適用于WSNs的擁塞自適應(yīng)多徑路由算法

施利利, 盧先領(lǐng)

(江南大學(xué) 物聯(lián)網(wǎng)工程學(xué)院,江蘇 無錫 214122)

適用于WSNs的擁塞自適應(yīng)多徑路由算法

施利利, 盧先領(lǐng)

(江南大學(xué) 物聯(lián)網(wǎng)工程學(xué)院,江蘇 無錫 214122)

針對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSNs)數(shù)據(jù)匯聚特性易導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)擁塞的問題，結(jié)合改進(jìn)AOMDV協(xié)議的多徑建立、選擇機(jī)制的缺陷，提出一種擁塞自適應(yīng)的多徑路由算法。新協(xié)議首先引入相關(guān)因子模型建立相互干擾度最小的路徑集；其次建立路徑擁塞信息采集、更新機(jī)制，并利用HELLO消息傳遞。最終源節(jié)點(diǎn)通過實(shí)時(shí)感知路徑擁塞信息，自適應(yīng)選擇低擁塞路徑來避免擁塞。仿真結(jié)果表明：改進(jìn)的協(xié)議顯著提高了分組投遞速率，降低了端對端時(shí)延。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)； 擁塞避免； 多徑路由； 相互干擾度

0 引 言

在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSNs)中，多對一匯聚的傳輸方式導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)極易產(chǎn)生擁塞[1]。提高網(wǎng)絡(luò)資源利用率的同時(shí)盡量避免擁塞一直是網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)者追求的目標(biāo)之一。因此，研究具有擁塞控制功能的路由協(xié)議具有重要意義。與單徑路由相比，多徑路由能平衡網(wǎng)絡(luò)負(fù)載，減少網(wǎng)絡(luò)擁塞，提高網(wǎng)絡(luò)整體性能。但傳統(tǒng)的多徑路由通常只使用主路徑發(fā)送分組，僅當(dāng)主路徑失效時(shí)才啟用備份路由。這種路由選擇機(jī)制不僅沒有充分發(fā)揮出備份路徑的作用，且易導(dǎo)致備份路徑的過時(shí)失效；同時(shí)，多徑的建立過程沒有考慮降低路徑之間的干擾，在某一時(shí)刻，多條路徑同時(shí)處于擁塞區(qū)域的概率就增大。

國內(nèi)外針對現(xiàn)有多徑路由協(xié)議不足的研究中，提出了大量的改進(jìn)方案。在路由發(fā)現(xiàn)方面，文獻(xiàn)[2]通過監(jiān)聽信道忙和閑的比例來判斷節(jié)點(diǎn)的擁塞，并以此作為是否繼續(xù)廣播RREQ消息的依據(jù)來實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載均衡。ZD-AOMDV[3]考慮多徑路由之間干擾嚴(yán)重，提出建立區(qū)域不相交路徑機(jī)制來降低路徑之間的相互影響。MAOMDV-LB[4]根據(jù)緩存隊(duì)列長度來判別是否允許路由經(jīng)過該節(jié)點(diǎn)，以均衡網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的負(fù)載。在路由選擇方面，文獻(xiàn)[5]選擇剩余能量最多的路徑進(jìn)行分組傳遞，以實(shí)現(xiàn)能耗均衡。文獻(xiàn)[6,7]基于接收信號強(qiáng)度指示值選擇路徑，降低了因路由失效引發(fā)的路由發(fā)現(xiàn)頻率。文獻(xiàn)[8]指出因擁塞導(dǎo)致大量數(shù)據(jù)包的丟失和重傳不僅浪費(fèi)節(jié)點(diǎn)的能量，而且導(dǎo)致更高的端對端延時(shí)和數(shù)據(jù)包丟失。而上述改進(jìn)方案很少以此為出發(fā)點(diǎn)。

