一种6LoWPAN的移动支持方案

1、一种6LoWPAN的移动支持方案Wang Xiaonan, Zhong Shan, Zhou Rong摘要：本文提出了一种6LoWPAN的移动支持方案。在该方案中，控制信息在链路 层实现的移动的越区切换的操作，以及路由的控制信息自动地进行通过网络的拓 扑结构，从而节省了路由建立过程中功率和延迟时间消耗。此外，移动节点的在 移动处理中不需要考虑地址，越区切换时也没这个必要，从而降低了移动节点的 功耗，并延长其寿命。从理论和仿真的角度，分析性能参数，包括的越区切换的 成本，移动越区切换的延迟时间和分组损失率，分析结果表明，该性能该计划是 优于其他方案。关键词：6LoWPAN,移动切换，隧道，路由，链路层1 简介低功耗无线个人区域网络（LoWPAN）由传感节点符合标准IEEE802.15.4 的无线通信的支持。该LoWPAN节点是特点是体积小，有限的功率，有限的 计算和存储资源。无线传感器网络（WSN）是LowPAN的一个类型，所以传感 器节点可以与环境互动通过感测或控制一些物理参数。在一般情况下，传感器节 点合作，执行一项共同的任务2。一些需要新的模式，使低功耗器件参加在互 联网上。例如，

2、物联网范例已经出现，如果所有的嵌入设备和网络本机IP功 能和互联网连接。IPv6被认为是更适合于LoWPAN网络4,因为它提供双方 更大的地址空间和更好的自动配置机制。 IPv6 的低功耗无线个人区域网络（6LoWPAN的互联网工程任务组）工作组（IETF）定义了 IPv6在IEEE802.15.4 接口5,6。6LoWPAN的节点具有以下特点5：（1）微数据包的大小。由于最大 物理层数据包为 127字节，最大帧在介质访问控制层的大小为 102个八位字节；（2）支持16位的短地址或IEEE-64位扩展介质访问控制地址（3）带宽。物理 层定义的数据传输速率为250 kbps，40 kbps，20 kbps； （4）低功耗。通常情况 下，某些或所有设备是电池供电的；（5）大数量设备将在生命周期内部署。虽然 6LoWPAN的帮助，使IP-WSN端到端与外部世界的通信是可行的，由于对移动 性的支持的成本，其实施有难度。因此，信令开销过大成为一个障碍IP-WSN 应用的因素，尤其是在传感器节点在不同的领域的移动情况下，例如在病人的场 景身体无线传感器网络等8。成功的6LoWPAN的移动性支持是非

3、常重要的8,9。随着对移动业务的需求 不断增加，6LoWPAN的必须提供一个很好的方式来支持一个更大的应用价值移 动性。目前，在基于隧道的移动性协议的6LoWPAN的应用，因为移动节点要发 送和接收大量的控制信息，以确保的通信的连续性，并减少数据包的丢失速率和 传输的控制信息却消耗大量的能量。同样地，基于路由的移动性计划不能施加到 6LoWPAN的，因为移动节点周期性地发送的控制消息，以实现消耗大量移动性 管理和控制消息的网络资源量。此外，现有的移动协议网络层中的10，每个控 制信息数据包包括一个 IPv6 报头消耗了大量的能源。因此，需要提出一种低成 本6LoWPAN的移动性支持计划。考虑到6LoWPAN的特性，本文着重提出了一种低成本的6LoWPAN的移动 性支持计划：（1）控制信息交互的移动性切换在链路层进行，即控制信息在一帧中，既 不包括封装的适配层，也没有头的 IPv6 报头的网络层，所以该控制信息的传输 单元小和延迟时间采取的发送该控制信息是较短的。（2）移动性越区切换的控制信息的路由通过网络的拓扑结构自动地实现， 从而节省了所消耗的功率和延迟时间路由建立。（3）移动实体不

