OLSR路由協議的功率補償機制研究

摘 要：針對物聯網無線傳感器監測系統，研究了適合稀疏分布傳感器節點下的無線路由OLSR協議，并對傳統OLSR路由協議進行改進。在網絡高可靠性要求和節點分布不均的情況下，引入了功率補償機制和自主切換機制，并對改進后的協議通過NS2進行了仿真實驗。實驗結果表明，該協議在可靠性和時延方面均有所提高，達到了提高稀疏節點無線路由網絡系統性能的目的。

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關鍵詞：OLSR協議； 稀疏路由； 補償點； 功率補償； 自主切換機制

中圖分類號：TN915.04-34； TP393

文獻標識碼：A

文章編號：1004-373X(2012)01-0045-04

Research on power compensation mechanism of OLSR protocol

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LIAO Shu-hong1， ZHANG Yong1， WU Yin2， HUANG Tong-xin1

(1.College of Computer Science and Technology， Nanjing University of Aeronautics and Astronautics， Nanjing 210016， China；

2.College of Automation， Nanjing University of Aeronautics and Astronautics， Nanjing 210016， China)

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Abstract：

The optimized link state routing protocol (OLSR) in a sparse routing condition for the Internet of things(IOT) wireless sensor monitoring system is studied， and the traditional OLSR protocol is improved. In order to get better performance under sparse nodes condition， both power compensated mechanism and self-switching mechanism are added， then， the implementation is simulated by NS2. The results show that the protocol has higher performance and shorter delay after it has been improved， and achieves the purpose of optimal route protocol for the system.

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Keywords： OLSR protocol; sparse routing; compensation point; power compensation; self-switching mechanism

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收稿日期：2011-08-16

0 引 言

無線傳感網絡節點多用于比較惡劣的環境，如戰場或各種地下作業，因此對節能和數據可靠傳輸的要求較高，同時由于節點分布不均勻，多為垂直和水平分布，傳統的路由協議如AODV(Ad Hoc On-Demand Distance Vector Routing)，Gear，Leach等缺乏靈活性，且對節點定位要求較高[1]。而先應式路由協議OLSR(Optimized Link State Routing)引入了MPR選擇機制，使得其有效減少路由開銷和保證節點傳輸的可靠性。

OLSR是一種先驗式路由協議，已經被IETF MANET工作組正式公布為自組網路由協議的RFC標準。OLSR通過獲得的拓撲信息，利用Dijkstra算法進行路由計算，選擇到達目的節點的最短路徑。

雖然OLSR協議具有很多優點，但研究結果表明，當節點分布稀疏時，使用OLSR協議獲得的數據吞吐量大幅度下降，同時延遲也增大[2]。因此本文將對OLSR協議進行改進，使其在稀疏節點環境中也能取得較好的性能。

1 OLSR路由協議的改進

本文提出的結合功率進行補償機制的改進OLSR協議，在節點密集處采用傳統OLSR協議，在節點稀疏處自動切換到改進后的OLSR協議。

1.1 OLSR路由算法的缺陷

(1)不適應稀疏節點

OLSR協議默認節點信號傳播半徑足夠大，保證源與目的節點之間存在通信鏈路使得網絡整體連通。但在節點稀疏或移動分布式無線網絡拓撲結構中，網絡拓撲頻繁改變，無法確保網絡的連通性及節點間始終存在通信路徑。

(2)鏈路結構不均衡

OLSR協議只有被選為MPR的節點才產生并轉發TC(Topology Control)消息，默認情況下的TC只包含了MPR(MultiPoint Relays)選擇者的地址信息[3]。在每個時刻，網絡節點的拓撲集里僅僅存在MPR鏈路信息，而對其他的對稱鏈路或者單向鏈路不會反映到網絡拓撲集中。OLSR協議實驗可以得到10個節點情況下網絡拓撲圖如圖1所示，完整的拓撲圖如圖2所示。

