基于鏈路質(zhì)量的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)抗干擾路由協(xié)議*

王 境，徐 楨，劉曉春

(北京航空航天大學(xué)電子信息工程學(xué)院，北京100191)

在發(fā)生了地震、水災(zāi)、火災(zāi)或遭受其它災(zāi)難后，固定的通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)施都可能無法正常工作。此時(shí)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能夠在這些惡劣和特殊的環(huán)境下提供通信支持，快速采集災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)信息，并及時(shí)傳遞到處理基站，對(duì)搶險(xiǎn)和救災(zāi)工作具有重要意義。在這樣惡劣的環(huán)境下，無線傳感器節(jié)點(diǎn)監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)沿著其他傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行傳輸［1］，經(jīng)過多跳到達(dá)能量充足的處理基站的過程中，受到使用相同信道的其它節(jié)點(diǎn)的干擾，造成數(shù)據(jù)分組之間的碰撞，誤碼率增大，導(dǎo)致數(shù)據(jù)分組丟失、重傳，端到端的延遲增大。MAC層的CSMA/CA、CTS/RTS和功率控制機(jī)制等只能解決一部分干擾和沖突問題［2］。為了保證信息及時(shí)準(zhǔn)確的傳輸?shù)侥康墓?jié)點(diǎn)，需要一種能夠避開干擾區(qū)域的路由協(xié)議。

本文基于AODV經(jīng)典路由協(xié)議提出一種抗干擾的路由協(xié)議，通過物理層的信噪比 SNR改變AODV的選路代價(jià)以及選路機(jī)制，利用能量充足的基站廣播回復(fù)，實(shí)現(xiàn)綜合考慮抗干擾性能和路由開銷，同時(shí)支持單向路徑和雙向路徑的路由協(xié)議。

1 現(xiàn)有抗干擾技術(shù)研究

網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧中減輕或者消除干擾的技術(shù)主要分為兩類:一是從物理層的角度，通過多信道、定向天線、傳輸能量控制、MIMO(Multiple Input Multiple Out put)天線減輕相同頻帶的重疊。二是從上層協(xié)議棧的角度通過干擾感知的算法減輕干擾。

IEEE802．11MAC層采用了 CSMA/CA機(jī)制以及RTS/CTS握手機(jī)制。CSMA/CA通過隨機(jī)退避機(jī)制實(shí)現(xiàn)了沖突避免，節(jié)點(diǎn)偵聽信道的忙閑狀態(tài)，當(dāng)信道空閑時(shí)，等待一個(gè)幀間時(shí)隙(DIFS)，偵聽到信道繼續(xù)空閑，再進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送。RTS/CTS機(jī)制采用握手的方式與接收節(jié)點(diǎn)達(dá)成對(duì)數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼J(rèn)可，同時(shí)又可以通知發(fā)送節(jié)點(diǎn)和鄰居節(jié)點(diǎn)即將開始的傳輸，鄰居節(jié)點(diǎn)收到RTS/CTS后，在以后的一段時(shí)間內(nèi)抑制自己的傳輸，從而避免了對(duì)即將進(jìn)行的數(shù)據(jù)傳輸造成碰撞。但是MAC層的這些沖突避免的機(jī)制只能解決鏈路的干擾，不能解決自組織網(wǎng)絡(luò)中多跳傳輸整條路徑的干擾問題。

