Abstract
Dense IoT-WSNs are a subtype of IoT-WSNs in which a high density of deployed nodes and data
exchange is considered. Due to the capacity constraints of nodes in the IoT-WSN, the routing process requires a
unique design to accommodate a large amount of data while saving energy. The Internet Engineering Task Force
(IETF) develops RPL, a routing protocol for low-power lossy networks based on IPv6 that can handle a large
number of nodes. RPL nodes rely on an objective function mechanism for route selection. Each objective function
utilizes different metrics. The primary objective of this paper is to modify the RPL protocol by proposing two
objective functions to improve RPL performance over a dense network. The impact of the number of children
is also investigated. The first proposed protocol is called ENCRPL. It used three metrics: energy level, number
of neighbours, and a new metric depending on the number of children. The second protocol, called NCERPL, is
based on combining node and link metrics by using the numbers of neighbor nodes and children’s nodes as node
metrics and the expected transmission count (ETX) as a link metric. The proposed protocols are implemented and
evaluated using the Cooja simulator based on the Contiki OS. Regarding energy consumption, the results show that
the proposed protocols outperform RPL and the previously proposed protocol, called the MET protocol. ENCRPL
achieved a 93% improvement in energy savings over RPL with a density of 0.48 and 0.0075 nodes/m2. NCERPL
provides about a 14% improvement in energy savings over METRPL with a 0.48 density and a 44% improvement
with a 0.0075 density. Both ENCRPL and NCERPL achieved higher performance regarding the number of dead
nodes than RPL and METRPL in all scenarios. Considering packet delivery ratio and throughput, ENCRPL and
NCERPL perform better than RPL in high-density scenarios.
exchange is considered. Due to the capacity constraints of nodes in the IoT-WSN, the routing process requires a
unique design to accommodate a large amount of data while saving energy. The Internet Engineering Task Force
(IETF) develops RPL, a routing protocol for low-power lossy networks based on IPv6 that can handle a large
number of nodes. RPL nodes rely on an objective function mechanism for route selection. Each objective function
utilizes different metrics. The primary objective of this paper is to modify the RPL protocol by proposing two
objective functions to improve RPL performance over a dense network. The impact of the number of children
is also investigated. The first proposed protocol is called ENCRPL. It used three metrics: energy level, number
of neighbours, and a new metric depending on the number of children. The second protocol, called NCERPL, is
based on combining node and link metrics by using the numbers of neighbor nodes and children’s nodes as node
metrics and the expected transmission count (ETX) as a link metric. The proposed protocols are implemented and
evaluated using the Cooja simulator based on the Contiki OS. Regarding energy consumption, the results show that
the proposed protocols outperform RPL and the previously proposed protocol, called the MET protocol. ENCRPL
achieved a 93% improvement in energy savings over RPL with a density of 0.48 and 0.0075 nodes/m2. NCERPL
provides about a 14% improvement in energy savings over METRPL with a 0.48 density and a 44% improvement
with a 0.0075 density. Both ENCRPL and NCERPL achieved higher performance regarding the number of dead
nodes than RPL and METRPL in all scenarios. Considering packet delivery ratio and throughput, ENCRPL and
NCERPL perform better than RPL in high-density scenarios.
Keywords
Contiki-OS
Cooja
Dense IoT-WSN
ETX
Objective function
RPL
Abstract
تُعد شبكات إنترنت الأشياء والشبكات اللاسلكية الاستشعارية الكثيفة (Dense IoT-WSNs) نوعًا فرعيًا من شبكات إنترنت الأشياء والشبكات اللاسلكية الاستشعارية (IoT-WSNs)، حيث يُؤخذ بعين الاعتبار الكثافة العالية للعُقد المنتشرة وتبادل البيانات. نظرًا للقيود المفروضة على قدرة العُقد في شبكات إنترنت الأشياء والشبكات اللاسلكية الاستشعارية، يتطلب عملية التوجيه تصميمًا فريدًا لاستيعاب كمية كبيرة من البيانات مع توفير الطاقة. طورت مجموعة مهندسي الإنترنت (IETF) بروتوكول التوجيه RPL، وهو بروتوكول مخصص للشبكات منخفضة الطاقة وعالية الفقدان ويعتمد على بروتوكول الإنترنت IPv6، ويُمكنه التعامل مع عدد كبير من العُقد. تعتمد عُقد RPL على آلية دالة الهدف لاختيار المسارات. تستخدم كل دالة هدف مقاييس مختلفة. الهدف الرئيسي من هذه الورقة هو تعديل بروتوكول RPL من خلال اقتراح دالتين هدف لتحسين أداء RPL في الشبكات الكثيفة. كما تم دراسة تأثير عدد العُقد التابعة. يُطلق على البروتوكول الأول المُقترح اسم ENCRPL، حيث يستخدم ثلاثة مقاييس: مستوى الطاقة، وعدد الجيران، ومقياس جديد يعتمد على عدد العُقد التابعة. أما البروتوكول الثاني، الذي يُسمى NCERPL، فيعتمد على دمج مقاييس العُقد والروابط باستخدام عدد عُقد الجيران وعُقد الأطفال كمقاييس للعُقد، وعدد النقل المتوقع (ETX) كمقياس للرابط. تم تنفيذ وتقييم البروتوكولين المُقترحين باستخدام محاكي Cooja القائم على نظام التشغيل Contiki. فيما يتعلق باستهلاك الطاقة، تُظهر النتائج أن البروتوكولين المُقترحين يتفوقان على RPL والبروتوكول المُقترح سابقًا، المُسمى بروتوكول METRPL. حقق ENCRPL تحسينًا بنسبة 93% في توفير الطاقة مقارنةً بـ RPL بكثافة قدرها 0.48 و0.0075 عُقد/م². بينما يوفر NCERPL تحسينًا بنسبة حوالي 14% في توفير الطاقة مقارنةً بـ METRPL عند كثافة 0.48، وتحسينًا بنسبة 44% عند كثافة 0.0075. حقق كل من ENCRPL وNCERPL أداءً أعلى فيما يتعلق بعدد العُقد الميتة مقارنةً بـ RPL وMETRPL في جميع السيناريوهات. وبالنظر إلى نسبة تسليم الحزم ومعدل الإنتاجية، يتفوق ENCRPL وNCERPL على RPL في سيناريوهات الكثافة العالية.
Keywords
Contiki-OS
Cooja
ETX
RPL
دالة الهدف
شبكات الIoT-WSN الكثيفة