基于粒子群优化算法的rpl负载均衡研究

ꎮ 由于低功耗有损网
于模糊层次分析法选择父节点的方案ꎬ降低了父节
络链路质量参差不齐、节点能量和处理能力受限ꎬ易
点选择的主观性ꎮ 但该方案只是改变不同路由度量
们研究和关注的热点之一
[１]
导致链路阻塞、部分节点负载较重等情况ꎬ为了保障
低功耗有损网络的稳定性ꎬ其路由优化策略尤为重
要
[２－３]
ꎮ 然而ꎬ现有 ＲＰＬ 路由协议尚未涉及有关负
子节点周围所有节点中 Ｒａｎｋ 值最低的节点作为父节点集ꎬ并根据父节点集中所有节点的负载因子和剩余能量构造适应度函
数的基础上ꎬＰＳＯ￣ＲＰＬ 借助粒子群优化算法获得了各子节点的最优父节点ꎬ从而实现了所有父节点的负载均衡ꎮ 仿真结果表
明:提出的 ＰＳＯ￣ＲＰＬ 协议实现了网络负载的有效均衡ꎬ延长了整个网络的生命周期ꎬ降低了整个网络的能量消耗ꎮ
10041699202003042907随着物联网技术的深入研究与广泛应用?网络地址资源有限的问题日益突出?为解决ipv4协议存在的这一不足?下一代互联网协议ipv6正被越来越多的推广和应用?为了实现低功耗有损网络lowpowerandlossynetworks?llns与ipv6网络的互联互通?6lowpan作为一种新型的无线传感器网络技术?具有和ipv6互联网兼容的特点?成为人们研究和关注的热点之一1?由于低功耗有损网络链路质量参差不齐节点能量和处理能力受限?易导致链路阻塞部分节点负载较重等情况?为了保障低功耗有损网络的稳定性?其路由优化策略尤为重要23?然而?现有rpl路由协议尚未涉及有关负载均衡的问题?因此?rpl在大规模网络部署或节点密集分布等环境中容易发生链路分配不均部分节点能量提前耗尽网络拓扑不合理等情况46?针对rpl路由协议的负载均衡问题?国内外学者正积极开展相关研究工作?现有工作大多聚焦在设计基于多种路由度量的目标函数?使每个子节点能够合理选择父节点?其中?文献7提出了一种基于模糊层次分析法选择父节点的方案?降低了父节点选择的主观性?但该方案只是改变不同路由度量的权重?还不能解决网络负载均衡问题?文献8以节点剩余能量和节点平均相邻距离为权重?通过计算剩余级别来选择父节点?该方案虽有效降低了传感技术学报chinatransducersseueducn第33卷能量损耗?延长了低能量节点的生存周期?但容易收敛于局部最优?导致部分父节点负载过重?文献9提出基于期望寿命的能量均衡rpl?主要以父节点和其上层所有父节点的期望寿命为路由判断依据?该方案并未增加额外的控制开销?但随着多层子节点的路径变化?引起的父节点负载并无法有效判断?因此在网络运行一段时间后?负载均衡效果会大大降低?随着群体智能技术的不断发展?粒子群优化算法particleswarmoptimization?pso因具有实现容易精度高收敛快等优点被逐渐引入到路由最短路径的计算中1012?基于粒子群优化算法?本文提出了一种rpl路由优化协议rplbasedonparticleswarmoptimization?psorpl?psorpl协议通过设计合理的目标优化函数?提出了符合实际的粒子群模型?从而计算出全局最优的负载均衡路由路径?图1dodag示例1rpl路由协议分析rpl路由协议属于距离矢量路由协议?该协议通过目标函数objectivef
基于粒子群优化算法的 ＲＰＬ 负载均衡研究 ∗
李 明ꎬ袁 敏ꎬ付康为ꎬ施 佺 ∗
( 南通大学信息科学技术学院ꎬ江苏 南通 ２２６０１９)
