王曉喃，高德民

(1. 常熟理工學(xué)院計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院 江蘇 常熟 215500; 2. 南京理工大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 南京 210094)

下一代全I(xiàn)P無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究與設(shè)計(jì)

王曉喃1,2，高德民2

(1. 常熟理工學(xué)院計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院 江蘇 常熟 215500; 2. 南京理工大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 南京 210094)

提出了基于6LowPAN體系結(jié)構(gòu)的下一代全I(xiàn)P無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)方案。該方案提出了傳感器節(jié)點(diǎn)的IPv6地址結(jié)構(gòu)，基于該結(jié)構(gòu)的地址自動(dòng)配置方案與路由方案，以及適配層的分片方案與適用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的IPv6協(xié)議精簡方案。在物理實(shí)驗(yàn)環(huán)境及仿真環(huán)境下實(shí)現(xiàn)了該方案，并分析了其性能，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了該方案的有效性和正確性。

體系結(jié)構(gòu); 通信; 網(wǎng)絡(luò); 協(xié)議; 路由

隨著下一代互聯(lián)網(wǎng)(IPv6)的不斷成熟和發(fā)展，WSN與下一代互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)全I(xiàn)P通信互聯(lián)已成為發(fā)展的必然趨勢[1]。目前，實(shí)現(xiàn)WSN與下一代互聯(lián)網(wǎng)的全I(xiàn)P通信互聯(lián)需要解決如下關(guān)鍵技術(shù)[2-3]。(1)地址自動(dòng)配置：現(xiàn)有的有狀態(tài)地址配置會(huì)帶來大量的控制消息開銷，根據(jù)MAC地址生成IPv6地址的無狀態(tài)地址配置，未給傳感器節(jié)點(diǎn)間的路由尋址帶來任何方便。(2)路由方案：在IPv6網(wǎng)絡(luò)中，路由器與普通節(jié)點(diǎn)之間有數(shù)據(jù)鏈路層連接，且可以通過一跳到達(dá)，而無線傳感器節(jié)點(diǎn)具有路由器與普通節(jié)點(diǎn)雙重身份，節(jié)點(diǎn)之間沒有數(shù)據(jù)鏈路層連接。(3)IPv6協(xié)議棧優(yōu)化：IPv6最初并沒有考慮嵌入式應(yīng)用，要在傳感器節(jié)點(diǎn)上實(shí)現(xiàn)IPv6協(xié)議，必須對(duì)IPv6協(xié)議進(jìn)行合理精簡。

針對(duì)WSN已經(jīng)提出了很多種路由方案[4-6]。由于這些路由方案是基于以數(shù)據(jù)為中心的工作機(jī)制，因此很難應(yīng)用到以地址為中心的網(wǎng)絡(luò)中。文獻(xiàn)[7-8]提出了IPv6協(xié)議棧優(yōu)化方案，但該方案的指數(shù)級(jí)時(shí)間和空間復(fù)雜度較大，因此不適合WSN使用。文獻(xiàn)[9]提出了一種利用移動(dòng)IPv6技術(shù)實(shí)現(xiàn)WSN與IPv6網(wǎng)絡(luò)全I(xiàn)P互聯(lián)的方案，但該方案沒有提及傳感器節(jié)點(diǎn)的IPv6地址自動(dòng)配置方案以及IPv6協(xié)議棧優(yōu)化方案。文獻(xiàn)[10]提出的基于IPv4的傳感器網(wǎng)絡(luò)地址配置方案，由于IPv6地址與IPv4地址存在很大差異，因此該方案無法應(yīng)用于下一代全I(xiàn)P無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。針對(duì)上述關(guān)鍵技術(shù)，6LoWPAN提出了自己的體系結(jié)構(gòu)[11-12]，引入適配層實(shí)現(xiàn)IPv6數(shù)據(jù)包的分片與重組。

1 基于6LowPAN的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)

