面向TSCH无线传感与执行网络的混合双向IPv6组播协议MBMRF设计与性能优化

为解决WSANs中IPv6组播协议存在的流量负载不均、多信道利用率低等问题，研究人员提出MBMRF协议，通过混合上下行转发机制和优化的Orchestra调度算法，显著降低缓冲区溢出和能耗。该研究为低功耗网络的高效组播通信提供了创新解决方案。

　　

在物联网（IoT）时代，无线传感与执行网络（WSANs）作为物理与数字世界的关键桥梁，面临着资源受限与高效通信的双重挑战。传统IPv6组播协议如RPL和BMRF在低功耗网络中表现不佳，存在流量分布失衡、多信道利用不足等问题，导致节点能耗不均和网络性能下降。针对这一痛点，一项发表在《Simulation Modelling Practice and Theory》的研究提出了创新性解决方案——改进型双向IPv6组播协议MBMRF（Modified Bidirectional Multicast RPL Forwarding）。

研究团队通过Contiki操作系统在Zolertia Z1节点上实现MBMRF协议，结合多信道时分跳频（TSCH）技术和改进的Orchestra调度算法，构建了混合上下行数据转发机制。关键技术包括：1）基于动态阈值T的链路层单播/广播自适应选择；2）临时目的地负载存储表（TDPST）用于环路避免；3）混合Orchestra时隙分配策略，支持SBSD和RBSU两种新型调度模式。

研究结果揭示：

1. 混合转发模式性能：MBMRF在PDR（数据包投递率）上达到99%，较传统SMRF提升约20%，且网络级能耗降低35%。当接收节点距离源节点超过3跳时，混合模式自动倾向单播传输，减少碰撞概率。
2. 时隙长度影响：当时隙帧长度（SL）从17缩减至4时，LL广播延迟降低55%，但能耗增加15%，验证了时隙配置对性能的显著调控作用。
3. 阈值优化效应：阈值T=6时，多路径选择使PDR提高12%，而T=2时能耗最优，表明阈值动态调整可平衡可靠性与能效。
4. 内存开销：MBMRF每增加10个路由表条目需50字节RAM，虽比BMRF高20字节，但仍在Z1节点8KB容量允许范围内。

讨论部分指出，MBMRF通过混合传输模式和创新调度机制，解决了TSCH网络中组播流量动态适配的核心难题。其重要意义在于：1）为工业物联网提供可扩展的组播方案；2）通过T值计算模型实现跨层优化；3）提出的SBSD/RBSU调度规则可扩展至其他低功耗网络协议。未来工作将聚焦安全机制集成和真实双测试床验证，以应对WSANs在恶劣环境中的部署挑战。

这项研究不仅填补了TSCH网络高效组播协议的空白，其“混合自适应”的设计理念也为5G-IoT边缘网络提供了重要参考。