物聯網中鏈路穩定和能量感知混合模型的組播路由協議

徐善永+李豹+黃友銳+王浩

摘要：針對物聯網絡中容易出現節點能量消耗不均衡，路由穩定性差，數據容易丟失等問題，提出了一種改進的鏈路穩定和節點剩余能量感知的物聯網路由算法。該路由算法首先建立了一種基于鏈路穩定性和節點剩余能量的混合路由模型，利用該模型對節點的能量和鏈路穩定參數進行綜合預判，選出最優節點來組成網絡。仿真結果表明，與AODV算法相比，該算法可以有效控制網絡開銷，提高數據轉發率，延長網絡生存周期，降低網絡延遲。

關鍵詞：物聯網；路由算法；鏈路穩定；能量感知

中圖分類號：TP39303文獻標志碼：A文章編號：1672-1098（2016）01-0019-06

Abstract：In view of the problem that the energy consumption is not balanced， the routing stability is poor， and the data is easy to be lost in Internet of Things （IoTs）， an improved network routing algorithm based on link stability and node residual energy aware is proposed.Firstly， a hybrid routing model based on link stability and residual energy of nodes is established. By using this model， the energy and the link stability parameters of nodes are combined to predict the optimal nodes to form the network.Simulation results showed that compared with AODV algorithm， the algorithm can effectively control the network overhead， improve the data transfer rate， prolong the network lifetime， and reduce the network delay.

Key words：internet of things； routing algorithm； link stability； energy aware

在許多實際應用中，由于傳統的物聯網路由協議中傳感器節點的移動性、能量的有限性和射頻距離的有限性，容易出現節點的能量消耗不均衡，路由穩定性差，數據容易丟失等問題，傳輸效率不高。針對上述問題，本文提出了一種基于鏈路穩定和節點能量感知混合模型的組播路由協議（Link Stability and Energy-aware Hybrid model-Based Multicast Routing Protocol，LEHMR），LEHMR路由算法的主要思想是根據節點間的鏈路狀態和節點的當前剩余能量控制整個網絡的路由發現。該方法采用廣播請求應答（RREQ-RREP）方式，利用網絡節點間的鏈路狀態信息和節點的剩余能量信息來建立路由選擇機制，來建立網絡路由。

1路由模型

11鏈路穩定和節點能量混合的路由選擇機制

如圖1所示，主要展示了LEHMR算法路由建立的過程。當有數據轉發時，源節點將廣播一個RREQ包，鄰居節點將根據自身的節點剩余能量和鏈路保持時間來判斷是否接受該數據包，來轉發數據。該算法與以往任何算法的不同之處在于，每個節點在接受RREQ包時，要根據節點的剩余能量和鏈路保持時間綜合判斷出是否接收RREQ包，而成為路由鏈路上的節點，進而接收并轉發RREQ包。該RREQ包中的節點以鏈路的保持時間與節點的剩余能量作為度量值，來搜索數據轉發路徑，建立網絡路由。

鏈路穩定和節點能量混合的路由選擇機制當節點S向節點D發送數據時，節點S將廣播RREQ數據包，所有鄰居節點將接收這個RREQ數據包。在傳統的AODV算法中，節點1，2，3中若無有效的到節點D的路由，節點1，2，3都將轉播RREQ包。在LEHMR算法中，將檢測節點1，2，3與節點S的鏈路保存時間和節點1，2，3的剩余能量，因節點1的剩余能量少、節點2與節點S的鏈路保持時間小，根據LEHMR算法節點1與節點2將放棄接收到的RREQ包。只有節點3滿足能量和鏈路保持時間要求，只有節點3再次廣播RREQ包，從而建立起S-3-D的路徑傳送數據。

12鏈路穩定和節點能量混合數學模型

1） 鏈路穩定性描述

假設節點坐標為（xi，xj），其移動速度、運動方向和信號傳播半徑分別用vi、θi和Ri來表示。則兩個移動節點ai和aj之間的鏈路保持時間LET可用公式（1）表示

LETij=

-（ab+ad）+（a2+c2）r2-（ad-bc）2a2+c2（1）

式中：a=vicos θi-vjcos θj，b=xi-xj、c=visin θi-vjsin θj，d=yi-yj、r=Ri

2） 節點能量描述

如圖2所示，物聯網路由算法的研究大都采用此節點能量消耗模型， 該模型由傳送裝置、放大裝置和接收裝置三部分構成，傳感器節點所消耗的總體能量為上述三部分所消耗的能量總和。圖2節點能量消耗模型

將L bit的信息量數據傳送d距離所消耗能量的公式模型如式（2）所示

EL.Tx（L）=L×Eb.txe+L×εfs×d2d≤d0

L×Eb.txe+L×εmp×d4d>d0（2）

接收L bit信息量數據所消耗能量的公式模型如式（3）所示

EL .Rx（L）=L×Eb.Rx（3）

中轉L bit信息量數據所消耗能量的公式模型如式（4）所示

Eralay（L）=EL .Rx（L）+EL .Tx=

L×Eb.txe+L×Eb.Rx+L×εfs×d2d≤d0

L×Eb.txe+L×Eb.Rx+L×εmp×d2d≤d0（4）

式中：εfs和εmp是所選用模型的發送放大器系數，Eb.Rx表示接收1bit信息量數據所需能量，Eb.Tx表示發送1bit信息量數據所需能量。路徑損耗指數為α值，當d≤d0時，α等于2，當d>d0，α等于4。