為了減輕WSNs中的網(wǎng)絡(luò)擁塞，本文對AOMDV的路由發(fā)現(xiàn)和路由選擇機(jī)制做出改進(jìn)，提出了一種擁塞自適應(yīng)的多徑路由算法。新算法最多只允許源節(jié)點(diǎn)維護(hù)3條可用路徑，以此來降低一定量的路由開銷；其次，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生局部擁塞時(shí)，源節(jié)點(diǎn)能避開擁塞區(qū)域選擇低擁塞區(qū)域路徑來減輕網(wǎng)絡(luò)擁塞。

1 AOMDV協(xié)議概述

AOMDV[9]協(xié)議旨在發(fā)現(xiàn)多條無回環(huán)、不相交路徑，當(dāng)

源節(jié)點(diǎn)需要發(fā)送數(shù)據(jù)且無可用路由時(shí)，廣播RREQ消息啟動路由發(fā)現(xiàn)機(jī)制。由于RREQ以泛洪方式傳播，每個(gè)中間節(jié)點(diǎn)會收到多個(gè)相同的RREQ消息副本。AOMDV充分利用這些RREQ消息，檢查每一個(gè)接收到的RREQ消息來建立可利用的反向路徑。同時(shí)，利用源節(jié)點(diǎn)序列號和廣播跳數(shù)保證路徑無回環(huán)和不相交，規(guī)則偽碼如下：

if(本地目地序列號

更新序列號，清空路由列表，建立新的反向路徑；

}

else if((本地目地序列號=RREQ消息節(jié)點(diǎn)序列號)

and(本地廣播跳數(shù)>RREQ廣播跳數(shù))){

選擇具有最小跳數(shù)的路徑插入路徑列表。

}

當(dāng)中間節(jié)點(diǎn)建立起反向路徑之后，檢查是否有到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)的前向路徑；如果存在，則生成RREP消息，并沿著反向路徑發(fā)送給源節(jié)點(diǎn)，同時(shí)建立起對應(yīng)的前向路徑。當(dāng)目的節(jié)點(diǎn)接收到了RREQ消息，首先同樣建立起反向路徑，但與中間節(jié)點(diǎn)不同的是，目的節(jié)點(diǎn)對所有鄰居節(jié)點(diǎn)發(fā)送過來的RREQ消息都會產(chǎn)生一次RREP路由回復(fù)消息。中間節(jié)點(diǎn)在收到RREP消息之后，若是檢查并選擇未被利用的反向路徑對應(yīng)的節(jié)點(diǎn)作為RREP下一跳傳輸對象，則生成鏈路不相交路徑；若是只允許節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)一次RREP消息，則生成節(jié)點(diǎn)不相交路徑。

2 自適應(yīng)多徑路由算法

2.1 算法原理

AOMDV協(xié)議可建立鏈路不相交或節(jié)點(diǎn)不相交路徑，但沒有考慮降低這些路徑間的干擾性。為此，首先引入相關(guān)因子模型來建立低干擾度的多路徑，同時(shí)為了降低路由維護(hù)的開銷，只保留1條主路徑和最多2條備份路徑。其次，改進(jìn)AOMDV路由選擇機(jī)制，把路徑上節(jié)點(diǎn)擁塞度的最大值作為本路徑擁塞值，并利用HELLO消息周期性廣播機(jī)制，傳遞、更新路徑的擁塞值信息。最終源節(jié)點(diǎn)會收到實(shí)時(shí)的路徑擁塞值，并以此來自適應(yīng)選擇路由。規(guī)則偽碼如下：

if(沒有到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)的路由)

啟動路由發(fā)現(xiàn)過程；}∥和AOMDV協(xié)議相同

if(存在單條路徑到達(dá)目的)

{選擇該路徑傳輸數(shù)據(jù)；}

else{

if(主路徑不擁塞)

{選擇主路徑傳輸數(shù)據(jù)；}

else if(存在不擁塞的備份路徑)

