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摘 要 6LoWPAN可以动态分配16位的短地址，于是6LoWPAN工作组提出了适配层的分层路由算法（Hierarchical Routing），即HiLow算法。大部分情况下PAN Coordinator和Common Coordinator的能量、运算能力和存储空间都比普通节点丰富，为了充分运用PAN Coordinator和Common Coordinator的资源，使各节点的负载更加均衡，本文提出了非对等HiLow路由算法。
关键词 6LoWPAN；分层路由算法；HiLow；负载均衡；非对等
中图分类号：TN929.5 文献标识码：A 文章编号：1671—7597（2013）051-052-02
6LoWPAN是为了解决IPv6在IEEE 802.15.4 MAC层上通信的问题，它在网络层和MAC层之间增加了一个适配层，用于这两层之间的无缝连接，6LoWPAN需要解决的各项关键技术也都集中到适配层上。为了保证传感器的信息快速、准确、高效地送达观测者，需要在节点之间应用能够适应传感器低功耗、动态变化等特点的自组织路由协议。6LoWPAN提出了分层路由协议HiLow。
本文将在HiLow的基础上增加对PAN Coordinator和Common Coordinator资源的利用率，使负载更加均衡，网络的生存时间更长。
1 HiLow基础算法分析
6LoWPAN中路由算法有两种策略，Mesh-under和Route-under。两者的主要区别在于Mesh under的路由决策在适配层，而Route over的路由决策在网络层。HiLow算法运用了Mesh under的策略。
1.1 短地址分配
1.2 路由转发过程
1）路由节点是目的节点的祖先节点，需要符合条件AC=AA（d，AD），即目的节点深度为d的祖先节点为该路由节点。则路由节点转发IPv6数据包，下一跳节点地址为AA（d+1，AD）。
2）路由节点是目的节点的子孙节点，需要符合的条件AD=AA（m，AC），其中m表示目的节点的深度，则路由节点转发IPv6数据包，下一跳节点地址为AA（d-1，AC）。
1.3 HiLow协议的改进
HiLow协议未考虑有多个父节点可以选择的问题，也没有考虑父节点失效时链路恢复的问题，文章中提出了具体的解决方法。本文不在此处介绍了。
2 非对等的HiLow算法
在一个无线传感网络中，通常都有一个PAN Coordinator，在能量、处理能力和存储空间方面相较普通节点都有较大的优势。如果按普通节点的硬件资源来确定一个传感网中父节点的最大子节点数，可能导致PAN Coordinator的资源不能被充分利用。短地址长度为16位，因此一个无线传感网中节点的最大数量为65536。如果MC值设置得比较大时，比如设置MC为16，整个网络的深度为5，此时对PAN Coordinator的限制可能不大，但是整个网络的范围就被缩小了。如果MC值设置得比较小，比如设置MC为4，则整个网络的深度为9，网络的范围可能够大了，但此时PAN Coordinator却会被严重限制。
2.1 子节点数不对等
为了应对上述的情形，本文提出的解决方法是为PAN Coordinator设置的最大子节点数大于其它的父节点。假设PAN Coordinator的最大子节点数为P，而其他父节点的最大子节点数为MC，通常P>MC。
2.2.1 下行转发
如果目的节点是路由节点的子孙节点，则此次转发是下行转发。然后比较路由节点的深度d与PAN Coordinator得下行覆盖深度Dd。如果d=Dd，则路由节点转发该IPv6数据包，转发的下一跳节点地址是AA（d+1，AC）。
2.2.2 上行转发
如果目的节点是路由节点的祖先节点，则此次转发是上行转发。上行转发与原有的HiLow协议是相同的，转发的下一跳节点地址是AA（d-1，AC）。
3 仿真与结果分析
设置一个100 m*100 m范围的无线传感网，普通节点的通讯范围为15m，PAN Coordinator的通讯范围为50 m。假设PAN Coordinator每秒向每个节点发送一个数据包，同时每个节点每秒产生一个数据包发送个PAN Coordinator。整个网络有200个节点均匀分布在中心15m范围之外，设置参数MC=4，P=32，Dd=3，本文將统计PAN Coordinator 15m范围内的节点数量变化对整个网络上下行数据转发的影响。仿真数据如图1。
