面向移動物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境的基于多路由指標(biāo)的RPL改進路由*

于 童

（永城職業(yè)學(xué)院電子信息工程系，河南 永城 476600）

0 引言

隨著微控制器以及傳感技術(shù)的發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)（internet of things，IoT）［1-2］已在智能交通、智慧農(nóng)業(yè)、康復(fù)醫(yī)療等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。預(yù)期到2025 年，在物聯(lián)網(wǎng)平臺平均每人擁有不止一個智能設(shè)備。這些智能設(shè)備可能是靜態(tài)的，也可能是移動的。

然而，既有靜態(tài)又有移動的智能設(shè)備組成的物聯(lián)網(wǎng)通信可靠性和設(shè)備能耗面臨著較大的挑戰(zhàn)。由IETF 標(biāo)準(zhǔn)化的低功率低損耗網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議（routing protocol for low power and lossy network，RPL）是面向靜態(tài)物聯(lián)網(wǎng)［2-5］。移動設(shè)備的加入，降低了RPL 路由的穩(wěn)定性。因此，若將傳統(tǒng)的RPL 路由直接應(yīng)用到移動物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用環(huán)境，路由可靠性以及數(shù)據(jù)包傳遞率得不到保證。

為此，研究者對傳統(tǒng)的RPL 路由進行改進，使其更適用于移動環(huán)境。例如，文獻［6］提出基于接收信號強度（received signal strength index，RSSI）的改進RPL 路由。該路由引用移動檢測機制，進而提高設(shè)備的能效。類似地，文獻［7］采用了定位算法，估計移動節(jié)點的位置，進而調(diào)整路由，提高了路由的可靠性。文獻［8］采用增強學(xué)習(xí)算法估計鏈路的有效時間，使其適用于移動環(huán)境，提高了路由的可靠性。

然而，這些改進路由只采用單一路由指標(biāo)構(gòu)建目標(biāo)函數(shù)。由單一路由指標(biāo)所選擇的最優(yōu)路徑無法滿足物聯(lián)網(wǎng)的多類應(yīng)用需求。此外，由移動和靜態(tài)設(shè)備組成的物聯(lián)網(wǎng)，對路由的穩(wěn)定性提出了更高的要求。

為此，提出基于多路由指標(biāo)的RPL 改進路由MRPL。MRPL 路由先從節(jié)點剩余能量以及鏈路持續(xù)時間兩方面計算路由指標(biāo)，再引用熵值法設(shè)定路由指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)。本文的主要工作如下：1）提出剩余能量因子、鏈路持續(xù)時間和鏈路穩(wěn)定性3 個路由指標(biāo)，并對它們進行歸一化處理，它們均是0～1 間的參數(shù)；2）利用上述3 個路由指標(biāo)構(gòu)建復(fù)合的目標(biāo)函數(shù)；3）采用熵值法設(shè)定復(fù)合目標(biāo)函數(shù)中3 個路由指標(biāo)的權(quán)重值；4）仿真結(jié)果表明，提出的MRPL 算法增強了路由穩(wěn)定性，提高了數(shù)據(jù)包傳遞率。

1 RPL 概述及存在問題

RPL 屬距離矢量路由協(xié)議［9-10］。在基于RPL 的物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)中，網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的節(jié)點呈樹狀型結(jié)構(gòu)。每棵樹至少存在一個sink 節(jié)點，其作為樹的根節(jié)點。這些節(jié)點構(gòu)成一個有向無環(huán)路（directed acyclic graph，DAG）。通常將只含有一個sink 的DAG 稱為定向DAG（DODAG）。

利用目標(biāo)函數(shù)（object function，OF），構(gòu)建并更新DODAG。OF 通過路由指標(biāo)構(gòu)建DODAG 內(nèi)節(jié)點間的路徑。一般依據(jù)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用要求定義路由指標(biāo)，如節(jié)點的能耗、傳輸數(shù)據(jù)包的可靠性，路由的穩(wěn)定性。依據(jù)OF 選擇偏好的父節(jié)點（簡稱偏好父節(jié)點）作為下一跳節(jié)點，進而將數(shù)據(jù)包傳輸至根節(jié)點。此外，DODAG 中的每個節(jié)點依據(jù)離根節(jié)點的近似距離設(shè)置節(jié)點的秩值（Rank）。

