基于能量均衡的AODV協議的改進與仿真分析

孔繁碩+倪洋

摘 要：隨著無線自組織網絡的不斷發展，其自有的特性為無線路由協議的設計提出了很大的挑戰。為了提高AODV協議在Ad Hoc網絡中的性能表現，文章提出了一種基于能量均衡的改進AODV協議（AODVKA）。AODVKA在路由發現階段不以跳數作為路由決策的唯一因素，綜合考慮跳數，節點剩余能量，節點未來預計的消耗能量以及鄰居節點剩余能量四個因素，用一個靈活可調整權重的綜合指標代替最短路徑來決定最優路徑。在NS-2仿真平臺下對AODVKA和標準AODV協議的性能進行仿真和對比分析。實驗結果表明，所提出的AODVKA在環境相同的場景下，能為無線自組織網絡提供更好的服務質量，在網絡性能方面和均衡能量方面相比原AODV協議有一定提高。

關鍵詞：Ad hoc網絡；AODV 路由協議；能量均衡；NS-2

中圖分類號：TN929；TP39 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2017）05-00-05

0 引 言

無線自組織網絡[1]是由許多中間節點構成的無線自治網絡，節點可以自由移動，并且自帶接收和發送路由控制信息和數據的功能，節點地位平等，依靠節點間的多級轉發完成路由控制信息和數據的發送與傳遞。Ad Hoc網絡中節點的能量主要來源于自身的電池[2]，若不考慮節點中的能量開銷，某些中間節點很容易因為被整個網絡過度使用而過早衰亡，從而降低整個網絡的生存時間，并且會因為衰亡導致鏈路斷裂引起路由中斷，使分組時延增大，影響服務質量。Ad Hoc路由協議在供電設備局限和電池容量有限的情況下[3]，只能通過節能的方式實現長期運用和發展。因此，為避免節點間能量的浪費，以節點節能的思想為基礎進行動態無線網絡路由的選擇和建立，均衡網絡中整體節點的能量消耗，最大限度延長網絡的生命周期，提高網絡可靠性和效率成為當前研究的重點。

Ad Hoc 網絡路由協議[4]的種類基本分為表驅動路由協議和按需驅動路由協議。表驅動路由協議的特點[5]是這類協議需要將每個節點到其他所有可達節點的信息存儲在路由表中，在網絡拓撲發生變化時及時進行路由信息的更新，其典型協議為DSDV；按需驅動路由協議的特點是只有源節點有向目的節點發送數據的需求，且路由表中沒有可到達的路徑時，才會開啟路由發現。當路由發現完成后，不會周期性的維護網絡，典型協議為DSR和AODV。與DSR相比，AODV在數據包的頭部不再裝載完整的路徑信息，降低了網絡的流量開銷。

本文針對Ad Hoc網絡中移動節點能量受限的問題，綜合考慮跳數、能量因素，對AODV協議進行研究，改進了路由選擇機制，不再單以跳數作為路由決策的唯一因素，綜合考慮跳數，節點剩余能量，節點未來預計的消耗能量以及節點鄰居節點平均剩余能量這四個因素，設計一個靈活可調整權重的綜合指標代替最短路徑來確定最優路徑。

1 相關研究

1.1 AODV路由協議

AODV協議是一種按需路由協議，當源節點需要傳輸數據時，會嘗試在自己和目的地之間建立一條路徑。首先廣播路由請求報文（RREQ）[6]，其中附加目的節點信息，當中間節點收到并處理RREQ后，則根據RREQ信息在路由表中記錄到源節點的反向路由，然后根據是否收到重復的RREQ來決定是否進行轉發。如果是目的節點收到RREQ，或者路由表中含有到目的節點路由的中間節點，它會使用剛剛建立的到源節點的反向路由發送一個路由應答報文（RREP）。同時中間節點在收到和轉發RREP的過程中，在路由表中建立到目的節點的反向路由。當源節點收到RREP時，源節點使用擁有最新目的節點序列號和最小跳數的路由來發送數據。當鏈路發生斷裂時，中間節點會決策使用局部修復，或者發送路由錯誤報文（RERR）到源節點，源節點收到RERR報文后，開啟新一輪的路由發現。具體AODV的路由發現過程如圖1，圖2所示。

1.2 研究背景

隨著無線自組織網絡的不斷發展，其自有的特性給無線路由協議的設計帶來很大的挑戰。有限的節點能量，受限的網絡帶寬，多跳傳輸方式帶來的時延等瓶頸都不可避免的制約著Ad Hoc網絡應用的發展[7]。近年來，許多學者致力于改進AODV路由協議以提高其在Ad Hoc網絡中的性能表現[8]。能量意識，網絡負載等因素被引入AODV協議中。然而許多改進的協議在最優路徑的決策上仍使用單一的指標作為評價標準[9]，而協議在網絡中的性能往往由很多因素共同作用決定，單一的評價標準容易漏掉其他關鍵因素。

從以上分析出發，本文提出了一種綜合跳數和能量的路由選擇機制，在標準AODV協議的基礎上，綜合考慮跳數，節點剩余能量，未來預計消耗能量和鄰居節點平均剩余能量四個因素在路由發現過程中的作用，設計了一個靈活可調整權重的綜合指標來代替最短路徑作為最優路徑的決策方法，從而達到整個網絡的能量均衡，提高網絡性能的同時，最大程度延長網絡生存時間。

2 AODVKA的路由發現機制的設計

2.1 權重因素的量化

在本文中，路由發現過程路徑選擇的權重因素由跳數，剩余能量，未來預計消耗能量和鄰居節點平均剩余能量組成。按如下方式對這些因素作量化設計。

AODVKA協議沿用了原協議中的跳數因素，以式（1）的形式展示：

（1）

其中， NHop代表從源端到此節點的跳數值（Hops） ，N代表整個網絡拓撲中的總節點數。Mh越小，表明跳數越小，被選作中間節點的機會越大。

剩余能量的量化形式見式（2）：

（2）

其中，Er代表節點自身的剩余能量值； Ei代表節點在網絡初始化時的最初能量值。隨著節點發送，接收事件的發生以及待機所帶來的能量消耗，Er值會逐漸減小。為了使得剩余能量指標值與最優路徑的選擇呈現指標值越小，路徑越好的趨勢，將Mer轉變為能量指標Me， 如式（3）所示：