基于代價函數(shù)的改進(jìn)AODV協(xié)議

邱夢華　羅喜伶

摘 要： Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中如何設(shè)計良好的路由協(xié)議使其網(wǎng)絡(luò)均衡是當(dāng)今研究的重點。針對網(wǎng)絡(luò)負(fù)載和能量均衡等問題，提出了一種基于代價函數(shù)的改進(jìn)按需距離矢量路由協(xié)議CF?AODV。該協(xié)議在路由建立過程中，通過能量閾值和緩存隊列長度閾值進(jìn)行RREQ轉(zhuǎn)發(fā)判斷；在目的節(jié)點選取路由時采用延遲應(yīng)答方案，通過以路徑長短、路徑負(fù)載、路徑剩余能量作為因子的代價函數(shù)進(jìn)行判決來選取最佳路徑。仿真結(jié)果表明，所提協(xié)議在網(wǎng)絡(luò)負(fù)載和能量上得到了均衡，可以延長網(wǎng)絡(luò)壽命，減輕網(wǎng)絡(luò)擁塞，減少時延和丟包率。

關(guān)鍵詞： Ad Hoc； AODV路由協(xié)議； 代價函數(shù)； 負(fù)載； 剩余能量

中圖分類號： TN915.04 ?34； TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2015）05?0009?05

Improved AODV protocol based on cost function

QIU Meng?hua， LUO Xi?ling

（Beihang University， Beijing 100191， China）

Abstract： In Ad Hoc Network， how to design a good routing protocol to make network balancing is the focus of todays research. For network balancing issues of load and energy， an improved demand distance vector routing protocol CF?AODV based on cost function is proposed. The protocol is used to do RREQ forwarding judgment by energy threshold and buffer queue length threshold in the establishing routing process. The delayed response program is used when the destination node selects route. By taking length， load and residual energy of path as cost functions of factor， adjustment for optimal routing selection is made. Si?mulation results show that the proposed protocol can make the network balance on load and energy， extend the network lifetime， reduce network congestion， latency and packet loss rate.

Keywords： Ad Hoc； AODV routing protocol； cost function； load； residual energy

0 引 言

為了解決動態(tài)自組網(wǎng)和無法依靠基礎(chǔ)設(shè)施等問題，提出了Ad Hoc解決方案。移動Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)是一種復(fù)雜的分布式網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，是自組織、自愈網(wǎng)絡(luò)；無線移動節(jié)點可以動態(tài)的自組織成任意臨時性的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，從而允許人們和裝置在沒有預(yù)先存在的通信基礎(chǔ)設(shè)施的環(huán)境中進(jìn)行無縫的互聯(lián)互通[1]。根據(jù)Ad Hoc雙重功能節(jié)點、無中心自組織、能量和帶寬有限等特點，設(shè)計良好的路由協(xié)議滿足其動態(tài)變化的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是當(dāng)今研究的重點和難點。

Ad Hoc路由協(xié)議根據(jù)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點獲取路由信息方法可分為表驅(qū)動路由協(xié)議（主動式路由協(xié)議）、按需驅(qū)動路由協(xié)議和混合路由協(xié)議三種。AODV[2]是經(jīng)典按需距離矢量路由協(xié)議，包括路由建立和路由維護(hù)兩個過程。優(yōu)點在于能快速自適應(yīng)動態(tài)鏈路狀況，處理開銷和存儲開銷低等，但是由于需要臨時建立路徑，會增大時延，路由請求較多時易造成廣播風(fēng)暴。目前AODV協(xié)議研究和改進(jìn)主要在負(fù)載均衡、能量均衡、鏈路修復(fù)以及安全保障等方面，但是各種算法并不能同時在多方面顯著改善協(xié)議性能。如何合理有效地選取中間方案，實現(xiàn)AODV協(xié)議各方面的均衡優(yōu)化是當(dāng)前研究的一個重點。

本文綜合考慮了網(wǎng)絡(luò)負(fù)載均衡和節(jié)點剩余能量，提出了基于代價函數(shù)的CF?AODV協(xié)議。對代價函數(shù)進(jìn)行分析，闡述了CF?AODV協(xié)議的基本算法；構(gòu)建仿真場景，進(jìn)行了結(jié)果分析。