干擾感知算法分為STDMA(Space time division multiple access)調(diào)度、信道分配［3］、功率控制、路由選路、聯(lián)合調(diào)度等。Yu等人通過 MAC層利用TDMA進(jìn)行時(shí)隙分配來減少干擾［4］。KangL等人提出通過節(jié)點(diǎn)周期性發(fā)送Ack，NAcK的方式來檢測(cè)干擾，當(dāng)節(jié)點(diǎn)在一定的時(shí)間間隔內(nèi)沒有收到ACK確認(rèn)幀，就發(fā)送NACK，#SuccessiveNACK的值增加1，當(dāng)#SuccessiveNACK的值超過一定閾值時(shí)就認(rèn)為受到了干擾［5］。但這需要網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點(diǎn)周期性的發(fā)送檢測(cè)包，這對(duì)能量嚴(yán)格受限的傳感器節(jié)點(diǎn)來說是太大的能量開銷，在實(shí)際場(chǎng)景中并不適用。還有一些干擾感知的算法［6－9］，其中 Bo Han 針對(duì)干擾環(huán)境下的動(dòng)態(tài)簇WSN，基于AODV綜合考慮了能量消耗、節(jié)點(diǎn)電池剩余能量等因素，提出了一種能量有效、功率感知的(energy-efficient and power-aware，EEPA)路由算法，但該路由算法把每一跳的路由代價(jià)成本加在數(shù)據(jù)包中進(jìn)行傳送，由目標(biāo)節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)把各路徑的總代價(jià)回復(fù)(reply)給源節(jié)點(diǎn)，由源節(jié)點(diǎn)從各路徑中選擇代價(jià)總和最小的路由，并對(duì)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)發(fā)送一個(gè)證實(shí)(confirm)消息，從而建立路由協(xié)議自身開銷較大。

本文提出的路由協(xié)議是基于AODV路由協(xié)議的抗干擾路由協(xié)議。AODV協(xié)議是基于最小跳數(shù)的選路，并且只支持雙向路徑［10］。在干擾環(huán)境下，AODV趨向于選擇不穩(wěn)定的長鏈路，從而造成數(shù)據(jù)分組丟失、端到端的延遲增大，同時(shí)避開強(qiáng)干擾區(qū)域的單向路徑會(huì)被丟掉不利用。

首先AODV是基于最小跳數(shù)的路由協(xié)議。AODV采用目的節(jié)點(diǎn)序列號(hào)來保證獲取的路由信息最新，同時(shí)避免路由環(huán)路。目的節(jié)點(diǎn)序列號(hào)是由路由信息到達(dá)的目的節(jié)點(diǎn)創(chuàng)建。在創(chuàng)建或者更新反向路由表時(shí)，目的節(jié)點(diǎn)序列號(hào)指的是RREQ中源節(jié)點(diǎn)的序列號(hào)。路由請(qǐng)求過程中，節(jié)點(diǎn)在收到RREQ后，創(chuàng)建或者更新到達(dá)源節(jié)點(diǎn)和前一跳節(jié)點(diǎn)的反向路由表。當(dāng)目的序列號(hào)大于當(dāng)前路由條目的序列號(hào);或者目的序列號(hào)等于當(dāng)前路由條目序列號(hào)，并且當(dāng)前路由條目為無效;或者目的序列號(hào)等于當(dāng)前路由條目序列號(hào)，并且跳數(shù)小于當(dāng)前路由條目中的跳數(shù)，更新反向路由表。從而實(shí)現(xiàn)在創(chuàng)建反向路由時(shí)，選擇跳數(shù)最小的最新路徑。路由回復(fù)過程中，節(jié)點(diǎn)創(chuàng)建或者更新正向路由表，目的節(jié)點(diǎn)序列號(hào)是RREP中的目的節(jié)點(diǎn)序列號(hào)。節(jié)點(diǎn)在收到RREP后，同樣根據(jù)上述的選路原則進(jìn)行選路，也就是在創(chuàng)建正向路由時(shí)，選擇跳數(shù)最小的最新路徑。

其次AODV只能支持雙向路徑，節(jié)點(diǎn)在收到第一次收到的RREQ之后，會(huì)創(chuàng)建或者更新到源節(jié)點(diǎn)以及到前一跳的反向路徑。這樣在節(jié)點(diǎn)收到RREP后，創(chuàng)建正向的路徑之后，會(huì)根據(jù)之前的反向路由條目，單播RREP到下一跳。這樣也就建立起了雙向路徑。

