《電子技術(shù)應(yīng)用》
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基于6LoWPAN多網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)的網(wǎng)關(guān)部署算法
2018年電子技術(shù)應(yīng)用第11期
何艾洲,,鄭 霖,,屈啟吉
桂林電子科技大學(xué) 廣西無線寬帶通信與信號(hào)處理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣西 桂林541004
摘要: 在6LoWPAN的DODAG網(wǎng)絡(luò)路由拓?fù)渲性黾佣嗑W(wǎng)關(guān)功能和協(xié)議,,有利于整個(gè)網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)際容量的提升以及節(jié)點(diǎn)能耗和負(fù)載的降低,。以網(wǎng)關(guān)負(fù)載均衡為目標(biāo),,同時(shí)考慮剩余能量和鏈路質(zhì)量因素,提出一種適合于6LoWPAN網(wǎng)絡(luò)的多網(wǎng)關(guān)部署算法,。根據(jù)樹型拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)的負(fù)載累加特性,,執(zhí)行部署算法搜索候選網(wǎng)關(guān)并確定網(wǎng)關(guān)位置。仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,,該算法能夠以與同等算法接近的網(wǎng)關(guān)數(shù)量實(shí)現(xiàn)較好的網(wǎng)關(guān)負(fù)載均衡,。
中圖分類號(hào): TN929.5;T9393.02
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A
DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.181135
中文引用格式: 何艾洲,,鄭霖,,屈啟吉. 基于6LoWPAN多網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)的網(wǎng)關(guān)部署算法[J].電子技術(shù)應(yīng)用,2018,,44(11):72-75,,80.
英文引用格式: He Aizhou,Zheng Lin,,Qu Qiji. Gateway deployment algorithm based on 6LoWPAN multi-gateway system[J]. Application of Electronic Technique,,2018,44(11):72-75,,80.
Gateway deployment algorithm based on 6LoWPAN multi-gateway system
He Aizhou,,Zheng Lin,Qu Qiji
Wideband Wireless Communications & Signal Processing Key Laboratory in Guangxi,, Guilin University of Electronic Technology,,Guilin 541004,China
Abstract: The addition of multi-gateway function and protocol in the Destination Oriented Directed Acyclic Graph (DODAG) network routing topology of 6LoWPAN is conducive to the improvement of the entire network capacity and the reduction of energy consumption and load of nodes. Aiming at gateway load balancing and considering the factors of residual energy and link quality, this paper proposes a multi-gateway deployment algorithm suitable for 6LoWPAN network. According to the load accumulation characteristics of the tree topology network, a deployment algorithm is executed to search for a candidate gateway and determine the location. Simulation results show that the algorithm can achieve better gateway load balancing with the number of gateways close to other algorithm.
Key words : 6LoWPAN network; load balance; gateway deployment

0 引言

    隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的飛速發(fā)展和日益普及,,6LoWPAN廣泛應(yīng)用于智能家居,、環(huán)境監(jiān)測和樓宇自動(dòng)化等領(lǐng)域。單網(wǎng)關(guān)架構(gòu)的6LoWPAN存在網(wǎng)關(guān)瓶頸問題,,且不利于大規(guī)模部署,。因此,多網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)將是實(shí)現(xiàn)WSN和Internet互聯(lián)的高效模式,,網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)示意如圖1所示,,其中A為根網(wǎng)關(guān),,B、C為部署網(wǎng)關(guān),。在多網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)中,,網(wǎng)關(guān)位置的選擇不僅影響節(jié)點(diǎn)間的鏈路質(zhì)量和通信延遲,而且還決定了網(wǎng)絡(luò)整體的容量,。因此,合理的網(wǎng)關(guān)部署是實(shí)現(xiàn)6LoWPAN網(wǎng)絡(luò)性能優(yōu)化的關(guān)鍵,。