1.1 IPv6地址自動(dòng)配置方案

1.1.1 傳感器節(jié)點(diǎn)地址格式

本文方案對(duì)傳感器節(jié)點(diǎn)以及IPv6接入網(wǎng)關(guān)采用的地址格式如表1所示。

表1 傳感器節(jié)點(diǎn)IPv6地址格式

一個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的IPv6地址包括全局路由前綴和傳感器節(jié)點(diǎn)ID兩部分。針對(duì)全局路由前綴，一個(gè)傳感器網(wǎng)絡(luò)中所有傳感器節(jié)點(diǎn)的IPv6地址的全局路由前綴都相同，其中，n值可根據(jù)傳感器節(jié)點(diǎn)分布密度與傳感器網(wǎng)絡(luò)規(guī)模大小進(jìn)行調(diào)整，本文n值取32；而傳感器節(jié)點(diǎn)ID唯一地標(biāo)識(shí)了一個(gè)傳感器網(wǎng)絡(luò)中的一個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)。

傳感器節(jié)點(diǎn)的IPv6地址的全局路由前綴，來源于傳感器節(jié)點(diǎn)所屬IPv6接入網(wǎng)關(guān)樹樹根節(jié)點(diǎn)的IPv6地址的全局路由前綴。本文方案將傳感器節(jié)點(diǎn)ID劃分為多個(gè)等級(jí)，i比特為一個(gè)等級(jí)，且i值可根據(jù)傳感器節(jié)點(diǎn)分布密度和傳感器網(wǎng)絡(luò)規(guī)模大小進(jìn)行調(diào)整，本文i值取4，IPv6接入網(wǎng)關(guān)的等級(jí)最高。因此，一個(gè)傳感器網(wǎng)絡(luò)區(qū)域內(nèi)最多可以包括15棵以IPv6接入網(wǎng)關(guān)為根節(jié)點(diǎn)的樹，稱作IPv6接入網(wǎng)關(guān)樹。IPv6接入網(wǎng)關(guān)樹的深度為8，樹中節(jié)點(diǎn)的子節(jié)點(diǎn)數(shù)最多為15。本文方案定義傳感器節(jié)點(diǎn)第一次加入網(wǎng)絡(luò)時(shí)獲取的IPv6地址為永久地址，獲取永久地址時(shí)所在的IPv6接入網(wǎng)關(guān)樹稱為該節(jié)點(diǎn)的歸屬接入網(wǎng)關(guān)樹。當(dāng)傳感器節(jié)點(diǎn)移動(dòng)脫離歸屬接入網(wǎng)關(guān)樹重新加入其他IPv6接入網(wǎng)關(guān)樹時(shí)，獲取的IPv6地址稱為轉(zhuǎn)交地址，獲取轉(zhuǎn)交地址時(shí)所在的IPv6接入網(wǎng)關(guān)樹稱為該節(jié)點(diǎn)的外區(qū)接入網(wǎng)關(guān)樹。

1.1.2 傳感器節(jié)點(diǎn)獲取IPv6地址

傳感器節(jié)點(diǎn)擁有一個(gè)永久地址字段和一個(gè)轉(zhuǎn)交地址字段，它們的初始化值為0。

圖1 傳感器節(jié)點(diǎn)獲取IPv6地址

一個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)X采用下述地址自動(dòng)配置算法獲取(永久或者轉(zhuǎn)交)IPv6地址：

(1)X廣播IPv6接入網(wǎng)關(guān)樹的加入消息。

(2)加入消息廣播范圍內(nèi)的傳感器節(jié)點(diǎn)A收到加入消息后，如果節(jié)點(diǎn)A的永久地址與轉(zhuǎn)交地址相同(說明A發(fā)生移動(dòng)又回到原來位置)或者轉(zhuǎn)交地址為0(說明A沒有發(fā)生過移動(dòng))，且節(jié)點(diǎn)A的永久地址有剩余地址，則向節(jié)點(diǎn)X返回一個(gè)響應(yīng)消息，其負(fù)載內(nèi)容為分配的IPv6地址，否則，轉(zhuǎn)到步驟(1)。

(3)節(jié)點(diǎn)X收到返回的響應(yīng)消息后，根據(jù)返回響應(yīng)消息中的傳感器節(jié)點(diǎn)ID，計(jì)算出返回響應(yīng)消息的傳感器節(jié)點(diǎn)與其歸屬接入網(wǎng)關(guān)樹樹根節(jié)點(diǎn)的距離，選擇跳數(shù)最少的節(jié)點(diǎn)做為父節(jié)點(diǎn)。