為了更大程度上避開干擾區(qū)域，尋找到具有較好鏈路質(zhì)量的路徑，從而減小重傳次數(shù)，提高投遞率以及網(wǎng)絡(luò)的傳輸效率，實(shí)現(xiàn)信息的及時(shí)準(zhǔn)確傳輸，本文應(yīng)用物理層和網(wǎng)絡(luò)層相結(jié)合的角度，提出一種能夠在強(qiáng)干擾噪聲的情況下可靠傳輸信息的路由協(xié)議noise-aware-routing(NAR)。NAR路由協(xié)議是基于AODV的一種路由協(xié)議，主要的工作分為二部分:①應(yīng)用物理層提供的信噪比作為選路代價(jià)，根據(jù)信噪比加入不同轉(zhuǎn)發(fā)延遲，從而實(shí)現(xiàn)鏈路質(zhì)量好的路徑首先到達(dá)目的節(jié)點(diǎn);②基站作為目的節(jié)點(diǎn)，能量充足，直接回復(fù)路徑上所有節(jié)點(diǎn)，也就是回復(fù)路由請(qǐng)求的過程不采用逐跳轉(zhuǎn)發(fā)的模式，從而降低路由開銷，實(shí)現(xiàn)同時(shí)支持單向和雙向路徑。

2NAR路由協(xié)議

課題的背景是災(zāi)區(qū)環(huán)境中傳感器節(jié)點(diǎn)到基站之間的數(shù)據(jù)的匯聚傳輸。傳感器節(jié)點(diǎn)有多個(gè)，一個(gè)基站，同時(shí)認(rèn)為節(jié)點(diǎn)之間是相對(duì)靜止的。傳感器節(jié)點(diǎn)由于能量小，需要通過多跳到達(dá)基站，而基站具備足夠的能量，可以覆蓋所有節(jié)點(diǎn)。

傳統(tǒng)的AODV路由協(xié)議基于最小跳數(shù)，而對(duì)于路徑的鏈路質(zhì)量沒有考慮，有可能選擇不穩(wěn)定的長鏈路來傳輸數(shù)據(jù)。從而造成數(shù)據(jù)傳輸過程中重傳次數(shù)增加，丟包率增加，誤碼率增大等情況。所以NAR路由協(xié)議改變選路代價(jià)，以物理層計(jì)算的信噪比作為選路代價(jià)，從而避開干擾嚴(yán)重的區(qū)域。而且利用RREQ獲取鏈路的信噪比，避免了發(fā)送檢測(cè)包的不必要的開銷。

傳統(tǒng)的AODV路由協(xié)議只支持雙向路徑，而根據(jù)理論證明，網(wǎng)絡(luò)中有很多鏈路都存在不對(duì)稱性，也就是存在單向鏈路。而本文的研究背景是數(shù)據(jù)匯聚的一個(gè)過程，數(shù)據(jù)只要能夠傳輸?shù)交荆居凶銐蚰芰扛采w到所有節(jié)點(diǎn)。所以鏈路質(zhì)量好的單向路徑也是滿足要求的。所以本文提出的路由協(xié)議可以同時(shí)支持單向和雙向路徑。

NAR路由協(xié)議的基本思想:在尋路過程中，利用鏈路的信噪比來確定轉(zhuǎn)發(fā)延遲，使得具有較大信噪比的路徑優(yōu)先到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)，從而有效避開，信噪比差的路徑，從而減少了重傳次數(shù)，減小了時(shí)延，增大了投遞率。目的節(jié)點(diǎn)回復(fù)所有節(jié)點(diǎn)，從而避免了逐跳回復(fù)的路由開銷，并且實(shí)現(xiàn)了同時(shí)支持單向和雙向路徑。

圖1和圖2為NAR協(xié)議的路由發(fā)現(xiàn)過程中對(duì)RREQ和RREP包的處理過程。

圖1 RREQ包的處理過程

圖2 RREP處理過程

2．1 基于信噪比的選路

第一步是從物理層提取信噪比作為選路代價(jià)。在opnet中模塊之間的函數(shù)傳遞可以通過包域、全局變量以及ICI接口控制信息三種方式。在這里我們使用ICI接口信息來傳遞。首先物理層傳到MAC層，就是直接獲取包中的TDA的值，從而可以獲得寫入包中TDA的信噪比。從MAC層傳到ARP層，用的是wlan_mac_ind這個(gè)ICI接口，在其中加入SNR的值。從ARP層傳輸?shù)絀P層，用的是ip_arp_ind_v4這個(gè)ICI接口，在其中加入SNR的值。Ip層傳遞到AODV協(xié)議中，首先通過ip_rte_ind_v4從子進(jìn)程ip_rte_central_cpu中傳遞到父進(jìn)程ip_dispatch中，當(dāng)確定要發(fā)往AODV的子進(jìn)程時(shí)，再將ip_rte_ind_v4重新置回包中，發(fā)往子進(jìn)程。