1 相關(guān)研究

1.1 負(fù)載

按需驅(qū)動路由協(xié)議在不頻繁進(jìn)行路由發(fā)現(xiàn)時，網(wǎng)絡(luò)中控制分組較少，整個網(wǎng)絡(luò)的負(fù)擔(dān)較輕；但是如果網(wǎng)絡(luò)中拓?fù)渥兓^快，路由信息跟著不斷的變化，網(wǎng)絡(luò)的負(fù)擔(dān)就會加重。如果網(wǎng)絡(luò)中選取路由時沒有考慮到節(jié)點的負(fù)載情況，網(wǎng)絡(luò)流量不均衡，會導(dǎo)致重負(fù)載節(jié)點出現(xiàn)，增加時延和丟包率。為了解決以上問題，關(guān)于負(fù)載均衡的路由協(xié)議應(yīng)運(yùn)而生。常見的判斷節(jié)點負(fù)載的方法有：基于本地信息的、基于流的、基于時延的、基于傳輸速率的負(fù)載感知路由協(xié)議。在Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點負(fù)載反映該節(jié)點的繁忙程度，較重時可能導(dǎo)致包阻塞，使得端到端延時長，丟包率增大，通信鏈路的傳輸保障降低。

LWR[3]是基于本地信息的負(fù)載感知路由協(xié)議。該算法根據(jù)節(jié)點的負(fù)載情況判斷對請求報文應(yīng)采取的操作，其中節(jié)點的負(fù)載情況由信道使用率、隊列長度、活動鄰居節(jié)點數(shù)和退避定時器的值決定。MAC層接口等待隊列緩存的數(shù)據(jù)包是經(jīng)過過濾后由于競爭機(jī)制而未發(fā)出的數(shù)據(jù)包，可以準(zhǔn)確實時地體現(xiàn)節(jié)點當(dāng)前的擁塞程度。此方法能較準(zhǔn)確地得出節(jié)點某時刻的流量，但是選取的參數(shù)太多，可能在接收RRRQ到發(fā)送RREQ期間內(nèi)并不能全部得到，從而造成丟包。LBAR[4]是基于流的負(fù)載感知路由協(xié)議。該協(xié)議將經(jīng)過節(jié)點和鄰居節(jié)點的路由數(shù)作為負(fù)載，在路由尋找過程中統(tǒng)計總負(fù)載，選取最小的總負(fù)載路由。此做法可以預(yù)測節(jié)點的流量，但是并不能體現(xiàn)出節(jié)點當(dāng)時擁塞程度。

1.2 節(jié)點剩余能量

Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的能量通常是有限的，如果網(wǎng)絡(luò)中的某些節(jié)點能量快速耗盡，有可能使得源節(jié)點不能以較短的路徑到達(dá)目的節(jié)點，增大了數(shù)據(jù)傳輸時間以及丟包率等。MTPR[5]以路徑節(jié)點傳輸總能量的消耗最小為主，但沒有考慮節(jié)點剩余能量，容易造成網(wǎng)絡(luò)分割。MMBCR[6]克服MTPR的缺點，卻忽略了跳數(shù)、延遲等因素，不能保證鏈路總體能量的消耗是最小的。MRL[7]路由算法提出在節(jié)點剩余能量基礎(chǔ)上，考慮節(jié)點能量消耗速率，選擇生存時間較長的路由，但是也未能考慮到節(jié)點負(fù)載和延遲等因素。

1.3 代價函數(shù)分析

基于以上分析，本文在路由建立過程中，關(guān)于負(fù)載和能量的工作主要包括如下：

（1） 節(jié)點的負(fù)載主要依據(jù)經(jīng)過該節(jié)點、其鄰居節(jié)點的活動總路由數(shù)和活動的鄰居節(jié)點數(shù)來決定。