(4)如果父節(jié)點(diǎn)的IPv6地址與X獲取永久IPv6地址時(shí)的父節(jié)點(diǎn)的IPv6地址相同，且X的永久地址不為0(說明X發(fā)生移動(dòng)之后回到最初獲取永久地址的位置)，那么X將轉(zhuǎn)交地址的值設(shè)置為0，轉(zhuǎn)到步驟(6)，否則X向父節(jié)點(diǎn)返回一個(gè)ACK確認(rèn)消息。本文中如果X的永久地址為0(說明X為新加入節(jié)點(diǎn))，X將分配的IPv6地址賦值給永久IPv6地址字段，并且把該地址發(fā)送到歸屬接入網(wǎng)關(guān)樹的樹根節(jié)點(diǎn)，樹根節(jié)點(diǎn)會(huì)將X的永久地址以及轉(zhuǎn)交地址(為0)加入到地址對(duì)照表中。如果X的永久地址不為0，則將分配的IPv6地址賦值給轉(zhuǎn)交IPv6地址字段，并向歸屬接入網(wǎng)關(guān)樹的樹根節(jié)點(diǎn)進(jìn)行注冊(cè)操作。

(5)父節(jié)點(diǎn)收到確認(rèn)消息后，將地址控制字段的相應(yīng)比特位進(jìn)行標(biāo)記以避免重復(fù)分配。

(6)傳感器節(jié)點(diǎn)成功加入IPv6接入網(wǎng)關(guān)樹并獲取IPv6地址，如圖1所示。

如果傳感器節(jié)點(diǎn)沒有收到任何響應(yīng)消息，隨著新節(jié)點(diǎn)的不斷加入及節(jié)點(diǎn)的不斷移動(dòng)，傳感器節(jié)點(diǎn)會(huì)定期重復(fù)步驟(1)，直到收到響應(yīng)消息。

1.1.3 傳感器節(jié)點(diǎn)注冊(cè)

每個(gè)IPv6接入網(wǎng)關(guān)樹的樹根節(jié)點(diǎn)都有一個(gè)地址對(duì)照表，記錄樹根節(jié)點(diǎn)獲取永久地址的傳感器節(jié)點(diǎn)的永久地址與轉(zhuǎn)交地址的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

當(dāng)一個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)X加入新的IPv6接入網(wǎng)關(guān)樹T′時(shí)，它必須按照如下步驟向X的歸屬接入網(wǎng)關(guān)樹T的樹根節(jié)點(diǎn)R進(jìn)行注冊(cè)操作：(1)X向T′的樹根節(jié)點(diǎn)R′發(fā)送一個(gè)Reg消息，該消息包括X的永久地址與轉(zhuǎn)交地址；(2)R′收到Reg消息后，將該消息以多播方式發(fā)送給其他IPv6接入網(wǎng)關(guān)；(3)X歸屬接入網(wǎng)關(guān)樹樹根R收到該消息后，用消息中的轉(zhuǎn)交地址更新對(duì)照表中相應(yīng)傳感器節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)交地址。

1.1.4 傳感器節(jié)點(diǎn)釋放IPv6地址

如果傳感器節(jié)點(diǎn)電量低于某個(gè)特定閾值，則認(rèn)為該節(jié)點(diǎn)處于失效狀態(tài)。如果傳感器節(jié)點(diǎn)檢測到自己的電量趨于失效狀態(tài)時(shí)，則向獲取永久地址時(shí)的父節(jié)點(diǎn)(稱為永久父節(jié)點(diǎn))與獲取轉(zhuǎn)交地址時(shí)的父節(jié)點(diǎn)(稱為轉(zhuǎn)交父節(jié)點(diǎn))發(fā)送Leave消息請(qǐng)求釋放IPv6地址，該消息會(huì)按照Ipv6協(xié)議棧優(yōu)化的路由方式分別到達(dá)兩個(gè)父節(jié)點(diǎn)，父節(jié)點(diǎn)收到Leave消息后，會(huì)將地址控制字段的相應(yīng)位設(shè)置為Free(即0)。同樣，當(dāng)傳感器節(jié)點(diǎn)X由于發(fā)生位置移動(dòng)而脫離所在的IPv6樹時(shí)，如果此時(shí)它的轉(zhuǎn)交地址不為0，節(jié)點(diǎn)X則向轉(zhuǎn)交父節(jié)點(diǎn)發(fā)送Leave消息，轉(zhuǎn)交父節(jié)點(diǎn)收到Leave消息后將地址控制字段的相應(yīng)位設(shè)置為空閑狀態(tài)。

