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4. 6LoWPAN 路由的场景考虑和参数

基于 IP 的 LoWPAN 技术仍处于发展早期, 但可设想的使用场景范围非常广泛. 传感器网络的众多潜在应用表明, 网状拓扑将在 LoWPAN 环境中普遍存在, 而稳健路由将成为高效通信的必要条件. 传感器网络领域的研究已经提出了大量多跳路由算法 [Bulusu]. 大多数相关工作关注针对特定应用场景优化路由, 这些场景可以通过多种通信模式实现, 包括 [Watteyne]:

o 泛洪 (在非常小的网络中)

o 分层路由

o 地理路由

o 自组织坐标路由

根据 LoWPAN 的拓扑及其上运行的应用, 可以使用不同类型的路由. 然而, 本文档从应用特定通信中抽象出来, 描述适用于 LoWPAN 整体路由的一般路由要求.

以下参数可用于描述评估候选路由协议的具体场景.

a. 网络属性:

*  设备数量、密度和网络直径:
   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量. 特别是在大型且密集的网络中, 必须采用策略丢弃"低质量"和过期的路由条目, 以防止内存溢出.

*  连通性:
   由于外部因素或编程式断开, LoWPAN 可能处于多种连通状态, 范围从"始终连接"到"很少连接". 这对跨 LoWPAN 的动态路由发现提出了巨大挑战.

*  动态性 (包括移动性):
   位置变化可能由不可预测的外部因素或受控移动引起, 进而可能导致路由变化. 节点也可能动态加入 LoWPAN, 随后又被移除. 路由状态和控制消息量可能在很大程度上取决于 LoWPAN 中移动节点的数量和速度, 以及影响无线电传播的环境特征变化有多快、多频繁.

*  部署:
   在 LoWPAN 中, 节点可能随机散布, 也可能以有组织方式部署. 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:
   网络连通性取决于节点的空间分布以及设备数量、密度、传输范围等其他因素. 例如, 节点可以布置在网格上, 也可以随机位于某一区域内 (可用二维泊松分布建模) 等. 假设空间分布随机, 每个节点平均需要 7 个邻居才能获得约 95% 的网络连通性 (99% 连通性需要每个节点 10 个邻居) [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、可用数据速率等.

*  流量模式、拓扑和应用:
   LoWPAN 的设计及其应用要求会显著影响网络拓扑和最适合使用的路由类型. 针对不同流量模式 (点到点、多点到点、点到多点) 和网络架构, 已经开发出多种路由机制, 例如以数据为中心、事件驱动、以地址为中心和地理路由.

*  服务类别:
   当一个 LoWPAN 上混合运行不同关键性级别的应用时, 资源受限的 LoWPAN 可能需要支持多个服务类别, 并可能需要新的路由协议功能.

*  安全:
   LoWPAN 可能承载敏感信息, 并要求高水平安全支持, 其中数据的可用性、完整性和机密性至关重要. 受保护消息会带来开销, 并影响 LoWPAN 路由协议的功耗.

b. 节点参数:

*  处理速度和内存大小:
   这些基本参数定义了路由状态的最大规模及其处理复杂度上限. LoWPAN 节点可能具有不同的性能特征、排队策略和队列缓冲区大小.

*  功耗和电源:
   在 LoWPAN 中, 电池供电节点和市电供电节点的数量及其在拓扑中的位置, 会影响路由协议选择用于优化网络寿命的路径.

*  传输范围:
   该参数会影响路由. 例如, 较大的传输范围可能形成密集网络, 从而使节点拥有更多直接邻居、更高连通性以及更大的路由状态.

*  流量模式:
   该参数会影响路由, 因为高负载节点 (无论是因为它们是待传输分组的源, 还是因为执行转发) 可能造成更高交付时延, 并且比低负载节点消耗更多能量. 这同时适用于数据分组和路由控制消息.

c. 链路参数: 本节讨论适用于 IEEE 802.15.4 传统模式的链路参数, 即不使用改进调制方案的模式.

*  吞吐量:
   在理想条件下, 单个发送方和单个接收方通过非时隙 IEEE 802.15.4 2.4 GHz 信道进行批量数据传输时, 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

*  时延:
   在理想条件下, 单个发送方和单个接收方通过非时隙 IEEE 802.15.4 2.4 GHz 信道传输帧时, 根据载荷大小不同, 时延范围如下 [Latre]. 对于不可靠模式, 给出实际时延. 对于可靠模式, 给出往返时间, 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 频段的时延范围如下:

   +  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 频段的时延范围如下:

   +  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]

注意, 本节给出的一些参数可用作链路或节点评估度量. 然而, 多准则路由对 6LoWPAN 节点来说可能代价过高. 相比之下, 可以使用多种单准则度量, 并根据环境或应用选择合适度量.

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