通過ICI接口控制信息將RREQ經(jīng)過的當(dāng)前鏈路的信噪比的值直接用來作為選路代價(jià)，不需要發(fā)送檢測(cè)包或者在增加包頭的值，避免了不必要的路由開銷。

當(dāng)調(diào)制方式選用DPSK時(shí)，根據(jù)調(diào)制曲線Eb/N0與誤碼率BER之間的關(guān)系，可以得到當(dāng)Eb/N0＞14．4時(shí)，誤碼率BER值數(shù)量級(jí)達(dá)到了10 ，滿足通信要求［13］。

最常用的也是最簡單的信號(hào)帶寬的度量是以信號(hào)功率譜的主瓣寬度為帶寬，即譜零點(diǎn)帶寬［14］。據(jù)此可以得到下式:

綜上，路由請(qǐng)求的過程中，信噪比大于14．4 dB時(shí)，誤碼率滿足通信要求，直接處理RREQ。當(dāng)信噪比小于等于14．4 dB時(shí)，加入指數(shù)延遲。延遲函數(shù)如下式:

其中c是一個(gè)常數(shù)，代表延遲的最大值。網(wǎng)絡(luò)中同一次請(qǐng)求不同路徑之間最大相差的時(shí)間間隔。加入不同的延遲來保證信噪比大的路徑最先到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)。

2．2 路徑鏈表

為了避免信噪比大的單向路徑被丟掉，本文利用能量充足的目的節(jié)點(diǎn)回復(fù)所有節(jié)點(diǎn)，所以在請(qǐng)求包和回復(fù)包中加入了路徑鏈表，用于記錄路徑上節(jié)點(diǎn)的IP地址。這樣做不用在請(qǐng)求的過程中建立和更新反向路由表，可以減小逐跳回復(fù)的路由開銷。

請(qǐng)求包(RREQ)格式:

其中J是為組播預(yù)留的加入標(biāo)識(shí)，R是為組播預(yù)留的修復(fù)標(biāo)識(shí)，G標(biāo)記是否向目的節(jié)點(diǎn)單播一個(gè)免費(fèi)的RREP，D標(biāo)記是否支持中間節(jié)點(diǎn)應(yīng)答，U是無效序列號(hào)標(biāo)記。

路由請(qǐng)求的過程中，節(jié)點(diǎn)判斷其前一跳是否在RREQ的鏈表中，如果沒有，則將其地址記錄路徑鏈表中。否則，銷毀RREQ，從而避免環(huán)路的產(chǎn)生。節(jié)點(diǎn)通過設(shè)置TTL值(最大跳數(shù)值)，來防止跳數(shù)過多的情況。初始設(shè)置TTL的值為1，節(jié)點(diǎn)等待RREP的時(shí)間設(shè)置為RING_TRAVERSAL_TIM，當(dāng)節(jié)點(diǎn)在這個(gè)時(shí)間內(nèi)沒有收到RREP，就會(huì)增加TTL的值，重新廣播RREQ。TTL的閾值設(shè)置為TTL_THRESHOLD，當(dāng)TTL的值增加到這個(gè)閾值時(shí)，不會(huì)在增大。也就是源節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)的跳數(shù)最大值就是TTL_THRESHOLD。

回復(fù)包(RREP)格式:

其中R代表的是用于組播的修復(fù)標(biāo)識(shí)，A代表的是用于ACK確認(rèn)信息。

節(jié)點(diǎn)到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)，將RREQ中的鏈表復(fù)制到RREP中，廣播RREP。