{選擇低擁塞的備份路徑傳輸數(shù)據(jù)；}

else{選擇主路徑傳輸數(shù)據(jù)；

}

為實(shí)現(xiàn)上述自適應(yīng)多徑路由算法需對路由表和RREP數(shù)據(jù)包進(jìn)行相應(yīng)的擴(kuò)展。在路徑列表中添加cr和cg域，其中,cr存儲路徑相關(guān)因子值，cg存儲路徑擁塞值。在RREP分組中添加rp_f位和rp_cr,rp_cg字段。rp_f為主路徑標(biāo)志位，當(dāng)目的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行第一次回復(fù)RREP消息，就對此RREP消息rp_f位置1，表示該路徑為主路徑。rp_cr記錄路徑相關(guān)因子值。rp_cg記錄路徑擁塞信息并通過HELLO消息傳遞，但HELLO消息即是跳數(shù)為1的特殊RREP消息，所以,也在這里添加。

2.2 多徑建立

2.2.1 相關(guān)因子模型

在無線網(wǎng)絡(luò)中，所有節(jié)點(diǎn)共享同一無線信道，不同路徑之間存在相互干擾。如圖1(a)中的路徑S-A-B-D和S-E-F-D，當(dāng)A向B傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，由于F在A的傳輸范圍內(nèi)，F(xiàn)也能收到此數(shù)據(jù)分組。因此，在A向B發(fā)送數(shù)據(jù)的過程中，F(xiàn)如果要發(fā)送或接收數(shù)據(jù)(非A發(fā)送)，都會發(fā)送沖突，導(dǎo)致A和E的動作都失敗。因此，即使是節(jié)點(diǎn)不相交路徑，路徑之間也可能存在干擾。為了量化地描述出路徑之間的干擾程度，引入相關(guān)因子[10]：

定義1 2條節(jié)點(diǎn)不相交路徑的相關(guān)因子C：由2條節(jié)點(diǎn)不相交路徑中的節(jié)點(diǎn)組成的拓?fù)鋱D中，相關(guān)因子就是2個(gè)端點(diǎn)分屬于2條節(jié)點(diǎn)不相交路徑的邊的條數(shù)。

如圖1(a)中的2條路徑S-A-B-D和S-E-F-D，其中有4條鏈路：(A，E),(A,F),(B,E)和(B,F)，它們有一個(gè)共同點(diǎn)：一個(gè)節(jié)點(diǎn)在路徑S-A-B-D上，一個(gè)節(jié)點(diǎn)在路徑S-E-F-D上，因此,這2條節(jié)點(diǎn)不相交路徑的相關(guān)因子就為4。而圖1(b)無分屬上述2條路徑的邊，因此,相關(guān)因子為0。顯然,相關(guān)因子越大，路徑之間的干擾就越大。因此，路徑之間的相關(guān)因子值越小，其干擾也就越小。

圖1 節(jié)點(diǎn)不相交路徑的相關(guān)因子Fig 1 Relevant factor of node-disjoin paths

2.2.2 低干擾度路徑建立

在AOMDV路由回復(fù)階段，RREP消息從目的節(jié)點(diǎn)沿反向路由進(jìn)行傳遞，其他無關(guān)鄰居節(jié)點(diǎn)不會參與轉(zhuǎn)發(fā)RREP消息。因此，選擇RREP消息的個(gè)數(shù)作為相關(guān)因子的參數(shù)。為了節(jié)約能量，除產(chǎn)生網(wǎng)絡(luò)擁塞，其他情況選擇最短路徑來進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。因此,通過延時(shí)回復(fù)RREP消息策略來確保對最短路徑優(yōu)先回復(fù)，并以該路徑為參照，找出與之干擾較小的備份路徑。協(xié)議路由發(fā)現(xiàn)過程，如圖2。

圖2 路由建立過程Fig 2 Establish process of routing

1)當(dāng)源節(jié)點(diǎn)需發(fā)送數(shù)據(jù)且無可用路由時(shí)，發(fā)起路由請求，RREQ消息向目的節(jié)點(diǎn)擴(kuò)散，并建立起反向路由(該過程與原AOMDV協(xié)議相同),如圖2(a)，(b)。

2)在目的節(jié)點(diǎn)接收到第一個(gè)RREQ請求消息后延時(shí)t秒,以確保收到足夠多的鄰居節(jié)點(diǎn)RREQ消息。同時(shí)為了避免建立過長的路徑，必須保證t值不能太大。

