhì)量區(qū)分示意圖

以圖3為例,在T1時刻,MN在當前父節(jié)點CPN的安全閾值ST內(nèi),意味著MN與CPN之間有很好的鏈路質(zhì)量,可以進行可靠通信。在T2時刻,當CPN檢測到MN處于安全閾值和危險閾值之間,兩者仍然可以進行較為可靠的通信。但MN的移動帶來了不確定性,MN可能快要移出CPN的可靠通信范圍。

圖3 MN的鏈路質(zhì)量檢測

基于障礙物的鏈路質(zhì)量檢測機制具體過程如下。

步驟 1CPN通過從MN接收數(shù)據(jù)包測得RSSI值,每測得一個RSSI值就和ST比較大小。若ST>RSSI,則進入步驟2。反之,繼續(xù)執(zhí)行步驟1。

步驟 2CPN立即單播給MN一個Flag為4的DIS消息,讓MN提前開始尋找NPN,然后執(zhí)行步驟3。

步驟 3CPN繼續(xù)從MN接收數(shù)據(jù)包測得RSSI值每測得一個RSSI值就和RT比較大小。若RT>RSSI,執(zhí)行步驟4。若RT

步驟 4CPN立即廣播一次Flag字段為3的DIS控制消息告訴MN停止發(fā)送數(shù)據(jù)包,直到MN建立了與NPN的連接。由于MN已經(jīng)處于危險閾值之外,為了保證MN能夠接收到該DIS消息,CPN的鄰居節(jié)點在接收到該消息后會檢查自己鄰居表內(nèi)是否有MN的地址,如果有,則轉(zhuǎn)發(fā)該DIS消息。如果沒有,則丟棄該消息。

2.2 基于變異系數(shù)的父本選擇目標函數(shù)

現(xiàn)有大多文獻對MN選擇NPN時僅依靠RSSI平均值或方差作為度量，并不能準確反映MN對于備選父節(jié)點的通信質(zhì)量,且沒有考慮到SN因為連接過多子節(jié)點而出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)擁塞和能量急劇消耗的情況。NDM-RPL協(xié)議中MN選擇新的NPN綜合考慮了與移動性相關(guān)的變異系數(shù)Cv、節(jié)點剩余能量、備選父節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)深度和當前連接的子節(jié)點數(shù)。基于變異系數(shù)的父本選擇目標函數(shù)如下所示:

(2)

式中:rank為綜合路由度量值;α、β、γ為權(quán)重因子且0<α<β<γ<1;M為每個SN能夠連接的最大子節(jié)點數(shù);H為當前節(jié)點傳輸數(shù)據(jù)到根節(jié)點所需的跳數(shù),即網(wǎng)絡(luò)深度;CN為當前節(jié)點連接的子節(jié)點數(shù)。

(1)變異系數(shù)：變異系數(shù)Cv是一種結(jié)合了ΔRi的標準差和平均值的性能指標，反映了不同SN對MN的信號強度變化趨勢穩(wěn)定性的關(guān)系。Cv越小，表明該SN對于MN表現(xiàn)出更好的穩(wěn)定性，MN能與之保持更長時間的連接。一定程度上減少了由于移動帶來的頻繁切換父節(jié)點的次數(shù)，也減少了MN的能耗。Cv與ΔRi的計算由下式得出。

(3)

ΔRi=|RSSIi,t-RSSIi+1,t+1|,i

(4)

式中:ΔRi表示SN在監(jiān)聽預(yù)選階段中連續(xù)時間[t,t+1]內(nèi)的兩個RSSI值的差的絕對值;RSSIi表示第i次測得的RSSI值。n表示測得的RSSI總個數(shù)。

以圖4為例，假設(shè)MN的鄰居節(jié)點a、b、c連續(xù)監(jiān)聽到的6次RSSI絕對值。節(jié)點a監(jiān)聽的|RSSI|是91，95，92，95，91，94。節(jié)點b監(jiān)聽到的|RSSI|是42，31，41，32，42，31。節(jié)點c監(jiān)聽到的|RSSI|是4，10，18，22，28，37。若按RSSI平均值最大原則選擇NPN，易知節(jié)點c的RSSI平均值最大，但節(jié)點c的RSSI值變化趨勢很不穩(wěn)定，不適合被預(yù)選為MN的NPN。若按RSSI方差最小原則選擇NPN，易知節(jié)點a的方差最小，但節(jié)點a的RSSI值太小，通信鏈路質(zhì)量較差，也不適合被預(yù)選為MN的NPN。由式(3)和式(4)計算可得到節(jié)點a、b、c的變異系數(shù)分別為22.32、20.44、60.28?？芍猙的變異系數(shù)最小，所以節(jié)點b更適合作為MN的NPN。求ΔR的標準差而不是直接求RSSI值的標準差的原因是使用ΔR能得到比使用RSSI更小的標準差使其計算的rank值更小，同時能正確的反映RSSI值波動幅度大小的穩(wěn)定性，在節(jié)點a、b、c的rank值比較中，b才易被選為NPN。

