基于功率控制的AODV路由協(xié)議研究*

汪華斌，羅中良

(1.惠州學院計算機科學系,廣東 惠州 516007;2.惠州學院電子科學系,廣東 惠州 516007)

無線傳感器網(wǎng)絡是一種特殊的無線自組織Ad Hoc網(wǎng)絡，集成了傳感器技術、嵌入式系統(tǒng)及無線通信技術等多項技術特點，可用于現(xiàn)代化戰(zhàn)場、環(huán)境監(jiān)測、數(shù)據(jù)采集等領域。由于其應用上的潛在前景，近年來已經(jīng)成為研究熱點[1]。無線傳感器網(wǎng)絡的節(jié)點體積微小，能量有限，電池不易更換，這些特點決定了能量消耗的問題是無線傳感器網(wǎng)絡設計時需要考慮的一個重要指標。在保證網(wǎng)絡覆蓋范圍及網(wǎng)絡連通性的前提下，設計不僅要考慮節(jié)點的功率消耗，還要考慮各節(jié)點間的能量均衡問題。

關于無線傳感器網(wǎng)絡的研究，主要分為平面結(jié)構(gòu)和簇狀結(jié)構(gòu)。有關功率控制及路由協(xié)議的節(jié)能問題，已有一批學者做過相關的研究，并取得了一定的成果[1-11]。文獻[4]提出的CPC協(xié)議的思想是取保證網(wǎng)絡連通性情形下的最小發(fā)射功率值作為全網(wǎng)的統(tǒng)一發(fā)射功率，從而達到降低網(wǎng)絡能耗、延長網(wǎng)絡生存周期的目的，但其不具普遍適用性[5]。文獻[6]提出的COMPOW是在每個節(jié)點上使用若干個互不相同的發(fā)射功率的路由代理對網(wǎng)絡進行探測，每個路由代理維護各自路由表，完成全網(wǎng)探測后,對各個路由代理最后得到的路由表項數(shù)進行比較，取其中發(fā)射功率最小且所形成的網(wǎng)絡路由表項數(shù)和以最大發(fā)射功率所得的路由表項數(shù)一致的那個發(fā)射功率作為全網(wǎng)統(tǒng)一的發(fā)射功率[7]。本文的研究基于網(wǎng)絡層與物理層聯(lián)合，依據(jù)跨層設計的思想，在網(wǎng)絡層選路時依據(jù)能量相關的度量，構(gòu)造路由表，在物理層依據(jù)路由表，調(diào)整發(fā)射功率，兩者相輔相成，達到實現(xiàn)降低全網(wǎng)能量消耗，延長網(wǎng)絡生存周期的目的。

1 功率控制

現(xiàn)今的無線傳感器網(wǎng)絡功率控制通常都基于理想條件下的，如：鏈路對稱，信號傳輸區(qū)域為標準圓形，信號的發(fā)射功率與距離之間的簡單函數(shù)關系等。功率控制在無線傳感器網(wǎng)絡中的研究主要有網(wǎng)絡層和鏈路層。而實際的無線信道中，信號的接收功率衰減為傳輸距離的冪函數(shù)關系，并且與傳播模型相關。

1.1 傳播模型

目前的無線傳感器通常選擇TwoRayGround (雙地面反射)模型，如

(1)

(2)

其中Pt為發(fā)送端發(fā)出無線信號時的功率值，即信號發(fā)射功率，Pr為接收端收到來自發(fā)送端的無線信號的功率值，即信號接收功率。Gt、Gr分別是發(fā)射天線和接收天線增益，對于兩個固定的節(jié)點來說這兩個值都是常量。L是與傳播無關的系統(tǒng)損耗因子，λ為無線電波的波長。ht、hr分別是發(fā)送節(jié)點的發(fā)射天線高度和接收節(jié)點的接收天線的高度。d為發(fā)送端與接收端之間的距離。

為方便說明算法和模型的最優(yōu)發(fā)射功率，假設節(jié)點的最大傳輸距離為R1，當收發(fā)節(jié)點間的距離小于某一門閥值r1時，采用自由空間模型(k*d2)，大于等于門閥值r1時，采用多路衰減模式(k*d4),如圖1所示。

圖1 近似算法舉例

1.2 最優(yōu)發(fā)射功率推導過程

本文中的算法前后均采用雙地面?zhèn)鞑ツＰ?。即傳播消耗的能量與距離的4次冪成比例。依據(jù)公式(1)進行推導得

?