（2） 設(shè)定負(fù)載閾值L0和能量閾值E0。節(jié)點收到RREQ時讀取MAC層接口緩存隊列長度L和節(jié)點剩余能量E。若L超過L0，將其視為重負(fù)載節(jié)點，丟棄收到的請求報文，不考慮其為中間節(jié)點； 若E小于E0，則丟棄收到的請求報文。

（3） 在RREQ消息和路由表中加入路徑負(fù)載總和和負(fù)載最大值這兩項；每次轉(zhuǎn)發(fā)控制消息時，將該節(jié)點的負(fù)載值與接收的控制消息的負(fù)載值相加，更新負(fù)載最大值，進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)控制消息。

在路由選取時，本文采用目的節(jié)點延遲應(yīng)答方案，從所有路徑中根據(jù)代價函數(shù)選出最佳路徑。代價函數(shù)的因子包括路徑長短、路徑負(fù)載、路徑剩余能量，如下：

[C=w1i=1N-1di-i+1+w2i=2N-1LOADi+w31i=2N-1Pi] （1）

式中：N為所選路徑的節(jié)點總數(shù)；[di-i+1]為兩節(jié)點之間的距離；[LOADi]為節(jié)點i的負(fù)載；[Pi]為節(jié)點i的剩余能量；wi為各項的權(quán)值。

剩余節(jié)點能量則根據(jù)節(jié)點的剩余電池量得到。節(jié)點負(fù)載大小采用公式（2）計算：

[LOADi=0.5×rt_live_numberrt_all_number+0.5×NEAR_nodesN_nodes] （2）

式中：rt_live_number為節(jié)點當(dāng)前活動路由數(shù)目；rt_all_ number為經(jīng)過該節(jié)點和其鄰居節(jié)點的路由數(shù)總數(shù)；NEAR_nodes為鄰居活動節(jié)點數(shù)；N_nodes為節(jié)點總數(shù)。

rt_live_number與rt_all_number比值可以體現(xiàn)該節(jié)點與其鄰居節(jié)點的業(yè)務(wù)繁忙情況；NEAR_nodes與N_nodes比值直接說明了該節(jié)點是否處于密集區(qū)，同時可間接預(yù)測該節(jié)點隨著時間變化的流量。

在目的節(jié)點進(jìn)行路由選取的時候，本文以代價函數(shù)最小化為原則。[wi]為可調(diào)參數(shù)，決定鏈路中各因子所占比例，根據(jù)實際情況進(jìn)行取值。當(dāng)節(jié)點剩余能量越多，[1Pi]越小，且負(fù)載越小，則C越小，路徑選取可能性越大。根據(jù)代價函數(shù)，路由選取過程中可選取一條路徑較短，節(jié)點剩余能量較多，預(yù)測流量較小的路由，從理論上分析改進(jìn)協(xié)議可以延長網(wǎng)絡(luò)壽命，減少時延，降低丟包率。

2 CF?AODV算法實現(xiàn)

2.1 擴(kuò)展CF?AODV協(xié)議消息

（1） RREQ消息的擴(kuò)展如表1所示。

路由請求識別碼是一個序列號，與源節(jié)點IP地址惟一確定一條路由；目的節(jié)點序列號為源節(jié)點接收到的，到達(dá)目的節(jié)點的最新序列號；源節(jié)點序列號則是源節(jié)點正在使用的路由條目中的當(dāng)前序列號。跳數(shù)為從源節(jié)點開始達(dá)到本節(jié)點之間的轉(zhuǎn)發(fā)跳數(shù)。在此基礎(chǔ)上，本文在RREQ中新添加節(jié)點負(fù)載最大值LOADmax、路徑負(fù)載總和LOAD?sum、節(jié)點剩余能量最小值[Emin]和路徑剩余能量總和Energy?sum字段，其余不變。

