一種改進的海上無線傳感網動態源路由算法

童列高

摘 要：針對海上無線傳感網節點的移動性和網絡拓撲的動態特性，引入動態源路由，改進動態源路由的發現機制，提出一種適用于海上無線傳感網的動態源路由算法。該算法可以提高數據傳輸率，并節省能耗，延長網絡生存時間，保證了網絡的可靠性。仿真結果表明，提出的改進型動態源路由算法（I-DSR）相比DSR算法以及其他路由算法具有更好的性能。

關鍵詞：海上無線傳感網；鏈路穩定性；平均剩余能量；動態源路由

中圖分類號：TP39 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2018）01-00-02

0 引 言

近年來，研究人員考慮將無線傳感網推廣應用于海事搜救和海洋監測領域[1]。但海上無線傳感網路由方案的設計面臨一些嚴峻挑戰，提高惡劣海洋環境下網絡的性能，設計出一種確保數據可靠傳輸的路由對海上應用而言具有重要意義。由于源路由算法的動態源路由（DSR）協議網絡中的節點緩存多到達目的節點的源路由，使該協議對網絡拓撲變化具有較快的反應速度，因此可以提供快速反應式服務，較好地保證了數據的有效傳輸[2]。但該路由協議存在一些缺陷：在高度動態性的環境中，頻繁的鏈路斷裂導致數據傳輸率較低[3]；效率低下的路由發現機制造成了較大的傳輸延遲和較高的路由開銷[4]；產生的能耗較大[5]。

現階段，針對動態源路由協議提出了很多改進和優化。文獻[6，7]針對DSR 路由緩存中失效路由導致協議性能下降的問題，提出了改進的DSR路由協議，使節點能夠及時更新緩存中的失效路由，但該方案無法減少路由開銷。在路由發現的過程中，文獻[8，9]提出了一些控制數據包的洪泛技術以減少路由開銷，但未必能夠找到有效的路徑。

因此，本文提出一種改進型動態源路由（I-DSR）算法，以提高路由效率。該算法能較好地滿足海上無線傳感網路由的要求，在保證節省能耗和延長網絡生存時間的同時，實現了較高的數據傳輸率，克服了已有路由算法的不足。

1 改進型動態源路由算法設計

1.1 路由控制包

動態源路由發現過程需要兩種控制數據包，即路由請求（RREQ）和路由應答（RREP）。本文提出的增強型動態源路由算法需要修改傳統動態源路由控制數據包格式以適應本算法的路由機制，路由控制包格式見表1所列。

在路由發現過程中，源節點發送路由請求控制數據包RREQ，搜索到目的節點的路徑，并更新控制包的信息。請求控制包包含源節點和目的節點地址，跳數Hc初始設置為0，隨著數據包在網絡中傳播，每通過一個中間節點跳數便加1，當數據包發送到目的節點時，該跳數即為路徑所有跳數。使用路徑擁塞度度量值Rc衡量整條路徑的擁塞水平，由中間路徑和節點擁塞度表示。路徑可靠性度量值Rr由每一個中間鏈路的連通性決定，表明整條路徑能維持較長時間的連通性。Er表示路徑剩余能量，其值為路徑中節點的最小剩余能量。在通過周期性的信息交換后，節點獲取鄰居節點的剩余能量信息，保存在自己的緩存中。路由控制包每經過一個中間節點，就會比較節點的剩余能量，選擇剩余能量較小值更新控制包中的Er。類型表示控制數據包的種類，即RREQ為1，RREP為0。中間節點地址棧INA存儲路由請求數據包在網絡中傳輸經過的所有中間節點的地址。

1.2 路由發現

當源節點需要發送數據包時，就會啟動路由發現過程尋找一條到達目的節點的路由，并向網絡廣播路由請求控制包。路由請求控制包在選擇下一跳節點時，會綜合考慮路徑的可靠性、擁塞度、剩余能量以及跳數，從而找到具有較高可靠性、較低擁塞度、較少跳數和剩余能量較高的路徑，在保證路由效率的同時，降低能量消耗，均衡網絡負載，延長網絡的生存時間。路由發現過程如圖1所示。

目的節點收到請求控制包后向源節點返回一個應答控制包RREP，源節點接收到RREP控制包后便完成了路由發現過程，產生了一條到達目的節點的源路由。在路由選擇時，第一個RREP控制包到達，產生一條路徑，發送節點使用該路徑發送數據分組。當發送節點再次收到一個應答數據包后，便產生另外一條路由，根據跳數、路徑可靠性度量值、擁塞度量值和剩余能量，比較兩者路徑性能值的大小，選擇較好的一條路徑發送數據分組。直到收到最后一個路由應答控制包，路由選擇過程結束。

2 仿真結果與分析

本文使用Linux系統下的網絡仿真工具NS2模擬所需的網絡環境，對提出的I-DSR算法進行仿真，并與DSR[10]算法進行比較。仿真場景為在1 000 m×1 000 m范圍內隨機部署150個節點，節點的運動模型為RWP（Random Way Point，RWP），其最大移動速度為10 m/s。本文從數據傳輸率、能耗和網絡生存時間三個方面對兩種算法進行比較，發現網絡生存時間為死亡節點數量達到節點總數的20%時網絡運行的時間。

圖2所示為本文算法與DSR算法數據傳輸率的比較。

從圖中可以看出，本文提出的算法有較高的傳輸率，原因在于本文算法有效地預測了路徑的可靠性和擁塞度，從而發現了比較可靠的路徑，減少了數據丟失和傳輸延時，提高了數據傳輸率。

圖3所示為能耗的比較。從圖中可以看出I-DSR算法比DSR算法更節能，原因在于DSR在網絡中盲目泛洪路由請求控制包，而本文算法選擇了相對可靠的路徑發送路由請求，減少了路由開銷，節省了能量。

圖4所示為網絡生存時間的比較。從圖中可以看出，死亡節點數為30（達到總結點數的20%）時，對應的時間分別為235和280，因此本文算法較DSR方法延長了網絡生存時間。本文算法不僅能夠節省節點能量，更在選擇路徑時，考慮了路徑的剩余能量，具有較多剩余能量的路徑被使用的可能性更大，這在一定程度上均衡了網絡負載，避免了節點因負載過大，能量耗盡而過早死亡，從而減少了死亡節點的數量，相比DSR算法延長了網絡生存時間。

3 結 語

本文針對海上無線傳感網路由方案存在的問題和挑戰，引入了動態源路由機制，提出了一種改進型動態源路由算法。該路由方案通過發現并選擇具有較低擁塞度、較高可靠性、較少跳數和剩余能量較高的路徑傳輸數據分組，實現了較高的數據傳輸率，節省了能量，并延長了網絡生存時間。若將本文算法應用到海上無線傳感網，將大大提高海上搜救和海洋監測效率。

參考文獻

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