CN113242586A - 一种可靠的基于链路节能的移动性rpl路由方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种可靠的基于链路节能的移动性RPL路由方法，属于无线传感网络通信技术领域；整个通信过程分为三个阶段：检测与传输阶段、反应与预测阶段、通告阶段；包含修改控制消息帧格式、结合优先级选择父节点、设置可达计时器三个创新机制；首先,结合不同交互场景修改控制消息帧格式，既保证了控制消息的向后兼容性，同时避免了增加额外控制消息带来的额外开销；其次，基于多度量值并结合优先级选择PPN,考虑网络深度和备选父节点的上游链路能量，可以避免部分SN的能量消耗，有效提升整个网络的生存时间；最后，部分CPNs收到DAO后开启可达计时器，考虑了转发DAO或DAO‑ACK丢失的情况，有效避免了因控制消息丢失而导致的链路构建失败，从而可提升传输效率。

Description

一种可靠的基于链路节能的移动性RPL路由方法
技术领域
本发明属于无线传感器网络通信技术领域，主要针对随机移动场景中的低功耗有损网络 (Low Power and Lossy Networks,LLN)路由协议(Routing Protocol for LLN,RPL)，为了选择最优父节点与避免转发控制消息丢失而导致链路构建失败，提出了一种可靠的基于链路节能的移动性RPL路由方法。
背景技术
近年来，物联网(Internet of Things,IoT)技术受到了广泛关注，IoT把许多物体用传感设备和互联网连接，从而进行信息交换。无线传感器网络(Wireless SensorNetwork,WSN)由作为IoT 的一个重要实践方向，致力于大量传感设备的互联。WSN大量低成本、低功耗的传感器设备组成。这些传感器设备监测环境并获取数据，但是传感器节点之间的通信链路的丢包率较高。网络中部署根节点来收集数据，根节点在能量、计算和存储方面具有更高的容量。在WSN中，传感器之间的通信不仅仅可以采用传统的点对点通信，还可以采用点对多点和多点对点进行通信。
针对WSN设计的传统路由协议不适用于LLN。LLN是一种由能量和资源均受限的由无线传感器节点组成的网络。其具有广泛的实际应用价值，其中包括家庭应用场景，例如照明、远程视频监控、窗帘、警报系统、医疗保健设备以及消防、电梯控制等楼宇自动化场景。这些传感器节点放置在室外的应用场景也非常普遍，例如测量和报告气象(温度、湿度、压力、紫外线指数)或污染有关的数据，管理街道或交通信号灯之类的户外设备。在智能电网领域，传感器节点可以对电力、燃气、智能电表进行远程监控。在工业领域，它可以远程管理控制保险丝、泵、灯具等端点，提高了工厂的生产率和安全性。因此，受到远程监控的传感器和执行器广泛应用于众多领域，为城市生活提供安全舒适的环境。
然而考虑到LLN现有的一些固有特性，包括处理能力有限、内存受限、主要依靠电池或依靠能量清除单元工作、有损链路仅支持低数据速率等特性，造成LLN网络存在数据包的传输速率较低、通信链路由于环境因素易产生损耗。互联网工程任务组(InternetEngineering Task Force,IETF)中的低功耗有损网络工作组(Routing Over for LowPower and Lossy Networks,ROLL) 提出了一种全新的基于IPv6的路由协议RPL。自2012年以来，该协议已成为标准。
LLN主要由静态传感器组成，静态RPL主要从负载均衡和拥塞控制方面进行研究。当遇到一些突发事故，如矿井坍塌，火灾等紧急状况，需要紧急传输大量数据信息，此时极易发生网络拥塞，严重影响了紧急事故处理的时效性。因此，在静态传感器构建的网络场景中，致力于缓解网络拥塞和均衡网络负载的研究具有重大实际意义。
在工业、军事、智慧医疗等诸多新兴应用领域，移动性支持正成为一种需求。如在医疗领域中，患者配备了身体传感器来测量葡萄糖率、脉搏率、呼吸率等生理指标。移动传感器收集到的数据随后被转发到根节点，医生可以对其进行检查，并迅速做出适当的决策来治疗患者。炼油厂在工人身上配备移动传感器可对工人的生命体征进行连续监测。
由于移动传感器在随机移动的场景下，与静态传感器之间的链路频繁地断开，这会增加数据包丢失和重传的概率，从而耗尽传感器的电池能量并缩短网络寿命。在这一背景下，许多研究将重点放在增强移动RPL路由协议以适应动态WSN。
文献[1]提出一种基于叶子节点数和RSSI值的父节点预测方案(Leaf Node Countand RSSI Based Parent Prediction Scheme,LNR-PP)，针对父节点选择考虑的度量值不全面(参见文献 [1]Suganya P,Reddy C H.LNR-PP:Leaf Node Count and RSSI BasedParent Prediction Scheme to Support QoS in Presence of Mobility in 6LoWPAN[J].Computer Communications,2020,150:472- 487.)。