當(dāng)X節(jié)點(diǎn)檢測到自己即將失效時(shí)，它會(huì)通知其子孫節(jié)點(diǎn)加入新的IPv6接入網(wǎng)關(guān)樹獲取新的地址，如果子孫節(jié)點(diǎn)當(dāng)初從X處獲取的是永久地址，那么它們將永久地址字段設(shè)置為0，重新加入新的IPv6接入網(wǎng)關(guān)樹獲取新的IPv6永久地址；如果子孫節(jié)點(diǎn)從X處獲取的是轉(zhuǎn)交地址，那么它們重新加入新的IPv6接入網(wǎng)關(guān)樹獲取新的IPv6轉(zhuǎn)交地址。當(dāng)X位置發(fā)生移動(dòng)離開所在的IPv6接入網(wǎng)關(guān)樹時(shí)，X要通知其子孫節(jié)點(diǎn)重新加入新的IPv6接入網(wǎng)關(guān)樹，以獲取新的IPv6轉(zhuǎn)交地址。

1.2 路由方案

本文路由方案將傳感器節(jié)點(diǎn)ID作為鏈路層地址，在傳感器網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部采用鏈路層地址(傳感器節(jié)點(diǎn)ID)實(shí)現(xiàn)路由查找和報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)，其優(yōu)點(diǎn)是：(1)報(bào)文在路由過程中經(jīng)過的中間節(jié)點(diǎn)只需要在鏈路層對(duì)報(bào)文進(jìn)行處理和轉(zhuǎn)發(fā)，無需處理其他層的頭部結(jié)構(gòu)，降低了節(jié)點(diǎn)的功耗，提高了路由報(bào)文的處理速度；(2)路由方案使用鏈路層地址路由報(bào)文，無需在每個(gè)報(bào)文分片中都包含IPv6頭部，提高了報(bào)文處理效率和報(bào)文分片的利用率；(3)用鏈路層實(shí)現(xiàn)路由尋址，無需考慮永久地址與轉(zhuǎn)交地址的轉(zhuǎn)換問題，即網(wǎng)絡(luò)層地址使用永久地址，鏈路層地址為轉(zhuǎn)交地址的傳感器節(jié)點(diǎn)ID，縮短了路由處理時(shí)間，降低了節(jié)點(diǎn)功耗。

此外，本文方案采用6LoWPAN體系結(jié)構(gòu)，即鏈路層采用IEEE802.15.4協(xié)議傳感器節(jié)點(diǎn)定期廣播信標(biāo)幀(beacon request，類型為0x07)以示自己的存在。本文方案定義信標(biāo)幀的負(fù)載內(nèi)容為其下一次信道采樣時(shí)間，每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)通過接收相鄰節(jié)點(diǎn)的信標(biāo)幀，記錄接入網(wǎng)關(guān)樹中具有父子關(guān)系節(jié)點(diǎn)的下一次信道采樣時(shí)間。通過該方式，傳感器節(jié)點(diǎn)只在對(duì)方下一次信道采樣時(shí)間被喚醒并發(fā)送數(shù)據(jù)，其余時(shí)間處于休眠狀態(tài)，有效地節(jié)省了傳感器網(wǎng)絡(luò)功耗。

