Int ern at i onal  Journ al of Ele ctrical  an d  Co mput er  En gin eeri ng   (IJ E C E)   Vo l.   9 , No .   5 ,  Octo ber   201 9 , pp.  4238 ~ 42 49   IS S N:  20 88 - 8708 ,  DOI: 10 .11 591/ ijece . v 9 i 5 . pp4238 - 42 49           4238       Journ al h om e page :  http: // ia es core .c om/ journa ls /i ndex. ph p/IJECE   The imp rovemen t o f  node m obility  in RPL  to  inc rease  transmi ssion effici ency       Pak Sat anasaowap ak,  Chat chai K hun boa   Depa rtment  o f  C om pute r  Engi n e eri ng,   Khon Ka e n  Univer sit y ,   Th ai l and       Art ic le  In f o     ABSTR A CT   Art ic le  history:   Re cei ved   De c   25 , 201 8   Re vised  A pr   11 , 2 01 9   Accepte d  Apr   1 9 , 201 9       The   Int ern e t  of   T hing  has  ga ine d  i nte rest ed  to   use  f or  dai l y   device s  t o  industri a l  appl i ca t ions.  Miss ion - cri tica l  a ppli c at ions  suc h  as  conne c ted  ca r   an d   hea l thc ar e   servi ce s  r equi re   r ea l - ti m e  comm unic at ions  and   m obil i t y   suppor t .   The   6 LoWP AN   protoc ol   and  IPv 6  Routi ng  Proto c ol  for  Low  Pow er  and  Los s y   Networks  (RPL)   hav e   bec om e   t he  st anda rd   for   the  IoT .   How ev er,  th e  RP L   protoc ol   is  un able  to   support   the  a ppli c at ion   req u ir ement  ca using   fr om   the   h igh  net work  over h e ad,   long  m essag e  l at en c y   and  h igh  pa cke t   loss  rat e   due  to  m obil ity .   Thus,   in  thi s   paper,   w e  propos e   a   new   cost   m etric   co m bini ng  th e  num ber   of  hops,  RS SI  val ues,   a nd  the   sum m at ion  of  dela y   to  e nhanc e  RP L   m obil ity .   In  addition,   we   def in e  t he  m ovement  no ti ficat ion   for  th e  m obil e  node   to  ac t iva t e   m obil e   de te c ti on   an d  par ent  sel ec t i on  proc esses.  F ina lly ,   w e   pre sente d   a   com par ative   stud y   o f  the  improved   RP L  protoc o ls  i n  te rm s  of   pac ke t  d eliver y   rat io ,   end - to - end   de lay   and   th e   n um ber   of   cont ro l  m essage s.   The   r esult  show s  tha t   improved   RP L  proto col  with  th e   n ew  c ost  m et ric s   provide s a   high   pac ke t  d el iv er y   r at io   and   offe rs  a low mess age   l atenc y .   Ke yw or d s :   Mob il it y   New cost  m et ri c   Re li abili t y network   RPL   Copyright   ©   201 9   Instit ut e  o f Ad vanc ed   Engi n ee r ing  and  S cienc e .    Al l   rights re serv ed .   Corres pond in g  Aut h or :   Chatc hai  Khu nboa ,    Dep a rtm ent o f C om pu te r  E ng i neer i ng,   Kho n Kaen  Un iversity ,   123  M oo  16 Mi tt rap ha p  R oad, N ai - Mua ng, M uang   Distric t, Kh on K ae n, 4000 2,   Thail an d.   Em a il : chatc hai@kku.ac.t h       1.   INTROD U CTION     To day,  the   I nt ern et   of  T hing s  (IoT )  has  bee n  widely   im ple m ented  in   m any  app li cat io ns   in  daily   use   to  m achine - to - m achine  (M2 M)  com m un ic at ion s.  Io T  de vi ces,  nam ed  sm art  ob je ct s,  a re  capa ble  of  acce ssing  data  f ro m   it s  e nv i ronm ent  or  co m m un ic at ing   with   hum ans  and  ot her s su c h  as  a real - ti m e  m on it or ing  obj ect   t o  track   patie nts   on  t he   m ov e  in   t he  hos pital ,  cl inic  or  reside nc e.  T hey  ca n  al e rt  do ct or s   or  th ei r  sta f fs   to   a   pa ti en t’s  worse ning  co ndit ion s;  as  a  re su lt ,  doct ors  ca n  hel p  the  pati ents  in  tim e.  Also ,  the  sm art  obj ect s  ca n  be  us e d  to  analy ze  the  tra ff ic   fl ow   a nd  s end   t he  in form at ion   to  t he  ve hicle s  on  the  r oad   a nd  street   l igh ts  or   to  ve hi cl es  to   al ert m oto rists of an  acc ide nt  ahead.   The  I Pv6  R ou t ing   P r oto c ol  f or   L ow  P ow e r   and   Lossy   Ne tworks  (RPL )  [1 ]   is  a  m ulti - hop  routin g  protoc ol  run   over   Bl ueto oth  Lo w  E ne rg y   ( BLE),   ZigBee   IP   an d  ISA   10 0.11 a .  R PL  t opology  is   orga ni zed  a s  a   Directi on - Or ie nted   Directe d  Acycl ic   Gr a ph   ( DOD AG)  s ui ta ble  f or  a  non - m ob il it y  env ir on m ent.  As  t he   sm art   obj ect   em bed de d  in   the  m ob il e  de vice,  it   is  a   chall en ge  to   im pr ov e  t he  RP L  prot oco l  t o  s upport  th e  m ob il ity  of   Io T  i n  the  f utur e.  Ba sed  on   t he   Directed  Acycl ic   Gr ap h  ( D A G) ,  t he  to po l ogy  of   RPL  perform s  as  a  par en t - child   relat ion s hip.  E ach  node  i n  t he  DOD AG  is  assig ned  a  ra nk  w hich   co rresp onding  t o  node  l ocati on  in  the   DOD AG.  T he   rank  of  th e  node  is   hi gh e r  w hen  it   locat es   f ur t her  away   f r om   the  r oo t.   T he  node   wit h  a   lo wer  rank  perf or m s  as  the  par e nt  node   w hile  the  h ig her  ra nk  be com es  the  child  node.  T his  re la ti on sh i p  determ ines   the d e fa ult rout e o f  d at a  on th e n et w ork. T he  r oute  m ai ntenan ce  dep e nds  on the  ex c ha ng e  o f  contr ol m es sages   wh ic h  a re  DIS  (DODA G  Inf orm ation   S olici ta ti on ) ,  DIO  ( D ODA G  Inform at ion   O bj ect )  a nd  D A O  (D e sti nation  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