文献[2]提出一种基于多度量目标函数的父节点选择算法(Multimetrics-basedObjective Function,MB-RPL)，考虑静态节点(Static Node,SN)的剩余能量选择AN，从而避免选择能耗较大的SN作为AN，但仅考虑备选父节点(Candidate Parent Node,CPN)的能耗而忽略其上游链路能量(参见文献[2]Sanshi S,Jaidhar C D.Multimetrics-BasedObjective Function for Low-power and Lossy Networks Under Mobility[C]//SoftComputing for Problem Solving,2019:391-403.)。
文献[3]提出一种改进RPL节点移动性以提高传输效率算法(The Improvement ofNode Mobility in RPL to Increase Transmission Efficiency,imRPLv2)，imRPLv2提出了由跳数，接收信号强度指示(Received Signal Strength Indication,RSSI)值和时延总和组成的新成本度量mRank，父节点选择度量值考虑不全面。以上文献均仅依据当前CPNs的节点状态，并未考虑其上游链路节点状态，将会缩短第一个死亡节点出现时间(参见文献[3]Satanasaowapak P,Khunboa C.The Improvement of Node Mobility in RPL toIncrease Transmission Efficiency[J].International Journal of Electrical andComputer Engineering,2019,9(5):4238-4249.)。
动态LLN网络中现有路由算法的现有文献在最优父节点(Preferred ParentNode,PPN)选择与转发消息丢失方面存在以下两个问题：
(1)当移动节点(Mobile Node,MN)选择PPN时，考虑了CPN的期望传输次数、距离、信号强度RSSI值、跳数等度量值，但未考虑到整条通信链路的质量，而网络生存时间由第一个死亡节点决定，故仅考虑当前备选父节点而忽略其上游链路能量，将会导致整个网络生存时间降低。
(2)在链路构建过程中，当控制消息在转发过程中丢失后，若采取重复发送所有控制消息的方式会造成开销较大，若选取部分消息重复发送的方式也无法保证通信链路成功构建。
发明内容
为了解决上文所述的移动性路由算法关于最优父节点选择与转发控制消息丢失的两个问题，本发明提出一种可靠的基于链路节能的移动性RPL路由方案；该方法采用了“修改控制消息帧格式”、“结合优先级选择PPN”、“可达计时器”三种新机制，通过结合不同交互场景修改控制消息帧格式，保证向后兼容性，考虑上游链路能量并结合优先级选择父节点，并启用可达计时器，有效避免因控制消息丢失而导致的链路构建失败，使得移动节点寻路过程具有节能、可靠的特点。
(一)本发明提出的新机制的基本思路和主要操作
以下具体介绍本发明提出的“修改控制消息帧格式”和“结合优先级选择PPN”、“可达计时器”三种新机制的基本思路和主要操作。
1.修改控制消息帧格式
修改面向目的地有向无循环图(Destination Oriented Directed AcyclicGraph,DODAG)信息对象消息(DODAG Information Object,DIO)和目的地通告消息(Destination Advertisement Object, DAO)的帧格式。
(1)DIO消息帧格式
Flags字段中取前2bit设置为F字段，标志着DIO消息的类型。
1)F＝0：当PPN检测到RSSI<阈值，它向MN立即单播DIO(F＝0)以通告MN及时寻路。
2)F＝1：当SNs收到MN广播的DODAG信息请求消息(DODAG InformationSolicitation, DIS)消息后，向MN单播携带值和SNs_ID的DIO(F＝1)消息。
3)F＝2：当CPNs收到MN单播的DAO(F＝0)消息后，基于DIO(F＝2)选择同一条数据传输路径上网络深度较小节点，仅CPNs其父ID的CPNs向MN单播DIO(F＝2)消息。
4)F＝3：在通告阶段，CPNs向MN单播DIO(F＝3)消息以通告MN此节点未收到数据包，使得MN能有效应对控制消息转发过程中发生丢失的情况。
(2)DAO消息帧格式
option(s)字段的第1比特设置为移动性标志字段M，该字段用于区分SN和MN。
1)M＝0：此消息是静态节点发出的。
2)M＝1：此消息是移动节点发出的。
与此同时，为了更新上行路由，MN需要在收到DIO(F＝1)和可达计时器到期后分别向CPNs 回复DAO消息。为此需要两种DAO类型，故Flags字段的第1比特设置为F字段：
1)F＝0：表明MN发送DAO(F＝0)到基于夹角初步筛选后的CPNS.