在图1中，可以看到HiLow协议与非对等HiLow上下行数据发送量的对比。在X<=MC时，即X<4时，两种协议下的上行转发数据量是相同的。这是因为非对等HiLow协议主要是用于PAN Coordinator周围节点比较密集的网络，如果能与PAN Coordinator直接通信的节点数不超过MC的话，非对等HiLow协议性能与原有的HiLow是相同的。在非对等HiLow协议下，随着X的持续增加，内层的节点的负载随之减少，外层节点数据的跳转次数也有小幅的较少，所以上行的数据转发量随之较少。
至于非对等HiLow协议下的下行数据转发，由于PAN Coordinator直接将深度大于Dd的目的节点的数据发送给目的节点的深度为Dd的祖先节点，相当于外层节点下行转发数据时减少了（Dd-1）次跳转。因此非对等HiLow下行转发数据量比HiLow协议大幅减少。
4 结论
本文改进的非对等HiLow协议，增加的代码与运算量都非常地少，可以根据网络的具体情况灵活地设置参数，达到改善整个网络的目的。
注：本文由以下项目资助：2013CB329104，61071090，61171093，2011ZX03005-004-003，11KJA510001，BK2011027.
参考文献
[1]N. Kushalnagar.， Montenegro， G. ， Hui， J.， and D. Culler ，"6LoWPAN ： Transmission of IPv6 Packets over IEEE 802.15.4 Networks"， Feb 2007.405.
[2]K. Kim， S. Daniel Park， J. Lee， "Hierarchical Routing over 6LoWPAN （HiLow）"，draft-daniel-6lowpan-hilow-hierarchical-routing-01.txt，2007.
[3]Choon-Sung Nam， Hee-Jin Jeong and Dong-Ryeol Shin. Extended Hierarchical Routing over 6LoWPAN [Z].Fourth International Conference on Networked Computing and Advanced Information Management，2-4 Sept.2008.
作者简介
李明（1988-），男，硕士研究生，研究方向：物联网。
通信联系人：杨龙祥（1966-），男，博士生导师、教授，研究方向：协同通信关键技术，4G和LTE移动通信系统的关键技术研究，泛在网络与物联网技术，移动通信系统设计、规划和优化研究。
关键词 6LoWPAN；分层路由算法；HiLow；负载均衡；非对等
中图分类号：TN929.5 文献标识码：A 文章编号：1671—7597（2013）051-052-02
6LoWPAN是为了解决IPv6在IEEE 802.15.4 MAC层上通信的问题，它在网络层和MAC层之间增加了一个适配层，用于这两层之间的无缝连接，6LoWPAN需要解决的各项关键技术也都集中到适配层上。为了保证传感器的信息快速、准确、高效地送达观测者，需要在节点之间应用能够适应传感器低功耗、动态变化等特点的自组织路由协议。6LoWPAN提出了分层路由协议HiLow。
本文将在HiLow的基础上增加对PAN Coordinator和Common Coordinator资源的利用率，使负载更加均衡，网络的生存时间更长。
1 HiLow基础算法分析
6LoWPAN中路由算法有两种策略，Mesh-under和Route-under。两者的主要区别在于Mesh under的路由决策在适配层，而Route over的路由决策在网络层。HiLow算法运用了Mesh under的策略。
1.1 短地址分配
1.2 路由转发过程
1）路由节点是目的节点的祖先节点，需要符合条件AC=AA（d，AD），即目的节点深度为d的祖先节点为该路由节点。则路由节点转发IPv6数据包，下一跳节点地址为AA（d+1，AD）。
2）路由节点是目的节点的子孙节点，需要符合的条件AD=AA（m，AC），其中m表示目的节点的深度，则路由节点转发IPv6数据包，下一跳节点地址为AA（d-1，AC）。
1.3 HiLow协议的改进
HiLow协议未考虑有多个父节点可以选择的问题，也没有考虑父节点失效时链路恢复的问题，文章中提出了具体的解决方法。本文不在此处介绍了。
2 非对等的HiLow算法
