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(yīng)的AODV路由協(xié)議的改進(jìn)。節(jié)能以延長無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的工作時間，降低延時效應(yīng)來保證數(shù)據(jù)傳輸的實時性，這是評價一個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的兩個重要指標(biāo)。在總結(jié)國內(nèi)外研究成果的基礎(chǔ)上，提出了更適用于低速運動的Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的低延時節(jié)能的路由改進(jìn)策略，包括在低于能量閾值時的動態(tài)功率調(diào)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(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò))。在用NS-2工具對該低延時節(jié)能策略進(jìn)行仿真測試后，得出在最佳情況下網(wǎng)絡(luò)傳輸延時和網(wǎng)路壽命兩項指標(biāo)都能得到大幅度的改進(jìn)。
關(guān)鍵詞：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；Ad Hoc；AODV；ZigBee CMMBCR；CC2420

0 引言
    隨著移動計算平臺和小型無線設(shè)備的普及，Ad Hoc無線網(wǎng)絡(luò)因其無物理位置限制而且能隨時隨地自組網(wǎng)絡(luò)而得到越來越多的關(guān)注。智能雷場作為此項研究的應(yīng)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(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)的自組性提出了很高的要求，又由于無線通信結(jié)點自身攜帶的電池供電能力有限，因此，在保證結(jié)點間數(shù)據(jù)通信及時性和可靠性的基礎(chǔ)上，高效地管理能量，延長結(jié)點及整個網(wǎng)絡(luò)的工作時間。
    AODV是在Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中較常用的一種通信傳輸協(xié)議。在硬件或軟件設(shè)計上，前人已經(jīng)提出了很多適用于AODV的節(jié)能方法，像AODVjr，AOD Vsimpli-fied，自適應(yīng)AODV，適用于低速運動網(wǎng)絡(luò)的低功耗AODV協(xié)議等，但是這里發(fā)現(xiàn)前人的這些改進(jìn)算法在智能雷場環(huán)境中，表現(xiàn)效果并不是很理想，因為低能耗往往是以犧牲網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸率和提高數(shù)據(jù)傳輸延時為代價的，雖然延長了整個智能雷場的網(wǎng)絡(luò)工作時間，但是數(shù)據(jù)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(diào)節(jié)的能量控制協(xié)議。為了在保持結(jié)點響應(yīng)速度的基礎(chǔ)上，延長智能雷場網(wǎng)絡(luò)的工作時間，根據(jù)結(jié)點電池的剩余能量，結(jié)點會根據(jù)具體情況調(diào)節(jié)自身的傳輸協(xié)議。在能量充足時，會以減小數(shù)據(jù)傳輸延時為重點，保證雷場工作的高反應(yīng)性；在低能量狀態(tài)時，會轉(zhuǎn)換到能量保護(hù)狀態(tài)，用蟻群節(jié)能算法來延長網(wǎng)絡(luò)的工作時間。

1 低速運動Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的AODV改進(jìn)協(xié)議
1．1 網(wǎng)絡(luò)環(huán)境
    在假定的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，50 m×50 m的正方形場地內(nèi)有20～30個結(jié)點，結(jié)點間的普遍距離是10～20m。由于網(wǎng)絡(luò)環(huán)境空間的可擴展性，用IEEE 802．15．4標(biāo)準(zhǔn)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Chipeon CC2420，其默認(rèn)發(fā)射頻率為2．4 GHz。在NS-2的Two-ray-ground傳播模型中，CC2420最大的傳輸距離為17 m。網(wǎng)絡(luò)中的每個結(jié)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(gòu)，即適合低速運動網(wǎng)絡(luò)的按需分配路由協(xié)議。在此基礎(chǔ)上，加入了CMMBCR(條件性電池能量大小調(diào)節(jié)協(xié)議)算法來實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的智能調(diào)節(jié)，在網(wǎng)絡(luò)結(jié)點擁有充足能量時，提高網(wǎng)絡(luò)的處理速度以減小數(shù)據(jù)傳輸時延，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)母咝?；在網(wǎng)絡(luò)結(jié)點的能量不足時，啟用能量保護(hù)方案，通過修改廣播控制和路由選擇算法以延長網(wǎng)絡(luò)的工作壽命。
1．2 網(wǎng)絡(luò)平均能量的估計和自適應(yīng)路由
    這里AODV算法旨在延長網(wǎng)絡(luò)的工作時間，即網(wǎng)絡(luò)中第一個因為電池能量耗盡而停止工作的結(jié)點的時間。為了達(dá)到這個目的，提出了兩種改進(jìn)措施：首先，應(yīng)該不選擇那些剩余能量遠(yuǎn)小于網(wǎng)絡(luò)平均能量的結(jié)點，其次，在新的路由代價評價函數(shù)中，把跳數(shù)、剩余能量還有能量消耗等三個因素都考慮進(jìn)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(shù)
   
