一種基于能量消耗策略的AOMDV改進協議

劉桂蘭，余本功

(1.合肥工業大學 管理學院,安徽 合肥 230009；2.過程優化與智能決策教育部重點實驗室，安徽 合肥 230009)

一種基于能量消耗策略的AOMDV改進協議

劉桂蘭1,2，余本功1,2

(1.合肥工業大學 管理學院,安徽 合肥 230009；2.過程優化與智能決策教育部重點實驗室，安徽 合肥 230009)

針對AOMDV路由協議沒有考慮節點能量消耗的問題，提出一種基于能量消耗策略的AOMDV_EC路由協議，旨在均衡消耗網絡中每個節點的能量，達到延長整個網絡生存時間的目的。通過NS2網絡仿真平臺對AOMDV和AOMDV_EC兩種路由協議的性能進行仿真實驗測試，分別從網絡生存時間、網絡端到端的傳輸時延、路由開銷三個維度對改進路由協議的性能進行對比分析。實驗結果表明，添加能量策略的AOMDV_EC協議能夠有效延長網絡生存時間，降低端到端的傳輸時延，并且有效控制了網絡中的路由開銷。AOMDV_EC路由協議能夠均衡整個網絡環境中各節點的能耗，達到改善整個網絡通信性能的目的。

AOMDV；能量消耗；網絡仿真；性能測試

0 引 言

無線AdHoc網絡是一種多跳、無中心的自組織網絡，組網簡單靈活，成本低，生存能力強，正逐漸成為軍事、傳感器等領域的研究熱點。由于AdHoc網絡不需要依賴任何固定基礎設施，在其大規模組網的應用環境中，必須依靠可攜帶的電池供電，因而能量非常受限[1-2]，同時移動終端數目比較龐大且電池更換不方便。當網絡流量分布不均勻時，一些節點可能會承擔比較大的業務量，轉發報文的次數將會增多，節點能量消耗的速度將會迅速增加，一旦節點電池能量耗盡，將無法進行數據傳輸工作，直接退出網絡，同時也會導致該節點所在的整條鏈路的中斷和數據傳輸的延遲，造成數據分組投遞率的下降。當這種失效的節點數量不斷增多會導致網絡被分割，最終網絡將不再能夠互聯，整個網絡的通信效率迅速下降，嚴重影響網絡的性能、通信質量和生命周期。因此，需要研究一種基于節點電池容量的路由協議，能夠均衡消耗網絡中每個節點的有限能量，改善網絡的通信質量。

為了延長網絡的壽命，文獻[3-6]從節點的剩余能量出發，采用最小電池消耗路由和最小最大電池消耗路由的策略，將路由協議與能量均衡理論相結合，實現流量均衡，延長網絡的整體壽命。文獻[7]提出高能量節點驅動的路由協議(HN-AODV)將高能量節點驅動的策略應用于按需路由發現過程，力求使路由的建立避開低能量節點，盡量選擇能量較高的節點來承擔轉發任務，以此來平衡網絡的能耗，提高網絡的生命周期。

文獻[8]將節點的剩余能量狀態分為不同等級，針對路徑狀態的差異設置不同的響應機制，均衡網絡能耗、改善網絡流量的不均勻性，提高了網絡的性能。通過引用文獻中提到的節點能量等級制度，文中設計了一種改進型的基于能量消耗策略的AOMDV路由協議(AOMDV based on Energy Consumption，AOMDV_EC)，從而延長網絡的生存時間。

1 AOMDV路由協議

AOMDV[9](AdHoc On Demand Multipath Distance Vector)協議是一種典型的基于AODV[10]的按需多徑路由，它是在AODV的基礎上通過增加少量的控制開銷來保證獲取多條無環、鏈路不相交路徑，包括路由發現和路由維護兩個過程。

1.1 路由發現

AOMDV協議在路由發現過程中繼續使用AODV的目的序列號機制來表明路由的更新情況、確保路徑無環，并且在路由表結構中用廣告跳數[11]代替了原來AODV中的跳數項，用來表明到達目的節點的最大跳數。除此之外，通過建立鏈表表示存儲多條路徑信息。為了發現節點不相交的路由，節點收到重復的RREQ后不會立即丟棄，而是將不同鄰居節點發送的RREQ中的信息保留下來，建立反向路由，AOMDV協議會在路由發現時建立多條路徑，選擇其中一條作為主路徑，其他作為備份路徑。

