基于PMIPv6的传感网移动管理研究

马 磊，孙懋珩

（上海同济大学 电子与信息工程学院，上海 201804）

0 引言

无线传感器网络(WSN，Wireless Sensor Network)就是由部署在监测区域内大量廉价微型传感器节点组成，通过无线通信方式形成的一个多跳的自组织的网络系统[1]，是一种以数据为中心的长距离传输网络[2]。由低成本和低功耗的节点组成的无线传感器网络在实际生活中的应用越来越广泛，特别是在军事、医疗、教育、环境监测、运输以及工业自动化等领域中无线传感器网络扮演者越来越重要的角色[3]。

目前，无线传感器网络的发展主要受限制于两个因素：首先，无线传感器节点本身受限制于自身的协议和低功耗的特点，无法实现与互联网的“兼容”；其次，在许多实际的应用情景中需要传感器节点在大范围内移动。例如医疗监护，一些需要长期监护的对象会处于运动状态，传感器节点随之在较大范围内移动，因此需要合理的移动管理策略实现对传感器网络的移动管理。

对于前者，通过6LoWPAN(IPv6 over Low power)协议，可以实现IPv6与WSN之间实现无缝连接。而实现了“兼容”IP的无线传感器网络可以参考已有的来自IPv6的移动设备管理方案进行传感器网络的移动管理。移动IPv6技术充分利用了IPv6协议对移动性的内在支持[4]。

1 MIPv6和PMIPv6

文献[5]介绍了移动IPv6(MIPv6，Mobile Internet Protocol version 6MIPv6)和代理移动 IPv6协议(PMIPv6，Proxy MIPv6)各自的特点。MIPv6是基于主机的移动管理协议，移动节点（MN，Mobile Node）通过发送和接收大量的控制信息以确保通信的连续性以及减少丢包率，但是对于功率受限的无线传感器网络大量的控制信息的传递会导致传感器节点的能量利用率降低；PMIPv6是一种基于网络的移动管理协议，与MIPv6相比，PMIPv6协议中，移动节点协议栈不需要支持移动功能，整个切换由代理完成。

图1和图2是两者的切换示意图。比较而言使用代理处理路由切换信息的 PMIPv6协议由于不需要移动节点处理大量的移动管理过程中的信令信息更适合能量受限的无线传感器网络。

图1 MIPv6切换示意简图

图2 PMIPv6切换示意简图

2 基于代理的传感器网络移动管理策略

在 PMIPv6的基础上提出一种基于代理的分层网络移动管理策略。

2.1 网络结构

采用分层的网络设计结构；整个网络被分成不同的子网，每个子网通过一个边界网关连接到互联网；每个子网由不同的传感器网络单元组成。单个的无线传感器网络被称为一个簇[6]，而簇是最小的网络单元，簇由多个传感器节点组成，每个簇有一个簇头节点（SMAG，Sensor Mobile Access Gateway），簇头节点负责对自己所在的“簇网络”进行管理；这样做的好处是在簇内部，各节点之间可以使用IEEE802.15.4规定的16位短地址直接通信，只有在需要与外网进行通行时才需要添加IP头[7]。网络结构如图3所示，不同的WSN网络一起组成一个IP_WSN子网，子网通过一个边界路由网关（SLMA，Sensor Localized Mobility Anchor）与互联网中的路由器连接，由此实现无线传感器网络与互联网的连接。

图3 网络结构

2.2 移动管理策略

鉴于整个网络采用分层的设计结构，移动性有以下几种情况：

1）单个节点在自己的簇内移动。移动管理直接由该节点所在的簇的簇头节点控制完成。

2）单个或多个节点移动至本身所在的簇外但仍处于簇所在的子网。移动管理通过簇头节点和边界网关共同完成，这与 PMIPv6协议中的域内切换方案相同。

3）单个或多个节点移动至非己所在的子网。移动节点一旦离开所在的子网进入新的子网的网络范围，需要通过边界网关作为代理，通过控制中心进行“域间切换”。边界网关A检测到MN即将离开自身网络，便向互联网中的控制中心发送消息，与此同时新的子网中的簇头节点会检测到有新的节点移动到自身网络范围内，该簇头节点接收新的节点的同时向边界网关B发送该MN节点的地址消息，网关B通过比较来自簇头节点和控制中心的消息来确定新的节点移动到自身网络，之后发送消息更新节点的地址，并且通知控制中心进行路径更新；整个过程节点本身只需要检测并且能够连接到新的簇头节点即可而不需要节点本身支持移动协议。