IPv6網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)N使用傳感器節(jié)點(diǎn)X的永久IPv6地址與其通信，通信過程如下：(1)IPv6節(jié)點(diǎn)N向傳感器節(jié)點(diǎn)X發(fā)送采集其數(shù)據(jù)的服務(wù)請(qǐng)求消息，消息的目的地址為節(jié)點(diǎn)X的永久IPv6地址；(2)服務(wù)請(qǐng)求消息在IPv6網(wǎng)絡(luò)中按照IPv6路由方式到達(dá)IPv6接入網(wǎng)關(guān)樹的樹根節(jié)點(diǎn)W，由于本文方案中一個(gè)WSN內(nèi)可能存在多個(gè)IPv6接入網(wǎng)關(guān)樹，因此W所在的樹與X獲取永久地址的歸屬網(wǎng)關(guān)樹可能不是相同的樹(通過比較X與W的傳感器節(jié)點(diǎn)ID可知它們是否位于相同的樹內(nèi))。樹根節(jié)點(diǎn)通過多播方式將服務(wù)請(qǐng)求消息發(fā)送給同一個(gè)WSN中的其他IPv6接入網(wǎng)關(guān)，最終服務(wù)請(qǐng)求消息到達(dá)X節(jié)點(diǎn)，獲取永久地址的歸屬接入網(wǎng)關(guān)樹T的樹根節(jié)點(diǎn)R；(3)R查看地址對(duì)照表，如果X的轉(zhuǎn)交地址不在本樹中，R通過多播方式將服務(wù)請(qǐng)求消息發(fā)送給同一個(gè)WSN中其他IPv6接入網(wǎng)關(guān)，最后服務(wù)請(qǐng)求消息到達(dá)X外區(qū)接入網(wǎng)關(guān)樹T′的樹根節(jié)點(diǎn)R′；(4)R(R′)提取X的鏈路層地址(當(dāng)轉(zhuǎn)交地址為0時(shí)，鏈路層地址為X永久IPv6地址的傳感器節(jié)點(diǎn)ID，否則為X轉(zhuǎn)交IPv6地址的傳感器節(jié)點(diǎn)ID)，對(duì)精簡后的IPv6報(bào)文(IPv6報(bào)文頭部的目的IPv6地址為X永久IPv6地址的傳感器節(jié)點(diǎn)ID)進(jìn)行分片處理，用IEEE802.15.4幀格式封裝分片報(bào)文，IEEE802.15.4幀的目的鏈路層地址為X的鏈路層地址，源鏈路層地址為X所在樹樹根節(jié)點(diǎn)(R或R′)的傳感器節(jié)點(diǎn)ID，然后按照樹內(nèi)路由方式將分片路由到X節(jié)點(diǎn)；(5)X接收到分片后，先對(duì)分片進(jìn)行重組，然后對(duì)請(qǐng)求消息進(jìn)行處理，對(duì)應(yīng)答消息進(jìn)行分片處理，用IEEE802.15.4幀格式封裝分片報(bào)文，IEEE802.15.4幀的目的鏈路層地址是原來的源鏈路地址，源鏈路層地址為原來的目的鏈路地址；(6)X將應(yīng)答消息分片發(fā)送到其父節(jié)點(diǎn)，父節(jié)點(diǎn)再將該消息發(fā)送到父節(jié)點(diǎn)，以此類推，直到到達(dá)所在樹樹根節(jié)點(diǎn)R(R′)，R(R′)對(duì)應(yīng)答消息分片進(jìn)行重組，從返回消息的IPv6報(bào)文頭部獲取X永久IPv6地址的傳感器節(jié)點(diǎn)ID，與自身的全局路由前綴結(jié)合，還原節(jié)點(diǎn)X完整的永久IPv6地址，用以太網(wǎng)幀格式封裝還原后的IPv6報(bào)文，將完整的IPv6報(bào)文發(fā)送到IPv6網(wǎng)絡(luò)上，IPv6報(bào)文按照IPv6路由方式路由到目的節(jié)點(diǎn)N。至此，IPv6節(jié)點(diǎn)N與傳感器節(jié)點(diǎn)X的一次通信過程結(jié)束，路由過程如圖2所示。

圖2 路由過程

樹內(nèi)路由是指消息分片在IPv6接入網(wǎng)關(guān)樹內(nèi)進(jìn)行路由。當(dāng)IPv6接入網(wǎng)關(guān)樹樹根節(jié)點(diǎn)R將分片發(fā)送給本樹內(nèi)某個(gè)節(jié)點(diǎn)X時(shí)，該分片在樹內(nèi)路由的過程如下：R將消息發(fā)送到與X的IPv6地址的傳感器節(jié)點(diǎn)ID最匹配的孩子節(jié)點(diǎn)C上；C收到消息后，同樣將消息發(fā)送到與X的IPv6地址的傳感器節(jié)點(diǎn)ID最匹配的孩子節(jié)點(diǎn)C′上，以此類推，最后分片到達(dá)X節(jié)點(diǎn)，如圖2所示。

