基于A(yíng)ODV 且考慮延時(shí)能量節省的路由協(xié)議

摘要：重點(diǎn)研究基于節能要求兼低延時(shí)效應的AODV路由協(xié)議的改進(jìn)。節能以延長(cháng)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的工作時(shí)間，降低延時(shí)效應來(lái)保證數據傳輸的實(shí)時(shí)性，這是評價(jià)一個(gè)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的兩個(gè)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(dòng)的Ad Hoc網(wǎng)絡(luò )的低延時(shí)節能的路由改進(jìn)策略，包括在低于能量閾值時(shí)的動(dòng)態(tài)功率調整、能量意識的路由選擇、廣播控制、被動(dòng)路由更新和CMMBCR的引入。節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(shí)際情況(低速運動(dòng)網(wǎng)絡(luò ))。在用NS-2工具對該低延時(shí)節能策略進(jìn)行仿真測試后，得出在最佳情況下網(wǎng)絡(luò )傳輸延時(shí)和網(wǎng)路壽命兩項指標都能得到大幅度的改進(jìn)。
關(guān)鍵詞：無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )；Ad Hoc；AODV；ZigBee CMMBCR；CC2420

0 引言
隨著(zhù)移動(dòng)計算平臺和小型無(wú)線(xiàn)設備的普及，Ad Hoc無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )因其無(wú)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(lái)越多的關(guān)注。智能雷場(chǎng)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(shí)際戰爭環(huán)境中的雷場(chǎng)因其地理環(huán)境的多變性和不確定性，所以對無(wú)線(xiàn)數據通信網(wǎng)絡(luò )的自組性提出了很高的要求，又由于無(wú)線(xiàn)通信結點(diǎn)自身攜帶的電池供電能力有限，因此，在保證結點(diǎn)間數據通信及時(shí)性和可靠性的基礎上，高效地管理能量，延長(cháng)結點(diǎn)及整個(gè)網(wǎng)絡(luò )的工作時(shí)間。
AODV是在A(yíng)d Hoc網(wǎng)絡(luò )中較常用的一種通信傳輸協(xié)議。在硬件或軟件設計上，前人已經(jīng)提出了很多適用于A(yíng)ODV的節能方法，像AODVjr，AOD Vsimpli-fied，自適應AODV，適用于低速運動(dòng)網(wǎng)絡(luò )的低功耗AODV協(xié)議等，但是這里發(fā)現前人的這些改進(jìn)算法在智能雷場(chǎng)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(wǎng)絡(luò )的數據傳輸率和提高數據傳輸延時(shí)為代價(jià)的，雖然延長(cháng)了整個(gè)智能雷場(chǎng)的網(wǎng)絡(luò )工作時(shí)間，但是數據傳輸延時(shí)過(guò)久，在實(shí)際工作中是非常危險的。
在本文中，提出了一種新的自動(dòng)調節的能量控制協(xié)議。為了在保持結點(diǎn)響應速度的基礎上，延長(cháng)智能雷場(chǎng)網(wǎng)絡(luò )的工作時(shí)間，根據結點(diǎn)電池的剩余能量，結點(diǎn)會(huì )根據具體情況調節自身的傳輸協(xié)議。在能量充足時(shí)，會(huì )以減小數據傳輸延時(shí)為重點(diǎn)，保證雷場(chǎng)工作的高反應性；在低能量狀態(tài)時(shí)，會(huì )轉換到能量保護狀態(tài)，用蟻群節能算法來(lái)延長(cháng)網(wǎng)絡(luò )的工作時(shí)間。

1 低速運動(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)地內有20～30個(gè)結點(diǎn)，結點(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(luò )中的每個(gè)結點(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，即適合低速運動(dòng)網(wǎng)絡(luò )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協(xié)議)算法來(lái)實(shí)現網(wǎng)絡(luò )的智能調節，在網(wǎng)絡(luò )結點(diǎn)擁有充足能量時(shí)，提高網(wǎng)絡(luò )的處理速度以減小數據傳輸時(shí)延，保證數據傳輸的高效性；在網(wǎng)絡(luò )結點(diǎn)的能量不足時(shí)，啟用能量保護方案，通過(guò)修改廣播控制和路由選擇算法以延長(cháng)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路由
這里AODV算法旨在延長(cháng)網(wǎng)絡(luò )的工作時(shí)間，即網(wǎng)絡(luò )中第一個(gè)因為電池能量耗盡而停止工作的結點(diǎn)的時(shí)間。為了達到這個(gè)目的，提出了兩種改進(jìn)措施：首先，應該不選擇那些剩余能量遠小于網(wǎng)絡(luò )平均能量的結點(diǎn)，其次，在新的路由代價(jià)評價(jià)函數中，把跳數、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最小的路由。
1．2．1 新的路由代價(jià)評價(jià)函數

式中Pt_consumei是結點(diǎn)i到它的下一跳結點(diǎn)傳送信息所需要消耗的能量；Ei是結點(diǎn)i的剩余能量；E是網(wǎng)絡(luò )的平均剩余能量；α是調節剩余能量的權重系數；ηi是結點(diǎn)熱噪聲；G是整條路由代價(jià)評價(jià)。式(1)是計算結點(diǎn)i到它的下一跳結點(diǎn)的連接功率消耗，整條路由的消耗如式(2)所示，源結點(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、結點(diǎn)剩余能量、跳數。
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 )結點(diǎn)間的能量消耗，從而延長(cháng)網(wǎng)絡(luò )壽命。
當一個(gè)結點(diǎn)接收到一個(gè)RREQ時(shí)，它不是判斷這個(gè)是不是重復的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設值A，結點(diǎn)不再將RREQ廣播出去，它也將不參于此次路由發(fā)現。這個(gè)策略和文獻中提出的結點(diǎn)能量小于初始值的10％時(shí)便繞過(guò)有所不同，舉例說(shuō)，如果一個(gè)網(wǎng)絡(luò )中絕大多數的結點(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。
當一個(gè)路由建立后，一個(gè)名為established_energy的域會(huì )在相應路由表項中建立，用來(lái)記錄當前結點(diǎn)建立路由時(shí)的剩余能量。隨著(zhù)時(shí)間過(guò)去，結點(diǎn)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(gè)預設值B，比如B=0．7，該路由項會(huì )宣布為不活動(dòng)狀態(tài)，并啟動(dòng)RERR來(lái)觸發(fā)該路由的源結點(diǎn)啟動(dòng)路由重新更新，這稱(chēng)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(lái)觸發(fā)路由更新，更有利于路由更新隨著(zhù)能量消耗的多少來(lái)調節。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(dòng)的網(wǎng)絡(luò )而言)，如果某條路由上的數據包太多，它可以及時(shí)切換到能量更多的路由上去。