4、需要一个转交地址，它也不参与到移动越区切换控制的过 程中，参与从而节省了移动实体的能量并延长其寿命跨度。该文献的其余部分的组织如下。在第 2 节，我们讨论的相关工作 6LoWPAN 的移动性支持计划。我们描述和讨论所提出的网络体系结构在移动性计划建议在 第 4 节和第 3 节，表现在第 5 节。2 相关工作参考文献9阐述了 6L0WPAN的移动性支持的重要性和在实现6LoWPAN的 移动性面临的问题。由于6LoWPAN的自身特点,典型的移动性协议的特性与不适合6LoWPAN。 HMIPv6ll、FMIPv612、MIPv612的都是基于隧道的协议而且需要节点发送 和接收大量的控制信息以确保通信的连续性，并减少数据包损失率。由于消耗的 控制信息的传输大量的能量，基于隧道的移动性协议并不适用于 6LoWPAN 的。 HAWAII13和蜂窝IP12基于路由的移动性计划，其中移动节点周期性地发送路 径设置消息和路径刷新实现移动性管理的消息13，消耗大量的能量，所以它们 不会被应用到6LoWPAN的。PMIPv6的（代理服务器MIPv6）14提出的控制 之间交换的信息的本地移动锚和移动接入网关跟

5、踪移动节点的运动并建立路由 路径到达移动节点，以确保所述移动节点的通信的连续性。 PMIPv6 的有效地减 少移动节点的功率消耗，但它描述的情况，控制信息之间交换的本地移动锚和移 动接入网关进行在网络层中，而且还需要本地移动锚之间建立一个额外的隧道和 移动接入网关发送控制信息，也增加了 WSN 的功耗。另外，有两个问题仍然需 要解决的PMIPv615： （1）在PMIPv6的协议多跳通信不能被使用（2） 64比特 的网络前缀对每个移动设备来说是强制性的。参考文献15介绍了路由在6LoWPAN的移动性支持的状况，并研究可行的 解决方案支持路由和移动超过6LoWPAN的网状网络。作为一个结论，参考文献 15指出，在设计一个新的协议，以应对移动性仍然是一个悬而未决的问题，现 有的解决方案，要适应6LoWPAN的要求和资源仍是一项挑战，并指出进一步研 究6LoWPAN的移动性是必要的。6LoWPAN 的最新草案关于移动性16确定了移动性的情况下，面临的主要 挑战和安全问题类型的网络。文献17, 18提出了一种6LoWPAN的移动性支持 计划 NEMO 19，并在该计划的移动实体取得了移动性支持

6、。但是，该计划的 IPv6 有效载荷类型（移动性报头）的修改是不符合 IPv6 协议的分层设计原则。 参考文献20给出一个6LoWPAN的移动性支持计划。该计划降低了成本的移动 性越区切换和隧道的建立，但计划依赖于6LoWPAN的调度类型，以确定源节点 或一个分组的目的地节点，即由中间节点转发数据包，以确定所有的调度类型， 以确定该数据包的下一跳，这中间节点的功率消耗也增加限制了 6LoWPAN标准 的可扩展性。此外，该方案增加了适配层和 IP 层的报头结构这也增加了传感器 节点的发送功率。文献2124提出了一种6LoWPAN的移动性管理架构，假设一个传感器节点移动在PAN （个人区域网络）与多个网关节点，在体系结构中， 如果一个传感器节点的位置改变，那么它必须注册更改信息的所有网关节点，从 而增加WSN的功耗。会话发起协议（SIP） 25提出了一个SIP统一资源标识符 （URI）使用到全局识别用户和跟踪6LoWPAN的节点。然而，SIP报头格式是 太冗长要使用超过6LoWPAN的约束8。最近提出的草案266LoWPAN的网络 中使用的SIP定义了一个解决方案。一个草案由文献27采用信

7、息简化和压缩支 持移动IPv6的6LoWPAN的网络，边路由器负责压缩和解压信息符合MIPv6的 协议。参考文献 28提出了一种 6LoWPAN 的移动性切换方案的基础上预配置 的过程。在该方案中，每个移动节点都配备了合作伙伴节点信息存储在在附近的 PAN协调器，根据本PAN协调器上的信息进行预配置的过程移动节点的移动切 换以缩短移动性切换时延。在该方案中，如果移动节点相对移动，快速或突然改 变其移动角度，然后预配置过程失败。参考文献 7提出了一种基于网络的移动 支持IP-WSN协议称为传感器代理移动IPv6 （SPMIPv6的PMIPv6）的基础上， 提出了它的体系结构，消息格式信令开销，移动性，并评估其表现成本和能源消 耗。分析结果表明 SPMIPv6 显着降低了能源消耗水平。然而， SPMIPv6 具有相 同的一样的要解决的问题。参考文献 提出的整体场景扩大到LoWPAN的IP, 包括6LoWPAN的适配层报头格式封装和压缩，也集中在寻址，路由选择，自动 配置和邻居发现的问题，但它并没有给出详细的讨论移动性支持。参考文献。 29 提出了一种架构，以支持医疗传感器网络基于6LoWP