（2） 路由表的擴(kuò)展如表2所示。

每個節(jié)點維護(hù)一張AODV路由表，該表包括很多個路由條目，每條路由條目都包含：目的節(jié)點IP地址、目的節(jié)點序列號、目的節(jié)點序列號有效標(biāo)志、其他狀態(tài)標(biāo)志、網(wǎng)絡(luò)接口、到達(dá)目的節(jié)點跳數(shù)、下一跳節(jié)點IP、預(yù)發(fā)送節(jié)點列表、壽命（本條路由生存時間）等。網(wǎng)絡(luò)接口為接收分組的無線接口；預(yù)發(fā)送節(jié)點列表里面存儲這個節(jié)點作為中間節(jié)點時的所有上個節(jié)點的IP地址。本文在路由表中新添加LOADmax_rt和Emin_rt，用以存儲到本節(jié)點所經(jīng)過的所有節(jié)點的最大負(fù)載和最小剩余能量。

2.2 路由發(fā)現(xiàn)過程

如果源目節(jié)點間沒有活動路由時，啟動路由發(fā)現(xiàn)過程，廣播RREQ消息。在協(xié)議實行過程中，每個節(jié)點實時監(jiān)控自身的MAC層接口隊列長度和節(jié)點剩余能量。

在圖1所示的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲?，存?0個中間節(jié)點，每個節(jié)點的剩余能量、負(fù)載、活動路由數(shù)如表3所示，設(shè)定能量閾值E0=0.05，L0=50。每個節(jié)點的鄰居節(jié)點由其通信半徑R確定，在R內(nèi)的為鄰居節(jié)點。路由發(fā)現(xiàn)過程如下：

（1） 源節(jié)點S到目的節(jié)點d之間沒有活動路由，S發(fā)動路由請求過程，向外廣播發(fā)送RREQ。節(jié)點2收到RREQ，計算LOAD、LOAD?sum和Energy?sum，更新RREQ，向外廣播。

（2） 源節(jié)點S丟棄收到的節(jié)點2轉(zhuǎn)發(fā)的自己廣播的RREQ消息；節(jié)點3能量小于閾值E0，丟棄節(jié)點2發(fā)送的包；節(jié)點1、4更新RREQ，繼續(xù)廣播，但節(jié)點1的全部鄰居節(jié)點都已經(jīng)接收到相同序列號的RREQ消息，所以節(jié)點1沒有下一跳節(jié)點。此時節(jié)點4轉(zhuǎn)播的RREQ：LOADmax=0.35，Emin=0.45，LOAD?sum=0.68，Energy?sum=1.20。

（3） 節(jié)點6的接口緩存隊列長度大于L0，丟棄接收到的包；節(jié)點5繼續(xù)廣播更新后的RREQ。此時節(jié)點5轉(zhuǎn)發(fā)的RREQ：LOADmax=0.49，Emin=0.45，LOAD?sum=1.15，Energy?sum=1.90。

（4） 節(jié)點7、8接收節(jié)點5發(fā)送的消息，更新RREQ，繼續(xù)廣播RREQ。

節(jié)點7轉(zhuǎn)發(fā)的RREQ：LOADmax=0.49，Emin=0.45，LOAD?sum=1.44，Energy?sum=2.35；

節(jié)點8轉(zhuǎn)發(fā)的RREQ：LOADmax=0.49，Emin=0.45，LOAD?sum=1.47，Energy?sum=2.55。

（5） 節(jié)點9、10繼續(xù)廣播RREQ，目的節(jié)點收到來自源節(jié)點發(fā)送的RREQ，緩存兩條路由。

節(jié)點9轉(zhuǎn)發(fā)的RREQ：LOADmax=0.49，Emin=0.45，LOAD?sum=1.82，Energy?sum=2.85；

節(jié)點10轉(zhuǎn)發(fā)的RREQ：LOADmax=0.49，Emin=0.45，LOAD?sum=1.85，Energy?sum=3.25。