In t J  Elec  &  C om p  En g     IS S N:  20 88 - 8708       Th e i mp r ove m ent o f  node  mo bili ty  in  RPL  to  incre as e tr an s missio n  ef fi ci ency   ( Pak  Sata nasaow apak )   4239   Adve rtisem ent  O bject )   in   th e  RPL   al gorit hm .  In  a dd it io n,  the   tric kle  a lgorit hm   [2 ]   pro vid es   th e  ti m ing   of  exch a ngin g  t h e   co ntr ol m essa ges  sc he du le .   In  the  m ob il it y  en vir on m ent,  the  m ob il e  no de   re qu ire s  to   se le ct   a  ne w  par e nt  in  orde r  t o  m ai ntain  it s  connecti vity   in   the   net work.  All  no des  re quire  e xch a ngin g  m essages  to   s el ect   a  ne w   pa r ent  wh ic h  ca use s  a  l ot   of   c on t ro l  m es sage  ove rh ea d  and   i ncr ease b oth   the d el ay   and  p ac ket  loss.   In  p are nt  sel ect ion ,  the  m ob il e  node   needs  ne tw ork  inf or m at ion   f r om   the  DIO  m essage  se nt  by  it s  neig hbor  wh ic h  per i od ic al ly   transm it s  or   in voke s   by  the   DIS  m essage.   Be side s,   a  node   m us t  c on ti nual ly   m onit or   it s  co nnect ivit y  durin g  m ob il it y  to   init ia te   the  par e nt selec ti on  process . T hus,  the  n et work  connecti on m ain ta ins  c onti nuously  dur i ng h a ndover .   Node   m ob il it y  cau ses  t he   pa cket  l os s   an d  ne w  pa ren t   no de s  to   be  resele ct ed  wh e n  the   m ob il e  node   m ov es  out   of  t he  pa ren t.   In  t hi s  case,   the   m ob il e  node   m us t  ch an ge   the   ne w  pa ren t   before   this   happe ns ,   w hic h  the  new  pa re nt  m us t  b e  r esel ect ed  with   the  a ppr opri at e  co nd it io ns  (e. g.,  s horte st  path ,  reli abili ty ,     and lo w dela y) . In  t his pr oces s,  the  num ber   of co ntr ol m es sages  m us t be   pro per ly  used .    In  this  pa per,  we  i ntrod uce  a   m echan ism   fo r   m ob il e  detect ion  a nd  pa re nt  s el ect ion .  D ur i ng  t he  m ob il e  detect ion,  a  pa ren t  node  c onti nuously   m on it or s  Re cei ved  Sign al   Stren gt h  I ndic at ion   ( RSSI)  val ues  f ro m   the   m ob il e  no de .  The n,   the  pa re nt  node   sen ds   a  con t ro l  m essage  to  act ivate   the  pa ren t  sel ect ion   process   at   the  m ob il e  node  w hen  it   detect s  R SSI  val ues  a r e  lo wer  tha n  a   t hr es hold.   T o  se le ct   a  ne w   pa re nt,  we   pro pose  a  ne w  cost m et ric b ased  on the  num ber o f hops , R SSI   val ues,  a nd the  s um  o f  de la ys.   Our per form ance ev al uatio n  s hows  t hat the s yst e m  h as a h igh   pac ket d el iv ery rati o,  a  lo w  en d - to - e nd   delay ,  a nd  a  s uitable   nu m ber  of  c on t ro l  m essages   to  m anag e  m ob il it y.  The  rest  of  the   pa per  is  orga ni zed  as   fo ll ows.   Sect i on  2  c ov e rs   the   backg rou nd  of  the  RP L  proto col  a nd  t he  m echan ism s  of  m ob il it y.  I n  sect ion  3,  we  pro po se   a  m et ho dolo gy  t o  s upport   no de   m ob il it y.  Then   we  br ie fly   de scribe   the  e xp erim ent  and   re su lt s  in   sect ion   4. Final ly , s ect ion   5  c oncl udes t his p a per.       2.   BACKG ROU ND   The  R PL  proto col  has  bee n  w idely   i m ple m e nted   to  sup port  I oT  de vices.  T hough  the   de ve lop m ent  of   the  RPL   prot oc ol  pr ov i des  s ucce ss fu ll y  hi gh  an d  reli abl e  data  delive r y,  it   is  unable   to  s upport   in   m ob il e   env i ronm ents.  Be cause   of  m ob il i ty ,  a  m ob il e  node   re qu i res  both   m ob il e  detect io n  a nd  pa ren t   sel ect ion  processes   to   m ai ntain  netw ork  c onnecti vity .   