無線傳感器網(wǎng)絡(luò)AODV路由協(xié)議的優(yōu)化策略

林 濤，安玳寧，李 虹，丁竑瑩

（河北工業(yè)大學(xué) 控制科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300130）

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)WSN由眾多具有感知、處理和通信能力的傳感器節(jié)點組成，這些節(jié)點通過無線通訊方式形成多跳自組織網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)與現(xiàn)實世界的遠(yuǎn)程交互，在軍事偵察、環(huán)境監(jiān)測、生物醫(yī)療等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛[1]。由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點數(shù)量眾多、能量有限且通常補(bǔ)給困難，所以在保證通信功能的前提下盡量降低能耗，延長網(wǎng)絡(luò)壽命，具有十分重要的意義。

在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點的能耗大部分出現(xiàn)在無線通信過程，所以路由協(xié)議的優(yōu)化成為研究熱點。根據(jù)路由建立時機(jī)與數(shù)據(jù)發(fā)送的關(guān)系可以把無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議分為主動型和按需型。其中主動型路由建立和維護(hù)的開銷大，而按需型節(jié)點不用維護(hù)尚不需要路由，產(chǎn)生的控制開銷少，應(yīng)用更廣泛。AODV協(xié)議是典型的按需型路由協(xié)議，但傳統(tǒng)的AODV仍存在能量消耗大、節(jié)點負(fù)載不均衡等不足，針對這些不足目前已提出了多種改進(jìn)策略。文獻(xiàn)[2]為了解決節(jié)點過早死亡造成的能量空洞問題，提出一種跨層功率自適應(yīng)的節(jié)能AODV路由協(xié)議；文獻(xiàn)[3]為了優(yōu)化和平衡各節(jié)點的能量消耗引進(jìn)了被動更新路由和動態(tài)調(diào)整發(fā)射功率2種機(jī)制；文獻(xiàn)[4]提出一種面向WSN的多徑QOS保障路由協(xié)議，綜合考慮跳數(shù)、距離和能量來進(jìn)行路由選擇。

本文針對AODV在路由建立過程中采用洪泛機(jī)制造成通信開銷大的問題，引入基于路由級別的優(yōu)化策略，減少參與路由建立的節(jié)點數(shù)；在路由選擇時，充分考慮節(jié)點剩余能量，提出基于能量最優(yōu)、負(fù)載均衡的路由選擇函數(shù)，避開能量較低的節(jié)點，最后進(jìn)行了優(yōu)化策略的實驗驗證及分析。

1 AODV協(xié)議

AODV路由協(xié)議[5]是應(yīng)用最廣泛的按需路由協(xié)議之一。當(dāng)源節(jié)點需要給網(wǎng)絡(luò)中目的節(jié)點傳送信息時，若不存在到達(dá)目的節(jié)點的路由，則開啟一個路由建立過程。AODV協(xié)議的路由建立過程如圖1所示。首先源節(jié)點以廣播的形式發(fā)出路由請求消息（RREQ），鄰近節(jié)點收到RREQ，若自己即為目的節(jié)點或者有到達(dá)目的節(jié)點的路由，則向發(fā)起節(jié)點發(fā)送路由應(yīng)答消息（RREP），建立前向路由，否則繼續(xù)向它周圍的節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)該路由請求RREQ。源節(jié)點到目的節(jié)點的路徑有很多條，但AODV使用單路徑、最小跳數(shù)路由進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，所以路由選擇源—B—E—目的。數(shù)據(jù)傳輸過程中，各節(jié)點通過定期廣播hello消息[6]來動態(tài)維護(hù)該路由，一旦發(fā)現(xiàn)某個鏈路斷開，節(jié)點就發(fā)送路由錯誤消息（RERR）通知那些因鏈路斷開而不可達(dá)的節(jié)點刪除相應(yīng)的記錄或者對已存在的路由進(jìn)行修復(fù)，以保證數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的正確性。