2)F＝1：表明MN发送DAO(F＝1)到先前PPN，以便删除前一个路径。
这种软切换模式有助于避免数据丢失,确保节点间的无缝连接和连续通信。
2.结合优先级选择PPN
(1)MN与SNs之间的夹角
由相邻SNs计算与MN之间的夹角后向MN单播携带值和SNs_ID的DIO(F＝1)消息，MN收到DIO后计算与SNs之间夹角的平均值，MN仅将值低于平均值的SNs_ID加入CPNS 中。
先基于夹角对CPNS进行初步筛选，既可以避免MN选择与其移动方向相反的PPN，这类PPN将会导致通信链路不稳定，造成MN频繁的切换PPN。
(2)CPNs的网络深度
MN依据与SNs之间的夹角初步筛选CPNS后，再利用CPNs的网络深度删除CPNS中同一通信链路上的rank较大的节点ID。CPNs判断列表中是否有节点在同一条数据传输路径上，若两个以上CPN在同一条链路上，则MN选择网络深度更小的节点。因为若选择网络深度较大的节点，其数据仍会经过其父节点转发，故节省了整个网络拓扑中rank较大的节点的能耗。
MN向低于平均值的节点单播携带所有CPNs_ID的DAO(F＝0)，CPNs对比其父ID，判断是否CPNs_ID父ID，若是，则回复MN一个携带自身ID的DIO(F＝2)。MN收到DIO (F＝2)后，将此ID从CPNS中删除。
(3)CPNs到根节点上游链路的最低剩余能量
MN获取CPNs的上游链路的最低剩余能量，对比选择出本链路剩余能量最高的节点。若两个以上CPN拥有除Sink以外的公共父节点，或链路最低剩余能量相等，则依据次低剩余能量进行选择，以此类推。
CPNs(假定为CPN-2)收到MN发送的DAO后，若CPNs_ID父ID，则分为以下两种情况：
1)若CPN-2的父节点(SN-1)为Sink，则CPN-2直接向MN回复DODAG目的地通告确认消息(Destination Advertisement Object Acknowledgement,DAO-ACK)消息(携带剩余能量和 ID)。
2)若SN-1不为Sink，则CPN-2转发DAO给SN-1，SN-1收到后继续判断其父节点(SN-2)是否为Sink，分为以下2种情况：
a.若为Sink，则SN-1将回复CPN-2ACK消息(携带剩余能量和ID)，CPN-2收到ACK 后添加自身的剩余能量和ID，并转发至MN。
b.若不为Sink，SN-2重复步骤b。
3.可达计时器
相邻CPNs收到DAO消息后，仅CPNs_ID父ID的节点开启可达计时器
开启条件：仅CPNs_ID父ID的CPNs收到DAO之后。
关闭条件：收到第一个数据包或时间到期之后。
(1)对比CPNs和MN
1)对于CPNs：当CPNs计时器到期后仍未收到数据包，CPNs会发送DIO(携带自身ID，F＝3)给MN。2)对于MN：当MN收到DIO(F＝3)后，若ID＝CPNs_ID且MN未发出第一个数据包，则意味着CPN先前转发的DAO或回复ACK发生丢失，故MN重新发送DAO
(2)对比CPNs和PPN
1)对于CPNs(后来未被选为PPN的节点)：当收到DAO后等待建立链接，若可达计时器到期后仍未收到数据包，则停止等待并发送DIO(F＝3)消息。2)对于PPN，则分为以下2种情况：a.无消息丢失，PPN收到MN回复的DAO消息后，开启可达计时器，若收到第一个数据包，则强制关闭计时器，则不向MN发送DIO(F＝3)，开始数据传输。b.转发DAO或ACK丢失，若转发过程中DAO或ACK丢失，则可达计时器时间到期后PPN回复MN DIO(F＝3) 消息，若MN未发送第一个数据包，则重发DAO。