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    針對(duì)6LoWPAN負(fù)載均衡問題的研究,,文獻(xiàn)[1]利用子節(jié)點(diǎn)根據(jù)鄰居節(jié)點(diǎn)的排隊(duì)率和跳距選擇父節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)負(fù)載分擔(dān),并在文獻(xiàn)[2]中對(duì)路由方案進(jìn)行了補(bǔ)充和更新,。文獻(xiàn)[3]提出一種基于負(fù)載均衡的分層路由算法,保證網(wǎng)絡(luò)負(fù)載平衡的同時(shí)提高網(wǎng)絡(luò)生存周期。在6LoWPAN多網(wǎng)的研究中,,文獻(xiàn)[4]提出一種多網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)方案,,解決網(wǎng)關(guān)瓶頸問題并提高網(wǎng)絡(luò)吞吐量。文獻(xiàn)[5]在多網(wǎng)關(guān)架構(gòu)的基礎(chǔ)上,,提出一種分布式動(dòng)態(tài)負(fù)載平衡方案實(shí)現(xiàn)全局負(fù)載平衡,。近年來基于LoRa技術(shù)的遠(yuǎn)距離無線廣域網(wǎng)(Long Rage WAN,LoRoWAN)采用多網(wǎng)關(guān)系統(tǒng),,并且在LoRaWAN上實(shí)現(xiàn)了6LoWPAN標(biāo)準(zhǔn),。

    在WSN網(wǎng)絡(luò)的sink部署研究中,從用多sink節(jié)點(diǎn)代替單sink節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)劃分方案[6]的提出,,到在多sink網(wǎng)絡(luò)中考慮布局和能耗,,提出一種基于啟發(fā)式算法的部署優(yōu)化方案[7]。為了提高多跳WSN的網(wǎng)絡(luò)生存周期,,提出基于粒子群算法的多sink節(jié)點(diǎn)部署算法[8]和分布式貪婪簇生成算法[9],,而文獻(xiàn)[10]提出兩種基于能量的sink局部搜索策略。多網(wǎng)關(guān)部署問題研究常見于WMN網(wǎng)絡(luò),,以負(fù)載均衡為目標(biāo),,通過基于權(quán)值的貪婪算法[11]、改進(jìn)雜交粒子群優(yōu)化算法[12]和優(yōu)化類聚K-means算法[13]完成網(wǎng)關(guān)部署,。在考慮網(wǎng)關(guān)實(shí)際容量的情況下,,文獻(xiàn)[14]在貪婪算法的基礎(chǔ)上定義饑餓度,提出一種能更好實(shí)現(xiàn)負(fù)載均衡的饑餓算法,。文獻(xiàn)[15]以最小化網(wǎng)絡(luò)能耗為目標(biāo),,提出一種基于啟發(fā)式的貪婪算法實(shí)現(xiàn)綠色WMN的網(wǎng)關(guān)部署。

    上述研究中,,WSN網(wǎng)絡(luò)為星型拓?fù)?,WMN網(wǎng)絡(luò)為網(wǎng)狀拓?fù)?,其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對(duì)網(wǎng)關(guān)部署的約束性小。6LoWPAN網(wǎng)絡(luò)為樹型拓?fù)?,網(wǎng)關(guān)部署算法需要考慮節(jié)點(diǎn)位置和網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞年P(guān)系,。在6LoWPAN網(wǎng)絡(luò)中,產(chǎn)生的數(shù)據(jù)流量多跳路由經(jīng)過不同的路由器(6LoWPAN Router,,6LR),,在邊界路由器(6LoWPAN Border Router,6LBR)匯聚發(fā)往Internet,。即使采用多網(wǎng)關(guān)系統(tǒng),,由于缺少網(wǎng)關(guān)均衡,也會(huì)導(dǎo)致網(wǎng)關(guān)之間負(fù)載不平衡,。本文以最小化網(wǎng)關(guān)數(shù)量和網(wǎng)關(guān)間負(fù)載均衡為目標(biāo),,在貪婪算法的思想上結(jié)合6LoWPAN樹型拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)的特殊性,提出一種基于負(fù)載的多網(wǎng)關(guān)部署算法,,以最少網(wǎng)關(guān)數(shù)量實(shí)現(xiàn)網(wǎng)關(guān)負(fù)載均衡,。

