无线传感器网络路由协议 无线传感网络中RPL路由协议研究及性能分析

无线传感网络中RPL路由协议研究及性能分析

阮文灵，曾培峰

（东华大学 计算机科学与技术学院，上海 201620）

详细介绍了无线传感网络中的RPL(IPv6 Routing Protocol for LowPower and Lossy Networks)路由协议，从仿真环境、参数设定、仿真场景设计等方面对RPL路由协议的仿真进行了分析。利用cooja模拟器对RPL路由协议进行了仿真，并针对分组递交率和平均功耗两个性能指标对RPL路由协议进行性能评估。仿真结果表明，RPL路由协议在分组递交率方面适用于各个场景，并能很好地适应网络的动态变化；在功耗方面不适用于树型空间位置的场景，并且对于动态变化的网络会大大增加平均功耗。

RPL路由协议；网络仿真；cooja模拟器；分组递交率；平均功耗

TP391.9文献标识码：ADOI： 10.19358/j.issn.1674 7720.2017.03.019

引用格式： 阮文灵，曾培峰.无线传感网络中RPL路由协议研究及性能分析［J］.微型机与应用，2017,36（3）：63-66.

0引言

随着网络的发展，物联网［1］已经成为继互联网之后的发展趋势。作为物联网的重要组成部分，无线传感网络由于受到处理能力、内存容量、电量等限制，其路由协议设计充满挑战。互联网工程任务组（Internet Engineering Task Force, IETF）建立低功耗有损网络路由工作组(Routing over Lossy and Lowpower Networks, ROLL)来解决这一问题，提出一种新的路由协议RPL，即IPv6 Routing Protocol for LowPower and Lossy Networks［2］。

本文首先介绍了RPL路由协议的原理，分析了控制路由报文发送频率的Trickle算法［3］，其次用cooja［4］对不同场景进行了仿真，并根据仿真结果分析了RPL路由协议的性能，接着验证了Trickle算法，最后进行了总结。

1RPL路由协议原理

RPL路由协议是一种距离矢量路由协议，它根据目标函数(Objective Function,OF)构建以目的节点（根节点）为导向的有向无环图(DestinationOriented Directed Acyclic Graph,DODAG)。每个非根节点通过目标函数计算出一个Rank值，表明自己与根节点之间的距离关系。目前常用的目标函数有OF0(Objective Function Zero)［5］、MRHOF(The Minimum Rank with Hysteresis Objective Function)［6］和ETX(Expected Transmission Count)［7］。三种控制报文用于RPL路由协议，分别是DODAG信息请求报文(DODAG Information Solicitation,DIS)、DODAG信息对象报文（DODAG Information Object,DIO）和目的广告对象报文（Destination Advertisement Object,DAO）。DIS报文用于未加入网络的节点向网络中的节点主动寻求DIO报文，并寻求加入网络；DIO报文携带了一些配置参数，如RPLInstanceID、DODAGID、Rank等，让未加入网络的节点能够发现RPL实例并学习这些配置参数，选择父节点，主要用于向上路由的建立；DAO报文携带一些路由前缀信息，主要用于向下路由的建立。

1.1DODAG构建过程

整个DODAG的构建可以分为两个部分，第一部分是向上路由的构建，第二部分是向下路由的构建。

如图1所示，向上路由的构建过程从根节点(6LoWPAN Border Router,6LBR)开始，6LBR广播DIO报文，它携带着自己节点的信息RPLInstanceID、DODAGID、Rank等，在它传输范围内的6LRA(6LoWPAN Router A)收到该DIO报文后，选择6LBR作为父节点并加入该DODAG。6LRA具有路由功能，它会根据目标函数计算rank值并更新收到的DIO报文，并广播出去，在它传输范围内的6LRB收到该DIO报文后，选择6LRA作为父节点并加入该DODAG。在6LRB加入DODAG后的某一时刻，6LN(6LoWPAN NODE)主动广播DIS报文，寻求加入某个DODAG。6LRB收到该DIS报文后，给6LN回复DIO报文，让6LN选择6LRB作为父节点并加入DODAG。至此整个DODAG的向上路由就建立了。向下路由通过DAO报文来构建。6LRA在收到6LBR的DIO报文后，回复6LBR DAO报文，6LBR收到后将6LRA的前缀信息加入到路由表项中。6LRB收到6LRA的DIO报文后，回复6LRA DAO报文，6LRA处理该DAO报文后并向自己的父节点6LBR回复DAO报文，6LBR收到该DAO报文后将6LRB的前缀信息加入路由表项中。因此，DAO报文的处理工程是从子节点发送自己的父节点，父节点在处理后依次发送给自己的父节点，直到发送到根节点为止，根节点包含了所有节点的前缀信息。