根據(jù)以上分析，節(jié)點收到RREQ時的處理流程如下：

Begin

讀取E（i）、MAC層接口緩存隊列長度L（i）、路由表中路由數(shù)、路由表中鄰居節(jié)點數(shù)和其對應(yīng)的路由數(shù)量

if（E（i）L0）

丟棄該RREQ，返回；

else

{尋找到源節(jié)點的反向路由；

if（未找到反向路由）

建立反向路由；

if（RREQ_ID>路由表中存儲或LOADmax_rt < LOADmax或 Emin_rt

更新路由表相關(guān)項；

if（本機(jī)是目的節(jié)點）

緩存該RREQ；

else{

if（存在到目的節(jié)點的路由）

發(fā)送RREP；

else{

計算LOAD（i）；

If（LOAD（i）>LOADmax） LOADmax = LOAD（i）；

If（E（i）< Emin） Emin = E（i）；

LOAD_sum=LOAD_sum+LOAD（i）；

Energy_sum=Energy_sum+ E（i）；

轉(zhuǎn)發(fā)該RREQ；

}

}

}

2.3 路由選擇過程

目的節(jié)點采用延遲應(yīng)答方案，接收第一個相同序列號的RREQ消息時啟動一個計時器，負(fù)責(zé)記錄當(dāng)前時間。時間達(dá)到后，向源節(jié)點發(fā)送RREP消息。在這段時間內(nèi)，到達(dá)的RREQ消息存儲在目的節(jié)點緩存項中，每個消息對應(yīng)一條路由。在圖1所示拓?fù)渲?，目的?jié)點緩存項中存在兩條路由，即：

路徑1：S→2→4→5→7→9→d；

路徑2：S→2→4→5→8→10→d；

在代價函數(shù)公式中，令[w1]=[w2=13，][di-i+1]為跳數(shù)，兩條路徑都為6跳。將剩余能量總和歸一化處理，令[w3=63，]則路徑1中，C=3.31；路徑2中，C=3.23。根據(jù)代價函數(shù)取小值，選擇路徑2作為最優(yōu)路徑。

根據(jù)以上分析，設(shè)[Si]表示從源節(jié)點到目的節(jié)點的所有可能路由，i=1，2，3，[…]；路由選擇算法程序如下：

Begin

For（緩存中的每一個RREQ消息）

{A=Hop Count的最小值；}

For（緩存中的每一個RREQ消息）

{if（Hop Count>=A且Hop Count<=A+3）

該RREQ消息放入集合G1；}

For（G1中的RREQ消息）

{根據(jù)代價函數(shù)計算Ci，則Min（Ci）；

將Ci最小的RREQ放入集合G2；}

If（G2只有一個）

發(fā)送RREP消息；

Else

{比較Emin，選取Emin最大的RREQ消息；

If（只有一個）發(fā)送RREP；

Else

{比較Loadmax，選取最小值；

發(fā)送RREP消息；}

}

3 實驗仿真與結(jié)果分析

本文在Matlab平臺上對CF?AODV協(xié)議進(jìn)行仿真。整個網(wǎng)絡(luò)的工作機(jī)制如下：通過設(shè)置50個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，在1 000[×]2 000的場景中，進(jìn)行節(jié)點隨機(jī)坐標(biāo)的分布，設(shè)置整個網(wǎng)絡(luò)的仿真時間（輪數(shù)）為200輪；不同節(jié)點之間信息傳遞的信道模型根據(jù)節(jié)點距離選擇Free space[8]和Two?ray ground reflection[9]；路由協(xié)議設(shè)置AODV和AODV改進(jìn)兩種類型。參數(shù)設(shè)置完成后整個網(wǎng)絡(luò)按輪數(shù)開始運(yùn)作，每一輪將剩余的節(jié)點數(shù)隨機(jī)排列組合配對，按照不同的協(xié)議生成相應(yīng)的路徑，并開始發(fā)送數(shù)據(jù)。每個節(jié)點的能量消耗根據(jù)能量損耗模型計算，負(fù)載按照公式（2）計算，節(jié)點當(dāng)前活動路由數(shù)為該輪中該節(jié)點所在路徑的總數(shù)。期間，路徑搜索時節(jié)點的能量和負(fù)載實時變化。每一輪結(jié)束后，該輪的所有路徑清空，下一輪重新統(tǒng)計。在仿真時間結(jié)束后，得到某個時刻路徑顯示、網(wǎng)絡(luò)能耗、死亡節(jié)點數(shù)、標(biāo)準(zhǔn)化路由載荷、無效路由數(shù)等指標(biāo)。

