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1、中国移动集团重点/联合研发项目结题汇报报告,项目名称：IPv6无线传感器网络应用研究项目编号：,一.开题计划完成情况,目 录,二、主要研究成果,1.1 研究背景及目标,研究背景：全球IPv4公有地址即将耗尽，IPv6是解决地址问题的最终解决方案。2009年11月3日，温家宝总理发表了题为让科技引领中国可持续发展的讲话。温总理指出，抢占五大新兴战略性产业制高点，要着力突破传感网、物联网关键技术，及早部署后IP时代相关技术研发。中国移动总裁王建宙多次提及，物联网将会成为中国移动未来的发展重点。无线传感器是当前的应用热点，同时也是中国移动的重点发展业务，传感器应用需要大量IP地址，和IPv6具有天然
2、结合的优势。将IPv6与无线传感器网络技术结合起来的IPv6无线传感器网络引起了越来越多国内外研究机构与组织的重视；基于Zigbee协议的传统无线传感器网络无法实现诸如远程监控等端到端的IP应用；而IPv6无线传感器网络可以使得无线传感器易于接入其它基于IP技术的网络及下一代互联网;IPv6无线传感器网络是一种新兴的网络形态，它把IPv6技术融入无线传感器网络，不仅能解决无线传感器网络间、无线传感器网络与Internet间的互连互通问题，同时解决了无线传感器网络固有的缺点，如需要数量巨大的地址资源、需要实现有效地址管理机制、缺乏应有的安全机制等问题。,1.1 研究背景及目标（续）,项目目标：本
3、项目拟就IPv6、无线传感器网络和“物联网”的广泛应用进行探讨，研究其在各个领域应用的典型实例；通过对IPv6无线传感器网络应用中的主要技术开展深入研究，突破该领域的关键技术，特别是大规模应用的关键技术，并探讨和中国移动的主营业务相结合的突破点。为中国移动今后开展基于IPv6的无线传感器网络的应用和业务完成相关技术的跟踪和储备。,环境监测,1.2 应用场景,6LoWPAN技术,智能交通,太空探索,工业监控,建筑监测,远程医疗,1.3 主要研究内容及分工,IPv6无线传感器网络研究内容无线传感器网络应用的制约因素网络通信协议族构建应用层支撑技术拓扑部署、地址信息的管理、路由优化和数据搜集汇聚等关
4、键技术和算法；IPv6无线传感器网络和中国移动网络的结合以及应用场景；,搭建IPv6无线传感器网络实验平台,IPv6无线传感器网络关键技术研究、应用和优化策略,IPv6无线传感器网络的应用研究报告,相关专利申请、项目结题,试验平台体系结构,1.4 开题计划完成情况总结-研究成果,一.开题计划完成情况,目 录,二、主要研究成果,2.1 构建轻量级IPv6协议栈 6LoWPAN协议栈（1）,6LoWPAN协议架构,6LoWPAN协议研究内容,适配层包头,LoWPAN_HC1早期网络层压缩包头LoWPAN_IPHC最新网络层压缩包头LoWPAN_HC2传输层压缩包头其他正在研究的包头,路由算法,Me
5、sh underRoute overTier-Mesh,邻居发现协议,邻居发现地址注册机制,注：红色字体部分是我们重点研究的内容。,现有的6LoWPAN协议大多对硬件平台严重依赖，通过对6LoWPAN的研究，本项目中设计并实现了一个通用性好、可以在linux操作系统上运行的6LoWPAN协议。,2.1 构建轻量级IPv6协议栈 6LoWPAN协议栈（2）,IEEE802.15.4的物理层MTU值为127字节，数据帧控制开销最多要消耗25字节；数据链路层安全算法要消耗21字节；再考虑40字节IPv6包头和8字节UDP包头，剩余33字节给应用层使用；相对于33字节的应用层数据，需要94字节的管理开
6、销，有效数据的传输率不到30%；因此需要对网络层和传输层包头进行压缩，以提高网络传输效率。为了实现IPv6包头的压缩功能，RFC4944定义了LoWPAN_HC1适配层包头，其核心思想是使用本地链路网络前缀作为本机IPv6地址的前64位，然后使用EUI-64地址（通过链路层地址生成）作为本机IPv6地址的后64位，从而达到压缩IPv6地址的目的，但它只能压缩本地链路的IPv6地址，不能直接实现IPv6全局通讯；本项目设计了一个含有16个索引表项的由整个网络共享的Context表，该表记录了常用的IPv6地址前缀，通过在IPv6中使用该IPv6地址前缀CID的方式来达到简化包头长度的目的，对于6