1.2Trickle算法

Trickle算法是RPL路由协议中一个重要的组成部分，它用来控制DIO报文的发送频率。Trickle算法运用了自适应传输周期机制，保证网络中路由信息一致时，发送较少的路由报文；而不一致时迅速发送大量的路由报文，从而快速更新路由信息，保证一致性。

为了实现上述自适应传输周期的机制，Trickle算法使用了3个配置参数：最小时隙Imin表示DIO报文发送间隔的最小范围；最大时隙Imax表示DIO报文发送间隔的最大范围；常数k用于表征DIO报文是否发送。Trickle算法还使用了3个变量：当前时隙I，表示DIO报文当前的发送间隔；当前时隙的时间点t，表示只有到达当前时隙中的时间点t,DIO报文才有可能发送；一致性计数器c，用于与常数k比较，根据比较结果决定是否发送DIO报文。

Trickle算法的具体执行步骤如下：

（1）Trickle算法开始执行时，首先把当前时隙I随机置成［Imin, Imax］中的一个时隙，并且开始第一个时隙；

(2)当一个时隙开始时，把一致性计数器c重置成0，并把时间点t设为当前时隙I中大于等于I/2、小于等于I的一个随机时间点；

(3)当监听到一致性消息时，增加计数器c;

(4)在时间点t，当计数器c小于常数k时，发送DIO消息，否则不发送DIO消息；

(5)当时隙I过期后，时隙I=I×2，当I>Imax时, I置成Imax，并判断下一时隙是否有效，若有效返回步骤(2)，否则结束；

(6)当监听到不一致性消息并且I>Imin时，重置I为Imin，当I=Imin时，什么也不做，并判断下一时隙是否有效，若有效返回步骤(2)，否则结束。

2仿真环境和参数设置

2.1仿真环境

使用cooja对RPL路由协议进行仿真，cooja是基于Contiki操作系统［8］的模拟器。

2.2仿真参数

在仿真实验中，使用的目标函数为ETX（Expected Transmission Count）。ETX指一个节点成功传输一个数据包给目的节点需要传输的次数。无线介质类型是UDMG类型，如图2所示，内部的圆区域代表了节点1能从其他节点接收包的范围，其中的百分比分别代表了从不同节点接收包的成功率，它随着与节点1的距离增大而减小。外部的圆区域为受到无线干扰的范围。设置接收包的范围为50 m，受到干扰的范围是100 m，发送包的成功率为100%，接收包的成功率根据节点间的距离确定。

仿真时间为15 min，节点的类型为sky类型，并且只有1个根节点。在不同空间位置关系的节点图仿真实验中，有30个具有路由功能的节点；在动态增减节点的仿真实验中，在第5 min时动态减少或增加10个有路由功能的节点。这些节点分布在200 m×200 m的正方形区域内。

3仿真分析

为了对仿真结果进行分析，需要使用评估RPL路由协议的性能指标［9］，使用分组递交率和平均功耗作为评估的指标。

3.1不同空间位置关系的节点图仿真

为了评估RPL路由协议在不同的拓扑情况下的性能，根据根节点与路由节点的关系，设计了4种不同空间位置关系的节点图，如图3所示。

图4显示了15 min内不同场景下发送给根节点包的数量和根节点接收包的数量，图5根据图4的数据计算出了分组递交率。根据图4，不同空间位置节点图发送给根节点的包的总数基本相同，为420左右。根据图5，格子型的分组递交率最高，为98.81%，而树型的分组递交率最低，为95.44%，但是相差都不是特别大，并且包的递交率都达到了95%以上。根据上述结果，在分组递交率方面RPL路由协议在静态的不同场景下都有较好的表现。

图6显示了15 min内除根节点之外的其他所有节点的功耗的平均值。根据图6，树型的平均功耗最大，为3.14 mW，格子型的平均功耗最小，为1.79 mW。树型的平均功耗远远大于其他三种情况下的平均功耗。根据上述结果，在平均功耗方面PRL路由协议对于树型位置关系表现得并不是很好，而其他三种场景下有较好的表现。

