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。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?shù)膶崟r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。
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。為了達到這個目的，提出了兩種改進措施：首先，應(yīng)該不選擇那些剩余能量遠小于網(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。