基于距離能量感知的AOMDV協(xié)議研究

(杭州電子科技大學(xué)計算機學(xué)院，浙江 杭州310018)

0 引 言

近幾年來，在Ad Hoc 按需多路徑距離向量路由(Ad hoc On-demand Multipath Distance Vector Routing，AOMDV)協(xié)議的基礎(chǔ)上，通過綜合考慮節(jié)點的剩余能量和距離感知技術(shù)，新設(shè)計出大量的路由協(xié)議。Qos-AOMDV 主要是依據(jù)提高節(jié)點能量利用率算法設(shè)計出來的[1]。S_EAOMDV算法是根據(jù)對原有的AOMDV協(xié)議進行分析基礎(chǔ)上提出來的[2]。根據(jù)節(jié)點的剩余能量對鏈路穩(wěn)定度的影響，文獻[3]設(shè)計出了E-AOMDV協(xié)議。文獻[4]通過引入蟻群優(yōu)化機制，提出了一種基于預(yù)測模式的能量感知數(shù)據(jù)路由協(xié)議。文獻[5]通過定時地往路徑中發(fā)送前向螞蟻，通過感知路徑上剩余能量的大小來進行數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)。文獻[6]提出了一種基于微控制的實時性的算法。以上提到的協(xié)議，都沒有從根本上對AOMDV的轉(zhuǎn)發(fā)過程做出對應(yīng)的修改，僅僅只是改變了選擇轉(zhuǎn)發(fā)路徑的條件或者僅僅通過某種感知方法進行隨機的發(fā)送數(shù)據(jù)[7-8]。因此本文提出一種新的路由協(xié)議(Distance and Energy Perception of AOMDV，DEP-AOMDV)，該協(xié)議綜合考慮了節(jié)點的剩余能量和時延這兩個因素。

1 基于AOMDV 改進的能量感知多路徑路由協(xié)議

AOMDV協(xié)議選擇最少的跳步數(shù)的那條路徑來轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)。但是根據(jù)研究結(jié)果表明，擁塞少的路徑相比跳步數(shù)少的路徑而言，具有更短的端到端時延。為了盡可能地保持目標連通性，能耗是WSN 路由協(xié)議設(shè)計中一個至關(guān)重要的因素?？紤]到此原因，本設(shè)計的協(xié)議在選擇最優(yōu)路徑過程中將會把剩余能量和時延這兩個參數(shù)作為主要的參考標準。協(xié)議主要是針對節(jié)點能源的有限性和節(jié)點間頻繁的中斷這些問題而設(shè)計的一種多路徑路由協(xié)議。

1.1 DEP-AOMDV協(xié)議報文改進設(shè)計

DEP-AOMDV協(xié)議在報文設(shè)計上有所改動。在原有的RREQ(Router Request)報文的基礎(chǔ)上，新添加了兩個字段:received time(Tr)和transmission delay(Delay)。Tr 字段表明收到RREQ 報文的時間，Delay表明本節(jié)點和上一個節(jié)點收到RREQ 包的時延。在原有的RREP(Router Reply)報文的基礎(chǔ)上，新添加了一個字段:remaining_energy(Er)，用來標識每個節(jié)點的剩余能量。其中修改后RREQ數(shù)據(jù)包字段格式如下:

RREP 在協(xié)議中實際報文結(jié)構(gòu)代碼為:

1.2 DEP-AOMDV協(xié)議RRER 包預(yù)測域判斷公式

鏈路的穩(wěn)定性與鏈路中節(jié)點間之間的距離與節(jié)點間相互剩余的能量有著很大的關(guān)系。rpreemptive標識為節(jié)點之間可以相互通信的最大范圍，Tthreshold則標識為需要做出預(yù)測的時間閾值，計算公式為:

在數(shù)據(jù)傳輸過程中，當節(jié)點發(fā)現(xiàn)自己距離能量預(yù)測值Tcurrent≤Tthreshold時，將發(fā)送RRER(Router Error)包給源節(jié)點，預(yù)測域pre_value為1。表示該鏈路即將斷裂，其中當前距離能量預(yù)測值Tcurrent計算公式為:

1.3 DEP-AOMDV協(xié)議RREQ 包處理過程

當中間節(jié)點N1收到來自源節(jié)點的RREQ 報文，N1會將此時的時間記錄到Tr 字段中保存下來，然后將RREQ 報文轉(zhuǎn)發(fā)給鄰居節(jié)點。鄰居節(jié)點N2收到RREQ時，N2根據(jù)此時的時間和RREQ 報文中所記錄上個節(jié)點(N1)的時間計算出RREQ 報文從N1轉(zhuǎn)發(fā)到N2的時間間隔，計算公式為:

時延包括隊列時延和傳播時延兩個部分。中間節(jié)點自己會定義一個時延門閾值，如果時延超過這個閾值就表明節(jié)點之間不可達，并且該節(jié)點不能轉(zhuǎn)發(fā)RREQ 報文;否則的話，節(jié)點首先將自己收到RREQ 報文的時間記錄到Tr 字段中，并且計算出時延值記錄到Delay 字段中，并將該RREQ 報文轉(zhuǎn)發(fā)出去。計算公式為:

2 實驗結(jié)果

2.1 仿真環(huán)境

實驗采用網(wǎng)絡(luò)模擬器NS2 來模擬驗證改進后的路由協(xié)議的性能。仿真環(huán)境在一個800 m×800 m的平面拓撲中隨機形成的傳感器網(wǎng)絡(luò)。節(jié)點的傳輸范圍為50 m，節(jié)點的初始能量為2J，發(fā)送能耗為0.7 W，接受能耗為0.4 W，MAC層采用IEEE802.11 協(xié)議，節(jié)點隊列長度為50個最大包長。

2.2 仿真結(jié)果

實驗是在NS2仿真平臺上完成的。分組投遞率與節(jié)點最大移動速度關(guān)系如圖1所示，反映了平均分組投遞率這一性能指標，DEP-AOMDV 由于綜合考慮的節(jié)點能量和跳步數(shù)，其投遞率在不同的移動速度情況下都比AODV和AOMDV的要高。端到端平均時延與最大移動速度的關(guān)系如圖2所示，DEPAOMDV 在時延方面都小于AODV和AOMDV。隨著節(jié)點的運動速度的逐漸增大時，鏈路的不穩(wěn)定性變高，引起丟包率提高。平均能量消耗與節(jié)點最大移動速度關(guān)系如圖3所示，反映了路由開銷這一性能指標，隨著節(jié)點移動速度的不斷變大，DEP-AOMDV協(xié)議的能量消耗都低于AODV和AOMDV，比AOMDV協(xié)議效率提高了約5% 10%，比AODV協(xié)議效率提高了約12% 17%，并且其遞增趨勢都明顯小于另外兩個協(xié)議。

圖1 分組投遞率與節(jié)點最大移動速度關(guān)系

圖2 端到端平均時延與最大速度關(guān)系

圖3 平均能量消耗與節(jié)點最大移動速度關(guān)系

3 結(jié)束語

通過對原來的AOMDV協(xié)議進行分析，本文設(shè)計和實現(xiàn)了一種新的路由協(xié)議DEP-AOMDV協(xié)議，主要綜合考慮了節(jié)點的路徑和時延這兩個影響因素。最后通過在NS2 上進行仿真實驗，并對得到的實驗數(shù)據(jù)進行分析。從實驗數(shù)據(jù)上來看，在各個性能指標性能上DEP-AOMDV協(xié)議都優(yōu)越于AOMDV和AODV協(xié)議。

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