圖4 節(jié)點a、b、c連續(xù)監(jiān)聽到的RSSI

(2)節(jié)點剩余能量:在LLN中,如何均衡能量消耗一直是一個備受關(guān)注的問題。因為無線傳感器依靠電池運行,當電量耗盡,設(shè)備就會停止工作。如果不考慮剩余電量,很可能導(dǎo)致一個設(shè)備的電量被迅速耗盡。為了克服這個問題,在選擇父節(jié)點時,考慮節(jié)點的剩余能量是至關(guān)重要的。剩余能量按下式計算:

Erest=Etotal-Econsume

(5)

式中：Erest為剩余的能量；Etotal為節(jié)點總能量,其是消耗的總能量。這里的Econsume由下式計算得出[22]:

(6)

式中：V為無線傳感器的供電電壓；Iap、Ilp、Itx、Irx和Ini分別為微控制器處于正常運行、低功耗、發(fā)送、接收狀態(tài)和傳感器處于工作狀態(tài)的電流；Tap、Tlp、Ttx、Trx和Tni分別為上述5種狀態(tài)下的運行時間。

(3)備選父節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)深度H和當前已連接的子節(jié)點數(shù)(CN:MN)在選擇NPN的過程中考慮其備選父節(jié)點的子節(jié)點數(shù)目能夠有效避免連接子節(jié)點數(shù)過多的節(jié)點,一定程度上均衡網(wǎng)絡(luò)中SN的負載。避免SN因為連接過多子節(jié)點而出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)擁塞和能量急劇消耗的情況。

M減去CN表示當前可連接的子節(jié)點數(shù),從式(2)可以看到當多個節(jié)點網(wǎng)絡(luò)深度H相等時,M-CN越大,rank值越小。而當多個節(jié)點的當前可連接的子節(jié)點數(shù)相等時,H越小,rank值越小。而rank值越小,越容易被預(yù)選為MN的NPN。

2.3 基于鄰居節(jié)點的監(jiān)聽預(yù)選機制

為了解決備選父節(jié)點集選取不合理和減少MN的能耗,提出一種基于鄰居節(jié)點的監(jiān)聽預(yù)選機制。在MN處于CPN的ST和RT之間時,MN會廣播帶有MN_ID的DIS消息。MN_ID的作用是為了區(qū)分整個網(wǎng)絡(luò)中不同的MN。

由于MN的能量有限,如何合理節(jié)省其能耗是一個亟待解決的問題。為此,在根節(jié)點廣播DIO消息構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)拓撲時,每一個SN都會通過監(jiān)聽的DIO消息和DIS消息維護一個鄰居表,該表存放了鄰居節(jié)點的地址信息。該設(shè)置的目的是當MN的周圍存在大量SN時,CPN能夠幫助MN處理一部分數(shù)據(jù)以此減少MN的能耗。

基于鄰居節(jié)點的監(jiān)聽預(yù)選機制具體過程如下。

步驟 1當MN已經(jīng)處于CPN的安全閾值ST和危險閾值RT之間時,MN會收到來自CPN的DIS控制消息。此時,MN會廣播DIS(MN_ID)控制消息,其鄰居節(jié)點收到該消息后分別設(shè)置一個包監(jiān)聽定時器,開始監(jiān)聽MN向CPN發(fā)送的數(shù)據(jù)包,測得并緩存RSSI值。執(zhí)行步驟2。

步驟 3鄰居節(jié)點依據(jù)式(2)計算出rank值并查找鄰居表中是否存在該MN的CPN。如果存在,則單播給MN的CPN一個攜帶rank值的DIS消息。如果不存在,則直接單播給MN。CPN收到多個該消息后,比較得到最小rank值和該值發(fā)送者的地址,使用DIS控制消息單播給MN。執(zhí)行步驟4。