D ur i ng  m ob il it y,  a  m ob il e  no de  obser ves   it s  co nnect ivit y  be fore  invok i ng to  ini ti at e it s p are nt  sel ect ion . T he r e are  v a rio us  a ppr oach es  fo r m ob il e d et ect i on s uch as  the  us e  of  a   sibli ng   node  t o  recei ve  the   data  f ro m   the  m ob il e  node   instea d  of   directl y  us in g  the  pa ren t  node  [ 3],     ME - RPL  [4 ]   a nd  m RPL  [5 ]   adjustin g  of   t he  DI S   m essage  inter val,  Co - RP L  [ 6]  set ti ng   th e  broa dcast  of   t he  DIS   m essage  t o  re quest   t he  D IO  m essage,   an d  c hangin g  the   DIO  m essage   inte rv al   by   the   r ev erse  t rickle   al gorithm   [7 ] .   In   t he  par e nt  s el ect ion   pr oces s,  the  m ob il e  node   sel ect s  a  ne w  par e nt  by  c om par ing  cost  m et rics  in   D I O  m essages  from   i ts  neighb or s .  Re ga rd i ng   the  sta ndar dized  RPL  pr oto c ol,  the  best  par e nt   sel ect ion   de pe nds   on   t he  O bject iv e  Functi on   (OF ).   Cu rr e ntly ,  th ere  are  tw o  de f ined  obj ect ive  functi ons:  O bject ive  Fu nctio n  Zer o  (O F 0)  [ 8]  an d  Mi ni m u m   Ra nk   with  Hyste re sis  Objecti ve  F un ct io n  (MRH OF )  [ 9].  Wh e n  the  OF0  is  a ppli ed,   the  nei ghbor  node   with   the  be st  rank  will   be  sel ect ed  as  the   par e nt  node.   I n  the  case  of  the   MR HOF,  the   par e nt  node  is  sel ect ed  by  ra nk  with  Ex p ect ed  T ransm issi on   Co unt  (ETX)  val ue.   More ov e r,   different  pa re nt  sel ect io n  te chn iq ues  ha ve   been   pro pos ed  suc h  as  t he   Link   Q ualit y  Indicat or   (L QI),  ET X,   RS SI ,   et c.  MoMoR o  [10]  pro po se d  t he  fuzzy   est i m at or   to  e valuate  t he  qual it y  of   c onne ct ion   s o  t hat  th e  qu antit y  val ue s  co uld  be   co nverte d  into a val ue   of   cost m et rics.   Ther e  are  m any tec hn iq ues  to  so l ve  the  prob lem  o f node m ob il it y:   -   Ti m er  m echan ism :   This  m echan ism   is  to  m a nag e   the   num ber   of  co ntr ol  m essage   delive re d  t o  s uit  a  s cen ario   su c h  as  disabli ng  a  D I O  tric kl e  tim er  to  study   the  ef fects  of   DIO  per i ods  [ 11 ] ,  us i ng   a   ti m er  to  re duce  t he   data  pack et   l oss  due  t o  li nk  fai lures  [ 12 ] ,   an d  us in g  a   tim er  to  e nh a nce   the  r el ia bili ty   and   r edu ce   the   num be r   of rou te   rec on s tructi ons  [13] .     -   Con tr ol  m essa ge  m od ific at ion :   This  te ch ni qu e  m akes  use   of   the  e xisti ng   m essages  in  the  pr oto c ol  by   at ta ching  a n ec essary par am eter   to   the   m essage b ef ore deli ve ry  into   the  n et work. Th e   at ta chm ent  sp eci fi es   the  sta tu s  of  t he   m ob il e  no de   to   cal culat e   a   ne w   r oute .   D I S  m essage,   D I O  m essage ,   a nd  D AO  m essage   us ua ll y are use d.     -   New  co st  m et r ic :  Ther e   are   di ff ere nt  new  m et ric  intr oduce d  to   s upport  t he   sel ect ion  of  t he  node   m ob il i ty   su c h  as li nk  du rati on ( L D) [ 14] , a nd cu m ulati ve  cre dit p oint  ( CC P)   [ 15 ] .    More ov e r,   t here  are  m any  diff ere nt  te ch n iq ue s  to  so l ve  the   pro blem   of   no de  m ob il it y  su ch  a s  the   assignm ent  of  zon e   [ 16 ]   a nd  c luster  [ 17 - 20]   to  e nh a nce  th e  data  delive ry,  t he  c on st ru ct io n  of   a  ne w  tree   [ 21 ]   to  su pp or t  t he  no de   m ob il ity  and   the  us e   of  a  de pt h - fi rst  it erati ve - dee pe ning  a nd  a dap ti ve   Hell o  m essaging   sc he m e   to  reduce   the   r ou ti ng   an d  m e m or y  ov e rh ea d  [ 22 ] .   Be side s,   [ 23 ]   sug geste d  A ddresse d  t he   Br oad ca st  R andom   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                          IS S N :   2088 - 8708   In t J  Elec  &  C om p  En g,   V ol.  9 , N o.   5 ,  Oct ober   201 9   :   4238   -   4249   4 240   Walk   ( ABR W)   sea rch  al gori thm   fo r  reduci ng  r outi ng  ove rh ea d  i n  rand om   walk  proto c ol  un der  the   MP2P  netw ork.   In  this  pa per,   we   pr op os e   the  im pr ovem ent  of  the  R P L  pr oto c ol  by   en ha ncin g  t he   reli abili t y    of  the  m ob il e  node   that  dat a  delive ry  is  con ti nu ously   transm it te d.   Th e  m a in  co ntri bu ti ons   of  this   pa per    are as  f ollow s:     The  m echan is m s  of   m ob il e  de te ct ion   a nd  pa ren t  sel ect io n  pro vid e  a   hi gh  pack et   delive r y  rati o,   a   lo w  e nd - to - e nd d el ay , a nd a s uitable   num ber  of c on t r ol m essages whil e the m ob il e nod e s ar e  d el i ver i ng d at a.     