基于PMIPv6的傳感網移動管理研究

馬 磊，孫懋珩

（上海同濟大學 電子與信息工程學院，上海 201804）

0 引言

無線傳感器網絡(WSN，Wireless Sensor Network)就是由部署在監測區域內大量廉價微型傳感器節點組成，通過無線通信方式形成的一個多跳的自組織的網絡系統[1]，是一種以數據為中心的長距離傳輸網絡[2]。由低成本和低功耗的節點組成的無線傳感器網絡在實際生活中的應用越來越廣泛，特別是在軍事、醫療、教育、環境監測、運輸以及工業自動化等領域中無線傳感器網絡扮演者越來越重要的角色[3]。

目前，無線傳感器網絡的發展主要受限制于兩個因素：首先，無線傳感器節點本身受限制于自身的協議和低功耗的特點，無法實現與互聯網的“兼容”；其次，在許多實際的應用情景中需要傳感器節點在大范圍內移動。例如醫療監護，一些需要長期監護的對象會處于運動狀態，傳感器節點隨之在較大范圍內移動，因此需要合理的移動管理策略實現對傳感器網絡的移動管理。

對于前者，通過6LoWPAN(IPv6 over Low power)協議，可以實現IPv6與WSN之間實現無縫連接。而實現了“兼容”IP的無線傳感器網絡可以參考已有的來自IPv6的移動設備管理方案進行傳感器網絡的移動管理。移動IPv6技術充分利用了IPv6協議對移動性的內在支持[4]。

1 MIPv6和PMIPv6

文獻[5]介紹了移動IPv6(MIPv6，Mobile Internet Protocol version 6MIPv6)和代理移動 IPv6協議(PMIPv6，Proxy MIPv6)各自的特點。MIPv6是基于主機的移動管理協議，移動節點（MN，Mobile Node）通過發送和接收大量的控制信息以確保通信的連續性以及減少丟包率，但是對于功率受限的無線傳感器網絡大量的控制信息的傳遞會導致傳感器節點的能量利用率降低；PMIPv6是一種基于網絡的移動管理協議，與MIPv6相比，PMIPv6協議中，移動節點協議棧不需要支持移動功能，整個切換由代理完成。

圖1和圖2是兩者的切換示意圖。比較而言使用代理處理路由切換信息的 PMIPv6協議由于不需要移動節點處理大量的移動管理過程中的信令信息更適合能量受限的無線傳感器網絡。

圖1 MIPv6切換示意簡圖

圖2 PMIPv6切換示意簡圖

2 基于代理的傳感器網絡移動管理策略

在 PMIPv6的基礎上提出一種基于代理的分層網絡移動管理策略。

2.1 網絡結構

采用分層的網絡設計結構；整個網絡被分成不同的子網，每個子網通過一個邊界網關連接到互聯網；每個子網由不同的傳感器網絡單元組成。單個的無線傳感器網絡被稱為一個簇[6]，而簇是最小的網絡單元，簇由多個傳感器節點組成，每個簇有一個簇頭節點（SMAG，Sensor Mobile Access Gateway），簇頭節點負責對自己所在的“簇網絡”進行管理；這樣做的好處是在簇內部，各節點之間可以使用IEEE802.15.4規定的16位短地址直接通信，只有在需要與外網進行通行時才需要添加IP頭[7]。網絡結構如圖3所示，不同的WSN網絡一起組成一個IP_WSN子網，子網通過一個邊界路由網關（SLMA，Sensor Localized Mobility Anchor）與互聯網中的路由器連接，由此實現無線傳感器網絡與互聯網的連接。

圖3 網絡結構

2.2 移動管理策略

鑒于整個網絡采用分層的設計結構，移動性有以下幾種情況：

1）單個節點在自己的簇內移動。移動管理直接由該節點所在的簇的簇頭節點控制完成。

2）單個或多個節點移動至本身所在的簇外但仍處于簇所在的子網。移動管理通過簇頭節點和邊界網關共同完成，這與 PMIPv6協議中的域內切換方案相同。

3）單個或多個節點移動至非己所在的子網。移動節點一旦離開所在的子網進入新的子網的網絡范圍，需要通過邊界網關作為代理，通過控制中心進行“域間切換”。邊界網關A檢測到MN即將離開自身網絡，便向互聯網中的控制中心發送消息，與此同時新的子網中的簇頭節點會檢測到有新的節點移動到自身網絡范圍內，該簇頭節點接收新的節點的同時向邊界網關B發送該MN節點的地址消息，網關B通過比較來自簇頭節點和控制中心的消息來確定新的節點移動到自身網絡，之后發送消息更新節點的地址，并且通知控制中心進行路徑更新；整個過程節點本身只需要檢測并且能夠連接到新的簇頭節點即可而不需要節點本身支持移動協議。

4）整個簇網絡同時在自己所在的子網內部移動。

5）整個簇網絡向著非自己所屬的子網移動。

最后兩種情景，整個簇網絡移動的情況可以只有簇頭節點參與移動切換，這是因為簇內部的網絡結構并沒有發生變化。簇頭節點在更新自身的地址之后將新的IP頭在自己所在的簇內部廣播由此來使得每一個簇成員獲得新的IP頭，這樣每個簇成員便可以確定新的IP路由路徑。在實際的應用情景中，這種基于整個簇網絡移動的模型也較為實用；例如在醫療監護中，病人身體上的多個傳感器節點可以組成一個小型的無線傳感器網絡，而這個網絡是作為一個整體移動的。

