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(wǎng)絡的工作時間，降低延時效應來保證數(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(wǎng)絡的低延時節(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)。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)絡傳輸延時和網(wǎng)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(wǎng)絡；Ad Hoc；AODV；ZigBee CMMBCR；CC2420

0 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(wǎng)絡因其無物理位置限制而且能隨時隨地自組網(wǎng)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(shù)據(jù)通信網(wǎng)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(shù)據(jù)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(wǎng)絡的工作時間。
AODV是在Ad Hoc網(wǎng)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(jīng)提出了很多適用于AODV的節(jié)能方法，像AODVjr，AOD Vsimpli-fied，自適應AODV，適用于低速運動網(wǎng)絡的低功耗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(wǎng)絡的工作時間，根據(jù)結點電池的剩余能量，結點會根據(jù)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(shù)據(jù)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(wǎng)絡的工作時間。

1 低速運動Ad Hoc網(wǎng)絡的AODV改進協(xié)議
1．1 網(wǎng)絡環(huán)境
在假定的網(wǎng)絡環(huán)境中，50 m×50 m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(wǎng)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(wǎng)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(xiàn)網(wǎng)絡的智能調節(jié)，在網(wǎng)絡結點擁有充足能量時，提高網(wǎng)絡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(wǎng)絡的工作壽命。
1．2 網(wǎng)絡平均能量的估計和自適應路由
這里AODV算法旨在延長網(wǎng)絡的工作時間，即網(wǎng)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(wǎng)絡平均能量的結點，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是結點i到它的下一跳結點傳送信息所需要消耗的能量；Ei是結點i的剩余能量；E是網(wǎng)絡的平均剩余能量；α是調節(jié)剩余能量的權重系數(shù)；ηi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，Pt_consumei不同于Pt。它表示的是收發(fā)模塊內部實際能量的消耗，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)絡結點間的能量消耗，從而延長網(wǎng)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(wǎng)絡平均剩余能量的比值，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(xiàn)。這個策略和文獻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(wǎng)絡中絕大多數(shù)的結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(shù)據(jù)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=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(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。