3)選擇最短跳數(shù)路徑優(yōu)先回復(fù)RREP消息，并將rp_f置1。如圖2(b),(c)，選擇路徑d3進(jìn)行優(yōu)先回復(fù)，圖中標(biāo)記為RREP_1。

4)依次對其他路徑進(jìn)行RREP回復(fù)，并在路由回復(fù)過程中，計(jì)算對應(yīng)路徑上節(jié)點(diǎn)接收到RREP_1消息個(gè)數(shù)的總和，作為本路徑與最優(yōu)路徑的相關(guān)因子值。如圖2(c)節(jié)點(diǎn)E,F都檢測到了節(jié)點(diǎn)G的RREP_1消息。

5)選擇相關(guān)因子值最小的2條路徑作為備份路徑,如圖2(d)，選擇S-G-D為主路徑，S-A-B-C-D和S-H-I-J-D為備份路徑。

2.3 路徑擁塞判定與更新規(guī)則

2.3.1 擁塞判定規(guī)則

當(dāng)一條路徑上某個(gè)節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生了擁塞，就說明該路徑產(chǎn)生了擁塞。檢測擁塞的最簡單方法就是監(jiān)視節(jié)點(diǎn)緩存隊(duì)列長度，考慮在WSNs中，頻繁的短時(shí)數(shù)據(jù)流造成即時(shí)隊(duì)列長度的震蕩，使用平均隊(duì)列長度來代替，即

queue_sizeave(n+1)=w×queue_sizeave(n)+(1-w)queue_size(n+1).

(1)

其中， queue_size(n)為第n次迭代時(shí)節(jié)點(diǎn)隊(duì)列長度，w為權(quán)值系數(shù)。w越大，平均隊(duì)列長度越能反應(yīng)當(dāng)前隊(duì)列的變化；反之，對當(dāng)前隊(duì)列反應(yīng)越不敏感。但此方法不能準(zhǔn)確地指示W(wǎng)SNs的擁塞。因此，結(jié)合信道繁忙比率cb[11]來聯(lián)合檢測，cb的計(jì)算公式如下

(2)

其中，pi為空閑的退避時(shí)間的概率，ps為一次成功傳輸?shù)母怕?，pc為在同一退避時(shí)間內(nèi)2次并發(fā)傳輸?shù)母怕?，Ts為一次成功傳輸?shù)钠骄鶗r(shí)間，Tcol為產(chǎn)生碰撞的平均時(shí)間，σ為空閑退避時(shí)間的長度。

信道繁忙比率是指在時(shí)間間隔內(nèi)，信道因?yàn)槌晒鬏敂?shù)據(jù)或者碰撞引起的忙碌狀態(tài)時(shí)間與總時(shí)間的比值，可對網(wǎng)絡(luò)擁塞提供早期的預(yù)警。對于不同的網(wǎng)絡(luò)場景和活動的節(jié)點(diǎn)的數(shù)量來說，最優(yōu)的信道利用率幾乎相同，一般為95 %[8]。設(shè)置信道利用率閾值Bth，當(dāng)cbBth時(shí)，則認(rèn)為信道被過度利用。

基于上述分析，節(jié)點(diǎn)擁塞判定規(guī)則如下：

If((cb>Bth‖(cq>Qth))

{cg=0xFFFF}∥節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生擁塞

else{cg=queue_sizeave}∥節(jié)點(diǎn)無擁塞

其中，cq=queue_sizeave/queue_s,queue_s為節(jié)點(diǎn)總隊(duì)列大小，cq為隊(duì)列占用比，Qth為隊(duì)列占用閾值。

路徑擁塞判定規(guī)則：只要該路徑上的任一節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生擁塞，即判定該路徑擁塞。