(3)

為使接收端能夠順利接收，要求接收端的接收功率大于接收靈敏度PRXThresh。將公式(3)的d4代入公式(1)得到

(4)

這樣節(jié)點i和節(jié)點j進行通信所需要的最優(yōu)發(fā)射功率即可由節(jié)點i處的發(fā)射功率與節(jié)點j處的接收功率計算得到。這是一種網(wǎng)絡層與物理層結(jié)合的跨層設計思路，可有效避免了距離測量問題，也無需地理位置輔助信息。

2 改進的Improved-AODV路由協(xié)議

AODV是無線自組織Ad Hoc網(wǎng)絡中應用最廣泛的一種按需路由路由協(xié)議，它利用了DSDV的逐跳(Hop-by-Hop)路由和DSR的路由發(fā)現(xiàn)和維護機制。文獻[3]已對增加能量要素后的AODV協(xié)議移植到無線傳感器網(wǎng)絡的可行性進行了相應的研究。

AODV協(xié)議在源節(jié)點有數(shù)據(jù)要發(fā)送到目標節(jié)點且無可用的路由情況下(不存在路由或路由失效)，通過RREQ路由請求，采用洪泛廣播建立其路由。為避免環(huán)路，在RREQ中增加TTL值和廣播號來判定是否可達或重復，目標節(jié)點收到RREQ后，通過單播RREP響應包沿原路返回，從而建立起通信節(jié)點間的路由。

本文在AODV協(xié)議中依據(jù)文獻[12]增加剩余能量水平的度量和文獻[13]增加概率轉(zhuǎn)發(fā)的思路，提出一種功率自適應的Improved-AODV協(xié)議，該方案以傳統(tǒng)的AODV協(xié)議為基礎，結(jié)合1.1中物理層功率控制思想。做如下改進：

1)在Improved-AODV中增設節(jié)點剩余能量水平e(e=節(jié)點的當前能量/初始能量)的門限值為20%，當中間節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)RREQ包時依據(jù)當前剩余能量水平e進行判斷。如小于初始能量的20%，則對RREQ包丟棄不進行轉(zhuǎn)發(fā)。

2)當中間節(jié)點能量水平高于20%時對RREQ進行轉(zhuǎn)發(fā)，轉(zhuǎn)發(fā)時依據(jù)剩余能量水平e進行延時，轉(zhuǎn)發(fā)RREQ請求包的延時為：0.01*(1-e)s。

3)在RTABLE路由表項目中增加LPower項，用以保存在物理層計算出的到達下一節(jié)點的最優(yōu)發(fā)射功率。為保證下一節(jié)點能夠正確接收，考慮節(jié)點不移動或緩慢移動的情況下，在實際發(fā)送數(shù)據(jù)時，可使用C(C>=1)增益參數(shù)進行修正C*LPower。

4)在通信過程中，除業(yè)務流數(shù)據(jù)發(fā)送采用物理層所計算出的最優(yōu)發(fā)射功率外，其余數(shù)據(jù)均采用最大功率發(fā)送，以保證無線傳感器網(wǎng)絡原有的連通性和覆蓋范圍。

通過上述措施保護一些“熱點”節(jié)點因過度使用造成的能量空洞，從而達到能量均衡的目標。延長無線傳感器網(wǎng)絡的生存周期。選路的示意如圖2。

圖2 EAODV選路示意圖

圖2中，反色的節(jié)點3、5、6為“熱點”，剩余能量水平較低，其它節(jié)點剩余能量水平較高。一般地，AODV在選擇路徑時，有3種選擇，即S-1-2-5-8-D、S-1-3-6-8-D、S-1-4-7-8-D。而在Improved-AODV協(xié)議中選擇所有節(jié)點能量水平較高的第三種S-1-4-7-8-D。

3 仿真結(jié)果與分析

3.1 仿真場景與參數(shù)設置

利用NS2網(wǎng)絡仿真軟件，對改進后的Improved-AODV與傳統(tǒng)的AODV作性能比較。本文構(gòu)建的仿真場景，節(jié)點個數(shù)為25個，仿真拓撲為400 m*400 m，仿真時間800 s。仿真采用CBR流，包大小512字節(jié)，每秒發(fā)送1、2、5、10、12.5、25個。如圖3#1的持續(xù)時間為(0～100 s)、#2(100～200 s)、……#8(700～800 s)。其它無線節(jié)點的參數(shù)設定如表1。