3.2动态增减节点的仿真

为了评估RPL路由协议在动态变化拓扑中的性能，设计了动态增减节点的场景。节点随机关系的场景是最常见的场景，因此动态增减节点的仿真使用随机关系场景。

图7显示了15 min内不同条件下发送给根节点包的数量和根节点接收包的数量，图8根据图7的数据计算出了分组递交率。根据图7，在第5 min时动态加入节点的场景下，其他路由节点发送给根节点和根节点接收包的数量都比原来的要多，而动态减少节点的情况下都比原来的要少；但都少于一开始静态相同位置相同数目节点的场景，说明节点个数影响发送给根节点和根节点接收包的数量。根据图8，在第5 min时动态加入和减少节点的场景

图8分组递交率与静态相同位置相同数目节点场景相比，包递交率相差不大，说明动态增减节点对包递交率影响很小，RPL路由协议能够很好地适应网络的动态变化。

图9显示了15 min内不同场景的平均功耗。根据图9，在第5 min时动态加入和减少节点的场景与静态相同位置相同数目节点场景相比，平均功耗都大大增加，说明了在功耗方面，RPL路由协议对于动态变化的网络会大大增加节点的平均功耗。

3.3Trickle算法的仿真

为了验证Trickle算法能够有效控制DIO报文的发送频率，在网络维持不变时增大DIO报文的发送间隔，在网络发送变化时能够迅速减小DIO报文发送的间隔，从而维护网络。使用图2进行了仿真，图10显示了仿真结果。

图中横坐标代表时间节点，纵坐标代表时隙的大小。图中显示了三个阶段，第一阶段网络没有发生变化，因此每次当前时隙I到期后，I变成了I×2（I×2<Imax），而当I等于Imax时，I到期后，I维持不变，图中Imax为2 100 s,因此I到达2 100 s后一直维持不变。在第二阶段移动节点6，网络发生变化，因此Trickle算法将当前时隙I由2 100 s迅速降到最小，之后在第三阶段网络达到稳定后，节点6的时隙I仍然按照原来增长。4结束语

本文对RPL路由协议进行了详细的介绍，并对静态场景及动态增减节点情况下的RPL路由协议性能进行了深入评估。从仿真结果得出以下结论：

（1）对于不同静态场景，分组递交率都在95%以上，并且相差不大，RPL路由协议对各种节点布局都适用；对于动态增减节点，分组递交率与静态相比相差不大，RPL路由协议能适应网络的动态变化。

（2）对于不同静态场景，树型位置关系的平均功耗远大于其他关系的平均功耗，RPL路由协议对于树型位置关系并不特别合适；对于动态增减节点，RPL路由协议会大大增加平均功耗。

（3）Trickle算法能够有效地控制路由报文的发送。

参考文献

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无线传感器网络LEACH协议的改进

摘 要 ： 针对无线传感器网络典型分簇协议LEACH簇首随机选择和频繁分簇的问题，提出一种基于LEACH的改进协议。簇首的选择分为奇数轮和偶数轮，在奇数轮簇首的选择时，节点生成一个随机数，将此随机数和阈值进行比较，小于阈值的节点成为簇首节点，其中阈值的生成考虑了节点的能量。在偶数轮簇首选择时，每个簇选择上轮中簇内能量最高的节点作为本轮簇首。协议能够有效均衡网络的能量，延长了网络的生命周期。

0 引言

无线传感器网络（Wireless Sensor Network，WSN）是由部署在监测区域内大量的廉价微型传感器节点通过无线通信方式连接形成的一个多跳的自组织的网络系统，其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中感知对象的信息，并发送给观察者[1]。WSN不需要固定的网络支持，具有快速展开、抗毁性强等特点，可广泛应用于军事侦察、环境监测、医疗监护和其他商业领域[1]。

在WSN体系结构中，网络层的路由技术对WSN性能的好坏有重要影响。随着国内外对WSN的研究，许多路由协议被提了出来，从网络拓扑结构可以分为两类：平面路由协议和分簇路由协议。在WSN的实际应用中，由于通信损耗能量与传送的数据量和到达目标的距离平方成正比，因此采用基于分簇的路由协议相对平面路由协议具有更好的适应性和节能性[2]。