    式中Pt_consumei是結(jié)點i到它的下一跳結(jié)點傳送信息所需要消耗的能量；Ei是結(jié)點i的剩余能量；E是網(wǎng)絡(luò)的平均剩余能量；α是調(diào)節(jié)剩余能量的權(quán)重系數(shù)；ηi是結(jié)點熱噪聲；G是整條路由代價評價。式(1)是計算結(jié)點i到它的下一跳結(jié)點的連接功率消耗，整條路由的消耗如式(2)所示，源結(jié)點會選擇G值較小的路由。需要特別注意的是，Pt_consumei不同于Pt。它表示的是收發(fā)模塊內(nèi)部實際能量的消耗，而Pt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(jié)點剩余能量、跳數(shù)。
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(jìn)一步平衡網(wǎng)絡(luò)結(jié)點間的能量消耗，從而延長網(wǎng)絡(luò)壽命。
    當(dāng)一個結(jié)點接收到一個RREQ時，它不是判斷這個是不是重復(fù)的RREQ，而是計算自己剩余能量和網(wǎng)絡(luò)平均剩余能量的比值，如果該值小于某一預(yù)設(shè)值A(chǔ)，結(jié)點不再將RREQ廣播出去，它也將不參于此次路由發(fā)現(xiàn)。這個策略和文獻(xiàn)中提出的結(jié)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(wǎng)絡(luò)中絕大多數(shù)的結(jié)點能量都小于初始值的10％，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(xiàn)中的策略將使網(wǎng)絡(luò)陷入癱瘓。
    當(dāng)一個路由建立后，一個名為established_energy的域會在相應(yīng)路由表項中建立，用來記錄當(dāng)前結(jié)點建立路由時的剩余能量。隨著時間過去，結(jié)點不斷地收發(fā)數(shù)據(jù)包，如果當(dāng)前剩余能量和established_energy的比值小于一個預(yù)設(shè)值B，比如B=0．7，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(jié)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(diào)節(jié)。如果某條路由上的數(shù)據(jù)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(wǎng)絡(luò)而言)，如果某條路由上的數(shù)據(jù)包太多，它可以及時切換到能量更多的路由上去。
1．2. 3 網(wǎng)絡(luò)平均能量的估計
    在文獻(xiàn)中，Gil，HR等提出了估計網(wǎng)絡(luò)平均能量的算法。該算法的缺陷在于，當(dāng)一個節(jié)點M持續(xù)不斷地向節(jié)點N發(fā)送數(shù)據(jù)包時，他們的能量消耗要遠(yuǎn)比網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)平均能量值。本文對該算法的改進(jìn)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(wǎng)絡(luò)的平均能量，使得估計更精確。
1．3 基于CMMBR的自調(diào)節(jié)傳輸協(xié)議
    在文獻(xiàn)中提到，如果源結(jié)點、目的結(jié)點以及路由可能經(jīng)過的結(jié)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(fù)雜度，從而減小數(shù)據(jù)傳輸?shù)难訒r，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)募皶r性。然而，當(dāng)路由上某些結(jié)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(diào)節(jié)，從而來延長這些結(jié)點的工作時間，從來保證整個無線傳輸網(wǎng)絡(luò)不會過早的衰亡。具體的算法實現(xiàn)如下：
   
    式(3)為結(jié)點nj和結(jié)點ni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Ptransmit是結(jié)點ni和nj之間的傳輸功率，Preceiver是結(jié)點nj接收數(shù)據(jù)的接收功率，A是所有可能路由的集合。
    如果最小結(jié)點剩余能量，則說明部分結(jié)點的能量已經(jīng)消耗過快，這時要啟動上述的能量相關(guān)的代價評價函數(shù)來均衡網(wǎng)絡(luò)中的結(jié)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(jìn)的AODV和經(jīng)典AODV的表現(xiàn)進(jìn)行仿真比較。25個點以10 m的橫向和縱向間隔在網(wǎng)絡(luò)中平均分布，如圖1所示。隨后，又利用CBR工具產(chǎn)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(shù)據(jù)包。