4）整个簇网络同时在自己所在的子网内部移动。

5）整个簇网络向着非自己所属的子网移动。

最后两种情景，整个簇网络移动的情况可以只有簇头节点参与移动切换，这是因为簇内部的网络结构并没有发生变化。簇头节点在更新自身的地址之后将新的IP头在自己所在的簇内部广播由此来使得每一个簇成员获得新的IP头，这样每个簇成员便可以确定新的IP路由路径。在实际的应用情景中，这种基于整个簇网络移动的模型也较为实用；例如在医疗监护中，病人身体上的多个传感器节点可以组成一个小型的无线传感器网络，而这个网络是作为一个整体移动的。

移动节点在同一个网络中移动的情况可以简化为一个简单的PMIPv6模型： SMAG负责检测传感器节点的移动及与边界网关间进行绑定注册，而SLMA负责保持传感器节点可访问并为传感器节点提供网络前缀；这种移动情况被视为“域内切换”（移动节点在同一个 SLMA域，连接不同的SMAG）。在不同子网的移动由于会涉及到不同的SLMA称为“域间切换”。PMIPv6协议仅给出了移动终端在SLMA域内移动的切换管理方案，节点移动至SLMA管理范围之外的切换管理较为困难，因此通过增加了核心路由器来补充 PMIPv6域间切换的不足。涉及到域间切换时，核心路由器负责实现MN和SLMA的绑定。

3 实验与分析

切换时延是移动性管理的一项主要性能指标，如果时延过大，会引起数据包过多丢失从而影响实时通信。本节通过对 2.1节提出的网络结构模型结合2.2节的移动情况（MN移动到不同的子网）分别采用MIPv6协议和PMIPv6协议进行仿真，比较两者的切换时延。

3.1 切换时延分析

切换时间分析模型采用文献[8]中所用的模型，如图4所示，该模型定义了不同网络实体间的信令传输所消耗的时间。为了便于计算假设由通信终端（CN，Correspondent Node）到SLMA的时延是对称的，即CN连接到SLMA1和SLMA2所花费的时间是相同的，同理假设核心路由器到SLMA的通信链路也是对称的。

图4 切换模型示意

根据模型以及不同协议的特点可以得到不同协议的切换时延公式：

基于代理的方案不需要进行地址检测和 DAD过程，取而代之的是对将要连接的链路进行初始化，这部分时延为：；因此最终产生的切换时延：

3.2 仿真实验

文献[6]中提供的数据能真实的反映实际的应用情况，参考其中的数据对本文的参数进行初始化：；由于在切换发生时，移动节点MN距离前一个SMAG和新的SMAG的物理距离相差并不大，MN与两者的通信时延近似相等，所以这里取t1= t2=t= 1 0ms 。核心路由器可以视为CN与SLMA路径上的一个接入路由器，不考虑路由器处理的时间，这里取个近似≈+。

如图5所示，两种方法的切换时延都随着MN接入时延的增加而增大，但由于没有花费大量时间在DAD过程，基于代理的方案产生的时延远远小于另外一种切换方案。

图5 MN接入时延对切换时延的影响

最终的路由时延主要由CN与SLMA之间的通信时延决定。根据图6的仿真结果可以发现当路由时延不断增大的同时切换时延也在不断增加，但基于代理的方案明显优于MIPv6切换策略。

图6 路由时延对不同管理策略切换时延的影响

4 结语

采用分层的网络结构在保持无线传感器网络自身结构独立的前提下，实现单个传感器节点与互联网中的终端进行实时的信息交互；通过一个核心路由器代理切换的方案完善了 PMIPv6协议中并不支持的域间切换，以此来支持提出的分层网络的移动管理；通过仿真分析可以发现基于代理的方案产生的切换时延明显优于MIPv6协议。

[1] 郑丹玲,董宏成.无线传感器网络与其关键技术[J]. 通信技术,2008,41(08):179-180.

[2] 戴思思,唐俊华,张爱新.基于Gossip算法的定向扩散协议研究[J].信息安全与通信保密,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] 张淼,唐宏,龙薇,等.移动IPv6技术概述[J].通信技术,2007,40(09):26-28.

[5] 肖丽媛,杨家玮.网络的移动管理协议 Proxy Mobile IPv6的信令开销分析[J]. 哈尔滨工程大学学报，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.