2.3.2 路徑擁塞更新規(guī)則

活動路由中節(jié)點(diǎn)會周期性的發(fā)送HELLO消息，每個(gè)節(jié)點(diǎn)在發(fā)送HELLO消息之前更新自己的擁塞值，并將更新的路徑擁塞值添加到HELLO消息的rp_cg域中。對于每個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送的HELLO消息，其所有鄰居節(jié)點(diǎn)都能接收到，為了不干擾到其他路徑的擁塞信息，規(guī)定在所有接收HELLO消息的鄰居節(jié)點(diǎn)中，只有以HELLO消息源節(jié)點(diǎn)為路由下一跳的節(jié)點(diǎn)才會對應(yīng)更新其路徑擁塞信息，其他鄰居節(jié)點(diǎn)則視其為單純的HELLO消息。當(dāng)節(jié)點(diǎn)接收到新的路徑擁塞信息，就更新對應(yīng)的路徑擁塞值，并在節(jié)點(diǎn)準(zhǔn)備廣播HELLO消息之前，檢測本節(jié)點(diǎn)的擁塞度并與收到的最新路徑擁塞值進(jìn)行比較，選出較大值作為本輪最終的路徑擁塞值。

3 仿真與分析

3.1 仿真環(huán)境

主要仿真參數(shù)：拓?fù)浯笮? 000m×1 000m；仿真時(shí)間為300s；節(jié)點(diǎn)數(shù)為50個(gè)；CBR對數(shù)為5，10，15，20，25；發(fā)送速度為5包/s；MAC層協(xié)議為IEEE802.11；仿真模型為Random-Way-Point。

利用NS2.34軟模擬了一個(gè)有50個(gè)節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)，節(jié)點(diǎn)隨機(jī)分布在1000m×1000m的區(qū)域中，每個(gè)節(jié)點(diǎn)的最大傳輸范圍為250m。為了驗(yàn)證協(xié)議運(yùn)行參數(shù)隊(duì)列占用閾值Qth和隊(duì)列權(quán)值系數(shù)w對網(wǎng)絡(luò)性能的影響，實(shí)驗(yàn)首先對參數(shù)Qth和w分別取值，觀察2個(gè)參數(shù)的變化對網(wǎng)絡(luò)丟包率和端對端時(shí)延的影響。其次，通過改變隨機(jī)產(chǎn)生的CBR連接對數(shù)來模擬不同擁塞度的網(wǎng)絡(luò)場景，與AOMDV協(xié)議在分組投遞率和平均端對端延時(shí)性能上進(jìn)行了比較。其中CBR連接的源節(jié)點(diǎn)為隨機(jī)選擇，但目的節(jié)點(diǎn)始終是Sink節(jié)點(diǎn)。為了降低其他因素對擁塞度的影響，規(guī)定發(fā)送速率恒為5包/s，每個(gè)數(shù)據(jù)包大小為512bytes。

3.2 仿真結(jié)果分析

1)設(shè)定CBR連接對數(shù)為15，觀察參數(shù)Qth和w對網(wǎng)絡(luò)性能的影響，如圖3、圖4所示。當(dāng)將w固定，且Qth設(shè)置過小時(shí)，節(jié)點(diǎn)只能存儲短隊(duì)列數(shù)據(jù)，盡管端對端延時(shí)較小，但導(dǎo)致丟包率很大；隨著Qth的增大，節(jié)點(diǎn)丟包率降低，但超過一定值后，丟包率又開始增大，這是由于長隊(duì)列及對無線信道的競爭導(dǎo)致數(shù)據(jù)包容易產(chǎn)生延時(shí)丟包，并導(dǎo)致端對端延時(shí)也迅速提高。參數(shù)w的變化，對感應(yīng)網(wǎng)絡(luò)擁塞的靈敏度影響很大。對當(dāng)w設(shè)置過小，如w=0.002時(shí)，節(jié)點(diǎn)對網(wǎng)絡(luò)擁塞度的反應(yīng)不靈敏，導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)隊(duì)列緩存易處于滿隊(duì)列狀態(tài)，端對端延時(shí)時(shí)間增長。但w設(shè)置也不能過大，如當(dāng)w=0.02時(shí)，節(jié)點(diǎn)對網(wǎng)絡(luò)擁塞度過于靈敏，使節(jié)點(diǎn)很容易處于擁塞狀態(tài)，尤其當(dāng)隊(duì)列占用閾值越小時(shí)，節(jié)點(diǎn)對分組數(shù)據(jù)存儲能力越弱，導(dǎo)致大量分組數(shù)據(jù)被直接丟棄。通過多次實(shí)驗(yàn)比較得出，當(dāng)隊(duì)列占用閾值設(shè)為總隊(duì)列長度的75 %，且w= 0.01時(shí)，改進(jìn)的算法能較好地降低丟包率，減少端對端時(shí)延。

