基于AODV 且考慮延時(shí)能量節(jié)省的路由協(xié)議

摘要：重點(diǎn)研究基于節(jié)能要求兼低延時(shí)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(shí)間，降低延時(shí)效應(yīng)來保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性，這是評(píng)價(jià)一個(gè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的兩個(gè)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(yùn)動(dòng)的Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的低延時(shí)節(jié)能的路由改進(jìn)策略，包括在低于能量閾值時(shí)的動(dòng)態(tài)功率調(diào)整、能量意識(shí)的路由選擇、廣播控制、被動(dòng)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(xiàng)目的實(shí)際情況(低速運(yùn)動(dòng)網(wǎng)絡(luò))。在用NS-2工具對(duì)該低延時(shí)節(jié)能策略進(jìn)行仿真測(cè)試后，得出在最佳情況下網(wǎng)絡(luò)傳輸延時(shí)和網(wǎng)路壽命兩項(xiàng)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(dòng)計(jì)算平臺(tái)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(shí)隨地自組網(wǎng)絡(luò)而得到越來越多的關(guān)注。智能雷場(chǎng)作為此項(xiàng)研究的應(yīng)用平臺(tái)，Ad Hoc更是顯示出其特有的優(yōu)勢(shì)。實(shí)際戰(zhàn)爭(zhēng)環(huán)境中的雷場(chǎng)因其地理環(huán)境的多變性和不確定性，所以對(duì)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(diǎn)自身攜帶的電池供電能力有限，因此，在保證結(jié)點(diǎn)間數(shù)據(jù)通信及時(shí)性和可靠性的基礎(chǔ)上，高效地管理能量，延長結(jié)點(diǎn)及整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的工作時(shí)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(jì)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(yùn)動(dòng)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(chǎng)環(huán)境中，表現(xiàn)效果并不是很理想，因?yàn)榈湍芎耐且誀奚W(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸率和提高數(shù)據(jù)傳輸延時(shí)為代價(jià)的，雖然延長了整個(gè)智能雷場(chǎng)的網(wǎng)絡(luò)工作時(shí)間，但是數(shù)據(jù)傳輸延時(shí)過久，在實(shí)際工作中是非常危險(xiǎn)的。
在本文中，提出了一種新的自動(dòng)調(diào)節(jié)的能量控制協(xié)議。為了在保持結(jié)點(diǎn)響應(yīng)速度的基礎(chǔ)上，延長智能雷場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)的工作時(shí)間，根據(jù)結(jié)點(diǎn)電池的剩余能量，結(jié)點(diǎn)會(huì)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(shí)，會(huì)以減小數(shù)據(jù)傳輸延時(shí)為重點(diǎn)，保證雷場(chǎng)工作的高反應(yīng)性；在低能量狀態(tài)時(shí)，會(huì)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(shí)間。

1 低速運(yùn)動(dòng)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(chǎng)地內(nèi)有20～30個(gè)結(jié)點(diǎn)，結(jié)點(diǎn)間的普遍距離是10～20m。由于網(wǎng)絡(luò)環(huán)境空間的可擴(kuò)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(hào)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(gè)結(jié)點(diǎn)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(yùn)動(dòng)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(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的智能調(diào)節(jié)，在網(wǎng)絡(luò)結(jié)點(diǎn)擁有充足能量時(shí)，提高網(wǎng)絡(luò)的處理速度以減小數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)母咝?；在網(wǎng)絡(luò)結(jié)點(diǎn)的能量不足時(shí)，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(jì)和自適應(yīng)路由
這里AODV算法旨在延長網(wǎng)絡(luò)的工作時(shí)間，即網(wǎng)絡(luò)中第一個(gè)因?yàn)殡姵啬芰亢谋M而停止工作的結(jié)點(diǎn)的時(shí)間。為了達(dá)到這個(gè)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(diǎn)，其次，在新的路由代價(jià)評(píng)價(jià)函數(shù)中，把跳數(shù)、剩余能量還有能量消耗等三個(gè)因素都考慮進(jìn)去，這樣有助于選擇一條能耗相對(duì)最小的路由。
1．2．1 新的路由代價(jià)評(píng)價(jià)函數(shù)

式中Pt_consumei是結(jié)點(diǎn)i到它的下一跳結(jié)點(diǎn)傳送信息所需要消耗的能量；Ei是結(jié)點(diǎn)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(diǎn)熱噪聲；G是整條路由代價(jià)評(píng)價(jià)。式(1)是計(jì)算結(jié)點(diǎn)i到它的下一跳結(jié)點(diǎn)的連接功率消耗，整條路由的消耗如式(2)所示，源結(jié)點(diǎn)會(huì)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(shí)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(gè)因素：傳輸所需能量、結(jié)點(diǎn)剩余能量、跳數(shù)。
1．2．2 RREQ廣播控制和被動(dòng)路由更新
RREQ的廣播控制和被動(dòng)路由更新則是進(jìn)一步平衡網(wǎng)絡(luò)結(jié)點(diǎn)間的能量消耗，從而延長網(wǎng)絡(luò)壽命。
當(dāng)一個(gè)結(jié)點(diǎn)接收到一個(gè)RREQ時(shí)，它不是判斷這個(gè)是不是重復(fù)的RREQ，而是計(jì)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(diǎn)不再將RREQ廣播出去，它也將不參于此次路由發(fā)現(xiàn)。這個(gè)策略和文獻(xiàn)中提出的結(jié)點(diǎn)能量小于初始值的10％時(shí)便繞過有所不同，舉例說，如果一個(gè)網(wǎng)絡(luò)中絕大多數(shù)的結(jié)點(diǎn)能量都小于初始值的10％，本文的策略仍然可以選擇有相對(duì)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(gè)路由建立后，一個(gè)名為established_energy的域會(huì)在相應(yīng)路由表項(xiàng)中建立，用來記錄當(dāng)前結(jié)點(diǎn)建立路由時(shí)的剩余能量。隨著時(shí)間過去，結(jié)點(diǎn)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(gè)預(yù)設(shè)值B，比如B=0．7，該路由項(xiàng)會(huì)宣布為不活動(dòng)狀態(tài)，并啟動(dòng)RERR來觸發(fā)該路由的源結(jié)點(diǎn)啟動(dòng)路由重新更新，這稱為被動(dòng)路由更新。相比AODV中的主動(dòng)路由更新，它是使用剩余能量而不是時(shí)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(duì)于低速運(yùn)動(dòng)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(shí)切換到能量更多的路由上去。