本文提出的路由协议是基于最经典的分簇路由协议LEACH（Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy）提出的，协议中簇首的选择分为奇数和偶数轮。奇数轮簇首选择中引入节点能量等参数，避免低能量的节点成为簇首。簇首确定后，簇首广播自己为簇首的消息，其他节点根据接收到的信号强度加入不同的簇。在偶数轮簇首的选择时，网络不再大规模地动态生成簇，只是选择上一轮中簇内节点能量最大的节点作为本轮的簇首节点，簇首节点选择后，通过广播通知其簇内节点自己成为簇首节点。通过能量参数的引入使得簇首选择避免了低能量节点成为簇首节点，而且引入奇数和偶数轮降低了簇的生成开销，有效节省了网络的能量，延长了网络的生命周期。

1 LEACH协议

该协议使用自适应成簇和簇首节点轮换技术，周期性地执行任务，每一个周期分为两个阶段，分别是簇的建立阶段和稳定运行阶段，这两个阶段的时间比在协议中是1：19，稳定运行时间要远远长于建簇时间，这可避免分簇过于频繁造成过多的能量损失。在稳定运行阶段，各个非簇首节点将按簇首分给的时隙来发送数据给簇首，簇首收到各个簇成员发来的数据进行综合处理后再发给Sink节点。

LEACH[3]协议选择簇首策略具体如下：在建簇中的簇首选择阶段，每个节点在0~1之间随机选择一个数与阈值T（n）进行大小比较，如果小于阈值，则其将被选中成为新一轮的簇首，并广播自己是簇首的消息。如果节点已经被当选过簇首，则将T（n）置为0，这样将不可能再当选簇首了。阈值T（n）表示为：

其中，n表示传感器节点数，k表示簇头节点数，r为轮数，G为网络生存期的总回合数。

LEACH协议适用于大型的无线传感器网络，与平面路由协议相比，LEACH协议在节能方面有比较突出的表现，但也存在一些问题，比如LEACH算法簇头的选择没有考虑到节点的能量问题，如果一些能量较低的节点成为了簇首节点，那么此节点很快就会将能量耗尽而退出网络，降低了网络的寿命；同时LEACH算法簇的生成过于频繁，按照轮的方式运行，每轮完成后，网络将重新进入簇的生成阶段，簇的频繁生成将会增大网络的能量消耗。

2 LEACH-OE

在研究了LEACH协议存在的一些问题后，本文提出了一种基于奇偶轮选择簇首的协议LEACH-OE（Odd and Even number round of LEACH）。该协议大大降低了成簇的轮数，只有在奇数轮才会进行簇首的随机选择和簇内节点入簇操作，而且簇首选择时，考虑了能量因素，使得能量高的节点成为簇首节点的概率更大，在偶数轮仅仅是选择簇内能量最高的节点作为本轮的簇首节点，之后通知其他簇内节点自己为簇首节点，节省了成簇时的能量消耗。

2.1 模型介绍

（1）网络模型：基站（BS）固定且能量供应充足；各节点同构且具有节点编号；各节点可感知它的剩余能量；各节点可以与基站直接通信；各节点可根据接收者距离调整发射功率[4]。

（2）信道模型：传感器节点发送k bit消息d距离时消耗的能量ETX（k，d）：

接收k bit消息消耗的能量ETR（k）是：

ETR（k）=ERXelec（k）=kEelec（3）

在式（2）中，发送与接收节点距离大于临界值d0=

时，使用多路径模型；否则使用自由空间模型。Eelec是发射电路和接收电路消耗的能量，εfs和εamp都是发射放大器所消耗的能量。

2.2 算法思想

（1）基于剩余能量的簇首选举

本协议在簇首的选择和成簇机制上进行了改进，簇首选择时，分为奇数轮和偶数轮。当奇数轮时（r mod 2==1）采用簇首的随机生成，此过程中，不但考虑节点是否当选过簇首节点，还考虑节点的能量因素，降低了低能量节点优先成为簇首节点的概率。由各个传感器节点随机生成一个[0，1]之间的随机数，比较此随机数与阈值F（n）的大小，如果小于F（n）则成为簇首节点，然后广播自己成为簇首节点的信息，而其他节点根据接收到的信息的强度自主加入相应的簇。阈值F（n）表示如下：