1 網(wǎng)絡(luò)模型搭建

    在6LoWPAN中考慮多網(wǎng)關(guān)部署問題,用圖G(V,,E)表示待優(yōu)化網(wǎng)絡(luò),。節(jié)點(diǎn)v∈V為6LoWPAN中的節(jié)點(diǎn),可為6LR或者6LBR,。在6LoWPAN網(wǎng)絡(luò)中,,6LR負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)發(fā)和路由IPv6數(shù)據(jù)包;而6LBR負(fù)責(zé)6LoWPAN網(wǎng)絡(luò)和其他IP網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)交互,,即實(shí)現(xiàn)網(wǎng)關(guān)功能,。設(shè)v具有一個(gè)圓形的可通信范圍,根據(jù)目標(biāo)函數(shù)選擇與在該范圍內(nèi)的節(jié)點(diǎn)建立拓?fù)溥B接,。在構(gòu)建好的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中,,與v連接的節(jié)點(diǎn)分為父節(jié)點(diǎn)Np(v)和子節(jié)點(diǎn)集Nc(v),N(v)=Np(v)+Nc(v),。由于6LoWPAN的DODAG樹型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞奶厥庑?,v至多有一個(gè)父節(jié)點(diǎn)但可以有多個(gè)子節(jié)點(diǎn)或者沒有子節(jié)點(diǎn)。對(duì)于節(jié)點(diǎn)u∈N(v),,存在邊e(u,,v)∈E,e(u,,v)為v和u之間的雙向通信鏈路,,表示節(jié)點(diǎn)v和u之間已經(jīng)建立拓?fù)溥B接。

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2 問題描述

    研究6LoWPAN多網(wǎng)關(guān)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì),,通過合理部署網(wǎng)關(guān),,使得各網(wǎng)關(guān)間負(fù)載平衡,,同時(shí)將鏈路質(zhì)量和網(wǎng)關(guān)剩余能量作為參考因素,保證網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性,。網(wǎng)關(guān)部署問題就是在單網(wǎng)關(guān)架構(gòu)下的6LoWPAN網(wǎng)絡(luò)中,,根據(jù)節(jié)點(diǎn)流量負(fù)載和綜合因子進(jìn)行網(wǎng)關(guān)選擇,用最少的網(wǎng)關(guān)數(shù)量實(shí)現(xiàn)網(wǎng)關(guān)間的負(fù)載均衡,。然后,,根據(jù)網(wǎng)關(guān)部署的結(jié)果劃分子網(wǎng)分支,將在樹型拓?fù)渲幸酝痪W(wǎng)關(guān)作為根的節(jié)點(diǎn)劃分到一個(gè)子網(wǎng)分支,。

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    條件(1)表示V中任一節(jié)點(diǎn)有且只有一個(gè)網(wǎng)關(guān),;條件(2)表示候選網(wǎng)關(guān)需要滿足的負(fù)載門限要求;條件(3)表示選擇候選網(wǎng)關(guān)中綜合因子最大的節(jié)點(diǎn)作為網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn),;條件(4)表示網(wǎng)關(guān)的負(fù)載為子網(wǎng)分支內(nèi)所有節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)本身的權(quán)值之和。將6LoWPAN多網(wǎng)關(guān)部署問題具體化:以最小網(wǎng)關(guān)數(shù)量實(shí)現(xiàn)網(wǎng)關(guān)間負(fù)載均衡,。通過考慮節(jié)點(diǎn)負(fù)載得到候選網(wǎng)關(guān),,再根據(jù)鏈路質(zhì)量和剩余能量的綜合因子,從候選網(wǎng)關(guān)中選出最優(yōu)網(wǎng)關(guān),。本文在貪婪算法的基礎(chǔ)上,,結(jié)合6LoWPAN網(wǎng)絡(luò)樹型拓?fù)涞奶攸c(diǎn),提出一種多網(wǎng)關(guān)部署算法Load-base_Placement(LP)來獲得問題的最優(yōu)解,。

3 多網(wǎng)關(guān)部署算法

3.1 算法思路

    由于6LoWPAN網(wǎng)絡(luò)采用的是樹型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),,其網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的流量負(fù)載具有累加特性。位于根節(jié)點(diǎn)和葉子節(jié)點(diǎn)之間的中間路由節(jié)點(diǎn)不僅要承擔(dān)自身流量負(fù)載,,還要負(fù)責(zé)其子節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā),。在樹型拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)中,從葉子節(jié)點(diǎn)至根節(jié)點(diǎn)流量負(fù)載累積增加,。因此,,算法采取從葉子節(jié)點(diǎn)開始沿樹型拓?fù)渫现粮泳W(wǎng)關(guān)的策略,搜索候選網(wǎng)關(guān),,并確定最佳網(wǎng)關(guān),。