步驟 4MN收到來自CPN和鄰居節(jié)點DIS控制消息后,比較得到最小rank值,選取rank值最小的節(jié)點作為NPN。MN向NPN單播一個普通的DIS控制消息申請入網(wǎng)。執(zhí)行步驟5。

步驟 5預(yù)選的NPN收到來自MN的普通DIS控制消息,會單播一個普通DIO控制消息給MN,建立與MN的連接。如果此時的MN還在和CPN進行數(shù)據(jù)傳輸,則MN在建立與預(yù)選的NPN的連接之后,再斷開與CPN的連接。以減少數(shù)據(jù)包的丟失。

2.4 控制消息幀格式的修改

為了更好實現(xiàn)本文提出的協(xié)議并保持與RPL標準協(xié)議的兼容性,同時節(jié)省MN切換父節(jié)點帶來的控制開銷,在DIS控制消息中修改一些字段,Flag字段占3bit,MN_ID占12 bit,rank占8 bit,如圖5所示。

圖5 修改后的DIS幀格式

對于DIS消息來說,Flag=0代表它是一個簡單的請求入網(wǎng)消息。Flag=1代表SN單播帶有rank值的DIS消息給MN或MN的CPN。Flag=2時是MN廣播一個攜帶MN_ID值的DIS消息給它的鄰居節(jié)點。Flag=3時是CPN通知MN停止發(fā)送數(shù)據(jù)。Flag=4時是CPN發(fā)送給MN的DIS消息。

NDM-RPL算法流程圖如圖6所示。

圖6 NDM-RPL算法流程圖

3 NDM-RPL算法性能分析

假設(shè)網(wǎng)絡(luò)拓撲初始化后,網(wǎng)絡(luò)運行一段時間t后,此時存在P個MN需要切換父節(jié)點。對于第i個MN來說,t時刻其鄰居節(jié)點總數(shù)為Qi個且Qi≥1,平均RSSI大于ST的鄰居節(jié)點總數(shù)為Li個且Li≥1,其CPN的鄰居節(jié)點總數(shù)為Ki個。是MN而不是其CPN的鄰居節(jié)點且平均RSSI大于ST的鄰居節(jié)點總數(shù)為Hi,且0≤Hi≤Qi。

3.1 移動節(jié)點尋路控制開銷

設(shè)CE、CM和CN分別是EMA-RPL、MRPL和NDM-RPL在t時刻需要切換CPN的所有移動節(jié)點完成切換過程的總控制開銷,DIS、DIO、DAO、DAO-ACK消息的大小分別為lS、lI、lA、lK。故有

(7)

(8)

又有

(9)

因為lI比lS大8 byte,且Qi+1>Hi,故CM>CN。可知NDM-RPL算法移動節(jié)點尋路控制開銷明顯低于MRPL。

3.2 計算復(fù)雜度分析

EMA-RPL算法中,MN的備選CPN集依據(jù)其CPN的鄰居節(jié)點構(gòu)建,故總的計算次數(shù)等于所有MN備選CPN集大小之和,其計算次數(shù)表達式為

(10)

MRPL算法中,每個MN依據(jù)自身的鄰居節(jié)點構(gòu)建備選CPN集,故總的計算次數(shù)為

(11)

本文算法中,每個MN依據(jù)自己的鄰居節(jié)點構(gòu)建備選CPN集,且平均RSSI大于ST的鄰居節(jié)點才會加入備選CPN集。故總的計算次數(shù)表達式為

(12)

LLN網(wǎng)絡(luò)中,由于CPN為靜態(tài)節(jié)點,具有較好的網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性,其周圍存在的鄰居節(jié)點總數(shù)一般情況下大于等于MN的鄰居節(jié)點總數(shù),故Qi≤Ki,而LiR3。說明本文算法的計算復(fù)雜度一定低于EMA-RPL和MRPL。

4 仿真驗證

本文使用Contiki的IPv6/6loWPAN平臺開源操作系統(tǒng)進行網(wǎng)絡(luò)模型的搭建和仿真。Contiki里有被廣泛使用的RPL開源實現(xiàn)[23-24]。對參與移動切換過程中的MN和SN的控制開銷、移動節(jié)點能耗、網(wǎng)絡(luò)生存時間、數(shù)據(jù)傳輸成功率4個方面與MRPL、EMA-RPL進行對比和分析。

4.1 仿真參數(shù)