移動節點在同一個網絡中移動的情況可以簡化為一個簡單的PMIPv6模型： SMAG負責檢測傳感器節點的移動及與邊界網關間進行綁定注冊，而SLMA負責保持傳感器節點可訪問并為傳感器節點提供網絡前綴；這種移動情況被視為“域內切換”（移動節點在同一個 SLMA域，連接不同的SMAG）。在不同子網的移動由于會涉及到不同的SLMA稱為“域間切換”。PMIPv6協議僅給出了移動終端在SLMA域內移動的切換管理方案，節點移動至SLMA管理范圍之外的切換管理較為困難，因此通過增加了核心路由器來補充 PMIPv6域間切換的不足。涉及到域間切換時，核心路由器負責實現MN和SLMA的綁定。

3 實驗與分析

切換時延是移動性管理的一項主要性能指標，如果時延過大，會引起數據包過多丟失從而影響實時通信。本節通過對 2.1節提出的網絡結構模型結合2.2節的移動情況（MN移動到不同的子網）分別采用MIPv6協議和PMIPv6協議進行仿真，比較兩者的切換時延。

3.1 切換時延分析

切換時間分析模型采用文獻[8]中所用的模型，如圖4所示，該模型定義了不同網絡實體間的信令傳輸所消耗的時間。為了便于計算假設由通信終端（CN，Correspondent Node）到SLMA的時延是對稱的，即CN連接到SLMA1和SLMA2所花費的時間是相同的，同理假設核心路由器到SLMA的通信鏈路也是對稱的。

圖4 切換模型示意

根據模型以及不同協議的特點可以得到不同協議的切換時延公式：

基于代理的方案不需要進行地址檢測和 DAD過程，取而代之的是對將要連接的鏈路進行初始化，這部分時延為：；因此最終產生的切換時延：

3.2 仿真實驗

文獻[6]中提供的數據能真實的反映實際的應用情況，參考其中的數據對本文的參數進行初始化：；由于在切換發生時，移動節點MN距離前一個SMAG和新的SMAG的物理距離相差并不大，MN與兩者的通信時延近似相等，所以這里取t1= t2=t= 1 0ms 。核心路由器可以視為CN與SLMA路徑上的一個接入路由器，不考慮路由器處理的時間，這里取個近似≈+。

如圖5所示，兩種方法的切換時延都隨著MN接入時延的增加而增大，但由于沒有花費大量時間在DAD過程，基于代理的方案產生的時延遠遠小于另外一種切換方案。

圖5 MN接入時延對切換時延的影響

最終的路由時延主要由CN與SLMA之間的通信時延決定。根據圖6的仿真結果可以發現當路由時延不斷增大的同時切換時延也在不斷增加，但基于代理的方案明顯優于MIPv6切換策略。

圖6 路由時延對不同管理策略切換時延的影響

4 結語

采用分層的網絡結構在保持無線傳感器網絡自身結構獨立的前提下，實現單個傳感器節點與互聯網中的終端進行實時的信息交互；通過一個核心路由器代理切換的方案完善了 PMIPv6協議中并不支持的域間切換，以此來支持提出的分層網絡的移動管理；通過仿真分析可以發現基于代理的方案產生的切換時延明顯優于MIPv6協議。

[1] 鄭丹玲,董宏成.無線傳感器網絡與其關鍵技術[J]. 通信技術,2008,41(08):179-180.

[2] 戴思思,唐俊華,張愛新.基于Gossip算法的定向擴散協議研究[J].信息安全與通信保密,2010(04):45-49.

[3] OLIVEIRA L M I, Amaro F. de Sousa1, RODRIGUES J J P C. Routing and Mobility Approaches in IPv6 over LoWPAN Mesh Networks. Int[J]. J. Commun. Syst.,2011,24(11):1445-1466.

[4] 張淼,唐宏,龍薇,等.移動IPv6技術概述[J].通信技術,2007,40(09):26-28.

[5] 肖麗媛,楊家瑋.網絡的移動管理協議 Proxy Mobile IPv6的信令開銷分析[J]. 哈爾濱工程大學學報，2011,32(04):504-509.

[6] WANG Xiaonan, QIAN Huanyan. Constructing a 6LoWPAN Wireless Sensor Network Based on a Cluster Tree[J].IEEE Transactions on Vehicular Technology,2012,61(03):1398-1405.

[7] Md. Motaharul Islam, Eui-Nam Huh. A Novel Addressing Scheme for PMIPv6 Based Global IP-WSNs[J]. Sensors,2011(11):8430-8455.

[8] KONG KI-SIK, LEE WONJUN, HAN YOUN-HEE, et al.Mobility Management for ALL-IP Mobile Networks:Mobile IPV6 VS. Proxy Mobile IPV6[J]. IEEE Wireless Communications,2008,15(02):36-45.