一種基于帶寬接入控制的AODV改進路由協議

周 鑫，張衡陽

(1.重慶電子工程職業學院，重慶401331;2.空軍工程大學，陜西 西安710038)

責任編輯:許 盈

AdHoc網絡是一種由多個移動節點形成的無線自組織多跳網絡，通常用在一些無固定設施的通信環境中，如戰爭、自然災害、臨時會議等場合[1-2]。帶寬是指單位時間內鏈路可傳輸的信息容量多少，表征在信道中傳遞數據的能力大小，近年來，隨著語音、圖像等多媒體業務應用的日益增多，如何在AdHoc網絡環境中有效地分配和利用帶寬，提高網絡效率，成為了研究的熱點課題之一。文獻[3]使用探測包測試鏈路飽和的思想來估算帶寬，用最大帶寬減去已用帶寬則為剩余的可用帶寬，這種方法會增加網絡開銷，且不適合節點移動較快的網絡。文獻[4]采用馬爾科夫鏈對IEEE802.11 DCF進行了建模，并提出了信道吞吐量公式，但并沒有考慮公式中某些參數的獲得問題，僅適用于理論分析。

移動自組網中的節點通常根據路由表進行數據的傳輸與轉發，AODV協議是一種按需路由協議，由于該協議本身不提供擁塞控制，當網絡負荷較重時，實時業務如語音、視頻等會產生較大的延時，甚至大量分組被丟棄，導致網絡性能下降。本文提出一種基于帶寬控制策略的AODV改進路由協議，利用AODV周期性發送Hello分組包的機制，加入帶寬估算和業務進入控制策略，使路徑的帶寬能夠滿足業務的實時要求，提高網絡吞吐量，降低網絡延時和丟包率。

1 AODV路由協議

當源節點想傳輸數據至目的節點而路由表中又沒有相關路由記錄時，AODV就會廣播RREQ分組查找路由。RREQ分組包含有目的節點IP地址、源節點IP地址和RREQ ID等信息。RREQ ID為一遞增的序號，用來判斷當前路由是否為最新以及防止路由環路[5]。在路由建立過程中，RREQ沿途所經過的中間節點都要建立到源節點的反向路由;目的節點收到RREQ分組后，回傳RREP應答分組沿反向路徑直到源節點，此過程各節點會依次建立到目的節點的正向路由。

當節點收到重復的RREQ分組時，如果后到達的RREQ分組ID比之前收到的RREQ分組ID大或路由跳數更少，則更新路由信息并回傳RREP分組，否則丟棄該RREQ分組。

當路由失效時，節點會啟動路由維護過程，即往源節點發送RRER分組，源節點收到后重新發起路由建立過程，或由中間節點直接進行本地修復，直到新的路徑產生。

2 對AODV協議的改進

本節對AODV進行優化改進，形成一種基于帶寬控制的改進協議BAC_AODV(Bandwidth Reservation Control AODV)。主要包括三方面的內容:一是帶寬估算;二是信道競爭節點數的確定;三是在路由建立過程中加入QoS控制管理。

2.1 帶寬估算

帶寬估算包括業務帶寬需求(BWQ)、本節點剩余帶寬(RBW)最小剩余帶寬的估算(Min_RBW)三部分。

BWQ表示業務流在網絡中傳輸時需要的帶寬，當源節點發起路由尋找時，會在RREQ分組中攜帶該數值，即

式中:R表示分組產生率，不同的業務流類型具有不同的R值(如CBR，VBR);TDATA表示分組傳輸時間;C表示物理層傳輸信息時候的速率。

RBW表示節點自身剩余的帶寬，可通過載波監聽的方式計算得到，即

式中:Ti表示節點在一段TP的監聽時間內，信道呈現為空閑狀態的時間;C表示物理層傳輸信息時的速率。

對AODV協議Hello分組格式進行修改，加入自身的RBW值，Hello分組會周期性地廣播給一跳距離內鄰居，每個節點均可獲得其所有鄰居節點的剩余帶寬N_RBWi。節點收到所有一跳內鄰居節點的剩余帶寬后，取最小值記為N_RBW，即

將式(2)和式(3)再取最小值，得

式中:RBW_min為最小剩余帶寬，在路徑尋找過程中使用該值進行建立路由的QoS控制管理。

2.2 帶寬競爭節點數的確定

在IEEE802.11無線載波監聽機制下，由于隱藏終端的原因，節點的通信不僅受到通信范圍內節點的影響，也會受到干擾范圍內節點的影響[6]。設干擾范圍為通信范圍的2倍，如圖1所示，對B節點而言，1跳鄰居節點A，F，C和2跳鄰居節點S，D都會影響自己可以使用的帶寬。

定義一個參數Ncn(帶寬競爭節點數目)，表示節點傳輸RREQ時，可能會影響自己占用帶寬的節點數目(包含節點自身)，考慮到RREQ是單向傳輸，本文對Ncn做了一種悲觀的估算方法，即

圖1 節點的通信范圍和干擾范圍

式中:d根據下一跳是否為目的端進行取值;m表示從源段開始的跳數。對于d而言，有

對于m而言，設中間節點到源節點的跳數為h，有m=min(h，2)。

2.3 路由建立與維護

當節點的路由表沒有去往目的節點的路由記錄時，則會廣播發出RREQ分組進行路由發現，BAC_AODV協議對RREQ分組進行了修改，如圖2所示。

圖2 BAC_AODV修改后的RREQ格式

修改的RREQ分組利用原有的保留字段來攜帶BWQ值，去掉了節點序列號欄位，采用Flow_ID進行路由尋找和業務通信。不同的業務(如音頻，視頻)即使是同一個節點發出，其Flow_ID也會不相同。