    算法大致過程如下:在現(xiàn)有6LoWPAN樹型拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)中,根據(jù)各節(jié)點(diǎn)流量負(fù)載統(tǒng)計(jì)結(jié)果,,進(jìn)行權(quán)值化處理,。從距根節(jié)點(diǎn)跳距最大且有較大流量負(fù)載的葉子節(jié)點(diǎn)開始,往上至根節(jié)點(diǎn),,搜索滿足流量負(fù)載條件的候選網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn),。根據(jù)鏈路質(zhì)量和剩余能量所構(gòu)成的評(píng)價(jià)因子,在候選網(wǎng)關(guān)選擇最佳網(wǎng)關(guān)并確定對(duì)應(yīng)子網(wǎng)分支,,移除該分支與網(wǎng)絡(luò)中其他節(jié)點(diǎn)的鏈路連接,。在移除已經(jīng)確定的子網(wǎng)分支后,,更新網(wǎng)絡(luò)中剩余節(jié)點(diǎn)的流量負(fù)載值,并再次執(zhí)行搜索,,當(dāng)訪問至根網(wǎng)關(guān)時(shí)算法結(jié)束,。

3.2 算法描述

    輸入:初始的網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)序列(只有一個(gè)根網(wǎng)關(guān));

    輸出:完整的網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)序列和子網(wǎng)分支劃分方案,。

    算法步驟如下,。

    (1)訪問當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)中距根節(jié)點(diǎn)跳距最大且有較大流量負(fù)載的葉子節(jié)點(diǎn)。

    (2)對(duì)節(jié)點(diǎn)流量負(fù)載進(jìn)行判斷,,如果L(vi)<Lthreshold,,則向上訪問其父節(jié)點(diǎn),如果其父節(jié)點(diǎn)為根網(wǎng)關(guān),,則將此分支移除,;如果L(vi)>Lthreshold,則向下回溯其子節(jié)點(diǎn),,判斷是否存在滿足L(vi)>Lthreshold-T的節(jié)點(diǎn)(即候選網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)),。如果有,則判斷評(píng)價(jià)因子μ(vi)并選擇μ(v)值最大的作為最佳網(wǎng)關(guān),;否則,,確定該節(jié)點(diǎn)為網(wǎng)關(guān)。移除該網(wǎng)關(guān)分支并更新各節(jié)點(diǎn)流量負(fù)載值,,并向上訪問其父節(jié)點(diǎn),。

    (3)如果訪問至網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn),則算法結(jié)束,;否則,,跳轉(zhuǎn)至步驟(1)。

3.3 情形分析

    網(wǎng)關(guān)部署算法根據(jù)樹型拓?fù)鋸南峦线M(jìn)行搜索訪問過程中,,會(huì)出現(xiàn)3種典型情況,,具體各情況的節(jié)點(diǎn)位置關(guān)系示意圖如圖2所示。

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    類型1:N1節(jié)點(diǎn)的流量負(fù)載小于Lthreshold,,此時(shí)將N1連同其所有子節(jié)點(diǎn)一起劃分到根網(wǎng)關(guān)分支,;類型2:N3、N4均滿足候選網(wǎng)關(guān)流量負(fù)載條件,,此時(shí)根據(jù)綜合因子μ(v)選擇鏈路質(zhì)量和剩余能量綜合因子較優(yōu)的節(jié)點(diǎn)為最佳網(wǎng)關(guān),;類型3:N4節(jié)點(diǎn)的流量負(fù)載小于Lthreshold-T,同時(shí)其父節(jié)點(diǎn)N5流量負(fù)載大于Lthreshold,,此時(shí)選擇N5最為最佳網(wǎng)關(guān),。

4 算法仿真

    為了驗(yàn)證算法的正確性和有效性,在MATLAB軟件平臺(tái)上進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。模擬構(gòu)建6LoWPAN樹型拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò),,并將網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的流量負(fù)載,、鏈路質(zhì)量和剩余能量因素進(jìn)行數(shù)值化體現(xiàn)。在上述構(gòu)建的網(wǎng)絡(luò)中,,分別運(yùn)行基于流量負(fù)載的多網(wǎng)關(guān)部署算法LP和基于節(jié)點(diǎn)數(shù)量的Number-base_Placment(NP)算法完成網(wǎng)關(guān)部署,。NP算法以節(jié)點(diǎn)數(shù)作為依據(jù),劃分出樹型拓?fù)渲袧M足節(jié)點(diǎn)數(shù)量要求的子網(wǎng)分支,,并選擇分支的根節(jié)點(diǎn)作為網(wǎng)關(guān),。對(duì)比兩個(gè)算法所得到的網(wǎng)關(guān)數(shù)量K和網(wǎng)關(guān)負(fù)載均衡度Var,分析多網(wǎng)關(guān)部署算法的性能優(yōu)勢,。