本文節(jié)點能量損耗模型[10]采用傳感器能量消耗模型，且僅考慮消耗能量較大的無線通信模塊，該模塊如圖2所示。

節(jié)點傳輸m b信息，傳送距離為d時的能耗如下所示：

發(fā)送端能量消耗模型：

[ET（m，d）=mEelec+mεfsd2，ddc] （3）

接收端能量消耗模型：

[ER（m）=mEelec] （4）

式中：[Eelec]為單位比特數(shù)據(jù)電路耗能；[εfs]和[εtgr]為放大器傳輸單位比特數(shù)據(jù)耗能大小。其中[dc]為無線信道傳輸模型自由空間模型（Free Space）、雙徑地面反射模型（Two?ray Ground Reflection）的分界點。距離小于[dc]時使用自由空間模型，反之使用雙徑傳播模型。[dc]計算式為：

[dc=sqrtεfsεtgr] （5）

整個網(wǎng)絡(luò)的仿真參數(shù)設(shè)置如表4所示。

圖3比較了兩個路由協(xié)議的死亡節(jié)點數(shù)。死亡節(jié)點數(shù)為每輪結(jié)束后，從網(wǎng)絡(luò)開始運(yùn)行到該輪的全部能量為0的節(jié)點數(shù)量。剛開始時由于節(jié)點初始能量和負(fù)載一樣，兩種協(xié)議選擇的路徑基本一樣，所以節(jié)點死亡速率也基本一樣；隨著仿真時間的推移，到某個時間點時，死亡節(jié)點數(shù)突增，節(jié)點死亡速率兩者都增大，但是從圖中可看出CF?AODV增長速率明顯小于AODV，突增時間點也比AODV延后。這是因為CF?AODV在路徑選擇時首先進(jìn)行了閾值判斷，使得網(wǎng)絡(luò)內(nèi)RREQ消息廣播數(shù)量比AODV少，節(jié)點消耗能量也減少；其次考慮了路徑剩余能量和總負(fù)載，選擇了路徑剩余能量較高，負(fù)載較小的路徑，避免了部分節(jié)點因為成為較多路徑中間節(jié)點而能量損耗迅速，造成網(wǎng)絡(luò)分割的情況發(fā)生，使整個網(wǎng)絡(luò)的能量消耗比較均勻，延長了網(wǎng)絡(luò)的生存時間。

圖4比較了兩種算法在不同時刻的標(biāo)準(zhǔn)化路由[1]。標(biāo)準(zhǔn)化路由載荷即每交付給目的節(jié)點一個數(shù)據(jù)分組所需要發(fā)送的路由分組的數(shù)量，作為評價路由的效率。路由載荷低，網(wǎng)絡(luò)擁塞減輕。路由分組每當(dāng)被傳輸一跳，則計算一次路由分組發(fā)送。從圖4中可看出，在網(wǎng)絡(luò)中剩余節(jié)點數(shù)差別不大的情況下，CF?AODV協(xié)議的標(biāo)準(zhǔn)化路由載荷相對于AODV來說較少，這是因為在路徑選取過程中通過閾值的判斷，減少了廣播RREQ消息的數(shù)量，減輕了網(wǎng)絡(luò)的負(fù)擔(dān)。

4 結(jié) 論

本文提出了一種基于代價函數(shù)的AODV路由協(xié)議。在轉(zhuǎn)發(fā)RREQ時通過設(shè)置能量閾值和緩存隊列閾值，來選擇剩余能量較高和當(dāng)前擁塞程度較低的節(jié)點來保障鏈路的有效性，避免節(jié)點過早死亡而造成斷路；同時減少控制信息的廣播，避免廣播風(fēng)暴，減輕網(wǎng)絡(luò)擁塞。目的節(jié)點采用延時應(yīng)答方案，根據(jù)代價函數(shù)的值來選取一條能量、負(fù)載均衡的最佳路由，使整個網(wǎng)絡(luò)消耗能量更為平均，同時避免部分節(jié)點任務(wù)過重，提高整個網(wǎng)絡(luò)的性能。仿真結(jié)果表明，CF?AODV能延長網(wǎng)絡(luò)壽命，改善網(wǎng)絡(luò)擁塞。

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