摘 要:针对现有 ＩＰｖ６ 路由协议在建立网络拓扑过程中未考虑负载均衡ꎬ易导致低功耗有损网络出现部分节点能量过早耗
尽、链路发生堵塞等问题ꎬ提出了一种基于父节点拥塞程度及其能量损耗的粒子群优化 ＲＰＬ 路由协议( ＰＳＯ￣ＲＰＬ) ꎮ 通过将各
ＬＩ ＭｉｎｇꎬＹＵＡＮ ＭｉｎꎬＦＵ ＫａｎｇｗｅｉꎬＳＨＩ Ｑｕａｎ
( Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ ＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙꎬＮａｎｔｏｎｇ ＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙꎬＮａｎｔｏｎｇ Ｊｉａｎｇｓｕ ２２６０１９ꎬＣｈｉｎａ)
Ａｂｓｔｒａｃｔ:Ｉｎ ｔｈｅ ｅｘｉｓｔｉｎｇ ＩＰｖ６ ｒｏｕｔｉｎｇ ｐｒｏｔｏｃｏｌꎬｌｏａｄ ｂａｌａｎｃｉｎｇ ｉｓ ｎｏｔ ｆｕｌｌｙ ｃｏｎｓｉｄｅｒｅｄ ｄｕｒｉｎｇ ｔｈｅ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｍｅｎｔ ｏｆ
第 ３３ 卷 第 ３ 期
传 感 技 术 学 报
２０２０ 年 ３ 月
ＣＨＩＮＥＳＥ ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＳＥＮＳＯＲＳ ＡＮＤ ＡＣＴＵＡＴＯＲＳ
Ｖｏｌ ３３ Ｎｏ ３
Ｍａｒ. ２０２０
ＲＰＬ Ｌｏａｄ Ｂａｌａｎｃｉｎｇ Ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｐａｒｔｉｃｌｅ Ｓｗａｒｍ Ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ Ａｌｇｏｒｉｔｈｍ∗
ａｌｌ ｎｏｄｅｓ ｉｎ ｔｈｅ ｐａｒｅｎｔ ｎｏｄｅ ｓｅｔꎬｔｈｅ ｐｒｏｐｏｓｅｄ ＰＳＯ￣ＲＰＬ ｍａｋｅｓ ａｌｌ ｔｈｅ ｃｈｉｌｄ ｎｏｄｅｓ ｆｉｎｄ ｔｈｅｉｒ ｏｐｔｉｍａｌ ｐａｒｅｎｔ ｎｏｄｅｓ
ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｈｅｌｐ ｏｆ ｐａｒｔｉｃｌｅ ｓｗａｒｍ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ａｌｇｏｒｉｔｈｍꎬｔｈｕｓ ｔｈｅ ｌｏａｄ ｏｆ ａｌｌ ｔｈｅ ｐａｒｅｎｔ ｎｏｄｅｓ ｉｓ ｂａｌａｎｃｅｄ. Ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａ￣
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ:ＩＰｖ６ꎻｌｏｗ￣ｐｏｗｅｒ ａｎｄ ｌｏｓｓｙ ｎｅｔｗｏｒｋｓꎻｐａｒｔｉｃｌｅ ｓｗａｒｍ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎꎻｌｏａｄ ｂａｌａｎｃｉｎｇꎻＲＰＬ
ＥＥＡＣＣ:６１５０Ｐꎻ７２３０ꎻ６１５０Ｍ ｄｏｉ:１０.３９６９ / ｊ.ｉｓｓｎ.１００４ － １６９９.２０２０.０３.０１８
关键词:ＩＰｖ６ꎻ低功耗有损网络ꎻ粒子群优化算法ꎻ负载均衡ꎻＲＰＬ