可达计时器的优点如下：
1)对于MN，当DAO或ACK在传输过程中发生丢失，若MN未建立链路(未发出第一个数据包)，则重发DAO消息，以重新构建链接。2)对于CPNs，当收到DAO后，未知其是否可成为PPN，等待链路建立，到期后回复DIO(F＝3)并停止等待。考虑了消息丢失的可能性，避免了因消息丢失而导致的链路构建失败。
(二)本发明的有益效果
本发明的有益效果主要是：修改DIO和DAO帧格式，有效区分MN和SN，又结合不同的交互场景，保证了控制消息的向后兼容性；其次,基于多度量值并结合优先级选择PPN，考虑上游链路能量，降低了上游链路能耗，有效提升整个网络的生存时间；最后，启用可达计时器，有效避免了因控制消息丢失而导致的链路构建失败，提升了数据包传输成功率。
本发明的有益效果具体来自以下三个方面：
(1)降低中继节点累计能耗，基于网络深度和备选父节点的上游链路能量选择PPN，可以避免部分SNs的能量消耗，从而有效降低整个网络拓扑的中继节点累计能耗。
(2)提升数据传输成功率，基于更全面的多度量值并结合优先级选择PPN，有利于构建更稳定的网络拓扑，并且考虑了转发DAO或ACK丢失的情况，有效避免了因控制消息丢失而导致的链路构建失败，从而有效提升了数据包传输成功率。
(3)延长网络生存时间，考虑网络深度和备选父节点的上游链路能量，可以避免部分SNs 的能量消耗，延长第一个死亡节点的出现，从而有效提升整个网络的生存时间。
附图说明
附图1网络拓扑模型图
附图2拓扑构建过程控制消息交互图
附图3修改后的控制消息帧格式图
附图4软切换模式图
附图5移动过程中控制消息交互示例图
附图6说明书摘要附图
附图1网络拓扑模型图
以图1所示的网络拓扑模型图为例。其中，根节点Sink为数据汇聚节点，R1-R5为中继节点，L1-L4为静态叶子节点，P1-P2为最优节点，M1-M2为移动节点。关于LLN给出以下假设：
所有无线传感器节点均部署在一个云形监测区域内，根节点位于正上方，其余无线传感器节点发送或中继的数据都将汇聚到根节点，由根节点与Internet进行通信。初始化时，所有节点的性能参数均一致，仅根节点的能量可以无限制补充，其余节点的能量均不能补充，由电池提供能量。中继节点可以产生数据包和转发其他节点的数据包，只能为静态节点。叶子节点不能转发数据包，包含静态节点和移动节点两种类型。移动节点只能作为叶子节点，不能作为中继节点，节点随机移动，但始终被部署在建筑物内部的静态节点包围。
为了便于分析，给出以下定义：
(1)根节点(Sink)：在网络安装和配置期间选择了Sink，新的DODAG的构建从Sink开始， Sink广播DIO消息以宣布其DODAG ID，Rank信息和目标函数(objective function,OF)。Sink 负责提供6LoWPAN移动节点到外部网络的连接。
(2)最优父节点PPN:允许移动节点使用IEEE 802.15.4标准连接到网络的设备。PPN是移动节点当前连接到的静态节点，其检测移动节点的移动状况。
(3)移动节点MN：可以随机移动，6LoWPAN MN可以是一个单个节点，也可以是作为单元一起移动的一组传感器节点，需要与PPN交换控制消息和数据，是频繁改变其在网络中的位置和连接点的可移动性并资源受限的节点。
(4)静态节点SN：无线传感器节点位置一旦确定，将不再发生移动。并充当将移动节点的数据转发到DODAG Sink的节点。SNs表示为多个静态节点。
