4. Scenario Considerations and Parameters for 6LoWPAN Routing (6LoWPAN 路由的场景考虑和参数)

基于 IP 的 LoWPAN 技术仍处于其发展的早期阶段, 但可以想象的使用场景范围是巨大的. 传感器网络的众多可能应用表明, 网状拓扑将在 LoWPAN 环境中普遍存在, 而健壮的路由将是快速通信的必要条件. 传感器网络领域的研究工作提出了大量的多跳路由算法 [Bulusu]. 大多数相关工作专注于为特定应用场景优化路由, 这些场景可以使用多种通信模式来实现, 包括以下模式 [Watteyne]:

o 泛洪 (Flooding)（在非常小的网络中）

o 分层路由 (Hierarchical routing)

o 地理路由 (Geographic routing)

o 自组织坐标路由 (Self-organizing coordinate routing)

根据 LoWPAN 的拓扑结构和在其上运行的应用程序, 可以使用不同类型的路由. 然而, 本文档抽象于特定于应用的通信, 并描述了对 LoWPAN 中整体路由有效的通用路由需求.

以下参数可用于描述可以评估候选路由协议的特定场景.

a. 网络属性 (Network Properties):

• 设备数量, 密度和网络直径 (Number of Devices, Density, and Network Diameter): 这些参数通常直接影响路由状态（例如, 路由表或邻居列表中的条目数）. 特别是在大型和密集的网络中, 必须应用策略来丢弃"低质量"和陈旧的路由条目, 以防止内存溢出.

• 连接性 (Connectivity): 由于外部因素或程序化断开连接, LoWPAN 可以处于多种连接状态 -- 从"始终连接"到"很少连接"的任何范围. 这对跨 LoWPAN 的路由动态发现提出了巨大挑战.

• 动态性（包括移动性）(Dynamicity, including mobility): 位置变化可以由不可预测的外部因素或受控运动引起, 这反过来可能导致路由变化. 此外, 节点可以动态引入 LoWPAN 并稍后从中移除. 路由状态和控制消息的数量可能在很大程度上取决于 LoWPAN 中移动节点的数量及其速度, 以及影响无线电传播的环境特性变化的速度和频率.

• 部署 (Deployment): 在 LoWPAN 中, 节点可以随机散布, 也可以以有组织的方式部署. 部署可以一次完成, 也可以作为迭代过程进行, 这也可能影响路由状态.

• 节点和网关的空间分布 (Spatial Distribution of Nodes and Gateways): 网络连接性取决于节点的空间分布以及其他因素, 例如设备数量, 密度和传输范围. 例如, 节点可以放置在网格上, 或随机位于一个区域中（可以通过二维泊松分布建模）等. 假设随机空间分布, 每个节点平均需要 7 个邻居才能实现大约 95% 的网络连接性（每个节点需要 10 个邻居才能实现 99% 的连接性）[Kuhn]. 此外, 如果 LoWPAN 通过称为网关的基础设施节点连接到其他网络, 这些网关的数量和空间分布会影响网络拥塞和可用数据速率等因素.

• 流量模式, 拓扑和应用 (Traffic Patterns, Topology, and Applications): LoWPAN 的设计及其应用的需求对网络拓扑和要使用的最有效路由类型有很大影响. 对于不同的流量模式（点对点, 多点对点, 点对多点）和网络架构, 已经开发了各种路由机制, 例如以数据为中心 (data-centric), 事件驱动 (event-driven), 以地址为中心 (address-centric) 和地理路由 (geographic routing).

• 服务等级 (Classes of Service): 对于在一个 LoWPAN 上混合不同关键性的应用, 在资源受限的 LoWPAN 中可能需要支持多个服务等级, 并且可能需要新的路由协议功能.

• 安全性 (Security): LoWPAN 可能携带敏感信息并需要高级别的安全支持, 其中数据的可用性, 完整性和机密性至关重要. 安全消息会导致开销并影响 LoWPAN 路由协议的功耗.

b. 节点参数 (Node Parameters):

• 处理速度和内存大小 (Processing Speed and Memory Size): 这些基本参数定义了路由状态的最大大小和其处理的最大复杂度. LoWPAN 节点可能具有不同的性能特性, 排队策略和队列缓冲区大小.