RPL 路由階段有四類控制消息：1）DODAG 信息對象（DIO）。節(jié)點通過鄰居分發(fā)DIO 消息，獲取網(wǎng)絡(luò)參數(shù)；2）DODAG 信息征集（DIS）。通過傳輸DIS，實現(xiàn)向RPL 節(jié)點請求DIO 消息；3）目標(biāo)廣播對象（DAO）。通過傳輸DAO，建立上行路由；4）DAO-確認（DAO-ACK）。通過傳輸DAO-ACK，告知DAO 消息發(fā)送節(jié)點已收到DAO 消息。

傳統(tǒng)的RPL 路由只考慮單一路由指標(biāo)，這無法滿足物聯(lián)網(wǎng)各類應(yīng)用要求。特別是在移動應(yīng)用環(huán)境中，若只考慮期望傳輸次數(shù)（ETX）指標(biāo)［11］，所構(gòu)建路由無法滿足應(yīng)用對數(shù)據(jù)包傳遞率的要求。

為此，本文針對移動環(huán)境，選擇鏈路質(zhì)量、鏈路穩(wěn)定性以及節(jié)點能耗構(gòu)建復(fù)合目標(biāo)函數(shù)。即采用多路由指標(biāo)，綜合估計父節(jié)點，使所選擇的最佳父節(jié)點所構(gòu)建的路由能夠有效地傳輸數(shù)據(jù)包，進而提高應(yīng)對移動環(huán)境的強健性。

2 MRPL 路由

2.1 路由指標(biāo)

本文采用3 個路由指標(biāo)：剩余能量因子、鏈路持續(xù)時間和鏈路的穩(wěn)定性。

假定節(jié)點sj攜帶數(shù)據(jù)包，其需要從候選父節(jié)點中選擇一個節(jié)點作為下一跳節(jié)點，即選擇最佳父節(jié)點。令Nj表示節(jié)點sj的候選父節(jié)點集。

2.1.1 候選父節(jié)點的剩余能量因子

計算候選父節(jié)點的剩余能量因子，其考慮父節(jié)點的能量變化速度。在計算候選父節(jié)點的剩余能量因子時，考慮兩種情況：1）候選父節(jié)點為BR；2）候選父節(jié)點不是BR。

當(dāng)候選父節(jié)點為BR 時，直接利用候選父節(jié)點的能量變化速度作為其剩余能量因子：

若候選父節(jié)點不是BR 時，就考慮候選父節(jié)點的偏好父節(jié)點的剩余能量因子。在這種情況下，候選父節(jié)點的剩余能量因子的定義如式（2）所示：

2.1.2 鏈路持續(xù)時間

鏈路持續(xù)時間等于鏈路兩端節(jié)點在彼此通信范圍內(nèi)的持續(xù)時間。引用鏈路持續(xù)時間，可提高鏈路穩(wěn)定性。

以圖1 為例，闡述計算鏈路持續(xù)時間的可能性。節(jié)點A 向其鄰居節(jié)點（C，D，E，B）廣播DIO 消息，其包含節(jié)點A 的移動速度和當(dāng)前的位置。鄰居節(jié)點接收后，結(jié)合自己的位置和移動速度便可計算與節(jié)點A 間鏈路的持續(xù)時間。若節(jié)點速度為零，則表示節(jié)點為靜態(tài)節(jié)點。例如，節(jié)點C 的移動速度為零，其屬靜態(tài)節(jié)點。

圖1 基于DIO 消息計算鏈路可持續(xù)時間Fig.1 Calculating the duration of link based on DIO information

基于上述討論，節(jié)點sj可計算其與候選父節(jié)點間鏈路的持續(xù)時間。令（xj，yj）表示節(jié)點sj的位置；令?j表示節(jié)點sj的移動速度。節(jié)點sj將包含（xj，yj）和?j信息的DIO 消息向候選父節(jié)點廣播，候選父節(jié)點接收后，就計算離節(jié)點sj的相對距離：

由于節(jié)點移動，在經(jīng)時間t 后，可用式（4）更新節(jié)點的位置：

令Tj，i表示節(jié)點sj與候選父節(jié)點si間鏈路的可持續(xù)時間；令R 表示節(jié)點的最大通信范圍。用R 替換式（3）中，用Tj，i替換式（4）中t，可構(gòu)建等式（5）：