2．3 路由表的更新

能量充足的目的節(jié)點(diǎn)回復(fù)所有的節(jié)點(diǎn)，所以路由請(qǐng)求的過程中，節(jié)點(diǎn)不建立反向的路由表。路由表的創(chuàng)建和更新的過程只和路由回復(fù)過程有關(guān)。

在路由回復(fù)的過程中，當(dāng)節(jié)點(diǎn)收到RREP，判斷節(jié)點(diǎn)本身是否在RREP的路徑鏈表中，若不存在，則銷毀RREP。否則，建立或者更新節(jié)點(diǎn)到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)以及下一跳節(jié)點(diǎn)的路由條目信息。由于是目的節(jié)點(diǎn)回復(fù)，不采用逐跳的方式，所以下一跳節(jié)點(diǎn)的信息都是根據(jù)RREP中鏈表中的節(jié)點(diǎn)的下一跳的信息更新的。更新到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)路由條目的判斷條件:①RREP中目的節(jié)點(diǎn)的序列號(hào)大于路由條目中的序列號(hào);②RREP中的目的節(jié)點(diǎn)序列號(hào)等于路由條目中的序列號(hào)，但路由條目標(biāo)記為無效。

2．4 屏蔽中間節(jié)點(diǎn)應(yīng)答

由于NAR協(xié)議只是利用目的節(jié)點(diǎn)廣播回的RREP創(chuàng)建或者更新正向路由，并沒有在請(qǐng)求的過程中創(chuàng)建反向路由，所以節(jié)點(diǎn)沒有不會(huì)進(jìn)行逐跳進(jìn)行回復(fù)。中間節(jié)點(diǎn)應(yīng)答是基于逐跳回復(fù)的，所以NAR協(xié)議要屏蔽掉中間節(jié)點(diǎn)應(yīng)答機(jī)制。

2．5 路由維護(hù)

NAR路由協(xié)議的路由維護(hù)過程與AODV相同，主要包括過期處理、錯(cuò)誤處理和Hello機(jī)制。

路由過期處理:數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā)過程中，路徑不斷更新生存時(shí)間，當(dāng)路徑在ACTIVE_ROUTE_TIMEOU的時(shí)間間隔內(nèi)沒有被使用，就會(huì)被標(biāo)記為無效，經(jīng)過DELETE_PERIOD時(shí)間被撤銷。

路由錯(cuò)誤處理:鏈路中斷，下一跳節(jié)點(diǎn)不可達(dá);節(jié)點(diǎn)不存在到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)的活躍路由并且節(jié)點(diǎn)沒有進(jìn)行本地修復(fù);節(jié)點(diǎn)收到鄰居節(jié)點(diǎn)發(fā)送的RERR這三種情況下向節(jié)點(diǎn)的前驅(qū)列表發(fā)送攜帶下一跳不可達(dá)節(jié)點(diǎn)的RERR信息。

Hello信息處理機(jī)制:Hello信息用來維護(hù)網(wǎng)絡(luò)的局部連接。節(jié)點(diǎn)在HELLO_INTERVAL時(shí)間間隔內(nèi)定期向鄰居節(jié)點(diǎn)發(fā)送Hello信息，當(dāng)節(jié)點(diǎn)在ALLOWED_HELLO_LOSS*HELLO_INTERVAL時(shí)間內(nèi)沒有收到活躍鄰居的Hello信息，就認(rèn)為這個(gè)鏈路丟失了。

3 仿真分析

仿真采用OPNET軟件，仿真中設(shè)置了兩個(gè)不同的場(chǎng)景來驗(yàn)證NAR路由協(xié)議的性能。第一個(gè)場(chǎng)景中設(shè)置的干擾節(jié)點(diǎn)為3個(gè)，但是其在網(wǎng)絡(luò)中的位置是基本固定的。第二個(gè)場(chǎng)景中設(shè)置的干擾節(jié)點(diǎn)1個(gè)，但是采用了運(yùn)動(dòng)的干擾節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)中的位置不固定，以一定的速度在網(wǎng)絡(luò)中運(yùn)動(dòng)。