中图分类号:ＴＰ３９３ 文献标识码:Ａ 文章编号:１００４ － １６９９(２０２０)０３ － ０４２９ － ０７
随着物联网技术的深入研究与广泛应用ꎬ网络
载均衡的问题ꎬ因此ꎬＲＰＬ 在大规模网络部署或节
ｐａｒｔｉｃｌｅ ｓｗａｒｍ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ( ＰＳＯ) ｉｓ ｐｒｏｐｏｓｅｄ. Ｂｙ ｔａｋｉｎｇ ｔｈｅ ｎｏｄｅ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｌｏｗｅｓｔ ｒａｎｋ ｖａｌｕｅ ａｒｏｕｎｄ ｅａｃｈ ｃｈｉｌｄ
ｎｏｄｅ ａｓ ｔｈｅ ｐａｒｅｎｔ ｆｉｔｎｅｓｓ ｆｕｎｃｔｉｏｎ ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｌｏａｄ ｆａｃｔｏｒ ａｎｄ ｒｅｓｉｄｕａｌ ｅｎｅｒｇｙ ｏｆ
ｎｅｔｗｏｒｋ ｔｏｐｏｌｏｇｙꎬｗｈｉｃｈ ｍａｙ ｌｅａｄ ｔｏ ｐｒｅｍａｔｕｒｅ ｅｎｅｒｇｙ ｅｘｈａｕｓｔｉｏｎ ｏｆ ｓｏｍｅ ｎｏｄｅｓ ａｎｄ ｌｉｎｋ ｃｏｎｇｅｓｔｉｏｎ ｉｎ ｔｈｅ ｎｅｔｗｏｒｋ.
Ａｉｍｅｄ ａｔ ｔｈｉｓ ｐｒｏｂｌｅｍꎬａｎ ｉｍｐｒｏｖｅｄ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ｏｆ ＲＰＬ( Ｒｏｕｔｉｎｇ Ｐｒｏｔｏｃｏｌ ｆｏｒ Ｌｏｗ￣ｐｏｗｅｒ ａｎｄ Ｌｏｓｓｙ ｎｅｔｗｏｒｋ) ｂａｓｅｄ ｏｎ
的权重ꎬ还不能解决网络负载均衡问题ꎮ 文献[ ８]
以节点剩余能量和节点平均相邻距离为权重ꎬ通过
计算剩余级别来选择父节点ꎮ 该方案虽有效降低了
项目来源:塞尔网络下一代互联网技术创新项目( ＮＧＩＩ２０１６０７０７) ꎻ南通市科技计划项目( ＣＰ１２０１７００１)
ｔｉｏｎ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｉｓ ｐｒｏｐｏｓｅｄ ＰＳＯ￣ＲＰＬ ｐｒｏｔｏｃｏｌ ｃａｎ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙ ｂａｌａｎｃｅ ｔｈｅ ｎｅｔｗｏｒｋ ｌｏａｄꎬ ｐｒｏｌｏｎｇ ｔｈｅ ｌｉｆｅ
ｃｙｃｌｅ ａｎｄ ｒｅｄｕｃｅ ｔｈｅ ｅｎｅｒｇｙ ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｗｈｏｌｅ ｎｅｔｗｏｒｋ.
( Ｌｏｗ Ｐｏｗｅｒ ａｎｄ Ｌｏｓｓｙ ＮｅｔｗｏｒｋｓꎬＬＬＮｓ) 与 ＩＰｖ６ 网络
者正积极开展相关研究工作ꎮ 现有工作大多聚焦在
网络技术ꎬ具有和 ＩＰｖ６ 互联网兼容的特点ꎬ成为人
能够合理选择父节点ꎬ其中ꎬ文献[７] 提出了一种基
的互联互通ꎬ６ＬｏＷＰＡＮ 作为一种新型的无线传感器
设计基于多种路由度量的目标函数ꎬ使每个子节点
存在的这一不足ꎬ下一代互联网协议 ＩＰｖ６ 正被越来
节点能量提前耗尽、网络拓扑不合理等情况 [４－６] ꎮ
地址资源有限的问题日益突出ꎮ 为解决 ＩＰｖ４ 协议
越多 的 推 广 和 应 用ꎮ 为 了 实 现 低 功 耗 有 损 网 络
点密集分布等环境中容易发生链路分配不均、部分
针对 ＲＰＬ 路由协议的负载均衡问题ꎬ国内外学