基于IEEE802.15.4的6LOWPAN網(wǎng)絡(luò)性能研究﹡

管麗平， 孫懋珩

(同濟(jì)大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院，上海201804)

0 引言

無線傳感網(wǎng)(WSN)是由若干部署在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)的傳感器節(jié)點(diǎn)組成，節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)收集后以多跳的方式傳輸給到sink節(jié)點(diǎn)。再通過sink節(jié)點(diǎn)將其發(fā)送給管理節(jié)點(diǎn)，以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和任務(wù)監(jiān)測(cè)[1]。6LOWPAN（IPV6 over low-power wireless personal area networks )作為無線傳感網(wǎng)絡(luò)和IPV6相結(jié)合的技術(shù)，它必須要遵循 IEEE802.15.4的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。IEEE802.15.4旨在解決低速，低功率，低成本個(gè)人無線解決方案[2]。為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)IEEE802.15.4在自身使用的三個(gè)頻段中最常用的是 2.4 GHZ頻段。2.4 GHZ作為一個(gè)全球性可通用的高頻帶，它使得數(shù)據(jù)傳輸速率大大提高，而且它的系統(tǒng)共存性，雙向傳輸性和抗干擾性，使得它成為各種無線網(wǎng)絡(luò)的首選頻段。在這同一頻段中各種無線設(shè)備同時(shí)使用勢(shì)必會(huì)對(duì)6LOWPAN造成干擾進(jìn)而影響網(wǎng)絡(luò)的性能。

恒定比特率(CBR）是在異步轉(zhuǎn)移模式(ATM)中，一種具有預(yù)先確定限制值的固定速率的業(yè)務(wù)。無論對(duì)全球集成還是實(shí)現(xiàn)現(xiàn)在網(wǎng)路同未來網(wǎng)絡(luò)的兼容性中它的存在是ATM的一大特點(diǎn)[3]。并發(fā)的CBR業(yè)務(wù)使得網(wǎng)絡(luò)傳輸過程中丟包率的提升。這是因?yàn)檫@些注入數(shù)據(jù)包加劇了網(wǎng)絡(luò)沖突，讓信道更加擁塞，從而包丟失概率增加。CBR業(yè)務(wù)還能很大程度影響網(wǎng)絡(luò)吞吐量，延遲[4]。與這些性能指標(biāo)不同，文中討論的是CBR與能量消耗和傳輸時(shí)間的關(guān)系。

文獻(xiàn)[5-6]表明，相較于一個(gè)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)平滑的無線傳感網(wǎng)，分層結(jié)構(gòu)的WSN性能跟穩(wěn)定性更好。

一些相關(guān)學(xué)者分析了不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)下無線傳感網(wǎng)特點(diǎn)，并總結(jié)出了樹型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)下 WSN各種狀態(tài)最好的結(jié)論。

1 6LOWPAN相關(guān)介紹

1.1 6LOWPAN主要任務(wù)

6LOWPAN是一個(gè) IETF工作組。它可以說是IPV6和IEEE802.15.4之間的適配層。6LOWPAN的主要目的是為了實(shí)現(xiàn)IPV6數(shù)據(jù)包的分片和重組。它還提供了一種頭部壓縮機(jī)制以減少IPV6的成本。

1.2 6LOWPAN結(jié)構(gòu)

6LOWPAN是由上位機(jī)，傳感器節(jié)點(diǎn)，網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)和路由節(jié)點(diǎn)組成。結(jié)構(gòu)如圖1所示。

上位機(jī)：接受網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)發(fā)送過來的數(shù)據(jù)以及做好回復(fù)指令。

傳感器節(jié)點(diǎn)：采集各種信息。

網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)：執(zhí)行上位機(jī)發(fā)送過來的指令以及向傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息。

路由節(jié)點(diǎn)：連接網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)和傳感器節(jié)點(diǎn)的樞紐，完成路由通信。

圖1 6LOWPAN結(jié)構(gòu)

1.3 6LOWPAN鄰居發(fā)現(xiàn)協(xié)議（Neighbor Discover)

6LOWPAN-ND是一個(gè)用 IPv6控制信息報(bào)文（ICMPv6）來完成節(jié)點(diǎn)交互管理的協(xié)議。6LOWPAN-ND中定義了以下幾種種類型的信息：路由器宣告、路由器請(qǐng)求、路由重定向、鄰居請(qǐng)求和鄰居宣告。