8、AN,并定义了一个协议， 开展跨WSN的移动性。在提出的协议中，移动性管理委托给系统监测病人的生 命常数，所以有一定的局限性。3 网络架构6LoWPAN的使用IEEE802.15.4标准的链路层协议，并包括三个不同的节 点：个人区域网络协调器（PAN协调器），全功能设备（FFD）和精简功能设备 （RFD）。 PAN 协调器是固定的节点， FFD 分为固定节点和移动节点。在方案 里， 6LoWPAN 标准分为多个子 PAN 且一个子 PAN 包括三种类型的节点： 6LoWPAN的网关节点，簇头节点和簇成员节点。一个6LoWPAN的网关节点是 一个PAN协调人，簇头节点是一个FFD具有路由和转发功能，簇成员是一个群 集成员节点没有一个路由和转发功能。该计划讨论的情况，一个6LoWPAN的包 括一个子PAN。一个子PAN仅包括一个6LoWPAN的网关节点无线传感器网络 与IPv6网络连接，并拥有强大的硬件资源。该计划将一成多个子PAN簇，每个 簇由一个簇头节点一些群集成员节点。一个集群由一个固定簇头节点被称为固定 的集群和集群确定移动簇头节点被称为移动的集群。一移动群集作为一个单元内 的子P

9、AN移动。一个6LoWPAN的网关节点和所有的固定的簇头节点的子PAN 形成树形结构，它被称为簇树。簇树根节点6LoWPAN的网关节点，而中间节点 和叶节点是固定的群集头节点。所有的在6LoWPAN的构建集群树木6LoWPAN 的骨干路由网络。移动集群通信的IPv6节点通过在同一子-PAN，并且固定的群 集的群集树集群中的树头节点直接与移动簇头节点被称为一个移动集群移动集 群的节点相关联。在一个瞬间移动集群只有联营节点。 6LoWPAN 的网络架构 示于图1，群集的6LoWPAN的网关节点（黑方）和多个固定的簇头节点（黑点 或黑钻)。在图 1，一个黑色的方形代表作为联营节点的一个固定的簇头节点移 动群集和一个黑色的三角形是指移动簇头节点。文献30,31提出了一种 IEEE802.15.4 簇树，其差异现有的群集树之间30,31 和集群树提出的计划如下：(1) 计划提出的节点的IPv6地址结构在一个集群中的树，包括6LoWPAN 的网关节点，集群头节点和簇成员节点和簇树与IPv6网络1的结构是一致的， 即，一个簇树对应的一个IPv6网络，一个簇对应一个IPv6子网和一个集群成员 节点对应于一台主机。(2) 在建议的簇树型结构，IPv6地址该计划提出的配置采用了层次结构拟 议的IPv6地址，通过加入一个固定的簇头节点获取其IPv6地址簇树和一个群集 成员节点获取其一个群集，降低了成本，通过加入的IPv6地址IPv6地址重复检 测。(3) 提出的计划的路由也采用了分层拟议的IPv6地址的结构，即一个数据 包发送到目标群集树通过SUB-PAN ID，然后到目标集群通过集群ID，终于到了 目的地集群成员节点通过会员ID，如表1中所示。因此，当一个集群成员节点 通信在同一个集群与簇头的IPv6地址可以被压缩成会员ID，当一个集群头节点 与其他簇头节点通信IPv6地址可以被压缩成集群ID。综上所述，簇树型结构具 有以下优势：(1) 的簇树型网络的体系结构是兼容的 IPv6 互联网的网络体系结构，例如，一个固定的簇对应到I

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