当偶数轮（r mod 2==0）时，根据各个簇内节点的能量信息，由上轮簇首节点决定本轮簇首节点的选择，上轮簇首根据簇内节点能量Ecur（i）的大小将簇内节点进行排序，然后簇首将能量最大节点的编号ID向簇内进行广播，簇内各个节点根据接收到的信息和自己节点ID进行比较，当节点ID与接收到的信息中的节点ID相同时，该节点广播自己成为本轮簇首节点的信息，各个簇仅仅是改变了簇首而簇内节点不发生变化。图1是簇首选择流程图。

（2）数据发送阶段

在簇首选择成功后，簇首根据成员节点数目创建TDMA时间表，并告知成员节点发送数据的时隙，成员节点只有在所分配的时隙内发送数据，其余时间则处于休眠状态以节约能量，成员节点发送的数据在簇首处融合并最终由簇首发送至基站。在数据的传送中为了防止簇与簇之间的通信干扰，每个簇都使用一个特殊的代码，簇头到基站的数据发送采用载波检测多址接入技术（CSMA）。当簇头有数据发送时，先检测信道是否空闲，当信道有数据传送时节点等待，直到信道空闲一段时间后再进行数据的发送。

（3）能耗分析

在M×M的区域部署N个无线传感器节点，分为k个簇，每个簇中有N/K个节点（一个簇首节点，其余为非簇首节点），传感器节点发送l bit数据，簇首在一轮中消耗的能量为：

从以上可知，传感器网络中，网络的能耗主要是簇传输数据能量消耗和成簇的能量消耗。在已知网络中，节点数N、发送和接收电路的能耗Eelec、功率放大系数εamp和εfs、数据融合能耗EDA都是一定的，而簇数k、簇首节点到基站的距离dtoBS、簇内成员到簇首的距离dtoCH是不确定的，但是在本文讨论的网络中因为都是随机的，假设其差别不大。现在能量消耗的节省主要从成簇方面进行考虑，Etotal是一定的，因为引入奇数、偶数轮成簇机制，每两轮才产生一轮成簇的能量消耗，很显然延长了总的网络寿命，同时，在簇首的选择时，只有那些剩余能量较高的节点优先选为簇首节点，可以有效均衡网络能耗，进一步延长网络寿命。

3 仿真结果及其分析

3.1 仿真环境

为了验证本文算法的性能，在MATLAB平台上进行仿真比较。100个无线传感器节点随机分布在100 m×100 m的区域内，根据参考文献[5]的分析，LEACH算法每轮最佳簇首个数

，约为节点总数的5%，仿真中选择k为5，仿真参数如表1所示。

3.2 LEACH和LEACH-OE性能的比较

在MATLAB环境下仿真LEACH-OE与LEACH协议，两种协议运行5 000轮后生存和死亡节点的分布如图2所示。LEACH协议在1 127轮开始有节点死亡，而LEACH-OE在1 435轮开始有节点死亡，这是因为在簇首选择时LEACH-OE考虑了能量因素。而节点完全死亡LEACH-OE达到了2 782轮，远远大于LEACH的2 237轮，轮数提高了24.5%左右。因为LEACH-OE协议引入了奇数轮成簇机制，更节省网络的整体能量，延缓节点死亡的时间，从而使网络生命周期得到延长。

两种协议能量的消耗如图3所示，比较可知在运行同等轮数的情况下，LEACH-OE能量的消耗明显比LEACH要小，在运行轮数为1 000的情况下，LEACH-OE比LEACH能量消耗要少21%左右，如图可知，最终网络中节点全部死亡的时候网络总的能量消耗是相等的，运行的时间越长，网络更有优势。

4 结论

为提高网络的生存时间，平衡节点的能量消耗，本文提出了一种基于能量和奇偶轮的分簇式无线传感器网络路由协议（LEACH-OE），在奇数轮成簇的过程中，簇首的选择考虑到节点的能量因素，选择能量更高的节点作为簇首，在偶数轮直接选择能量最高节点作为簇首节点。通过MATLAB仿真实验，对LEACH和LEACH-OE在能量消耗、运行轮数方面进行比较。结果表明，LEACH-OE协议在负载均衡和能量消耗方面有很大的改善，可以有效地延长网络生存时间。

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