• 功耗和电源 (Power Consumption and Power Source): 电池供电节点和市电供电节点的数量及其在 LoWPAN 中创建的拓扑中的位置影响路由协议选择优化网络生命周期的路径.

• 传输范围 (Transmission Range): 此参数影响路由. 例如, 高传输范围可能导致密集网络, 这反过来导致节点的更多直接邻居, 更高的连接性和更大的路由状态.

• 流量模式 (Traffic Pattern): 此参数影响路由, 因为高负载节点（无论是因为它们是要传输的数据包的源还是由于转发）可能导致更高的传递延迟, 并且可能比轻负载节点消耗更多的能量. 这适用于数据包和路由控制消息.

c. 链路参数 (Link Parameters): 本节讨论适用于 IEEE 802.15.4 传统模式（即不使用改进的调制方案）的链路参数.

• 吞吐量 (Throughput): 在理想条件下, 通过无时隙 IEEE 802.15.4 2.4 GHz 信道在单个发送方和单个接收方之间的批量数据传输的最大用户数据吞吐量如下 [Latre]:

  • 16 位 MAC 地址, 不可靠模式: 151.6 kbit/s
  • 16 位 MAC 地址, 可靠模式: 139.0 kbit/s
  • 64 位 MAC 地址, 不可靠模式: 135.6 kbit/s
  • 64 位 MAC 地址, 可靠模式: 124.4 kbit/s

  915 MHz 频段的吞吐量如下:

  • 16 位 MAC 地址, 不可靠模式: 31.1 kbit/s
  • 16 位 MAC 地址, 可靠模式: 28.6 kbit/s
  • 64 位 MAC 地址, 不可靠模式: 27.8 kbit/s
  • 64 位 MAC 地址, 可靠模式: 25.6 kbit/s

  868 MHz 频段的吞吐量如下:

  • 16 位 MAC 地址, 不可靠模式: 15.5 kbit/s
  • 16 位 MAC 地址, 可靠模式: 14.3 kbit/s
  • 64 位 MAC 地址, 不可靠模式: 13.9 kbit/s
  • 64 位 MAC 地址, 可靠模式: 12.8 kbit/s

• 延迟 (Latency): 在理想条件下, 通过无时隙 IEEE 802.15.4 2.4 GHz 信道在单个发送方和单个接收方之间的帧传输的延迟范围（取决于有效载荷大小）如下所示 [Latre]. 对于不可靠模式, 提供实际延迟. 对于可靠模式, 提供往返时间, 包括第 2 层确认的传输:

  • 16 位 MAC 地址, 不可靠模式: [1.92 ms, 6.02 ms]
  • 16 位 MAC 地址, 可靠模式: [2.46 ms, 6.56 ms]
  • 64 位 MAC 地址, 不可靠模式: [2.75 ms, 6.02 ms]
  • 64 位 MAC 地址, 可靠模式: [3.30 ms, 6.56 ms]

  915 MHz 频段的延迟范围如下:

  • 16 位 MAC 地址, 不可靠模式: [5.85 ms, 29.35 ms]
  • 16 位 MAC 地址, 可靠模式: [8.35 ms, 31.85 ms]
  • 64 位 MAC 地址, 不可靠模式: [8.95 ms, 29.35 ms]
  • 64 位 MAC 地址, 可靠模式: [11.45 ms, 31.82 ms]

  868 MHz 频段的延迟范围如下:

  • 16 位 MAC 地址, 不可靠模式: [11.7 ms, 58.7 ms]
  • 16 位 MAC 地址, 可靠模式: [16.7 ms, 63.7 ms]
  • 64 位 MAC 地址, 不可靠模式: [17.9 ms, 58.7 ms]
  • 64 位 MAC 地址, 可靠模式: [22.9 ms, 63.7 ms]

请注意, 本节中呈现的一些参数可能用作链路或节点评估指标. 然而, 多标准路由对于 6LoWPAN 节点来说可能太昂贵. 相反, 可以使用各种单标准指标并可以选择适合环境或应用的指标.

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