圖1 AODV協(xié)議路由建立Fig.1 Establishment of AODV routing protocol

雖然AODV協(xié)議性能較好、應(yīng)用廣泛，但仍然存在一些不足：①在路由建立過程中，AODV采用洪泛機(jī)制，如果應(yīng)用到傳感器節(jié)點眾多的WSN中會造成很大的網(wǎng)絡(luò)開銷并且RREQ報文沖突幾率也很高；②AODV協(xié)議基于單路徑、最小跳數(shù)來選擇路由，而不是路由能耗最優(yōu)，會導(dǎo)致能量浪費、節(jié)點負(fù)載不均衡；③路由維護(hù)時定期廣播hello消息，只有發(fā)現(xiàn)鏈路斷開時才會觸發(fā)路由更新，沒有考慮節(jié)點剩余能量，部分節(jié)點被過度使用，過早死亡。

2 AODV協(xié)議優(yōu)化策略

2.1 基于路由級別的優(yōu)化策略

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)包括一個與上位機(jī)相連的基站節(jié)點和若干個傳感器節(jié)點，基站節(jié)點為各傳感器節(jié)點分配級別。每個傳感器節(jié)點都保存了其周圍節(jié)點（上級、同級、下級節(jié)點）的信息（級別和地址），級別用r表示（認(rèn)為基站節(jié)點r=0）。每個級別中各傳感器節(jié)點占用的地址空間是常數(shù)[7]，用Snode（r）表示。假設(shè)基站節(jié)點的地址為A，則級別r=1的節(jié)點地址為

由此導(dǎo)出任意節(jié)點的地址An與級別r之間的函數(shù)關(guān)系式：

由于RREQ消息中包含源節(jié)點和目的節(jié)點的地址，故利用式（3）可計算出目的節(jié)點所處的級別值raim，再與該中間節(jié)點的級別值rmid相比較，若raim＜rmid，則該中間節(jié)點不需要參與路由建立過程，這樣就減少了轉(zhuǎn)發(fā)RREQ信息的通信能耗。

2.2 基于剩余能量的路由選擇函數(shù)

傳統(tǒng)的AODV協(xié)議僅以跳數(shù)最小作為路由選擇的依據(jù)，沒有考慮路徑的總能量消耗和節(jié)點的剩余能量。本文提出一種基于能量最優(yōu)、負(fù)載均衡的函數(shù)來選擇路由，一方面，選擇能耗總和較小的路徑來降低路由能耗；另一方面，避開剩余能量過低的節(jié)點，平衡各節(jié)點的能量消耗。該路由選擇函數(shù)為

式中：C 為整條路由的能耗總和；cnode（i）為節(jié)點 i到其下一跳節(jié)點的路由能耗；hops為整條路由的跳數(shù)總和；λ為選取節(jié)點i的權(quán)值，由平均能量與節(jié)點剩余能量的比值決定。在路由選擇時將選取能耗總和C最小的路徑作為最佳路徑。

2.3 路由維護(hù)

相比傳統(tǒng)的AODV協(xié)議路由維護(hù)時以定期廣播hello消息來發(fā)現(xiàn)鏈路斷開，進(jìn)而觸發(fā)路由更新，本文提出一種基于能量閾值的路由更新觸發(fā)機(jī)制。隨著數(shù)據(jù)傳輸過程中節(jié)點能量的消耗，當(dāng)節(jié)點的剩余能量與路由建立時該節(jié)點的剩余能量的比值小于閾值T（如設(shè)定T=0.5），則觸發(fā)路由更新。從而使路由更新隨節(jié)點剩余能量來調(diào)節(jié)，進(jìn)一步平衡網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的能量消耗，延長網(wǎng)絡(luò)壽命。