A  ne w  c os t  m e tric   for  sel ect in g  the  best  pa re nt  node  c om bin es  the  num ber   hop,  RSS I  va lues,  a nd   t he  s u m   of d el ay s to  s el ect  a p a ren t  no de wit h  the  s hortest  rou te ,  h i gh  reli abili ty , an d  lo west  delay .   Finall y,  we  co m par ed  the  pe r form ances  of   t he  im pr ov e d  prot oco l  a nd   the   RPL  run  ov e r  the  Cooja  sim ulator.  The  te stbe d di vid es  into  four  scenari os : s qu a re,  c - s hap e , zig zag a nd l ine m ob il it y.       3.   PROP OSE D MET HO DOL OGY   In   t his  sect io n,   we  will   de scribe  im RPLv 1  [ 2 4 ]   an d  a  ne w  m obil ity  su pp or t  m echan is m     cal le d  i m RPLv2 .  T he  im RPL v1   protoc ol  pr ovides  a  process   for  a  m ob il e  no de  t o  pe rfor m   the  m ob il e  detect ion   and  pa re nt  sel ect ion   m echan is m s.  As  reg a r ds  the  m ob il e  de te ct ion   m echani s m ,  the  m ob il e  node   will   rec ei ve  the  AC K  m essage  from   the  root  no de.   This  m essage  is  us e d  in   the  proces s  of  the   m ob il e  detect io n  m ec han ism .   Af te r   the  m ob i le   node  receiv es  the  ACK  m essage,   the  RS SI   of   t he  ACK   m essage  is  ev al uated  wh et he r  it   is   lowe r  tha n  that  of  the  t hr es hold.   I f  i t  is  lo wer ,   i t  will   be   pr ocesse d  i n  t he  par e nt  sel ect ion .     The  m ob il e  detect ion   is  equ i pp e d  with  a  ti m er  to  determ i ning  the  ti m efr a m e  of   the  AC K  m essage  reception.   Si m il ar  to  the  RPL  pr oto c ol,  t he  rank  of  the   DIO  m essage  i s  co ns ide re d  in   the  par e nt  sel e ct ion   m echan is m .  The  DIO   m essage  with  t he   hi gh es t  reli abili ty   is  s el ect ed  ( The   R SSI  value   of   th e  D I O  m essage   is  t he  highest) .   I f  t he  RSSI   val ue  of  the  DIO  m essage  is   lo wer  tha n  t he  t hr es hold ,  that   m essage  will   be   dr oppe d.  Wh e n  t he  num ber  of   m essages  dr op s   m or e   tha n  the  num ber   al lowe d,  t he  m es sage   with   t he  RSSI   val ue   lo wer  tha n  the   th reshol d  will   b e  us e d.   T his  occ urs  w he n  the re  is  only   on e  node   of  th e  cand i date  pa r ent.  T he  m echan ism s  of   the  m ob il e   detect ion  a nd  pa ren t   sel ect ion  of   im RPLv1   a r e  s hown  i n  F i gure   1( a ).  sho wing  the   al go rith m   of   m ob il e  de te ct ion   and  F ig ure  1(b ).  s howi ng the  al gorithm  o f p a ren t sel ect io n.           Fig ure   1.   (a )  th e m ob il e  d et ect ion   al gorithm  i n   im RPLv1  a nd  (b)  the  p a re nt  s el ect ion   al gor it h m  in   im RPLv1       Re gardin g  m ob il it y,  i m RPLv2   e nh a nces  m ob il e  detect io n  a nd  pa ren t  sel ect ion   process  vi a  a  ne w  c os t   m et ric.   A   m ob il e  no de  cal c ula te s  the   new  c ost   m et ric  based  on  t he  num ber   of  hops ,   RS SI  values ,  a nd   the   s um  of   delay s  to  sel ect   a  new   pa re nt.  The  m ob il e  node  ex cha ng es  netw ork  in f or m at ion   with  it s  cur re nt  pa re nt  an d  the  root  no de  by   us ing   t he  co nt ro l  m essage  m od i ficat ion   te c hn i q ue  [5 - 7]  an d  by  creati ng  ne w  co ntr ol  m es sages,  nam ely MDI O 1,  M DIO 2,  M DI S 1, an d  M D IS 2 m essages a s sho wn in T ab le  1 .     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
In t J  Elec  &  C om p  En g     IS S N:  20 88 - 8708       Th e i mp r ove m ent o f  node  mo bili ty  in  RPL  to  incre as e tr an s missio n  ef fi ci ency   ( Pak  Sata nasaow apak )   4241   Table  1.  T he  new c on t ro l m essages  f or  im RPLv 2   ICMPv6  M ess ag e   Op eration al Co n d itio n s   Details   MDI O1   RSSI of  data less  t h an  RSSI thresh o ld   an d   resu lt f ro m  the  ob serv e  m o d e   To in itiate the p roc ess  of  the p arent selectio n .   MDI S1   Res p o n d  to th e M DIO1  m ess ag e.   To requ est M DIO2   m ess ag e f ro m  nei g h b o r  n o d e ( cand id ate  p arent).   MDI O2   Res p o n d  to th e M DIS1  m ess ag e.   To d eliv er  cand id a te parent  in f o r m ati o n .   MDI S2   There  is o n ly  on e c an d id ate parent in   th e neig h b o r  tab le.   To f o rce  th e exis te n ce neig h b o r  n o d e  to  be th e parent n o d e,  th o u g h  the RSSI v alu e is less th an  th e thresh o ld .       The  MD IO1  a nd   M DIO2   m essages  m od ify   the  DIO  m essage  in  the  RPL  protoc ol  with  t he  flag  0x01   and  0x02  r esp ect ively .  The   pa ren t  node   se nds  t he  M DIO1  m essage  to  t he   m ob il e  node   wh e n  it   obser ve s  the   m ob il e  no de  is   m ov in g  a way.   