圖3 網(wǎng)絡(luò)丟包率比較Fig 3 Comparison of network packets loss

圖4 端對端時(shí)延比較Fig 4 Comparison of end-to-end delay

2)改進(jìn)協(xié)議的2個(gè)參數(shù)分別設(shè)為：Qth=75 %，w=0.01，結(jié)果如圖5、圖6所示。從圖中可以看出:隨著CBR連接對的增加，二種協(xié)議的分組投遞率都隨之下降，平均端對端時(shí)延增大。這是由于CBR連接對的增加使信道競爭變的激烈并導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生了擁塞。改進(jìn)后協(xié)議在網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生擁塞時(shí)獲得了較高的分組投遞率和較低的端對端時(shí)延，這是因?yàn)樵诟倪M(jìn)后的協(xié)議中源節(jié)點(diǎn)一旦檢測到主路徑產(chǎn)生擁塞，選擇了低擁塞的備份路徑來避免網(wǎng)絡(luò)擁塞。同時(shí)當(dāng)CBR連接對大于20時(shí)，改進(jìn)后協(xié)議性能也迅速下降，此時(shí)網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷已經(jīng)大于網(wǎng)絡(luò)最大的吞吐能力，因此，通過單純的流量調(diào)度已不能解決問題，此時(shí)必須通過降低源節(jié)點(diǎn)速率或者進(jìn)行分組丟棄來控制擁塞。

圖5 分組投遞率比較Fig 5 Comparison of grouping delivery ratio

圖6 端對端時(shí)延比較Fig 6 Comparison of end-to-end delay

4 結(jié) 論

針對WSNs的匯聚特性易引發(fā)網(wǎng)絡(luò)擁塞，提出了一種擁塞自適應(yīng)的多徑路由算法。改進(jìn)算法保留了原AOMDV協(xié)議的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)充分考慮了無線鏈路的干擾特性，建立起相互干擾最小的多徑集，并利用HELLO消息傳遞更新路徑擁塞信息，最終通過選擇低擁塞路徑進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸來提升網(wǎng)絡(luò)的性能。仿真的結(jié)果也表明:改進(jìn)的協(xié)議在網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生局部擁塞時(shí)，能有效地通過選擇低擁塞區(qū)域路徑來減輕網(wǎng)絡(luò)擁塞，同時(shí)提高了網(wǎng)絡(luò)分組投遞率、減少了網(wǎng)絡(luò)時(shí)延。

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Congestion adaptive multipath routing algorithm for WSNs

SHI Li-li, LU Xian-ling

(College of Internet of Things,Jiangnan University,Wuxi 214122,China)

Aiming at problem that wireless sensor networks(WSNs)data gathering features easy lead to network congestion,a congestion adaptive multipath routing algorithm is proposed,combined with improving defect of mechanism of multipath establish and selection of AOMDV.Firstly,relevant factor mode is introduced in the new agreement to build a path set with minimal mutual interference；secondly,establish path congestion information collection,update mechanism,and use the HELLO message to transmit.Eventually source node adaptively selects the lower congestion path to avoid congestion by real-time sense path congestion information.Simulation results show that the improved protocol can effectively improve packet delivery and reduce end-to-end delay.

WSNs; congestion avoidance; multipath routing; mutual interference

10.13873/J.1000—9787(2014)08—0141—04

2014—01—13

TP 393

A

1000—9787(2014)08—0141—04

施利利(1989-),男,江蘇啟東人,碩士研究生,主要研究方向?yàn)闊o線傳感器網(wǎng)絡(luò)擁塞控制。