    對話中的源節(jié)點和目的結(jié)點對如圖1所示，并以逆時針方向轉(zhuǎn)動，如5-19，0-24，1-23，依此類推并循環(huán)。這種場景設(shè)計的目的有兩個，一是平均結(jié)點之間數(shù)據(jù)收發(fā)任務(wù)的分配，盡量不使作為源節(jié)點和目的結(jié)點的角色任務(wù)過重而死掉，二是有意識地增加中央?yún)^(qū)域的路由負(fù)擔(dān)，形成“過熱”區(qū)域，以顯示改進(jìn)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(yù)設(shè)測試時間為5 000 s，同時也讓每個結(jié)點有低速度的運動，平均速度為0．5 m／s，數(shù)據(jù)的速率為5幀／s。根據(jù)之前在這方面的工作，在式(1)中的α設(shè)為3。測試網(wǎng)絡(luò)在不同的暫停時間下各方面的表現(xiàn)，并和原AODV比較。
    這里為網(wǎng)絡(luò)設(shè)計了2種初始能量，分別為5 J和20 J。前者是不夠讓網(wǎng)絡(luò)運行5 000 s的，而后者則是足夠的。在5 J的情形下測試網(wǎng)絡(luò)的壽命和網(wǎng)絡(luò)平均數(shù)據(jù)傳輸延時，網(wǎng)絡(luò)的壽命即是第一個結(jié)點死掉的時間；在20 J的情況下，測試網(wǎng)絡(luò)的平均吞吐量、發(fā)送成功率、剩余能量的方差、平均每個數(shù)據(jù)包消耗的能量和平均延時。

3 仿真結(jié)果
    圖2給出了在能量不足的情況(初始能量是5 J)下，改進(jìn)的AODV和原AODV的網(wǎng)絡(luò)壽命隨暫停時間的變化比較。從圖中很明顯看出，改進(jìn)的AODV相對原AODV在網(wǎng)絡(luò)壽命的延長方面隨著暫停時間的變長而變大。暫停時間為5 000 s時為靜止網(wǎng)絡(luò)。這個時候改進(jìn)的AODV的表現(xiàn)是最好的。而當(dāng)網(wǎng)絡(luò)的靜止時間為250 s的時候，網(wǎng)絡(luò)壽命的延長效果最差。這是因為在靜止網(wǎng)絡(luò)中，由于拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的靜止不變，個別結(jié)點就承擔(dān)了過重的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)任務(wù)，從而結(jié)點間的能量消耗就更不均勻，從而導(dǎo)致個別結(jié)點任務(wù)過重而過快衰竭。圖3給出了在暫停時間為2 000 s時，網(wǎng)絡(luò)工作在不同階段的數(shù)據(jù)傳輸?shù)钠骄訒r。取γ=0．4，即CurrentEnergy／InitialEnergy=0．4，從圖中可以看到在40％之前改進(jìn)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10％左右，這是符合設(shè)計初衷的。

    在實際應(yīng)用場景中，即雷場中，暫停時間為2 000 s比較具有代表性，即結(jié)點的平均移動速度大約為0．5 m／s。表1給出了在暫停時間為2000s的運動網(wǎng)絡(luò)中，改進(jìn)的AODV和原AODV在性能上比較?？梢郧宄吹皆诖藯l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(shù)據(jù)包消耗的能量提高了。每個數(shù)據(jù)包消耗能量的增加主要是因為在結(jié)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(jìn)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(wǎng)絡(luò)整體的工作壽命，而且達(dá)到了降低數(shù)據(jù)傳輸時延的目的，這正是希望看到的。

    在這個改進(jìn)的AODV傳輸協(xié)議中，其關(guān)鍵作用就是閾值γ，閾值取的太大則網(wǎng)絡(luò)工作壽命會減少，閾值取的過小則數(shù)據(jù)傳輸延時會過大，所以這里對各種閾值都進(jìn)行了仿真比較，結(jié)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(xiàn)緩和并趨向平穩(wěn)；網(wǎng)絡(luò)工作壽命隨著閾值的增大而變小，在0．4處出現(xiàn)了一次大幅度的下滑，據(jù)此分析可得，閾值γ=0．4是個關(guān)鍵點，也是符合要求的值。

4 總結(jié)
    本文在敘述AODV路由協(xié)議原理的基礎(chǔ)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(nèi)外節(jié)能路由協(xié)議研究現(xiàn)狀之后，提出了本文的算法，主要包括：動態(tài)發(fā)射功率調(diào)整，能量和延時相關(guān)的代價評價函數(shù)，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(wǎng)絡(luò)。隨后，利用NS-2網(wǎng)絡(luò)仿真工具對算法進(jìn)行了仿真測試。從結(jié)果可以看到，算法不僅提高了網(wǎng)絡(luò)壽命，而且減小了數(shù)據(jù)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(zhuǎn)換閾值γ的取值問題。