中間節點收到RREQ后，將自己的RBW值與所有1跳鄰居節點的N_RBW取最小值，得最小剩余帶寬RBW_min(詳見2.1小節所述)，并根據式(8)進行帶寬判斷。

如果滿足該式，則表明該條路徑上的帶寬滿足于業務帶寬的需要，將相關信息寫入路由表，否則不轉發該RREQ，回傳RRER分組，該路徑被刪除。

中間節點如果收到具有相同Flow_ID的RREQ，則比較與先到RREQ分組中的跳數，選擇跳數少的RREQ分組同樣使用式(8)進行QoS控制判斷后再做轉發，否則直接丟棄該RREQ。

目的節點收到RREQ后，回傳RREP到源節點，RREP分組含有Flow_ID，中間節點根據Flow_ID建立業務去往目的節點的正向路徑。

BAC_AODV協議是以源節點產生的Flow_ID對業務進行標識，當中間節點發現路由無效時，不再進行本地局部修復，而是直接廣播攜帶Flow_ID的RRER分組給周圍鄰居節點。收到RRER的鄰居，如果其路由表中有此Flow_ID相關信息欄，則繼續轉發RRER分組直到源節點;反之鄰居節點則不再轉發RRER。源節點收到RRER后，會重新發起路由建立過程。

3 仿真與分析

本文采用NS-2.35軟件，模擬在無線自組網環境下[7]，使用VBR流承載MPEG-4視頻業務，分析比較了在AODV和BAC_AODV兩種路由協議下網絡所表現出的性能差異。

仿真參數如下:網絡范圍1 200 m×1 200 m，50個無線通信節點隨機分布;通信距離250 m，干擾距離500 m;仿真時間200 s，每隔2 s隨機產生一條VBR業務流，共20條，根據文獻[8]，VBR業務流的分組產生率R值取102 packet/s，適宜于MPEG-4視頻格式的傳輸;MAC層采用IEEE802.11DCF模式，發送緩沖隊列值最大為50 packet/s，最大業務數據單元MSDU為1 500 byte。

選取網絡延時(Delay)、網絡吞吐量(Throughput)、分組丟棄率(Dropping rate)和業務流阻塞率(Blocking rate)為網絡性能指標。其中延時是指發送端到目的端的時間間隔;吞吐量表示單位時間內目的節點成功收到的數據分組;分組丟棄率表示節點丟棄分組與總數據分組的比值;業務流阻塞率表示被限制進入網絡的業務流數。圖3和圖4是VBR業務流在兩種協議下的吞吐量對比和延時對比。

圖3 兩種協議下的吞吐量對比

圖4 兩種協議下的延時對比

可以看出，業務流在10條的時候達到飽和，隨著業務流的增多，AODV協議的吞吐量會逐漸下降，平均延時明顯增大;由于BAC_AODV采用QoS允許接入控制策略，當節點負載過重時，會拒絕其他業務流的進入，從而得到一個比較穩定的吞吐量，而在延時方面，BAC_AODV的性能也優于AODV協議。

圖5是兩種協議下業務流的阻塞情況比較。AODV協議沒有建立業務QoS機制，不具備帶寬和擁塞控制管理功能，即便是網絡負載非常嚴重時，也不會限制業務流的接入，因此其阻塞率一直為0;而BAC_AODV協議在業務到達飽和后，通過帶寬估計和接入控制，會限制后續業務流進入網絡。從圖中可以看到，當網絡負載為15條VBR時，阻塞率為16%左右，為20條時，阻塞率為35%。本次模擬場景中，BAC_AODV協議始終維持網絡中的VBR業務流數量在12～13條，之所以阻塞后續的業務流，其目的是為了給正在進行通信的業務流提供有效的帶寬，保障網絡的QoS。

圖5 兩種協議下的業務流流阻塞率對比

當分組重傳次數大于設定的最大次數依然無法成功投遞，或分組數多于發送緩沖隊列最大值，都會導致分組被丟棄。圖6顯示為AODV和BAC_AODV的分組丟棄率比較。

圖6 兩種協議的分組丟失率對比

可以看到，隨著業務流數量的增加，兩種協議下的分組丟失率均有不同程度的上升。當網絡中業務達到飽和后，BAC_AODV會控制新的業務流進入網絡，避免出現網絡過度擁塞使分組大量被丟棄的情況，因此分組丟棄率保持較低幅度的增長，總體上沒超過15%;而AODV協議的分組丟失率隨著網絡負載的加重增加非常明顯，甚至超過50%，總體性能表現不如BAC_AODV優越。

4 結束語

本文在AODV的基礎上，提出一種基于帶寬估算的QoS路由策略BAC_AODV，利用hello-message包攜帶帶寬信息廣播給周圍鄰居，并以此作為業務接入網絡的依據。節點在收到RREQ后進行控制判斷，使建立的路徑滿足業務流的帶寬需求。從仿真結果可以看出，在網絡負載加重的情形下，BAC_AODV協議能夠更好地控制網絡流量，降緩解網絡擁塞，且網絡吞吐量和延時性能均比原AODV協議優越，提升了網絡效率。

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