它的實(shí)現(xiàn)過程如圖2所示：傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)送組播信息作為路由器請(qǐng)求來搜尋一個(gè)網(wǎng)關(guān)。接收到信息的網(wǎng)關(guān)回復(fù)該節(jié)點(diǎn)單播信息作為路由器宣告。該節(jié)點(diǎn)繼續(xù)發(fā)送信息給網(wǎng)關(guān)進(jìn)行節(jié)點(diǎn)登記。收到信息的網(wǎng)關(guān)再回復(fù)完成節(jié)點(diǎn)確認(rèn)。最后節(jié)點(diǎn)獲得一個(gè)IPV6地址。

圖2 6LOWPAN-ND實(shí)現(xiàn)過程

2 實(shí)驗(yàn)與分析

2.1 硬件實(shí)驗(yàn)

硬件實(shí)驗(yàn)中選擇5個(gè)節(jié)點(diǎn)，3個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)，1個(gè)sink節(jié)點(diǎn)和1個(gè)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)。3個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)組織成網(wǎng)并通過多跳方式連接到sink節(jié)點(diǎn)，sink節(jié)點(diǎn)再連接到網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)。網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)通過USB串行端口連接到一個(gè)以LINUX作為系統(tǒng)的電腦。網(wǎng)關(guān)用 nRoute協(xié)議實(shí)現(xiàn)通信完成網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控和數(shù)據(jù)收集。改變IEEE802.15.4工作信道從11到26.

傳感器節(jié)點(diǎn)這里選用TelosB來配置。TelosB采用的是TI MSP430微處理器。它提供了10KMRAM和48KB外部閃存。通信芯片是CC2420。通信電波采用2.4 GHz無線電和250 kb/s數(shù)據(jù)傳輸率。Sink節(jié)點(diǎn)選用基于 PXA255的 XSBASE開發(fā)板。關(guān)于PXA255，文獻(xiàn)[7]已經(jīng)做了詳細(xì)介紹。網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)用Nano路由器來配置后連接到電腦。

實(shí)驗(yàn)過程中三個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)平行放成一排，距傳感器節(jié)點(diǎn)16 m處放置網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，傳感器節(jié)點(diǎn)與網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)中間位置放置sink節(jié)點(diǎn)。三個(gè)傳感器同時(shí)通過sink向網(wǎng)關(guān)發(fā)送50個(gè)數(shù)據(jù)包，每個(gè)數(shù)據(jù)包信息是2字節(jié)。實(shí)驗(yàn)重復(fù)30次。改變IEEE802.15.4工作信道，重復(fù)實(shí)驗(yàn)。記錄每個(gè)信道平均信號(hào)傳輸時(shí)間。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3所示，信道15到23傳輸時(shí)間都波動(dòng)較大，是因?yàn)槠渌鼰o線設(shè)備如Wi-Fi，微波爐等同時(shí)使用，引起的信道覆蓋和占用造成了6LOWPAN性能衰退，也證明了選擇信道26時(shí)，傳輸時(shí)間最短6LOWPAN網(wǎng)絡(luò)性能最好。

圖3 信道對(duì)傳輸時(shí)間的影響

2.2 軟件實(shí)驗(yàn)

即在 NS2下進(jìn)行仿真仿真實(shí)驗(yàn)，目的是研究CBR對(duì)6LOWPAN網(wǎng)絡(luò)性能影響。實(shí)驗(yàn)的場(chǎng)景模擬軟件用BonnMotion生成。實(shí)驗(yàn)?zāi)M運(yùn)行250個(gè)time slot，結(jié)果取平均值。區(qū)域設(shè)置為400 m×400 m，節(jié)點(diǎn)通信半徑R=30 m,節(jié)點(diǎn)速度設(shè)置V=30 m/s，網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)為 200,300…1000。CBR值分別為 0和528時(shí)，網(wǎng)絡(luò)通信量和能量消耗仿真結(jié)果分別如圖4和圖5所示。

圖4 CBR對(duì)網(wǎng)絡(luò)通信量影響

節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)增加，6LOWPAN網(wǎng)絡(luò)活動(dòng)量加劇，網(wǎng)絡(luò)通信量上升，節(jié)點(diǎn)活動(dòng)帶來的能量消耗提高，有CBR時(shí)結(jié)果更明顯。

3 結(jié)語

文中探討各種參數(shù)對(duì)6LOWPAN性能的影響，主要研究 IEEE802.15.4信道選擇以及 CBR的作用[8]。討論重點(diǎn)之前還介紹了關(guān)于6LOWPAN結(jié)構(gòu)[2]以6LOWPAN-ND實(shí)現(xiàn)過程。通過硬件和軟件實(shí)驗(yàn)也證明了信道選擇26時(shí)網(wǎng)絡(luò)性能最好。

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