The n,   the   m ob il e  node  act iva te s  the  pa ren t  s el ect ion   proce s s.  All  nei ghbor   us es   the  MDI O 2  m e ssage   to   res ponse   the  MD IS1  m essage  with  t he  ca nd i date  pa ren t  in f or m at io n  to  t he  m ob il e  node .   The  m ob il e  no de  determ ines  the  mRank   valu es  in  the   MDI O 2  m essages  to  s el ect   a  new   pa r ent  no de.   T he  de ta il s   of the M DIO 1 and M D IO2  m essages  are sh own  in Fi gure  2.           Fig ure   2 .   The det ai ls of MD I O1 and M DIO 2  m essages in  im RPLv2       The  flags  of  th e  MDI S1   an d  MDIS2  m essages  a re  0x01  a nd  0x02,  res pecti vely .  Wh en   th e  m ob il e  node   receives   the   M DIO1  m essage ,  it   will   f orwa r d  t he   MD IS1  m essage  t o  re quest   f or  the   M DIO2  m essage   f ro m   neig hbor  nodes .  T o  f or ce   a  ca nd i date  par e nt,   there   is  only   one  neig hbor  no de  i n  t he  neig hbor  cac he ,  th e  m ob il e  node  noti fies  the  par e nt  node   with  t he  MD I O2  m essage.  T he  detai ls  of  th e  MDI S1  an d  MDIS2  m essages  a re   sh ow n  in  Fi gur e 3 .           Fig ure   3.   The   detai ls of MD I S1  a nd MD IS2  m essages in  i m RPLv2       3.1.     M ob il e d etectio n  of imRPLv 2   Fo r   t he   sake   of  sim plici t y,  we   def ine   a   route r  i n  our   al gorithm   to  represe nt   any   no des   in   the  netw ork   excep t   the   r oot   no de   an d  the   m ob il e  node.  The   r ou te r  node   assig ne d  as  t he  pa ren t   no de   will   perf or m   m ob il e   detect ion   m ech anism .  In   this   pa per,  the   m ob il e  detect io n  m e chan ism   is  div i ded  into   tw o  ca ses:  1)  the  rece ption  of the M DIS m essage a nd  2) the  receptio n o f  d at a.  The  d et a il s ar e as  fo ll ows:     The  rece ptio n  of   the  M DIS  m essag e.  T he  router  no des  validat e  the  ty pe  of  co ntr ol  m essa ge.   I f  the  receive d  m essage  is  t he  MDIS1   m essage,  eac h  router   s ends  a   MD IO2  m essage  re spo nd  to   the   m ob il e  no de.  H owev er ,   if  the  receive d  m essage  is  the   MDIS2  m essage,  t he  router   a ssign s   it sel f  as   the  pa re nt  no de   an d  tra ns m it s  t he   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                          IS S N :   2088 - 8708   In t J  Elec  &  C om p  En g,   V ol.  9 , N o.   5 ,  Oct ober   201 9   :   4238   -   4249   4242   MDI O2   m essage  res pond  t o  the  m ob il e  node .  F ig ur e  4  (a)   sh ows  t he  al go rithm   of   m ob ile  detect ion   w hi le   receivin g  t he M DI S  m essage.     The  rece ption  of  data.   In  the   ob s er ved  m od e , t he   pa re nt  node m on it ors  t he   rece ptio n  of  data  to   e valuat e  the  RSSI  value  for  determ ining   th e  m ob il e  node ’ s  directi on.  If   t he  m ob il e  node   is  m ov in g  awa y  fr om   the  par e nt   node;  t he  RS S I  value   is  decre ased,   the   MD IO1  m essage  i s  sent   to   the  m ob il e  node   f or  act ivati ng   pa re nt  sel ect ion   m echan ism .  Howe ve r,  if  t h e   m ob il e  no de  m ov es   t ow a r ds   t he  pa r ent n ode,   t he  pa ren t   no de  do n ot   sen d  the   co ntr ol   m essage.  F ig ur e   4  ( b)  sho ws   the  al gorithm   of  the  m ob il e  de te ct ion   wh il e  r ecei vin g  the   da ta .           Fig ure   4.   The   m ob il e d et ect i on alg or it hm  in  im RPLv2       3.2.     P arent se le cti on   of imR PLv2   To  i niti at e  the  pa ren t  sel e ct ion   m echan i sm ,  the  par e nt   node  se nds   the  MD I O1  m essage  to    the  m ob il e n od e.  T he   m ob il e  node   the n  rem ov e s  al l  m e m ber s of  t he  neig hbor  cac he   an d  br oad cast   the  MDIS 1  m essage  to n ei ghbor  nodes . A fter  t hat,  eac h  nei ghb or  node  sen ds   the  M DIO2  m essage  at ta ched  w it h  a  mR ank   value  t o  t he  m ob il e  node .  T he   m ob il e  node  inserts  neig hb or  inf orm ation  into   the  neig hbor  ta ble  that  will   be   us e d  for   the   pa ren t   sel ect ion  m echan ism .  If   t her e   is   only   a   can did at e   pa ren t,   the   m obil e  node   will   s end  t he   MDIS2   m essa ge  t o  the   can di date  par e nt  t o  f or ce   the   sel ect ion.  The   ca nd i da te   pa ren t   se nds  the   MD I O2  m essage   back  to   the   m ob il e  no de.   Th us,  the   m ob il e  node   sel ect s  th e  cand i date  as   it s  pa ren t   no de.   I n  c ontrast ,  i f  th ere  a re   m or e  than  one  cand i d at e  pa re nt  nodes ,  the  m ob il e  no de  will   com par e  the  m Ra nk   of  each  c and i date  pa ren t   node .   The  ca nd i dat e  par e nt  node  with  the   best  mRan k   (the  l ow e st  value )  wi ll   be  sel ect ed  a s     the p a re nt no de . F ig ure  5   s hows  th e alg or it hm  o f  par e nt sel ect ion .           Fig ure   5.   The   par e nt selec ti on alg ori thm  in  i m RPLv2   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