由圖1可以看出，節點3，7，8，9均未被任何節點選為MPR，它們沒有TC消息可以發送，同時節點8只有一條鏈路可以被廣播。

圖1 OLSR網絡拓撲圖

圖2 完整的網絡拓撲圖

節點8到目的節點只有一條可用鏈路，因此需要為這些MPR節點集中節點數為1的節點選擇一個備用的轉發節點，當MPR節點出現故障時，能夠及時代替MPR節點轉發。

1.2 稀疏OLSR路由補償節點選擇算法

改進協議針對只有一條鏈路被感知的節點，在Hello消息中增加一個標志位，標志該節點MPR集中節點數量。

協議開始后，按照傳統OLSR協議進行MPR選舉，MPR集合中的節點選出后，各個MPR節點檢查收到的節點Hello消息中的標志位，當標志位為1時，在網絡性能下降到一定程度時就可以采用補償算法選取相應的補償節點，增大補償節點發射功率，使它的通信范圍覆蓋MPR集合中惟一節點所覆蓋的范圍，這樣就解除了該惟一節點的不可靠性，以保證整個網絡的連通性。補償節點選擇流程如圖3所示。

圖3 補償節點選擇流程圖

由圖3可得到補償算法如下：

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BEGIN

DO 在Hello消息中附帶子集節點上一次發送消息后的剩余能量信息;

IF 節點剩余能量>λ THEN

MPR集合中的節點能量將要耗盡或者鏈路狀態變壞;

DO MPR集合中節點惟一的節點發送補償請求消息給所有一跳鄰居節點;

IF 該節點做過補償點 THEN

根據分組內部的發射/接收功率信息;

DO計算鄰接點與惟一節點的距離，并寫入補償回應消息中，發送給MPR集合中的節點，同時該節點作為備用補償點;

ELSE IF 距離鄰居節點N最近THEN

MPR集合中的惟一節點收到應答消息;

DO選擇距離最近的鄰居節點作為補償點;

ELSE END

END IF

END IF

ELSE END

END IF

DO選出的補償節點根據收到的信息來調整發射功率。補償節點將自身通信半徑增大到補償節點的MPR節點的通信半徑和該MPR節點與它距離之和;

END



為了節約能量，補償節點最大發射功率的工作時間為一個查找周期，當發現MPR集合中的集合節點不需要補償節點時就恢復之前的發射功率。

2 自主切換機制

在路由建立階段，當通過各個節點的Hello消息使整個網絡的MPR節點集確定后，MPR子集內部各個節點利用式(1)求出平均閾值Savr：

Savr=Sall/Smpr

(1)

式中:Sall代表整個網絡的節點數和;Smpr代表MPR集合節點個數。MPR節點集合內的各個子節點計算自己負責轉發的節點數Hello_Count。當Hello_Count低于平均閾值Savr時，便利用式(2)開始預測本輪信號強度：

Snew=#8226;Sold+(1－)#8226;Snew-measure

(2)

式中:Snew-measure表示新測得的信號強度;Sold表示上一次預測的信號強度;Snew表示預測的下一段時間的信號強度;是權重，取值范圍是［0，1］，越小，預測信號強度受該時刻信號強度的影響越大[4]。

當預測的下次信號強度低于預先規定的一定強度時，可以確定此處為稀疏節點分布區且信號強度較低，則該MPR集合中節點分組內實行改進后的OLSR協議，否則繼續使用OLSR協議。 

OLSR協議和改進OLSR協議的自主切換機制流程如圖4所示。

3 功率控制算法依據

補償機制中，需要增大節點的發射功率，當源節點向目的節點發送分組時，發送功率Pt與接收功率Pr的關系[5]如下：

Pr=Ptλ4πdβGtGr

(3)

式中:λ為載波波長;d為源節點和目的節點間的距離;Gt為發射機天線增益；Gr為接收機天線增益。設接收功率的門限為Prt，當信號的功率不小于Prt時才能被正確接收，可推出式(4)和式(5)：

Pt=Tfd4

(4)

Tf=(4π)4PrtGtGrλ4

(5)