(5)备选父节点CPN：MN将符合条件的节点加入到备选父节点集CPNS中，CPNS中所有节点均为CPN，CPNs表示为多个CPN。
附图2拓扑构建过程控制消息交互图
以图2所示的拓扑构建过程控制消息交互图为例。RPL网络拓扑的构建需要以上四种控制消息的交互，组网包含两部分：(1)由根节点自上而下的广播DIO，从而完成上行路由的构建。(2)下行路由：收到DIO后加入DODAG的节点自下而上的单播DAO，层层转发至根节点，从而完成下行路由的构建。
附图3修改后的控制消息帧格式图
修改DIO消息Flags字段，取前2bit设置为F字段，以适用于PPN检测到链路质量不佳后通告MN及时寻路、MN获取相邻SN的θ和ID以做出决策、MN基于网络深度精简同一链路上的CPN、CPN通告MN自身未收到数据包等4种不同的交互场景。
修改DAO消息的option(s)字段用于区分SN和MN。修改其Flags字段，用于以软切换模式更新上行路由，确保节点间的无缝连接和连续通信。
附图4软切换模式图
软切换模式的核心思路为当MN由于随机移动性即将移出当前PPN通信范围时，继续保持与当前PPN的通信链路，并及时的与包括新PPN在内的相邻节点交互控制消息，直到与新 PPN建立通信链路后方才断开与旧PPN的链接。T1时刻，MN与PPN正常通信；T2时刻，MN即将移出当前PPN的通信范围，MN及时与下一时刻的PPN交互控制消息，并继续与当前PPN保持链接。T3时刻，MN与新PPN建立链接后，则断开与旧PPN的链接。
附图5移动过程中控制消息示例图
本方案结合了“修改控制消息帧格式”和“结合优先级选择PPN”、“可达计时器”三种新机制，详细描绘了MN与当前PPN(P)由于随机移动性而断开链路后需要重新寻路的过程，其主要思路为，MN基于夹角θ平均值从相邻节点中筛选出CPNS(C1-C4)，然后基于Rank将(C2,C4) 从CPNS中删除，然后当前CPNS(C1,C3)收到DAO后开启可达计时器，最后基于链路最低剩余能量从CPNS(C1,C3)中选择C3作为PPN，当可达计时器到期后CPNs通告MN停止广播DIS，然后执行路由更新。
附图6说明书摘要附图
本发明提出的基于链路节能的移动性RPL路由方法的通信过程包含检测与传输阶段、反应与预测阶段、通告阶段，并基于通信过程中的现有问题提出修改控制消息帧格式、结合优先级选择父节点、设置可达计时器三个创新机制，有效提升了整个网络的生存时间和传输效率。
具体实施方式
本发明提出的基于链路节能的移动性RPL路由方案，具体包含“修改控制消息帧格式”和“结合优先级选择PPN”、“可达计时器”三种新机制，以附图5为例，说明方案的具体操作步骤。
一.检测与传输阶段
步骤1：PPN通过MN上行传输的数据包来检测其移动性，接收到来自MN的数据包后周期性地计算平均RSSI值。
步骤2：当PPN检测到RSSI低于阈值，它向MN立即单播DIO(F＝0)。
二.反应和预测阶段
(1)利用夹角精简CPNS
步骤1：MN收到DIO(F＝0)后，广播3次DIS消息以便被SNs检测到。并保持与PPN 的连接，继续接收数据包。
步骤2：SNs(MN通信范围内的所有节点)单播携带值和SN_ID的DIO(F＝1)给MN。
步骤3：MN收到后计算与各个SNs之间夹角的平均值，仅将低于平均值的节点的ID加入CPNS，并向这些节点单播DAO(携带CPNs_ID)
(2)利用网络深度精简CPNS
步骤4：CPNs(C1-C4)收到DAO后对比其父ID，判断是否CPNs_ID其父ID，若是，则进入步骤5，反之，进入步骤6.