在一个无线传感网络中，通常都有一个PAN Coordinator，在能量、处理能力和存储空间方面相较普通节点都有较大的优势。如果按普通节点的硬件资源来确定一个传感网中父节点的最大子节点数，可能导致PAN Coordinator的资源不能被充分利用。短地址长度为16位，因此一个无线传感网中节点的最大数量为65536。如果MC值设置得比较大时，比如设置MC为16，整个网络的深度为5，此时对PAN Coordinator的限制可能不大，但是整个网络的范围就被缩小了。如果MC值设置得比较小，比如设置MC为4，则整个网络的深度为9，网络的范围可能够大了，但此时PAN Coordinator却会被严重限制。
2.1 子节点数不对等
为了应对上述的情形，本文提出的解决方法是为PAN Coordinator设置的最大子节点数大于其它的父节点。假设PAN Coordinator的最大子节点数为P，而其他父节点的最大子节点数为MC，通常P>MC。
2.2.1 下行转发
如果目的节点是路由节点的子孙节点，则此次转发是下行转发。然后比较路由节点的深度d与PAN Coordinator得下行覆盖深度Dd。如果d
2.2.2 上行转发
如果目的节点是路由节点的祖先节点，则此次转发是上行转发。上行转发与原有的HiLow协议是相同的，转发的下一跳节点地址是AA（d-1，AC）。
3 仿真与结果分析
设置一个100 m*100 m范围的无线传感网，普通节点的通讯范围为15m，PAN Coordinator的通讯范围为50 m。假设PAN Coordinator每秒向每个节点发送一个数据包，同时每个节点每秒产生一个数据包发送个PAN Coordinator。整个网络有200个节点均匀分布在中心15m范围之外，设置参数MC=4，P=32，Dd=3，本文將统计PAN Coordinator 15m范围内的节点数量变化对整个网络上下行数据转发的影响。仿真数据如图1。
在图1中，可以看到HiLow协议与非对等HiLow上下行数据发送量的对比。在X<=MC时，即X<4时，两种协议下的上行转发数据量是相同的。这是因为非对等HiLow协议主要是用于PAN Coordinator周围节点比较密集的网络，如果能与PAN Coordinator直接通信的节点数不超过MC的话，非对等HiLow协议性能与原有的HiLow是相同的。在非对等HiLow协议下，随着X的持续增加，内层的节点的负载随之减少，外层节点数据的跳转次数也有小幅的较少，所以上行的数据转发量随之较少。
至于非对等HiLow协议下的下行数据转发，由于PAN Coordinator直接将深度大于Dd的目的节点的数据发送给目的节点的深度为Dd的祖先节点，相当于外层节点下行转发数据时减少了（Dd-1）次跳转。因此非对等HiLow下行转发数据量比HiLow协议大幅减少。
4 结论
本文改进的非对等HiLow协议，增加的代码与运算量都非常地少，可以根据网络的具体情况灵活地设置参数，达到改善整个网络的目的。
注：本文由以下项目资助：2013CB329104，61071090，61171093，2011ZX03005-004-003，11KJA510001，BK2011027.
参考文献
[1]N. Kushalnagar.， Montenegro， G. ， Hui， J.， and D. Culler ，"6LoWPAN ： Transmission of IPv6 Packets over IEEE 802.15.4 Networks"， Feb 2007.405.
[2]K. Kim， S. Daniel Park， J. Lee， "Hierarchical Routing over 6LoWPAN （HiLow）"，draft-daniel-6lowpan-hilow-hierarchical-routing-01.txt，2007.
[3]Choon-Sung Nam， Hee-Jin Jeong and Dong-Ryeol Shin. Extended Hierarchical Routing over 6LoWPAN [Z].Fourth International Conference on Networked Computing and Advanced Information Management，2-4 Sept.2008.
作者简介
李明（1988-），男，硕士研究生，研究方向：物联网。
通信联系人：杨龙祥（1966-），男，博士生导师、教授，研究方向：协同通信关键技术，4G和LTE移动通信系统的关键技术研究，泛在网络与物联网技术，移动通信系统设计、规划和优化研究。