In t J  Elec  &  C om p  En g     IS S N:  20 88 - 8708       Th e i mp r ove m ent o f  node  mo bili ty  in  RPL  to  incre as e tr an s missio n  ef fi ci ency   ( Pak  Sata nasaow apak )   4243   Fo r   cl ari ficat ion ,   Fig ure  6  (a )   s hows   t he  e xch a nge  of  c ontr ol  m essages  in   case   of   the   num ber  of   neig hbors  i n  th e  nei ghbor   ta bl e  m or e   tha n  one  no de   an d  Fig ur e   6  (b)   s how s  the   e xch a nge   of   co ntr ol  m essages   in  case   of  t he  nu m ber  of   nei ghbors   i n  t he   neig hbor  ta ble  o nly   one   no de.  Fi nally ,  Fig ur e  7   s how s  t he   syst e m   ov e r view of  im RPLv 2.           Fig ure   6.   The  interact io n of c on t ro l m essage s in  im RPLv2           Fig ure   7. The  s yst e m  o vervie w of  im RPLv2       3.3.     New c ost  metric   The   RPL   pr ot oco l   us e s  ra nk  as   a   m et ri c  to   sel ect   t he   be st  par e nt.   T o  c ope   wit h  m ob il it y,     we  pro posed   a   new  c os t  m et ri c  cal l  m Ra nk   r esulti ng  f r om   t he  num ber   of   hops,  m RSSI  va lues,  an d  t he  s um   of  delay s as s how n  in   ( 1 ) .     1 ( ) ( ) ( ) n i m R ank A H op B m R SSI C D e l ay   ( 1 )   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                          IS S N :   2088 - 8708   In t J  Elec  &  C om p  En g,   V ol.  9 , N o.   5 ,  Oct ober   201 9   :   4238   -   4249   4244   Wh e re  A,  B,  a nd  C  ar e  unkn own  c oe ff ic ie nt ,  w hich   will   be   eval uated  by   us i ng  the  m ulti ple  li near  regressio n  te c hn i qu e s .   T he  nu m ber   of  ho ps   is  a   cost  m et ric  ind ic at in g  a  distance   to  re ach   the  root  no de .     The   RPL  prot oco l   util iz es  a  num ber   of  hops  to   cal cu la te   the  rank   f o r  c reati ng  a   net wor k  to polo gy.   The  e qu at io n f or  calc ulati ng   hop  in im RPLv2  is s how n  in   ( 2 )   in  wh ic h  a  rank  ob ta ine d f ro m  the D I O m essage   can  be reve rsel y ca lc ulate d  to   ob ta in  a  hop va lue.     ( ) 1 256  R a n k H o p       ( 2 )     In   gen e ral,  the   high  RSS I  in di ca te s  the  high   prob a bili ty   of   transm itti ng   da ta   [2 5].  As  f or  i m RPLv2 ,  the  value s  of  R SSI   a re  di vid e d  into  f our  inte r vals  base d  on   t he  F ree  S pace  Path  L os s  e qu a ti on   [ 26]   (3)  by   us in g  a  li near  e quat io n  as  sho wn  in   Figure   8.   At   th e  fi rst  gr a ph,   th e  highs   point   is   the   inte rsecti on  at   - 60   dBm   and  t he   po i nt  of  - 77   dBm   is  c onside red  t he   lo west  valu e.  Af te r   t hat,  we   co ns tr uc te d  li nea r   gr a phs    (straig ht  li nes   2  a nd  3)  relat e d  t o  the   inter va ls  of  the   lo gar i thm   wh ere   the  po i nt  of  interse ct ion   is   at   - 70  dBm .  Finall y, Tab le   2   s hows  the i nterv al   of eac h  R SSI  a nd t he  m RSSI val ue s c orres pondin g  t o t hat inter val.     2 ( ) 1 0 4 1 0 l o g    dB d F S P L   ( 3 )     Wh e re   d   is a  dis ta nce fro m  the  transm itter and     is a  wa velen gt h  of t he  tra nsm itted sig nal .       Table  2.  T able  of m RSSI  valu es of im RPLv2   Receiv ed  Sign al St reng th   m R SSI  valu es   RSSI >  - 6 0  dB m   1  ( Near )   RSSI < =  - 6 0  dB m   an d  RSSI >   - 7 0  dB m   2  ( Av erage  Near )   RSSI < =  - 7 0  dB m   an d  RSSI >   - 7 7  dB m   3  ( Av erage F ar )   RSSI < =  - 7 7  dB m   4  ( Far )           Fig ure   8.   Fr ee   sp ace  path  loss  b et wee n  R SSI an d dist ance       To  m ini m iz e  traff ic   delay   f ro m   m ob il e  t o  root  node ,  we  c om pu te   t he  s umm ation  of  delay    from   send in g  DIS  m essages  unti l  receivin g  the   res pons e  from   DIO  m essages.  T he  e qu at ion   i s     sh ow n  in   ( 4 ) , a nd  ( 5 ) .     1 2 2 3 1 1 ( , ) ( , ) .. . ( , ) n ii i D e l ay D n n D n n D n n     ( 4 )     ( , ) T im e R e c e iv e D I O T im e Se n d D I S  a b b a D n n     ( 5 )     W e  com bin e  three  var ia bles:  the  nu m ber   of   ho ps ,  m RSSI  values,   and   the  su m   of   delay s  to  est im at e  the  value  of   mRa nk   based   on   the  m ulti ple  li near   reg ression  as  sh ow n  in  ( 6 ) ,  and   we  find   un kn own  coef fici e nt   fo ll ow s   in the  ( 7 ) .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