在350 m×350 m的仿真場景中構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)規(guī)模大小為SN(24)和MN(6),移動節(jié)點MN隨機移動。為了得到穩(wěn)定的仿真結(jié)果,每次仿真設(shè)置隨機種子值分別為128、256、528。對每個隨機種子值仿真重復(fù)10次,取平均值作為仿真結(jié)果。在多次仿真過程中,由于MRPL和EMA-RPL算法在節(jié)點移速超過4.5 m/s后,性能表現(xiàn)較差,其仿真結(jié)果參考性較低。為了更好地比較3種算法在不同速度下的性能,故仿真參數(shù)中節(jié)點移動速度設(shè)置在2～4.5 m/s。參數(shù)設(shè)置如表1所示。

表1 仿真參數(shù)設(shè)置

4.2 仿真結(jié)果及性能分析

4.2.1 控制開銷

控制開銷是指MN為尋找NPN發(fā)送或接收的控制消息(DIS,DIO,DAO,DAO-ACK)總比特數(shù)。在圖7中,描繪了MN的移動速度變化對控制開銷的影響。

圖7 控制開銷對比

隨著MN移動速度的增加，MN需要多次使用控制消息切換當前連接的CPN。故3種協(xié)議的控制開銷均隨著移動速度的增加而上升，但NDM-RPL路由協(xié)議控制開銷明顯低于MRPL和EMA-RPL，而EMA-RPL路由協(xié)議的控制開銷又低于MRPL。NDM-RLP、EMA-RPL和MRPL的平均控制開銷分別為2.79×105bit、3.17×105bit和3.83×105bit。與EMA-RPL和MRPL兩種協(xié)議相比，NDM-RPL的控制開銷分別下降了11.99%和27.15%。這是由于MRPL是通過MN周期性的接收控制消息計算出RSSI值，同時負責(zé)檢測其移動性并尋找NPN，該過程使MN花費了較大的控制開銷。EMA-RPL雖然將移動性處理過程交付給了MN的CPN來處理，一定程度上降低了MN的控制開銷，但在計算RSSI值時仍需MN廣播3次DIS消息。而NDM-RPL在計算RSSI值時通過MN的鄰居節(jié)點監(jiān)聽MN發(fā)向PN的數(shù)據(jù)包計算得到，避免通過發(fā)送控制消息來計算RSSI值，且修改了用于切換CPN的DIS控制消息幀格式，從而有效降低了MN為移動性處理而使用的控制開銷。

4.2.2 移動節(jié)點能耗

移動節(jié)點能耗是指移動節(jié)點MN在仿真時間內(nèi)消耗的總能量。Pap、Plp、Ptx、Prx和Pni分別為微控制器處于正常運行、低功耗、發(fā)送、接收狀態(tài)和傳感器處于工作狀態(tài)的功率：Tap、Tlp、Ttx、Trx和Tni分別為上述5種狀態(tài)的運行時間。故MN總能耗EMN的計算公式為

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圖8描繪了MN的移動速度變化對移動節(jié)點能耗的影響。從仿真結(jié)果可知,隨著MN移動速度的增加,3種協(xié)議下的MN均需要頻繁切換CPN,從而導(dǎo)致MN的能耗增加。但在不同移動速度下NDM-RPL路由協(xié)議能耗均低于EMA-RPL和MRPL。NDM-RLP、EMA-RPL和MRPL的平均能量消耗為分別為53.67 mJ、58 mJ、61.55 mJ。與EMA-RPL和MRPL兩種協(xié)議相比,NDM-RPL的能量消耗分別下降了7.45%和12.8%。這是由于MRPL將尋找NPN的任務(wù)交給MN自身處理,該過程會使用發(fā)送和接收大量控制消息。因此,隨著移動速度的增加,MN的能量將消耗非常快。在EMA-RPL中,MN雖然不直接參與移動性處理過程,但由于EMA-RPL開始尋找NPN的起始時間太晚,當移動速度處于2～4.5 m/s時容易導(dǎo)致MN不能在離開CPN通信范圍之前建立與NPN的連接,此時又需要MN主動尋找NPN,此過程也會大量消耗MN的能量。而NDM-RPL通過鏈路質(zhì)量檢測機制和監(jiān)聽預(yù)選機制,使得MN并不直接參與NPN的尋找且能夠及時預(yù)選出NPN,從而降低了MN的能量消耗。

圖8 移動節(jié)點能耗對比

4.2.3 網(wǎng)絡(luò)生存時間

網(wǎng)絡(luò)生存時間是指從仿真開始時間到出現(xiàn)第一個死亡節(jié)點(能量低于節(jié)點初始能量的1%)之間的時間差。圖9描繪了MN的移動速度對網(wǎng)絡(luò)生存時間的影響。