1.3 IPv6協(xié)議棧優(yōu)化

WSN的報(bào)文處理比較簡單，因此無需事先擴(kuò)展頭部。本文方案在IPv6報(bào)文頭部中引入一個(gè)控制域，在控制域后是IPv6頭部與IPv6報(bào)文載荷，如表2所示，控制域控制IPv6報(bào)文頭部相應(yīng)域的格式，如表3所示。

表3中的Version、Traffic Class、Flow Label字段如果沒有優(yōu)化，相應(yīng)比特位為0；如果報(bào)文中不存在Version、Traffic Class、Flow Label字段且默認(rèn)值分別為6、0、0、相應(yīng)比特位為1。Next Header字段如果沒有優(yōu)化，相應(yīng)比特位為00；如果報(bào)文中不包含Next Header域且報(bào)文負(fù)載為ICMPv6報(bào)文，則相應(yīng)比特位為01；如果報(bào)文中不包含Next Header域且報(bào)文負(fù)載為UDPv6報(bào)文，則相應(yīng)比特位為10，如果報(bào)文中不包含Next Header域且報(bào)文負(fù)載為TCPv6報(bào)文，則相應(yīng)比特位為11。源地址字段如果沒有優(yōu)化，相應(yīng)比特位為00；如果源地址為16位短地址，相應(yīng)比特位為10；如果源地址為EUI-64位擴(kuò)展地址，相應(yīng)比特位為01；如果沒有源地址字段，相應(yīng)比特位為11。目的地址字段如果沒有優(yōu)化，相應(yīng)比特位為00；如果目的地址為16位短地址，相應(yīng)比特位為10；如果目的地址為EUI-64位擴(kuò)展地址，相應(yīng)比特位為01；如果沒有目的地址字段，相應(yīng)比特位為11。

表2 精簡的IPv6報(bào)文格式

表3 IPv6頭部控制域

本文方案在WSN內(nèi)部采用傳感器節(jié)點(diǎn)ID實(shí)現(xiàn)路由尋址，即IEEE802.15.4幀中的鏈路層地址為傳感器節(jié)點(diǎn)ID。精簡后的IPv6頭部的目的傳感器節(jié)點(diǎn)地址可以不包括全局路由前綴，通過與IPv6接入網(wǎng)關(guān)的網(wǎng)絡(luò)路由前綴結(jié)合來獲取目的傳感器節(jié)點(diǎn)完整的IPv6地址。

2 性能分析

物理實(shí)驗(yàn)環(huán)境中的傳感器節(jié)點(diǎn)采用Micaz節(jié)點(diǎn)，其支持IEEE802.15.4協(xié)議。物理實(shí)驗(yàn)環(huán)境的WSN拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示，其中傳感器節(jié)點(diǎn)的IPv6地址根據(jù)本文方案自動(dòng)配置。實(shí)驗(yàn)通過向IPv6地址為3fe8:1:1:1:1:1:1220:0/96的傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)送Ping報(bào)文測試與傳感器節(jié)點(diǎn)通信的正確性，測試結(jié)果如圖3所示。

圖3 傳感器節(jié)點(diǎn)與IPv6節(jié)點(diǎn)互通實(shí)驗(yàn)

在NS-2環(huán)境下對(duì)本文方案進(jìn)行了仿真測試，仿真區(qū)域?yàn)?00×100 m2，該區(qū)域內(nèi)包含2個(gè)IPv6接入網(wǎng)關(guān)及200個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)，傳感器節(jié)點(diǎn)以0.5 m/s的速度隨機(jī)移動(dòng)，傳感器節(jié)點(diǎn)的初始能量為2 J。仿真環(huán)境中，數(shù)據(jù)源傳輸速率為128～1 024 b/s，傳感器節(jié)點(diǎn)帶寬為19.2 kb/s。實(shí)驗(yàn)對(duì)本文方案及文獻(xiàn)[9]提出的方案(以下簡稱已有方案)進(jìn)行了性能測試，測試的性能參數(shù)包括數(shù)據(jù)包接收率、平均延遲時(shí)間及平均消耗能量，其中，平均消耗能量指傳感器節(jié)點(diǎn)在每個(gè)輪回中消耗的平均能量(輪回指傳感器節(jié)點(diǎn)的一個(gè)工作周期，包括初始化、接收/傳送數(shù)據(jù)及休眠3個(gè)狀態(tài))，分析結(jié)果如圖4所示。其中，距離r m的兩個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)傳輸k bit所耗費(fèi)的能量如下：