圖3 仿真場景拓撲

表1 無線節(jié)點的模擬參數(shù)

Table 1 Simulation Parameters of Wireless Nodes

參數(shù)值參數(shù)值無線傳播模型TwoRay Ground節(jié)點的初始能量50 J電波傳輸距離250 m發(fā)送功率0.660 W電波干擾距離550接收功率0.395 W信道傳輸速率2 Mb/s監(jiān)聽功率0.0 W

3.2 仿真結(jié)果和分析

通過改變CBR流的發(fā)送頻率，對圖3進行了多次仿真和比較，結(jié)果如圖4所示。圖5為剩余能量的對比圖。

圖4 仿真結(jié)果

從圖4結(jié)果看。由于Improved-AODV采用中間節(jié)點的剩余能量水平對RREQ包進行了控制性轉(zhuǎn)發(fā)，其端對端平均延時(圖4(a))、平均跳數(shù)(圖4(b))相對傳統(tǒng)AODV稍高，隨著CBR發(fā)送頻率的增大，從(圖4(c))看，其歸一化路由開銷減小，吞吐量有所提高。從圖5看，仿真結(jié)束后，節(jié)點的剩余能量較傳統(tǒng)的AODV協(xié)議大提升，延長了網(wǎng)絡的生命周期，達到的節(jié)能的目的。

4 結(jié) 語

基于節(jié)能的無線傳感器網(wǎng)絡的研究是目前的一個熱點，本文依據(jù)跨層設計思想提出的物理層功率自適應調(diào)節(jié)與網(wǎng)絡層節(jié)能路由選擇的協(xié)議算法，理論分析和仿真實驗表明，在保證較低延時和較高吞吐率的同時，較大幅度的減少了節(jié)點的能量消耗水平，尤其在業(yè)務量較高的，負荷較大的情況下，效果更為顯著。

參考文獻：

[1]趙海,程大偉,孫佩剛，等.基于矩法估計量的無線傳感器網(wǎng)絡路由度量[J].東北大學學報:自然科學版,2008,29(3)：320-323.

[2]黃景博.移動Ad Hoc網(wǎng)絡的節(jié)能路由技術研究[D]. 合肥: 中國科技大學,2007.

[3]王冬青,譚躍剛.AODV協(xié)議在無線傳感器網(wǎng)絡中的應用[J].測試技術學報,2008,22(3)：274-277.

[4]PARK S,SIVAKUMAR R. Load-Sensitive transmission power control in wireless ad-hoc networks[C]∥Park J,ed. Proc. of the GlobeCom 2002. Taipei: IEEE Press,2002:42-46.

[5]PARK S,SIVAKUMAR R. Quantitative analysis of transmission power control in wireless ad-hoc networks.[C]∥Lilja D,ed. Proc. of the ICPP 2002. Vancouver: IEEE Computer Society,2002: 56-63.

[6]NARAYANASWAMY S,KAWADIA V,SREENIVAS R S. Power control in ad-hoc networks: Theory,architecture,algorithm and implementation of the COMPOW protocol[C]∥Lenzini L,ed. Proc. of the European Wireless Conf. 2002. Florence,2002: 156-162.

[7]李方敏,徐文君,劉新華.無線傳感器網(wǎng)絡功率控制技術[J].軟件學報,2008,19(3)：716-732.

[8]鄧罡,陳穎文,徐明，等. 無線傳感器網(wǎng)絡環(huán)境感知的節(jié)點定位方法[J]. 中山大學學報:自然科學版,2008,47(6)：114-119.

[9]楊衛(wèi)東,周杰英,張光昭. Ad Hoc網(wǎng)絡中一種基于權(quán)值的分簇算法[J]. 中山大學學報:自然科學版,2007,46(5)：5-9.

[10]王忠恒,張曦煌. 移動Ad Hoc網(wǎng)絡AODV路由協(xié)議的改進[J]. 計算機應用,2010,30(2)：333-336.

[11]藩云霞,冀常精. AoDV的能量策略研究[J]. 計算機工程,2010,36(22)：103-105.

[12]劉雯雯,馬銳,許海濱. 均衡無線傳感器網(wǎng)絡能耗的AODV改進方案[J]. 計算機工程,2008,34(22)：143-144,147.

[13]袁培燕,高宏卿. 概率轉(zhuǎn)發(fā)的移動自組織網(wǎng)絡路由協(xié)議[J]. 計算機工程與應用,2010,46(24)：104-106.