基于AODV且考慮延時能量節(jié)省的路由協(xié)議

摘要：重點研究基于節(jié)能要求兼低延時效應的AODV路由協(xié)議的改進。節(jié)能以延長無線傳感器網絡的工作時間，降低延時效應來保證數據傳輸的實時性，這是評價一個無線傳感器網絡的兩個重要指標。在總結國內外研究成果的基礎上，提出了更適用于低速運動的Ad Hoc網絡的低延時節(jié)能的路由改進策略，包括在低于能量闊值時的動態(tài)功率調整、能量意識的路由選擇、廣播控制、被動路由更新和CMMBCR的引入。節(jié)能策略更是引入了位置信息和網絡平均能量的概念，而且更適用于項目的實際情況(低速運動網絡)。在用NS-2工具對該低延時節(jié)能策略進行仿真測試后，得出在最佳情況下網絡傳輸延時和網路壽命兩項指標都能得到大幅度的改進。

關鍵詞：無線傳感器網絡；Ad Hoc；AODV；ZigBee；CMMBCR；CC2420

中圖分類號：TN92-34 文獻標識碼：A 文章編號：1004-373X(2012)03-0081-04

引言

隨著移動計算平臺和小型無線設備的普及，Ad Hoc無線網絡因其無物理位置限制而且能隨時隨地自組網絡而得到越來越多的關注。智能雷場作為此項研究的應用平臺，Ad Hoc更是顯示出其特有的優(yōu)勢。實際戰(zhàn)爭環(huán)境中的雷場因其地理環(huán)境的多變性和不確定性，所以對無線數據通信網絡的自組性提出了很高的要求，又由于無線通信結點自身攜帶的電池供電能力有限，因此，在保證結點間數據通信及時性和可靠性的基礎上，高效地管理能量，延長結點及整個網絡的工作時間。

AODV是在Ad Hoc網絡中較常用的一種通信傳輸協(xié)議。在硬件或軟件設計上，前人已經提出了很多適用于AODV的節(jié)能方法，像AODVjrill，AODVsimpli-fied，自適應AODV[23，適用于低速運動網絡的低功耗AODV協(xié)議等，但是這里發(fā)現前人的這些改進算法在智能雷場環(huán)境中，表現效果并不是很理想，因為低能耗往往是以犧牲網絡的數據傳輸率和提高數據傳輸延時為代價的，雖然延長了整個智能雷場的網絡工作時間，但是數據傳輸延時過久，在實際工作中是非常危險的。

在本文中，提出了一種新的自動調節(jié)的能量控制協(xié)議。為了在保持結點響應速度的基礎上，延長智能雷場網絡的工作時間，根據結點電池的剩余能量，結點會根據具體情況調節(jié)自身的傳輸協(xié)議。在能量充足時，會以減小數據傳輸延時為重點，保證雷場工作的高反應性；在低能量狀態(tài)時，會轉換到能量保護狀態(tài)，用蟻群節(jié)能算法來延長網絡的工作時間。

1低速運動Ad Hoe網絡的AODV改進協(xié)議

1.1網絡環(huán)境

在假定的網絡環(huán)境中，50m×50m的正方形場地內有20～30個結點，結點間的普遍距離是10～20m。由于網絡環(huán)境空間的可擴展性，用IEEE 802.15.4標準作為物理層和MAC層協(xié)議。IEEE 802.15.4的信號發(fā)射的能量模型采用了Chipcon CC2420，其默認發(fā)射頻率為2.4GHz。在NS-2的Two-ray-ground傳播模型中，CC2420最大的傳輸距離為17m。網絡中的每個結點都知道自己的位置和剩余能量。

AODV是最基本的路由協(xié)議架構，即適合低速運動網絡的按需分配路由協(xié)議。在此基礎上，加入了CMMBCR(條件性電池能量大小調節(jié)協(xié)議)算法來實現網絡的智能調節(jié)，在網絡結點擁有充足能量時，提高網絡的處理速度以減小數據傳輸時延，保證數據傳輸的高效性；在網絡結點的能量不足時，啟用能量保護方案，通過修改廣播控制和路由選擇算法以延長網絡的工作壽命。

1.2網絡平均能量的估計和自適應路由

這里AODV算法旨在延長網絡的工作時間，即網絡中第一個因為電池能量耗盡而停止工作的結點的時間。為了達到這個目的，提出了兩種改進措施：首先，應該不選擇那些剩余能量遠小于網絡平均能量的結點，其次，在新的路由代價評價函數中，把跳數、剩余能量還有能量消耗等三個因素都考慮進去，這樣有助于選擇一條能耗相對最小的路由。