通常，節(jié)點的最大通信范圍是固定的，即R 已知。因此，通過求解式（5）可估算鏈路持續(xù)時間?？紤]到，對鏈路持續(xù)時間進行歸一化：其中，表示期望的鏈路持續(xù)時間。

2.1.3 路由穩(wěn)定性因子

Tj，i只反映了節(jié)點sj與候選父節(jié)點si間的一跳鏈路的持續(xù)時間，并沒有考慮了si與它的候選父節(jié)點的間鏈路的穩(wěn)定性。令Ti，p表示節(jié)點si與它的偏好父節(jié)點間鏈路持續(xù)時間。若Tj，i與Ti，p越相近，則由節(jié)點si作為下一跳節(jié)點所構(gòu)建的路由越穩(wěn)定。因此，將路由穩(wěn)定性（RSE）定義為式（6）：

2.2 復(fù)合目標(biāo)函數(shù)的構(gòu)建

節(jié)點sj有n=個候選父節(jié)點。令rik表示第i個候選父節(jié)點的第k 個路由指標(biāo)，其中，i=1，2，…，n，k=1，2，…，m。本文考慮了3 個路由指標(biāo)，則m=3。用樣本空間表示每個候選父節(jié)點的路由指標(biāo)，則形成矩陣Θ：

用G（i）表示考量第i 個候選父節(jié)點是否為最佳父節(jié)點的評估值：

因此，可構(gòu)建如式（9）所示的復(fù)合目標(biāo)函數(shù)OF：

2.3 基于熵值法設(shè)定權(quán)重系數(shù)

作為客觀賦值法的一種，熵值法通過獲取指標(biāo)變化的信息熵值而設(shè)定指標(biāo)的權(quán)重值［12］，其賦值原則：給信息熵小的指標(biāo)賦予較大的權(quán)重，給信息熵大的指標(biāo)賦予小的權(quán)重。

算法1 給出基于熵值法估算權(quán)重系數(shù)的過程。先設(shè)定決策矩陣D，用于解決n 個方案、m 個屬性的多屬性決策問題。將矩陣Θ 賦予D。這作為算法1 的輸入，輸出為各指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)。

?

將算法1 輸出的指標(biāo)權(quán)重值代入式（9），生成最終的：

最終根據(jù)式（10），選擇具有最小OFcom的候選父節(jié)點作為最佳父節(jié)點。圖2 給出產(chǎn)生最佳父節(jié)點的主要過程。

圖2 產(chǎn)生最佳父節(jié)點的主要過程Fig.2 Main process of generating the optimal parent node

3 性能分析

3.1 仿真環(huán)境

采用硬件開發(fā)平臺Zolertia Z1 和仿真軟件Cooja 建立仿真平臺。引用CC2420 射頻模式建立無線通信［13］。Z1 的主板為MSP430 微處理器。在區(qū)域內(nèi)部署一個sink 和多個靜態(tài)節(jié)點和多個移動節(jié)點，其中，sink 位于區(qū)域的左頂點?？紤]兩個仿真場景（Case one 和Case two），具體的仿真參數(shù)如表1 所示。

Case one 與Case two 的主要差別：靜態(tài)節(jié)點和移動節(jié)點所占的比例不同。在Case one 中：移動節(jié)點和靜態(tài)節(jié)點各占50%，總的節(jié)點數(shù)從20～40 變化；節(jié)點傳輸數(shù)據(jù)間隔（TI）服從［30 s，60 s，90 s，120 s］區(qū)間的隨機分布；在Case two 中：固定節(jié)點數(shù)為12 個，移動節(jié)點數(shù)從20～40 變化；所有節(jié)點采用相同的TI。

此外，為了更好地分析MRPL 路由性能，選擇傳統(tǒng)的RPL 路由（ORPL）和文獻［14］提出的基于移動感知的RPL 路由（MA-RPL）。MA-RPL 路由引用了ETX 和RSSI 路由指標(biāo)構(gòu)建目標(biāo)函數(shù)。

3.2 數(shù)據(jù)包傳遞率

分析Case one 中的數(shù)據(jù)包傳遞率。圖3 給出了MRPL 路由、ORPL 路由和MA-RPL 路由的數(shù)據(jù)包傳遞率，其中，圖3（a）中節(jié)點數(shù)為20 個，圖3（b）中節(jié)點數(shù)為40 個?？紤]了兩個移動模型：Random Walk 和Manhattan。