由式(4)可知，當傳輸距離增大1倍，發射功率成冪級數增加，才能被正確接收。

圖4 OLSR切換機制

4 實驗結果

本文實驗環境是在Linux操作平臺下移植了TinyOS操作系統，利用CC2430控制芯片進行編程，并在ns2.34環境下進行仿真實驗。

4.1 仿真實驗環境

仿真的網絡范圍為500 m×1 000 m，節點數量為20和100個，傳輸范圍為250 m，物理信道的帶寬為2 Mb/s，MAC層使用802.11a協議。建立12個CBR業務連接，分組長度為512 B，仿真時間為200 s，發包率為4個/s，節點的速度分別為0 m/s，1 m/s，5 m/s，10 m/s，20 m/s，25 m/s，30 m/s。

4.2 性能指標

協議改進主要針對網絡的可靠傳輸，因此仿真實驗的性能指標有節點投遞率和網絡傳輸平均延時[7]。由于改進后的協議運用了自主切換機制，必然會增大部分能量的開銷，因此，需要對剩余能量也進行仿真實驗[6]。

(1) 投遞率

OLSR協議適用于節點密集型的網絡，從圖5可以看出，兩個協議在100個節點的網絡整體比20個節點的稀疏網絡的投遞率高。在節點固定或者移動較小的情況下，性能已經很好，則改進后的協議性能并未得到良好的體現。當節點移動速度超過10 m/s后，網絡性能明顯下降，這時運用自主切換機制，網絡的投遞率得到顯著改善。速度越大，OLSR協議性能下降越快，而改進的OLSR協議性能下降得到控制。

(2) 平均時延

在節點固定或者移動速度較低的情況下，改進的OLSR協議并未表現出特別的優勢，這是由于監測網絡的性能耗費一定的時延，之前采用自主切換提高的時延并不明顯。

端到端時延統計如圖6所示。由圖可看出，當節點移動速度超過15 m/s后，改進的OLSR協議能夠在網絡剩余能量很低或部分MPR節點失效的情況下，使數據通過補償節點得到及時的轉發，因而它的網絡傳播時延相比OLSR協議有明顯降低。

圖5 節點的投遞率

圖6 節點的端到端時延

(3) 剩余能量

對100個節點進行仿真，速度固定為5 m/s，假定節點初始能量在［20，60］間隨機分配。仿真時間為400 s，x軸表示剩余能量，y軸表示處于該能量的節點數，如圖7所示。

圖7 節點的剩余能量

在400 s處，使用傳統路由協議在剩余能量60 J處有3個，而改進的協議在此處為1個。但是在剩余能量為10 J的節點中，傳統OLSR有15個，而改進的OLSR只有11個，兩個協議的大多數節點都集中在［20，50]的能量區。由此可見，使用改進的OLSR協議并沒有造成過多的能量耗費，同時有效地平衡了能量的均衡使用，從而延長了部分節點的壽命。

5 結 論

本文分析了OLSR協議不適合節點分布稀疏的網絡拓撲結構情況，通過加入特定節點補償機制和自主切換機制對其進行改進，并對改進后的OLSR協議進行了仿真。實驗結果表明，改進后的協議能夠取得更高的投遞率，提高了網絡傳輸的可靠性。在節點移動速度較大時，在降低時延方面效果顯著。同時也有利地均衡了各個節點的能量，從而延長整個網絡的壽命。

選取出的補償節點進行合適的功率放大后，增大了節點的傳輸覆蓋范圍，必然會對周圍的節點傳輸信號有所影響，本文假定是在忽略功率增大的幅度對周圍節點信號強度影響的情況下進行的研究，下一步對增加這種補償和切換機制后的網絡與節點信號強度之間的關系和影響進行研究，找到一種均衡的度量關系，使改進的協議性能可以得到最好的發揮。

參 考 文 獻

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作者簡介：

廖書紅 女，1988年出生，河南信陽人，碩士研究生。主要研究方向為無線網絡協議和嵌入式系統開發技術。

章 勇 男，1966年出生，博士，副教授。主要研究方向為數據挖掘和嵌入式系統開發技術。

吳 寅 男，1982年出生，博士研究生。主要研究方向為自供電無線傳感器網絡。

黃同心 男，1985年出生，碩士研究生。主要研究方向為網絡安全技術。