1.2.1新的路由代價評價函數g=p(h_teonsumei)(/)e(m_i)e(h_a)+μ(m_j)式中P(m_tconsurnei)是結點i到它的下一跳結點傳送信息所需要消耗的能量；E(m_i)是結點i的剩余能量；E是網絡的平均剩余能量；a是調節(jié)剩余能量的權重系數m是結點熱噪聲；G是整條路由代價評價。式(1)是計算結點i到它的下一跳結點的連接功率消耗，整條路由的消耗如式(2)所示，源結點會選擇G值較小的路由。需要特別注意的是，P(h_tconsumei)不同于(m_t)它表示的是收發(fā)模塊內部實際能量的消耗，而P(h_t)是發(fā)射出去的電磁波的能量。在式(2)中，考慮了三個因素：傳輸所需能量、結點剩余能量、跳數。

1.2.2 RREQ廣播控制和被動路由更新

RREQ的廣播控制和被動路由更新則是進一步平衡網絡結點間的能量消耗，從而延長網絡壽命。

當一個結點接收到一個RREQ時，它不是判斷這個是不是重復的RREQ，而是計算自己剩余能量和網絡平均剩余能量的比值e/e如果該值小于某一預設值A，結點不再將RREQ廣播出去，它也將不參于此次路由發(fā)現。這個策略和文獻[8]中提出的結點能量小于初始值的10％時便繞過有所不同，舉例說，如果一個網絡中絕大多數的結點能量都小于初始值的lO％，本文的策略仍然可以選擇有相對高剩余能量的路由，而文獻[8]中的策略將使網絡陷入癱瘓。

當一個路由建立后，一個名為established_energy的域會在相應路由表項中建立，用來記錄當前結點建立路由時的剩余能量。隨著時間過去，結點不斷地收發(fā)數據包，如果當前剩余能量和established_energy的比值小于一個預設值B，比如B=O.7，該路由項會宣布為不活動狀態(tài)，并啟動RERR來觸發(fā)該路由的源結點啟動路由重新更新，這稱為被動路由更新。相比AODV中的主動路由更新，它是使用剩余能量而不是時間來觸發(fā)路由更新，更有利于路由更新隨著能量消耗的多少來調節(jié)。如果某條路由上的數據包很少，，它可以有效減少不必要的路由更新(也是對于低速運動的網絡而言)，如果某條路由上的數據包太多，它可以及時切換到能量更多的路由上去。

1.2.3網絡平均能量的估計

在文獻[9]中，Gil，HR等提出了估計網絡平均能量的算法。該算法的缺陷在于，當一個節(jié)點M持續(xù)不斷地向節(jié)點N發(fā)送數據包時，他們的能量消耗要遠比網絡平均多，但是它的一跳鄰居P也許只從M接收到RREQ，從而P對網絡平均能量的估計很可能十分接近M的能量值，從而大大低于實際的網絡平均能量值。本文對該算法的改進在于，加了一個域到RREP中，而任何節(jié)點接收到RREP時所做的計算和接收到RREQ時一樣。通過這種方法，提供給節(jié)點更全面的信息去估計網絡的平均能量，使得估計更精確。

1.3基于CMMBR的自調節(jié)傳輸協(xié)議

在文獻[10]中提到，如果源結點、目的結點以及路由可能經過的結點都有充足的剩余能量(比如都大于某個閾值)，則只要挑選總體傳輸能量最小的路由即可，這樣可減小路由選擇算法的計算復雜度，從而減小數據傳輸的延時，保證數據傳輸的及時性。然而，當路由上某些結點都處于較低能量時(比如小于某個閾值)，就需要用到上述的被動能量調節(jié)，從而來延長這些結點的工作時間，從來保證整個無線傳輸網絡不會過早的衰亡。具體的算法實現如下：

如果最小結點剩余能量R(h_j)≥y：p(n(m_i)， n(m_j))=p(m_transmit)(n(m_i)，n(m_j))+p(m_reeiveer)(n(m_i))(3)p(m₁)=∑i=o(/)d1p(n(m_i)，n(m_i)+1)(4)p(m_k)=min/p(h_l)(5)

式(3)為結點n(h_i)和結點”，之間的傳輸功率.式(4)為路由的總傳輸功率，式(5)是最理想的路由K所滿足的條件，其中P(h_transmit)是結點”n(m_i)和n(m_j)之間的傳輸功率，P(m_receiveer)是結點n(h_j)接收數據的接收功率。A是所有可能路由的集合。

如果最小結點剩余能量R(m_c)(h_j)，則說明部分結點的能量已經消耗過快，這時要啟動上述的能量相關的代價評價函數來均衡網絡中的結點能量分布，延長路由的工作時間。