1.2 路由維護

同AODV協議一樣，由RERR路由錯誤分組消息進行路由維護。由于AOMDV是多徑路由協議，當主路徑失效時會啟用備份路徑來進行通信，只有當所有鏈路全都斷開時才會發送RRER消息給源節點，重新發起一個新的路由查找過程。這樣可以減少路由查找的次數，降低網絡中的數據傳輸時延。但是AOMDV協議在路徑選擇的過程中并沒有考慮節點的能量消耗因素，網絡中的節點能量受限，一旦能量不足就會導致數據傳輸失敗，降低網絡的通信效率。

2 AOMDV_EC路由協議的改進

針對AOMDV協議的不足，將節點的能量模型引入到AOMDV協議的尋路機制中，旨在保護網絡中能量較低的節點，均衡消耗網絡中每個節點的有限能量，達到延長網絡生命周期的目的。

2.1 改進思路

為了解決AOMDV協議因能量耗盡導致路徑斷開、頻繁地發起路由查找所引起的路由消耗問題，研究AOMDV路由協議的具體工作流程，將節點的能量模型應用到AOMDV協議的路徑選擇過程中，根據節點能量水平的不同設定相應的操作流程，設計一種新型的基于能量消耗的路由協議(AOMDV_EC)。AOMDV_EC路由協議的設計思想主要在于對RREQ消息的處理機制上。網絡中的中間節點在收到RREQ消息后首先判定自身的剩余能量是否充足，如果能量不足直接丟包，不做任何處理，如果能量足夠轉發數據，才會根據自身路由表中是否有到目的節點的路徑而選擇轉發RREQ或者回復RREP消息。AOMDV_EC路由協議的設計思路如圖1所示。

2.2 改進方案

在AODV路由協議的基礎上，將節點的剩余能量值依據所占初始能量值的百分比排序，并分為三個等級，分別是high(剩余能量值大于等于初始能量值的20%)、normal(剩余能量值介于初始能量值的10%與20%之間)、danger(剩余能量值小于初始能量值的10%)。在節點收到RREQ消息之后，依據剩余能量水平的差異分別設計節點的響應函數：當源節點發起路由查找時，中間節點接收到RREQ消息，如果當前節點沒有收到過同樣的RREQ也不是目的節點，那么首先根據自己的能量水平進行判斷：如果能量級別為high，就立即轉發RREQ消息，如果有到目的節點的路徑則回復RREP消息；如果能量級別為danger，不足以維持RREQ消息的轉發，則丟棄數據包；如果能量級別為normal，設定節點隨機等待一段時間后進行數據包的轉發。具體的源碼實現過程如下：

if((node N receives RREQ)&&(N is not the source)&&( N is not the destination))

{if(node N has a fresh route entry for RREQ destination)

{if(energy>=20%*initialenergy)

{N sends RREP with NO_DELAY;}

else if(10%*initialenergy

{

N sends RREP with DELAY*Random::random();

}else{N discards RREQ;}

}

else if(node N has no fresh route entry for RREQ destination)

{if(energy>=20%*initialenergy)

{N forwards RREQ with NO_DELAY;}

else if(10%*initialenergy

{

N forwards RREQ with DELAY*Random::random();

}else{N discards RREQ;} }

}

3 仿真實驗及分析

為了驗證AOMDV_EC路由協議的性能優劣，在NS2仿真平臺上搭建相關的網絡模擬環境，為AOMDV和基于能量消耗的AOMDV_EC協議進行仿真，對比分析兩者的實驗結果及其性能。

3.1 仿真實驗

通過NS2網絡仿真平臺，在設定1 000 m*1 000 m的仿真區域內，采用20條CBR比特流來模擬產生網絡通信流量，每隔0.1 s發送大小為512字節的分組報文，仿真時間是500 s。設定節點初始能量值為50 J，模擬節點在5 m/s、10 m/s、15 m/s、20 m/s、25 m/s和30 m/s六種不同的移動速度下，分別對AOMDV和AOMDV_EC兩種協議進行仿真，其對應的仿真實驗場景搭建主要配置參數如表1所示。