In t J  Elec  &  C om p  En g     IS S N:  20 88 - 8708       Th e i mp r ove m ent o f  node  mo bili ty  in  RPL  to  incre as e tr an s missio n  ef fi ci ency   ( Pak  Sata nasaow apak )   4245   2 0 1 1 1 2 1 1 1 1 1 ... n n n n n ik ik i k i i k ik ik i i i i i n x x x x x x x y   ( 6 )     1 [ ] [ A ] [ Y ]     ( 7 )     Wh e re   01 , , . . . , k are   par t ia l reg re ssio n  c oeffici ents;   x are   the in dep e ndent  va riables  ( e . g .  the  nu m ber   of   hops, m R SSI   val ues,  a nd the  s um  o f  de la ys ) ;   y are   the  de pe ndent v a riable;   []   an d  [] Y   are t he  m at rix of     an d  y re sp ect ively ,  1 [ A ] are   the in ver se  m atr ix  of  x .   Ther e f or e,   we   ob ta in   ou r  c os t  m et ric  as  show n  in   ( 8 ) .  T hus,  t he  r oute r  node   cal culat es  the  mR an k   val ue  and att ache d  in to the M DIO 2 m essage to  t he m ob il e n ode  usi ng   f or   sel ect ing  the  b e st pa re nt.       1 0 . 9 0 2 2 ( ) 5 . 0 2 7 6 ( ) 1 3 . 6 4 4 5 ( ) n i m R a n k H o p m R S S I D e l a y   ( 8 )     Wh e re  mR ank   is  the  c os t  m et ric  f or  eac h  li nk  m et ric  wh ic h  co ns ist s  of  the   num ber   of   ho ps ,   m RSSI  values ,  t he  s um   of   delay s.   F r om   the  sta ti sti c al   analy sis  of  t he  ne w  c os t  m et ric,  the   c oeffici ents  of  dete rm inati on  (R2)  e qual   to  0.798   ( hi gh  goodne ss) ,  a nd  th e  sign ific a nce   of  the   F   s ta t i sti c  at   < 0.001.    The  m RSSI  co eff ic ie nt  a nd  de la y  coef fici en t  are  al so   sig nificantl y  dif fer e nt  f ro m   zero .   I n  Additi on,  the   dela y   par am et er  is  the  m os t  i nf lue ntial   factor  (e. g. ,   Be ta = 0.826 )  f or  this  new  cost  m et ric.  On  the  oth e r  hand ,     the  nu m ber  of  hops  c oe f fici en t  is  no t   sig nific ant,  but  th e  m os t  cr ucial   par a m et er  in  t he  e stim ation   of  a   ne w  c os t   m et ric  since  th e  sm a ll est   ho p  has  t he  sm al lest  delay   in  the   path.  Ma intai ni ng   t his  va riabl e  in  the   e quat ion  is  necessa ry. Ta bl e 3   s hows  the  detai ls of the   m ul ti ple li near   regressio n  m odel  f or  new co st m e tric .       Table  3.   95% c onfide nce i nter vals fo r  c oeffici ent estim at es o f  n e w  c os t m e tric   Ind ep en d en t variab les   B   Std .  Er ror   Beta   Sig .   R Sq u are   Sig .  o f  F   Ho p   0 . 9022   0 . 5544   0 . 067   0 . 105       m R SSI   5 . 0276   0 . 7917   0 . 211   0 . 000   0 . 798   0 . 001   Delay   13 . 6 4 4 5   0 . 6843   0 . 826   0 . 000           4.   E X PERI MEN TS A ND R E S ULTS   We  us e  t he  C ooj a  sim ulator  on  t he  Co ntik i  3.0  operati ng   syst e m   with  t he  m ob il it y  plu gi n  [2 7 ]   to   evaluate  a nd  com par e  the   pe rfor m ance   with  oth e r  resea rch :   R PL,   m R PL,   im RPLv1,   an d  the  im R PLv2 .    All  node   r un  Nu ll MAC   m e chan ism   that   do e s  not  do  a ny  M AC - le vel   pr ocessin g  w hich   is  a  m ore  use f ul   com par ison   f or  each  protoc ol  with ou t  the   eff ect   of  pac ket  losses  a nd  delay s  in  duty   cy cl ing   protocol .     T he   num be r  of  c ontrol   m ess age s,   e nd - to - e nd  delay ,   a nd  pack et   deli very   rati o   are   stu died.  T her e   a r e  f our   m ob il i ty   scenario s : s qu a re,  c - sh a pe,   zi gza g ,   and  li ne   as  s how n  in  Fig ure  9.   T he  detai ls  of   t he  sim ulati on  par am et ers  are  li ste d  in Ta ble  4.       Table  4.   Sim ul at ion   par am et e rs   Para m eters   Detail   Netwo rk si m u lato r   Co o ja si m u lato r  ( C o n tik i OS  3 .0)   Ro u tin g  Pr o to co l   RPL,  m RPL ,  i m R PLv1 ,  i m RP Lv2   Rad io  M ed iu m   Un it Disk  Gr ap h   Mediu m   (UDG M)   with  Distan ce  Los s   MAC P roto co l   IE E E  8 0 2 .15 .4   E m u lated  no d es   Zolertia  (Z 1 )   Tr an sp o rt  Proto co l   UDP   Tr af f ic pattern   CBR   Pack et size   8 0  bytes   Pack et r at e   0 .5, 1.0 ,  an d  2.0  pack et/seco n d s   Sp eed o f   m o b ile n o d e   1   m /s   Mov e m en t   Fix ed  way p o in t   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                          IS S N :   2088 - 8708   In t J  Elec  &  C om p  En g,   V ol.  9 , N o.   5 ,  Oct ober   201 9   :   4238   -   4249   4246       Figure  9.   The  s tud y sce nar i os :  ( a)   s qu a re,   ( b)   c - sh a pe,  (c )  zi gz ag ,  a nd  (d)  line       4.1.     To ta l  nu mber  of  c ontr ol  m ess age   Figu re 1 0   sh ow s the to ta l nu m ber  o f  the co ntro l m essage in  each scen ario.             Figure  10 .   T he  p e rfor m ance c om par ison f or  total  n um ber   of the  contr ol m essage   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