4.1 仿真參數(shù)

    實(shí)驗(yàn)在120×120的區(qū)域內(nèi)隨機(jī)放置36個(gè)節(jié)點(diǎn),,模擬DODAG生成樹型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D。在6LoWPAN網(wǎng)絡(luò)中, 網(wǎng)關(guān)負(fù)載門限值Lthreshold=30,、T=5,,節(jié)點(diǎn)負(fù)載按λ=5的泊松分布生成,鏈路質(zhì)量和剩余能量綜合因子按λ=5指數(shù)分布生成,。

    在以上仿真參數(shù)下,,生成的6LoPWAN網(wǎng)絡(luò)如圖3所示,其中標(biāo)識(shí)的7號(hào)節(jié)點(diǎn)為根網(wǎng)關(guān),。

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4.2 網(wǎng)關(guān)部署方案比較

    在相同網(wǎng)絡(luò)中,分別應(yīng)用LP算法和NP算法進(jìn)行網(wǎng)關(guān)部署,。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4和圖5所示,,LP算法和NP算法將網(wǎng)絡(luò)劃分成多個(gè)分支,其中黑色標(biāo)識(shí)的節(jié)點(diǎn)為各分支的網(wǎng)關(guān),。分析可知,,LP算法最終得到6個(gè)網(wǎng)關(guān),節(jié)點(diǎn)編號(hào)為:7,、11,、15、20,、29,、33。而NP算法最終也得到6個(gè)網(wǎng)關(guān),,節(jié)點(diǎn)編號(hào)為:7,、15、18,、20,、27、28,。結(jié)果表明,,兩種算法都能實(shí)現(xiàn)6LoWPAN網(wǎng)絡(luò)的多網(wǎng)關(guān)部署,。

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4.3 網(wǎng)關(guān)數(shù)量和負(fù)載均衡比較

    在不同節(jié)點(diǎn)數(shù)量的條件下隨機(jī)生成100個(gè)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D,分別運(yùn)行LP算法和NP算法,。根據(jù)實(shí)驗(yàn)所得到的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì),,求出兩個(gè)算法所得到的網(wǎng)關(guān)數(shù)量K和網(wǎng)關(guān)負(fù)載均衡度Std的平均值,并對(duì)比分析,。

    網(wǎng)關(guān)數(shù)量比較結(jié)果如圖6所示,,在相同節(jié)點(diǎn)數(shù)量的網(wǎng)絡(luò)中,LP算法和NP算法所得到的網(wǎng)關(guān)數(shù)量大體相近,。隨著網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)數(shù)的增加,,網(wǎng)絡(luò)整體負(fù)載增加,網(wǎng)關(guān)數(shù)量隨之增加,。負(fù)載均衡度的比較結(jié)果如圖7所示,,在幾個(gè)不同網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)量的網(wǎng)絡(luò)中,LP算法所得到的Std值均小于NP,,具有更好的網(wǎng)關(guān)負(fù)載均衡,。

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    因此,LP算法能夠?qū)崿F(xiàn)6LoWPAN的多網(wǎng)關(guān)部署,,并且在利用與同等算法數(shù)量接近的網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)更好的負(fù)載均衡,。于此同時(shí),還考慮了數(shù)據(jù)鏈路質(zhì)量和網(wǎng)關(guān)剩余能量這兩個(gè)因素,,完成了6LoPWAN多網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)的多網(wǎng)關(guān)部署,。

5 結(jié)論

    本文提出基于負(fù)載的網(wǎng)關(guān)部署算法LP,利用6LoWPAN樹型拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)的特殊性,,從最深子節(jié)點(diǎn)出發(fā)搜索候選網(wǎng)關(guān),,根據(jù)綜合因子得到最佳網(wǎng)關(guān)。仿真實(shí)驗(yàn)表明,,本算法在網(wǎng)關(guān)負(fù)載均衡方面的表現(xiàn)優(yōu)勢明顯,,并且所需網(wǎng)關(guān)數(shù)量與其他算法接近。在實(shí)現(xiàn)了負(fù)載均衡的同時(shí)兼顧網(wǎng)關(guān)數(shù)量,,還考慮了鏈路質(zhì)量和剩余能量的額外因素,。

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作者信息:

何艾洲,,鄭  霖,,屈啟吉

(桂林電子科技大學(xué) 廣西無線寬帶通信與信號(hào)處理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣西 桂林541004)

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