式中 ET(k,r)為傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)送k bit耗費(fèi)的能量；Etx為發(fā)送1 bit消耗的能量，在仿真測試中，該值設(shè)置為50 nJ/bit； 為信號(hào)放大器放大倍數(shù)，該值設(shè)置為10 pJ/b?m?2； ER(k)為傳感器節(jié)點(diǎn)接收k bit消耗的能量；Erx為接收1 bit消耗的能量，該值設(shè)置為50 nJ/bit。每個(gè)輪回中傳感器傳送的數(shù)據(jù)總量為5 120 bytes。

圖4 性能分析

產(chǎn)生上述分析結(jié)果的原因如下：

(1)當(dāng)傳感器節(jié)點(diǎn)移動(dòng)時(shí)，已有方案中的節(jié)點(diǎn)通過廣播方式尋找路由，因此會(huì)產(chǎn)生大量控制數(shù)據(jù)包，從而導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)擁塞引起延遲時(shí)間的增加以及數(shù)據(jù)包接收率的下降，并會(huì)增加傳感器的能量消耗；

(2)已有方案中IPv6協(xié)議棧沒有進(jìn)行優(yōu)化，因此增加了數(shù)據(jù)包傳輸代價(jià)，增加了延遲時(shí)間，降低了數(shù)據(jù)接收率；

(3)已有方案要通過廣播消息才能確定目的節(jié)點(diǎn)的類型(即是傳感器節(jié)點(diǎn)還是IPv6節(jié)點(diǎn))，而本文方案通過地址就可以檢測出節(jié)點(diǎn)的類型，提高了本文方案的性能；

(4)本文方案中，傳感器節(jié)點(diǎn)以跳數(shù)為度量單位選擇加入最優(yōu)的IPv6接入網(wǎng)關(guān)樹，通過加入的IPv6接入網(wǎng)關(guān)樹自動(dòng)實(shí)現(xiàn)路由，減少了平均延遲時(shí)間，節(jié)省了節(jié)點(diǎn)的能量消耗。

3 結(jié) 束 語

本文提出了下一代全I(xiàn)P無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)方案，在物理實(shí)驗(yàn)平臺(tái)與仿真環(huán)境驗(yàn)證了該方案的有效性和可行性，并也驗(yàn)證了該方案的性能優(yōu)于已有方案。在本文方案中，IPv6節(jié)點(diǎn)可以通過傳感器地址推斷出整個(gè)WSN的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以及每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的實(shí)際物理方位，因此，本文方案對(duì)環(huán)境監(jiān)測、遠(yuǎn)程控制等領(lǐng)域具有重要應(yīng)用價(jià)值。本文方案的提出可供下一代全I(xiàn)P無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的大規(guī)模實(shí)施作為參考。

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編 輯 蔣 曉

Research and Design of Next-generation Full-IP Wireless Sensor Network

WANG Xiao-nan1,2and GAO De-min2

(1. School of Computer Science & Engieering, Changshu Institute of Technology Changshu Jiangsu 215500;2. School of Computer Science & Technology, Nanjing University of Science & Technology Nanjing 210094)

Based on the 6LowPAN architecture, a design scheme on next-generation all-IP wireless sensor network is proposed. The scheme creates an IPv6 address structure, an automatic IPv6-address configuration algorithm and routing algorithm. In addition, the scheme also includes a fragmentation algorithm on the adaption layer and a reduced IPv6 protocol stack in wireless sensor networks. This scheme is implemented in both a physical experimental enviroment and a simulation environment respectively, and its performance is analyzed. The experimental data prove the validity and correctness of the scheme.

architecutre; communication; network; protocol; routing

TP393.03

A

10.3969/j.issn.1001-0548.2010.06.025

2009- 04- 17 ;

2009- 11- 10

江蘇省自然科學(xué)基金(BK2009133)

王曉喃(1973- )，女，博士后，副教授，主要從事計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議與應(yīng)用方面的研究.