圖3 數(shù)據(jù)包傳遞率（case one）Fig.3 Delivery rate of data package（case one）

對比圖3（a）和圖3（b），網(wǎng)絡(luò)內(nèi)節(jié)點數(shù)的增加對數(shù)據(jù)包傳遞率的影響較小。原因在于：固定節(jié)點和移動節(jié)點的比例相同。此外，從圖3 可知，相比于Manhattan 模型，移動節(jié)點采用Random Walk 模型下的數(shù)據(jù)包傳遞率更高。

相比于ORPL 和MA-RPL 路由，MRPL 路由提高了數(shù)據(jù)包傳遞率。原因在于：MRPL 路由在構(gòu)建路由時，考慮到節(jié)點移動問題。目標(biāo)函數(shù)關(guān)聯(lián)到路由的穩(wěn)定性以及節(jié)點能效，提高了路由的穩(wěn)定性。而ORPL 和MA-RPL 路由沒有考慮到節(jié)點移動特性，所構(gòu)建的路由不穩(wěn)定，降低了數(shù)據(jù)包傳遞率。

下頁圖4 顯示ORPL 路由，MA-RPL 路由和MRPL 路由在Case two 中的數(shù)據(jù)包傳遞率。

圖4 數(shù)據(jù)包傳遞率（case two）Fig.4 Delivery rate of data package（case two）

從圖4 可知，相比于ORPL 和ML-RPL 路由，MRPL 路由提高數(shù)據(jù)包傳遞率。在所有情況中，比ORPL 和ML-RPL 路由，MRPL 路由的數(shù)據(jù)包傳遞率最低也分別提高了16%和15%，最高分別提高了約64%和58%。

MRPL 路由在構(gòu)建目標(biāo)函數(shù)時，考慮了鏈路的持續(xù)時間以及穩(wěn)定性，并避免選擇剩余能量低的候選父節(jié)點作為最佳父節(jié)點，提高了路由的穩(wěn)定性。而ORPL 路由和MA-RPL 路由考慮了期望傳輸跳數(shù)ETX，接收信號強度RSSI 和歐式距離3 個路由指標(biāo)。這些路由指標(biāo)并沒有考慮到節(jié)點的移動性，無法在節(jié)點移動環(huán)境中建立穩(wěn)定路由。

3.3 控制包開銷率

控制包開銷率是衡量路由性能的重要指標(biāo)。在構(gòu)建路由時，控制包數(shù)越多，節(jié)點獲取更多的網(wǎng)絡(luò)拓撲信息，提升路由的穩(wěn)定性，但也增加了節(jié)點能量消耗。

圖5 給出了Case one 場景下控制包開銷率。從圖可知，MRPL 路由的控制包開銷率分別比ORPL路由和MA-RPL 路由提升了約21%和30%。原因在于：MRPL 路由需要發(fā)送額外的DIO 消息，進而使移動節(jié)點能夠快速地識別周圍的靜態(tài)節(jié)點，從而構(gòu)建穩(wěn)定的路由。

圖5 控制包開銷率（case one）Fig.5 Control packet overhead rate（case one）

圖6 顯示了ORPL 路由，MA-RPL 路由和MRPL 路由在Case two 中的控制包開銷率。與Case one情況類似，在Case two 場景下，MRPL 路由的控制包開銷率仍高于ORPL 路由和MA-RPL 路由。但是，從圖3 和圖4 可知，MRPL 路由具有高的數(shù)據(jù)包傳遞率。換而言之，MRPL 路由以增加控制包開銷換取高的數(shù)據(jù)包傳遞率。

圖6 控制包開銷率（case two）Fig.6 Control packet overhead rate（case two）

4 結(jié)論

針對傳統(tǒng)RPL 以及相關(guān)改進路由在移動物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境中的數(shù)據(jù)包傳遞率低的問題，提出多路由指標(biāo)的改進路由MRPL。MRPL 路由采用多個路由指標(biāo)，綜合地評估候選父節(jié)點，使所選擇的下一跳節(jié)點能夠維持更長的鏈路連通時間。性能分析表明，相比于傳統(tǒng)的RPL，MRPL 路由提升了數(shù)據(jù)包傳遞率。

在后續(xù)研究中，將考慮6G 網(wǎng)絡(luò)與RPL 的結(jié)合，進一步提升網(wǎng)絡(luò)性能，這將是后期的研究工作。