3．1 干擾節(jié)點(diǎn)位置固定場(chǎng)景

場(chǎng)景設(shè)置一:共53個(gè)節(jié)點(diǎn)分布在1 000 m×1 000 m的環(huán)境中，其中三個(gè)源節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)發(fā)射功率均為0．001 W;一個(gè)基站，基站的發(fā)射功率為1 W;三個(gè)干擾節(jié)點(diǎn)，干擾節(jié)點(diǎn)的發(fā)射功率均為0．001 W。其中傳感器節(jié)點(diǎn)和基站采用的是相同的模型，干擾節(jié)點(diǎn)采用jammer節(jié)點(diǎn)模型。

干擾節(jié)點(diǎn)用于產(chǎn)生干擾數(shù)據(jù)包，從而加大噪聲。干擾節(jié)點(diǎn)的發(fā)包間隔是固定的0．25 s，包的大小為1 024 bit。源節(jié)點(diǎn)的發(fā)包間隔分別為恒定分布:1 s，0．25 s，0．1 s，0．05 s，0．04 s，0．025 s。包的大小設(shè)定為562 bit。節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)速率均為，所以在發(fā)包速率為22 packets/s時(shí)，鏈路達(dá)到飽和。

節(jié)點(diǎn)的最大跳數(shù)TTL每次的增長值為TTL_INCREMENT=2，也就是同次請(qǐng)求，不同路徑之間最大相差一跳。根據(jù)RFC文檔估計(jì)，網(wǎng)絡(luò)半徑35時(shí)，每跳的時(shí)延為0．04 s。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)半徑小于35時(shí)，可以設(shè)置較小的值。本文設(shè)置網(wǎng)絡(luò)半徑為10，每跳的時(shí)延為0．01，相應(yīng)的 c 的取值為 0．01。

仿真的時(shí)間是30 min，最后的統(tǒng)計(jì)結(jié)果是仿真時(shí)間內(nèi)對(duì)統(tǒng)計(jì)量的時(shí)間平均值。仿真圖是將OPNET產(chǎn)生的數(shù)據(jù)導(dǎo)入到spreadsheet中，然后利用MATLAB畫圖程序產(chǎn)生的。

(1)端到端的延遲 MANET統(tǒng)計(jì)的延遲是數(shù)據(jù)包從創(chuàng)建到銷毀所經(jīng)歷的時(shí)間間隔，NAR協(xié)議避開了干擾強(qiáng)的區(qū)域，重傳的次數(shù)減少，端到端的時(shí)延減小。當(dāng)源節(jié)點(diǎn)發(fā)包速率小于或者等于干擾節(jié)點(diǎn)的發(fā)包速率時(shí)，數(shù)據(jù)包的傳輸受到影響概率更大，端到端的時(shí)延相對(duì)較大。

圖3 端到端的延遲

(2)路由控制開銷 統(tǒng)計(jì)量顯示的是控制信息的總的發(fā)送量。NAR路由協(xié)議采用的是目的節(jié)點(diǎn)回復(fù)，減少了逐跳回復(fù)的控制包數(shù)量，降低了節(jié)點(diǎn)的控制開銷。網(wǎng)絡(luò)中傳感器節(jié)點(diǎn)位置相對(duì)不變，NAR路由協(xié)議確定的路徑相對(duì)AODV更加穩(wěn)定，重新發(fā)起路由的次數(shù)很少。NAR路由協(xié)議開銷比較穩(wěn)定，并不是不同發(fā)包率路由開銷都一樣，而是在時(shí)間平均下，協(xié)議開銷變化不大。

圖4 路由開銷

圖5 數(shù)據(jù)包丟包數(shù)