步骤5：若CPNs_ID父ID，CPNs(C2,C4)回复MN一个携带自身ID的DIO(F＝2)。MN 收到DIO后，将此ID从CPNS中删除。
步骤6：若CPNs_ID父ID，若其父节点为Sink，则进入步骤7，反之进入步骤8.
(3)利用最低剩余能量精简CPNS
步骤7：若其父节点为Sink，此CPN直接回复MN ACK消息(携带其剩余能量和ID号)
步骤8：若其(C1,C3)父节点不为Sink，转发DAO给其父节点(S1,S5)，若其(S5)父节点不为Sink，重复步骤8。反之(S1)则进入步骤9.
步骤9：父节点(S1)将回复节点(C1)ACK消息(携带S1的自身剩余能量和ID)，C1收到ACK后添加自身的剩余能量和ID，并转发至MN。
步骤10：MN收到ACK后，通过对比选择出最低能量最高的ID(C3)作为PPN，若两个以上CPN拥有除Sink以外的公共父节点，或链路最低剩余能量相等。则这部分CPN依据次低剩余能量进行选择.
三.通告阶段
步骤1：当可达计时器到期后，CPNs发送DIO(F＝3)，MN收到后停止广播DIS，然后执行路由更新。MN首先更新其参数(Rank，AN，到根节点的默认路由)
步骤2：将DAO(F＝1)发送至先前PPN，以更新其路径。建立新连接后才与其旧PPN断开连接，有效避免了数据包丢失。

Claims (4)

1.一种可靠的基于链路节能的移动性RPL路由方法，其特征是：移动传感器配置为DODAG中的叶子节点不能转发数据包，MN随机移动但始终被部署的静态节点包围，中继节点只能为静态节点，可以产生数据包和转发其他节点的数据包；修改DAO帧格式以区分MN和SN，同时修改DIO的帧格式以处理4种不同交互场景；基于多度量值，包括MN与SNs之间的夹角θ、CPNs的网络深度、CPNs到根节点的上游链路的最低剩余能量，并结合优先级选择PPN；部分CPNs收到DAO后开启可达计时器，考虑了转发DAO或DAO-ACK丢失的情况，若MN未建立链路，即未发出第一个数据包则重发DAO消息以重新构建链接。
2.根据权利1要求所述的一种可靠的基于链路节能的移动性RPL路由方法，其特征是：考虑MN作为叶子节点，故修改DAO的帧格式以区分MN和SN，并适用于软切换模式，有助于避免数据丢失,确保节点间的无缝连接和连续通信。同时修改DIO的帧格式以处理4种情况。既保证了控制消息的向后兼容性，同时避免了增加额外控制消息带来的额外开销。
3.根据权利1要求所述的一种可靠的基于链路节能的移动性RPL路由方法，其特征是：基于多度量值θ，包括MN与SNs之间的夹角、CPNs的网络深度、CPNs到根节点的上游链路的最低剩余能量，并结合优先级选择PPN。先基于夹角对CPNS进行初步筛选，可以避免MN选择与其移动方向相反的PPN，然后考虑网络深度和备选父节点的上游链路能量，可以避免部分SNs的能量消耗，同时有效提升整个网络的生存时间。
4.根据权利1要求所述的一种可靠的基于链路节能的移动性RPL路由方法，其特征是：部分CPNs收到DAO后开启可达计时器，考虑了转发DAO或DAO-ACK丢失的情况。对于MN而言，当DAO或ACK在传输过程中发生丢失，若MN未建立链路(未发出第一个数据包)，则重发DAO消息，以重新构建链接。对于CPNs，当收到DAO后，未知其是否可成为PPN，等待链路建立，到期后回复DIO并停止等待。有效避免了因控制消息丢失而导致的链路构建失败，提升了数据包传输成功率。
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