3 協(xié)議實驗及結(jié)果分析

傳感器節(jié)點的硬件采用MSP430F5438作為主控芯片，由Silicon Labs公司的Si4432射頻模塊作為通信模塊。實驗的模擬結(jié)構(gòu)如圖1所示，將模擬的基站節(jié)點通過串口與上位機(jī)相連，監(jiān)測無線傳感器網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)。實驗中使節(jié)點E向源節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)，將節(jié)點H通過串口與計算機(jī)相連，監(jiān)測節(jié)點H的狀態(tài)。由節(jié)點H的串口輸出結(jié)果可知，節(jié)點H收到RREQ消息之后，通過路由級別的計算、比較，沒有繼續(xù)轉(zhuǎn)發(fā)RREQ消息。但相同結(jié)構(gòu)下在傳統(tǒng)AODV協(xié)議中，節(jié)點H會繼續(xù)向周圍節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)RREQ消息。因此，優(yōu)化后的協(xié)議避免了不必要的節(jié)點參與到路由建立過程，降低了能耗，且對RREQ報文沖突現(xiàn)象也有一定改善作用。

針對基于能量的改進(jìn)實驗，利用Matlab中Truetime工具箱構(gòu)建無線傳感器網(wǎng)絡(luò)仿真平臺。TrueTime是以Matlab/Simulink和Visual C++為平臺的仿真工具包[8]，提供了大量通信模塊，可以模擬多種網(wǎng)絡(luò)參數(shù)。仿真環(huán)境主要網(wǎng)絡(luò)參數(shù)如表1所示。

表1 主要網(wǎng)絡(luò)參數(shù)表Tab.1 Main network parameter table

傳統(tǒng)AODV協(xié)議與改進(jìn)AODV協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)壽命隨暫停時間的變化如圖2所示，暫停時間越長改進(jìn)的AODV協(xié)議在網(wǎng)絡(luò)壽命方面的優(yōu)勢越明顯。當(dāng)暫停時間為500 s時，改進(jìn)的AODV協(xié)議網(wǎng)絡(luò)壽命比傳統(tǒng)的AODV延長了36%，此時的改進(jìn)性能最好。因為暫停時間較長時，若采用傳統(tǒng)的AODV協(xié)議建立的路由在此時間內(nèi)基本不會變化，導(dǎo)致?lián)?fù)路由任務(wù)的節(jié)點能量過度消耗。但改進(jìn)的AODV協(xié)議采用基于剩余能量的路由選擇和維護(hù)機(jī)制，能夠有效地平均各節(jié)點的能量消耗，延長網(wǎng)絡(luò)壽命。而暫停時間較少時，節(jié)點移動相對頻繁，路由重建次數(shù)相對較多，改進(jìn)的AODV協(xié)議優(yōu)勢減弱。

圖2 網(wǎng)絡(luò)壽命隨暫停時間的變化Fig.2 Change of network life with different pause time

表2是暫停時間500 s時傳統(tǒng)AODV協(xié)議與改進(jìn)AODV協(xié)議的性能對比。由表中數(shù)據(jù)可以看出各項性能都有一定程度的改善。改進(jìn)的AODV協(xié)議采用基于剩余能量的路由選擇和維護(hù)機(jī)制，避開了剩余能量較低的節(jié)點，平衡了各節(jié)點的能量消耗，因此改進(jìn)的AODV協(xié)議路由能量剩余方差比傳統(tǒng)的AODV低。另外，負(fù)載均衡策略保證了建立的每一條路由都有足夠的能量，使得網(wǎng)絡(luò)平均延時減少，傳遞成功率增大。

表2 暫停時間為500 s時性能Tab.2 Performance in network when pause time is 500s

4 結(jié)語

本文在傳統(tǒng)的AODV路由協(xié)議基礎(chǔ)上，考慮了轉(zhuǎn)發(fā)RREQ消息時節(jié)點的路由級別以及路由選擇時節(jié)點的剩余能量。當(dāng)中間節(jié)點收到RREQ消息時，使不在源節(jié)點及目的節(jié)點之間的節(jié)點不參與路由建立，不向其周圍節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)路由請求消息，以此減少了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的能耗。在選擇路由節(jié)點時，提出了一種基于能量最優(yōu)、負(fù)載均衡的路由選擇函數(shù)，避開剩余能量較低的節(jié)點。實驗結(jié)果表明改進(jìn)的AODV路由協(xié)議有效均衡了各節(jié)點的能量消耗，延長了網(wǎng)絡(luò)壽命，并在一定程度上提高了網(wǎng)絡(luò)性能質(zhì)量。

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