(3)不存在有效路由造成的數(shù)據(jù)包的丟包數(shù)當(dāng)節(jié)點(diǎn)在路由發(fā)現(xiàn)限定的時(shí)間內(nèi)沒有建立起到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)的路由條目，在節(jié)點(diǎn)隊(duì)列中排隊(duì)等待發(fā)送的數(shù)據(jù)包要被銷毀。AODV尋找的路徑不穩(wěn)定，出現(xiàn)中間鏈路中斷而又不能及時(shí)修復(fù)時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)數(shù)據(jù)包被銷毀。NAR路由協(xié)議并沒有出現(xiàn)數(shù)據(jù)包被銷毀的現(xiàn)象，說明NAR路由協(xié)議能夠提供穩(wěn)定的路徑用于數(shù)據(jù)的傳輸。

(4)重傳造成的丟包 隨著發(fā)包率的增大，重傳造成的丟包率也隨著增大。20 packets/s處，由于最接近鏈路的飽和狀態(tài)，所以出現(xiàn)了一個(gè)拐點(diǎn)，在這之后，重傳丟包率迅速增大。NAR路由協(xié)議尋找鏈路質(zhì)量接近最優(yōu)的的路徑，重傳造成的丟包率低。

圖6 重傳丟包

3．2 干擾節(jié)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)場(chǎng)景

場(chǎng)景設(shè)置二:共53個(gè)節(jié)點(diǎn)分布在1 000 m×1 000 m的環(huán)境中，其中三個(gè)源節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)發(fā)射功率均為0．001 W;一個(gè)基站，基站的發(fā)射功率為1 W;一個(gè)干擾節(jié)點(diǎn)，干擾節(jié)點(diǎn)的發(fā)射功率為0．001 W。其中傳感器節(jié)點(diǎn)和基站采用的是相同的模型，干擾節(jié)點(diǎn)采用jammer節(jié)點(diǎn)模型，并且干擾節(jié)點(diǎn)采用運(yùn)動(dòng)節(jié)點(diǎn)，以5m/s的速度在網(wǎng)絡(luò)中運(yùn)動(dòng)。

干擾節(jié)點(diǎn)的發(fā)包間隔是固定的0．25 s，包的大小為1 024 bit。源節(jié)點(diǎn)的發(fā)包間隔分別為恒定分布:1 s，0．25 s，0．1 s，0．05 s，0．04 s，0．025 s，0．02 s。包的大小設(shè)定為1 024 bit。

設(shè)置網(wǎng)絡(luò)半徑為10，每跳的時(shí)延為0．01，相應(yīng)的c的取值為0．01。

仿真的時(shí)間是10 min，最后的統(tǒng)計(jì)結(jié)果是仿真時(shí)間內(nèi)對(duì)統(tǒng)計(jì)量的時(shí)間平均值。仿真圖是將OPNET產(chǎn)生的數(shù)據(jù)導(dǎo)入到spreadsheet中，然后利用MATLAB畫圖程序產(chǎn)生的。

(1)端到端的延遲 MANET統(tǒng)計(jì)的延遲是數(shù)據(jù)包從創(chuàng)建到銷毀所經(jīng)歷的時(shí)間間隔，NAR協(xié)議避開了干擾強(qiáng)的區(qū)域，重傳的次數(shù)減少，端到端的時(shí)延減小。

圖7 端到端的延遲

(2)路由控制開銷 干擾節(jié)點(diǎn)移動(dòng)的場(chǎng)景下，NAR路由協(xié)議的路徑相對(duì)AODV路由協(xié)議更加穩(wěn)定，重新尋找路由的次數(shù)減少。控制信息開銷減少。

圖8 路由控制信息開銷

4 總結(jié)

本文針對(duì)地震災(zāi)區(qū)等惡劣的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，傳感器節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)匯聚傳輸?shù)交镜倪^程中，受到干擾節(jié)點(diǎn)干擾的情況，引入物理層的信噪比作為選路代價(jià)，利用能量充足的基站回復(fù)所有節(jié)點(diǎn)，從而尋找和建立避開干擾嚴(yán)重區(qū)域的同時(shí)支持單向路徑和雙向路徑的路由協(xié)議。本文提出的NAR路由協(xié)議同時(shí)考慮了抗干擾性能和路由開銷，最終用OPNET軟件仿真驗(yàn)證了該路由協(xié)議在端到端的延遲、丟包率、路由開銷等方面性能的提升。

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