7、4bits的IPv6前缀可以简化为4bits的地址，从而解决了全局IPv6地址通讯的问题；,6LoWPAN协议实现的包头压缩,包头压缩的核心Context表,同步问题,频率问题,抖动问题,2.2 6LoWPAN协议栈的改进,本方法的核心思想是用Context表来索引常用的IPv6地址前缀，而对Context表的维护有3个问题，分别是同步问题、频率问题和抖动问题；在实现6LoWPAN协议栈的基础上：1、解决同步周期过长的问题：网络中各个结点的Context表项必须保持一致，一旦有表项更新就需要同步到整个网络中，采用分层同步的方法来解决同步周期过长的问题：每个无线路由结点维护两个Context表；
8、各层之间的同步相互独立，各层之间的同步互不干涉，每个同步小周期只涉及到当前结点及其直接子结点。2、解决高频地址前缀判定问题：使用一张地址前缀缓存表来保留经常出现的地址前缀及其频率权值，定期将高频前缀更新到Context表中；3、解决抖动问题：在计算Context表中前缀的频率权值的时候增加一个防抖动系数，使得Context表中前缀的频率权值大于地址前缀缓存表同频率前缀的频率权值。,2.3 实验平台设备选型,JENNIC EK010开发套件,优点：支持IEEE802.15.4支持ZigBee支持改进后的6Lowpan协议栈集成温度、湿度、光度传感器问题：缺乏一个能将无线传感器网络和Interne
9、t连接起来的网关,选用Jennet开发套件,2.4 6LowPAN/IPv6的双栈网关,实现6LowPAN/IPv6的双栈网关,利用JENNIC的设备，设计了一个6LoWPAN网关的替代方案实现协议栈的转换PC机上采用linux操作系统下的C语言开发，具有通用性的优点,2.5 实验平台结果展示,在服务器上显示的结果数据,http:/121.15.171.15/index.php,2.6 IPv6无线传感器网络仿真平台 TinyOS,TinyOS是加州大学伯克利分校开发的开放源代码操作系统，专为嵌入式无线传感网络设计TinyOS是基于一种组件（ComponentBased）的架构方式，使得能够快
10、速实现各种应用,TinyOS在构建无线传感器网络时，它会有一个基地控制台，主要是用来控制各个传感器子节点，并聚集和处理它们所采集到的信息TinyOS只要在控制台发出管理信息，然后由各个节点通过无线网络互相传递，最后达到协同一致的目的,根据传感器到达网关的最小跳数把传感网络进行分级；网关节点通过路由通告报文获得全网路由信息，传感器节点获得上级节点信息；L级传感器节点只和L-1级和L+1级节点直接通信；网关维护整个无线网络的路由信息，传感器节点维护上级节点信息；引入能量选择机制，选择能量最多的上一级节点作为下一跳，以使网络负载平衡,2.7 仿真实验 Tier-Mesh路由算法,Tier-mesh路
11、由策略,注：主要较适用于节点固定，以便检测收集信息传感器网络的部署环境；,由于HiLoW协议与我们的Tier-Mesh协议应用场景相似均适用于静态路由，因此我们对两个协议进行了比较，以显示出Tier-Mesh在负载均衡上的优势；我们采用9个节点进行仿真模拟，图1表示了在相同节点部署下HiLoW与Tier-mesh算法的网络拓扑图；设每一个节点初始均有5J能量，每进行一次信息处理，比如缓存，发送队列，转发等，都要耗费0.1J的能量。每隔10s，随机选取节点向1节点，即根节点发送报文。图2为一段时间后HiLoW网络与Tier-mesh网络中节点剩余能量的对比图。从图中可以看出Tier-mesh网络
12、相比于HiLoW网络，负载更为均衡。,图1 拓扑结构,2.8 IPv6无线传感器网络仿真平台仿真结果,2.8 创新点和专利成果,创新点1、设计并实现了一个轻量级的ipv6无线传感器网络协议栈，能有效适配和移植到多种无线传感器终端；2、设计并实现了ipv6/6LowPAN的双栈网关，有效解决了ipv6无线传感器网络的端对端通讯问题；3、设计了IPv6无线传感器网络的路由优化算法，有效降低网络的能耗，提高通讯效率；专利成果已提交2个专利，均已通过省公司评审，已到集团公司评审环节一种基于IPv6传感器网络的Tier-mesh路由算法一种基于无线传感器网络传输距离控制的路由协议,2.9 效益分析,该项
13、目的研究符合国家可持续发展的重点科技项目战略需求,有助于我公司形成技术的战略制高点；有助于公司开拓IPv6无线传感器网络在移动通信领域潜在的市场和新型业务。该技术可以广泛应用于环境监测、医疗卫生、数字城管、数字水务、公车追踪、敏感车辆如运钞车警车等监控、犯人及犯罪行为监控、森林防火、海洋监控、敏感文件追踪、物流监控管理、车辆管理、手机票务、学生监控等领域或行业；为中国移动公司实现数据业务收入增加、集团客户信息化业务收入增加、客户增加以及客户捆绑等。有利于拓展IPv6宽带接入试商用网络的业务和应用，是对CNGI驻地网络的有益扩展和补充；可扩展中国移动M2M应用平台的新需求，丰富M2M平台终端接入渠道。,20,结束,谢谢大家！,