2仿真模型

用NS-2對改進的AODV和經典AODV的表現進行仿真比較。25個點以10 m的橫向和縱向間隔在網絡中平均分布，如圖1所示。隨后，又利用CBR工具產生了16個UDP對話。每個對話以恒定的速率連續(xù)發(fā)送30s的數據包。

對話中的源節(jié)點和目的結點對如圖1所示，并以逆時針方向轉動，如5-19，0-24，1-23，依此類推并循環(huán)。這種場景設計的目的有兩個，一是平均結點之間數據收發(fā)任務的分配，盡量不使作為源節(jié)點和目的結點的角色任務過重而死掉，二是有意識地增加中央區(qū)域的路由負擔，形成“過熱”區(qū)域，以顯示改進的算法對于在低能量時對“過熱”區(qū)域的處理能力。場景的預設測試時間為5000s，同時也讓每個結點有低速度的運動，平均速度為0.5m/s，數據的速率為5幀/s。根據之前在這方面的工作，在式(1)中的a設為3。測試網絡在不同的暫停時間下各方面的表現，并和原AODV比較。

這里為網絡設計了2種初始能量，分別為5J和20J。前者是不夠讓網絡運行5000s的，而后者則是足夠的。在5J的情形下測試網絡的壽命和網絡平均數據傳輸延時，網絡的壽命即是第一個結點死掉的時間；在20J的情況下，測試網絡的平均吞吐量、發(fā)送成功率、剩余能量的方差、平均每個數據包消耗的能量和平均延時。

3仿真結果

圖2給出了在能量不足的情況(初始能量是5J)下，改進的AODV和原AODV的網絡壽命隨暫停時間的變化比

較。從圖中很明顯看出，改進的AODV相對原AODV在網絡壽命的延長方面隨著暫停時間的變長而變大。暫停時間為5000s時為靜止網絡。這個時候改進的AODV的表現是最好的。而當網絡的靜止時間為250s的時候，網絡壽命的延長效果最差。這是因為在靜止網絡中，由于拓撲結構的靜止不變，個別結點就承擔了過重的數據轉發(fā)任務，從而結點間的能量消耗就更不均勻，從而導致個別結點任務過重而過快衰竭。圖3給出了在暫停時間為2000s時，網絡工

作在不同階段的數據傳輸的平均延時。取y＝0.4，即Curren-tEnergy/InitialEnergy=0.4，從圖中可以看到在40％之前改進后的AODV算法比原AODV的延時時間縮短了20％～34％，而之后，延時縮短時間也有1O％左右，這是符合設計初衷的。

在實際應用場景中，即雷場中.暫停時間為2000s比較具有代表性，即結點的平均移動速度大約為0.5m/s。表1給出了在暫停時間為2000s的運動網絡中，改進的AODV和原AODV在性能上比較。可以清楚看到在此條件下，平均吞吐量基本沒有變化，平均延時降低了29.9％，剩余能量方差降低了11.3％，發(fā)送成功率提高了0.7％，其中每個數據包消耗的能量提高了。每個數據包消耗能量的增加主要是因為在結點能量充足的階段，采用了總體路由能量最小的路由選擇算法，沒有采取任何廣播控制和能量節(jié)省算法所致，這是改進的AODV機制中需要付出的代價，但是在能量充足的情況下，這一點消耗能量的增加并不會影響網絡整體的工作壽命，而且達到了降低數據傳輸時延的目的，這正是希望看到的。

在這個改進的AODV傳輸協(xié)議中，其關鍵作用就是閾值7，閾值取的太大則網絡工作壽命會減少，閾值取的過小則數據傳輸延時會過大，所以這里對各種閾值都進行了仿真比較，結果如圖4所示。由圖4可以看到，延時隨著閾值的增大而減小，在0.4處出現緩和并趨向平穩(wěn)；網絡工作壽命隨著閾值的增大而變小，在0.4處出現了一次大幅度的下滑，據此分析可得，閾值r=0.4是個關鍵點，也是符合要求的值。

4總結

本文在敘述AODV路由協(xié)議原理的基礎上，指出其在智能雷場環(huán)境中對于傳輸延時和節(jié)能要求的不足，并在回顧了國內外節(jié)能路由協(xié)議研究現狀之后，提出了本文的算法，主要包括：動態(tài)發(fā)射功率調整，能量和延時相關的代價評價函數，RREQ廣播控制，被動路由更新和CMMBCR的引入。這些算法的提出是基于該項目中具有GPS模塊，并且是一個低速運動的無線網絡。隨后，利用NS-2網絡仿真工具對算法進行了仿真測試。從結果可以看到，算法不僅提高了網絡壽命，而且減小了數據的平均傳輸延時，并且吞吐量等其他方面沒有很顯著的下降。最后討論了不同傳輸協(xié)議算法之間轉換閾值y的取值問題。