節點發送、接收或轉發的Lbit信息量數據后的剩余能量Es（L）用公式（5）表示

Es（L）=E0-EL.Tx節點為源節點

E0-EL.Rx節點為目的節點

E0-Eralay節點為源節點（5）

2LEHMR算法描述

21LEHMR算法路由建立流程

LEHMR算法路由建立的流程圖，如圖3所示。

圖具體描述如下：首先判斷接收RREQ包的節點中是否存在有效路由，若存在，則建立鏈路；否則根據公式（1）和公式（5）分別計算出接收RREQ包節點的剩余能量和接收RREQ包節點和發送RREQ包節點間的鏈路保持時間；判斷接收RREQ包節點與發送RREQ包節點間的鏈路保持時間和接收RREQ包節點的剩余能量值是否大于閾值，若大于設定的閾值，在發送RREQ節點的路由信息表中記錄滿足條件的節點路徑信息。反之，則放棄該節點。并根據公式（1）和和公式（5）選擇最優節點轉發RREQ包，直到建立路由。

22LEHMR算法流程

本文提出的LEHMR路由算法，是屬于應答式的組播路由協議。該算法中將鏈路穩定度和能量信息結合到路由發現機制中，改進路由選擇機制，只有滿足鏈路穩定度和能量要求的路徑才能被選擇，其總體的流程如圖4所示。

圖4LEHMR路由算法的總體流程圖算法流程說明：

1） 對節點各項參數進行初始化設置，包括節點的能量值，鏈路穩定值，能量閾值，鏈路穩定閾值等。

2） 首先源節點將以廣播的形式進行傳送，RREQ信息包中記錄有：各個節點的能量值，鏈路穩定值，能量閾值，鏈路穩定閾值、源節點和目標節點的位置以及有效的路徑信息。

3） 在發送RREQ節點的通信范圍內的所有鄰居節點將接收RREQ數據包，同時將檢測自身的路有信息表，是否存在從源節點到目的節點的有效路由信息。

4） 若某節點路由信息表中存在從源節點到目的節點的有效路由信息，則向前一級節點發送RREP路由回應數據包，建立路由。若所有鄰節點中都沒有有效的路徑信息，則各個節點判斷自身的能量值和前級節點間的鏈路保持時間是否滿足設定的閾值。

5） 根據判斷條件，若節點的能量信息和鏈路穩定信息滿足設定的閾值，則該節點繼續轉發RREQ路由請求數據包，繼續執行3）。若節點的能量信息和鏈路穩定信息不滿足設定的閾值，則丟棄RREQ路由請求數據包，路由請求結束。

3仿真與分析

利用NS2對LEHMR算法仿真，條件設定如下，節點數：150個，傳輸距離：250 m，隨機分布范圍：700m×700m，采用隨機路徑來構建節點移動模型。測試時，節點移動速度變化范圍：5～25 m/s，仿真持續時間：500 s，數據包的恒定比特率為：1 000 bit，數據包固定間隔生成比率為：4包每秒。在仿真中，15個移動節點被隨機配置成源節點和目標節點。

1） 網絡開銷

如圖5所示，AODV算法和LEHMR算法相比，隨著節點移動速度變大，兩種算法的網絡開銷都會變大。AODV算法的網絡開銷要明顯大于LEHMR算法，這是因為AODV算法沒有選取最優鄰居節點廣播RREQ消息，LEHMR算法要求任意節點在接收轉發RREQ消息前都要檢查節點的能量水平和與發送RREQ包節點間的鏈路保持時間。這個規則減少了RREQ包的轉發量，提高了路徑的穩定性，因此，生成的節點路由有一個很好的鏈路生存周期和很好的能量水平。由圖5可知：當節點的能量水平在1到4之間變化時，由于節點的能量增加，路由開銷相應減少。

2） 數據轉發率

從圖6顯示結果表明，綜合考慮能量和移動因素的影響。LEHMR算法的數據包的平均轉移率要高于AODV算法，通過這個可得出結論：與AODV算法相比，LEHMR算法建立的路由要穩定，具有較高的網絡生存周期。LEHMR算法選擇路徑時，構建路由的節點都具有很高的剩余能量、節點間具有很高的鏈路生存周期。而AODV算法構成路由的節點沒有此種功能，它們間發送了大量的冗余信息，導致了節點能量很快耗盡，因此具有較低的轉發率。

3） 網絡生存周期

圖7顯示，當增大網絡節點的能量值時，網絡生存周期相應增大。節點能量閾值的提高意味著若節點的能量低于閾值的，將停止轉發RREQ數據包，這將造成大量的節點為節省能量而停止轉發RREQ包，同時整個網絡區域內的其它節點因不轉發RREQ包，也節省了能量，高穩定度的路由會減少用于路由維護控制數據包，同時消耗的能量更少。

4） 網絡延遲

如圖8所示的仿真結果表明：LEHMR算法的延遲時間要明顯優于AODV算法，因為LEHMR算法中的路由節點擁有非常好鏈路生存周期和能量。另外，觀察到當提高鏈路生存周期閾值，網絡的延遲時間將增大，因為在節點移動的狀態下，滿足這么高的鏈路生存周期和高能量水平的節點很難找到，數據包通過少量跳數進行轉發。

4結束語

本文提出了一種基于鏈路穩定和節點能量感知混合模型的組播路由算法。該路由算法根據節點的剩余能量和鏈路生存時間來控制路由發現，在路由發現的過程中，大大減少了傳感器節點間交互信息量和計算任務。仿真結果表明：該算法明顯增大了數據包轉移率，減小了控制開銷和網絡延遲。

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