In t J  Elec  &  C om p  En g     IS S N:  20 88 - 8708       Th e i mp r ove m ent o f  node  mo bili ty  in  RPL  to  incre as e tr an s missio n  ef fi ci ency   ( Pak  Sata nasaow apak )   4247   Ther e  are  two  pu rp os es  of   us ing   the  con trol  m essages  1)   the  ro ut e  m ai ntenan ce  pr ocess  fr om   tric kl e  ti m er  and   2)   the  m echan ism   of   m ob il e  detect ion   and   par ent  sel ect ion .  T he  hig h  nu m ber   of   no des  causes  th e  increasing   of   con trol  m essages  as  well   as  the  nu m ber   of   par ent  sel ect ion   pr ocesses.  The  resu lt   sh ow s  that  th e  total   nu m ber   of   con trol  m essages  of   im RPLv1   is  hig her   than   tho se  of   RPL  becau se  of   the  m ob il it y  m anag em ent  pr ocess .  T he  total   nu m ber   of   con trol  m essages  of   im RPLv2   and   RPL  are  app ro xim at el y  sim il ar  to  each  othe r  since   im RPLv2   prov ides   a  m echan ism   to  m anag e  the  con trol  m essage  in  the  m ob il e  detect ion   pr ocess.   I n  con trast ,  m RPL  is  ver y  low  becau se  m RPL  us es  the  tric kle  ti m er  and   its   ti m er  m echan ism   to  red uce  netw or k  ov erh ead,   wh il e  RPL,  im RPLv1   and   im RPLv2   pr oto col s o per at e  with  the  def ault  tric kle  ti m er.   In   con cl us i on ,   the  aver age  total   nu m ber   of   con trol  m essages  fo r  RPL,  m RPL,  im RPLv1 ,  im RPLv2   is  84 14 ,  10 99 ,  11 82 3,   a nd  96 44  p ackets resp ect ively .     4. 2.     End - to - e nd  delay   Figu re  11   sh ow s  the  end - to - end  delay   fr om   the  m ob il e  no de  to  the   ro ot  no de.   The  resu lt   sh ow s  that   the  us e  of   the  pr op ose d  m ob il e  detect ion   pr ocess  and   new   cost  m et ric  in  im RPLv2   causing   the  end - to - end  delay   of   im RPLv2   le ss  than  im RPLv1 .  Me anw hile,  RPL   and   m RPL  hav e  a  lower   end - to - end  delay   becau se  RPL  wa s  design ed  fo r  the  sta ti c  netwo rk   wh il e  m RPL  intro du ces  a  new   ti m er  to  red uce  netwo rk   ov erh e a d.     In   con cl us ion ,  t he  aver age  end - to - en d  delay s   fo r  RPL ,  m RPL,  im RPLv1 ,  im RPLv2   is  60 .8 7 ,  45 .1 9 ,  20 1.7 4,   and   15 1. 61  m il li secon ds   resp ect ively .           Figure  11 .   T he  p e rfor m ance  c om par ison f or  end - to - en d del ay       4.3.   Pac ket de li very  r at i o   Figure  12   s ho ws  t he  pack et   delivery  rati o  of  the  m ob il e  node  f or  each   scenari o.  The   i m RPLv2   an d  m RPL  are  co m par able  through  im RPLv2  has  a  hi gher  con t ro l  m essage.  T he  im RP Lv 2  has  a  high  pac ket   delivery  rati o  without  a dd i ng  a  ne w  ti m er   m echan is m .  Both  im RPLv1   a nd  RPL   pe rfor m   the  w orst  pac ket   delivery  rati o  be cause  im RPLv1  sel ect s  inc orrect  par e nt  a nd  RPL  nee ds   t o  wait   f or   t he  tri ckle  tim er  to  pe rfor m   the  r oute   m ai nt enan ce .  In  co nc lusio n,   t he  a ve rag e   pac ket  de li ver y  rati o  f or  RPL,   m RPL,  i m RPLv1 ,  im R PLv2  is 7 3.31 % , 96. 42%,  89. 56 % , a nd 94.2 0%  re sp ect ively .    In   s umm ary,  t he  pr opos e d  im RPLv2   pro vid es  a  m echan ism   resu lt ing   i n  an  i ncr ease  i n  the  pack e t   delivery  rati o  an d  t he  dec reasin g  of  th e  en d - to - e nd  delay   of  data   transm issi on  f or  no de  m ob il it y.    The  im RPLv2  has   the  pac ke t  delivery   rat io  ave ra ge  a bout  94. 20%  a nd  an   a ver a ge   en d - to - e nd  de la y  of   appr ox im at ely  150  m s. B esi des,   im RPLv2   op erates  with  t he  def a ult  tric kle   t i m er  with ou t   a dd it io nal  new  t i m er   m echan ism .  A lso,   the   im RP Lv 2  be nef it s  from   the  c on t ro l   m essages  to  update   cos t  m e tric   an d  route   m ai ntenan ce  w hen   t he  li n k  c onnecti vity   fail ure.  Ta ble  5   the   Detai ls  com par at ive  analy sis  of   t he  prot oco l s  in  our  st ud y.   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.