圖9 網(wǎng)絡(luò)生存時間對比

隨著MN移動速度的增加,3種協(xié)議下MN的網(wǎng)絡(luò)生存時間逐漸降低。但相同速度下NDM-RPL網(wǎng)絡(luò)生存時間明顯高于其他兩種協(xié)議。NDM-RLP、EMA-RPL和MRPL的平均網(wǎng)絡(luò)生存時間分別為823.31 s、743.67 s、683.33 s。與EMA-RPL和MRPL兩種協(xié)議相比,NDM-RPL的網(wǎng)絡(luò)生存時間分別延長了10.76%和20.49%。分析其主要原因,在于EMA-RPL和MRPL在MN尋找NPN時均未考慮節(jié)點剩余能量和沒有限制靜態(tài)節(jié)點SN的可連接子節(jié)點數(shù)。特別是在整個網(wǎng)絡(luò)拓撲中MN數(shù)量較多時,易造成剩余能量較少的靜態(tài)節(jié)點SN過早死亡。NDM-RPL在MN尋找NPN的過程中使用了基于變異系數(shù)的父本選擇目標函數(shù),不僅考慮了節(jié)點剩余能量,還限制了每個SN可連接的最大子節(jié)點數(shù),能夠最大化地均衡網(wǎng)絡(luò)負載,從而達到延長網(wǎng)絡(luò)生存時間的目的。

4.2.4 數(shù)據(jù)傳輸成功率

數(shù)據(jù)傳輸成功率P是指MN發(fā)送的數(shù)據(jù)包N和其CPN接收來自MN的數(shù)據(jù)包個數(shù)n之比,計算公式為

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圖10描繪了MN的移動速度變化對數(shù)據(jù)傳輸成功率的影響。從仿真結(jié)果可知,隨著移動速度的增加,3種協(xié)議下的MN數(shù)據(jù)傳輸成功率均有所降低。但在移動速度為2～4.5 m/s時,NDM-RPL路由協(xié)議的MN數(shù)據(jù)傳輸成功率明顯高于MRPL。在移動速度為2.5～4.5 m/s時,NDM-RPL數(shù)據(jù)傳輸成功率明顯高于EMA-RPL。NDM-RLP、EMA-RPL和MRPL的平均數(shù)據(jù)傳輸成功率為分別為97.5%、92.01%、90.83%。與EMA-RPL和MRPL兩種協(xié)議相比,NDM-RPL的平均數(shù)據(jù)傳輸成功率分別提升了5.92%和7.34%。這是由于MRPL不能在切換CPN過程中保證自身與CPN的連接,從而導(dǎo)致了數(shù)據(jù)包丟失的可能。在EMA-RPL中,MN雖然能在切換CPN過程中保證自身與CPN的連接,但在移動速度處于2～4.5 m/s時,出現(xiàn)了未找到NPN就與CPN斷開連接的情況,這也會導(dǎo)致數(shù)據(jù)包的丟失。而NDM-RPL通過鏈路質(zhì)量檢測機制能夠及時讓MN發(fā)起預(yù)選NPN的通知。監(jiān)聽預(yù)選機制使得MN在移動速度較快時,也能尋找通信鏈路質(zhì)量較好且連接穩(wěn)定的靜態(tài)節(jié)點SN作為NPN并實現(xiàn)切換CPN的無縫連接,有效減少了丟包的數(shù)量。

圖10 數(shù)據(jù)傳輸成功率對比

5 結(jié)束語

本文針對當前LLN中對RPL路由協(xié)議在中速場景下的移動性研究存在移動節(jié)點的CPN切換不及時,備選CPN集冗余和路由度量單一的問題提出NDM-RPL路由協(xié)議。該協(xié)議通過為SN設(shè)置安全閾值ST和危險閾值RT,以便移動節(jié)點提前開始尋路。然后,提出一種監(jiān)聽預(yù)選機制,通過MN的鄰居節(jié)點監(jiān)聽該MN發(fā)送到CPN的數(shù)據(jù)包得到RSSI值,以此排除冗余的備選CPN,能夠有效降低節(jié)點能耗。最后結(jié)合變異系數(shù)、節(jié)點剩余能量、備選CPN的網(wǎng)絡(luò)深度和當前連接的子節(jié)點數(shù)選出NPN。結(jié)合仿真結(jié)果和理論分析可知,NDM-RPL路由協(xié)議性能比較于EMA-RPL和MRPL均有顯著提升。