3.2 結果分析

為了分析AOMDV改進前后的工作效率，選擇網絡生存時間、端到端時延和路由開銷[12-14]三個指標來度量AOMDV_EC的性能，如圖2～4所示。

(1)網絡生存時間：定義為整個網絡中三分之一的節點電池能量耗盡的時間，可反映網絡的連通性，網絡生存時間越長，提供的網絡通信性能越好。

圖2顯示，采用AOMDV_EC的網絡生存時間有明顯提高。因為AOMDV_EC在路由洪泛和路由應答過程中通過對節點剩余能量進行保護，會盡量避開使用能量相對較低的節點來建立路由，同時對于能量消耗較快的節點也有考慮，使得網絡中建立起來的路由能有效繞過網絡中的瓶頸，實現路由分流，很好地均衡了網絡中的能量消耗，有效避免了網絡中因過度使用某些節點而導致網絡分裂的現象，從而延長了網絡生存時間。

圖2 網絡生存時間對比圖

(2)平均端到端時延：在仿真時間內，從源節點發送數據包到目的節點接收所花費的平均時間。反映了網絡的暢通情況，其值越小，暢通性越好。

平均端到端時延=∑(接收到數據包的時間-發送數據包的時間)/發送數據包的個數

由圖3可知，在整個仿真過程中，AOMDV_EC在時延方面優于AOMDV。因為AOMDV_EC采用了能量等級制度，使得能量較低的節點避免參與路由查找和轉發數據分組，有效均衡了網絡中節點的能量消耗，所以AOMDV_EC從整體上降低了路由的端到端時延，提高了網絡的傳輸速率。

圖3 平均端到端時延性能比較圖

(3)路由開銷：在仿真模擬期間網絡上所傳輸的路由控制分組的總數，占信道中總的數據分組總數的比例。反映了網絡的擁塞程度和路由效率，理想情況下，其值越小，網絡性能越好。

路由開銷=(轉發的路由包個數+發送的路由包個數)/目的端接收到的數據包個數

圖4結果表明，改進后的路由協議AOMDV_EC在路由開銷上明顯優于AOMDV。因為AOMDV協議中，由于節點能量耗盡導致節點所在的鏈路失效，需要重新發起路由查找，引起了很高的路由洪泛開銷。AOMDV_EC根據剩余能量水平的不同限制了洪泛次數，控制了網絡路由開銷。

圖4 路由開銷對比圖

4 結束語

針對AOMDV協議沒有考慮節點的能量因素問題，提出新的路由算法AOMDV_EC，使得在路由選擇過程中盡量避免使用剩余能量過低的節點，均衡網絡的能量消耗。實驗結果表明，基于能量消耗策略的AOMDV_EC協議在網絡生存時間、端到端時延和路由開銷等性能指標方面都有所改善，提高了整個網絡的通信質量，對AdHoc網絡路由協議的研究提供了一定的參考價值。

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An Improved Protocol of AOMDV Based on Strategy of Energy Consumption

LIU Gui-lan1,2，YU Ben-gong1,2

(1.School of Management,Hefei University of Technology,Hefei 230009,China;2.Key Laboratory of Process Optimization & Intelligent Decision-making of Ministry of Education,Hefei 230009,China)

In view of the problem that AOMDV routing protocol does not take into the energy consumption of the nodes account，an AOMDV_EC routing protocol based on the strategy of energy expenditure is proposed to balance energy consumption of each node in the network and achieve the purpose of extending network survival time.And through NS2 network simulation platform,the performance of two protocol (AOMDV and AOMDV_EC) is tested,analysis of the performance of the improved routing protocol from three dimensions like the network lifetime,the end-to-end transmission delay and the routing overhead.The results show that the AOMDV_EC protocol with energy strategy can effectively prolong the network lifetime,reduce the end-to-end transmission delay and control the routing overhead in the network effectively.AOMDV_EC routing protocol can balance the energy consumption of each node in the network environment,so as to improve the performance of the whole network communication.

AOMDV；energy consumption；network simulation；performance test

2015-12-16

2016-05-05

時間：2017-02-17

國家“863”高技術發展計劃項目(2011AA05A116)

劉桂蘭(1989-)，女，碩士研究生，研究方向為物流管理及信息化；余本功，博士，教授，碩導，研究方向為信息管理與信息系統、項目管理。

http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1450.TP.20170217.1623.008.html

TP393.04

A

1673-629X(2017)03-0061-04

10.3969/j.issn.1673-629X.2017.03.013