基于能量均衡的AODV協(xié)議的改進與仿真分析

孔繁碩+倪洋

摘 要：隨著無線自組織網(wǎng)絡的不斷發(fā)展，其自有的特性為無線路由協(xié)議的設計提出了很大的挑戰(zhàn)。為了提高AODV協(xié)議在Ad Hoc網(wǎng)絡中的性能表現(xiàn)，文章提出了一種基于能量均衡的改進AODV協(xié)議（AODVKA）。AODVKA在路由發(fā)現(xiàn)階段不以跳數(shù)作為路由決策的唯一因素，綜合考慮跳數(shù)，節(jié)點剩余能量，節(jié)點未來預計的消耗能量以及鄰居節(jié)點剩余能量四個因素，用一個靈活可調(diào)整權(quán)重的綜合指標代替最短路徑來決定最優(yōu)路徑。在NS-2仿真平臺下對AODVKA和標準AODV協(xié)議的性能進行仿真和對比分析。實驗結(jié)果表明，所提出的AODVKA在環(huán)境相同的場景下，能為無線自組織網(wǎng)絡提供更好的服務質(zhì)量，在網(wǎng)絡性能方面和均衡能量方面相比原AODV協(xié)議有一定提高。

關(guān)鍵詞：Ad hoc網(wǎng)絡；AODV 路由協(xié)議；能量均衡；NS-2

中圖分類號：TN929；TP39 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2017）05-00-05

0 引 言

無線自組織網(wǎng)絡[1]是由許多中間節(jié)點構(gòu)成的無線自治網(wǎng)絡，節(jié)點可以自由移動，并且自帶接收和發(fā)送路由控制信息和數(shù)據(jù)的功能，節(jié)點地位平等，依靠節(jié)點間的多級轉(zhuǎn)發(fā)完成路由控制信息和數(shù)據(jù)的發(fā)送與傳遞。Ad Hoc網(wǎng)絡中節(jié)點的能量主要來源于自身的電池[2]，若不考慮節(jié)點中的能量開銷，某些中間節(jié)點很容易因為被整個網(wǎng)絡過度使用而過早衰亡，從而降低整個網(wǎng)絡的生存時間，并且會因為衰亡導致鏈路斷裂引起路由中斷，使分組時延增大，影響服務質(zhì)量。Ad Hoc路由協(xié)議在供電設備局限和電池容量有限的情況下[3]，只能通過節(jié)能的方式實現(xiàn)長期運用和發(fā)展。因此，為避免節(jié)點間能量的浪費，以節(jié)點節(jié)能的思想為基礎(chǔ)進行動態(tài)無線網(wǎng)絡路由的選擇和建立，均衡網(wǎng)絡中整體節(jié)點的能量消耗，最大限度延長網(wǎng)絡的生命周期，提高網(wǎng)絡可靠性和效率成為當前研究的重點。

Ad Hoc 網(wǎng)絡路由協(xié)議[4]的種類基本分為表驅(qū)動路由協(xié)議和按需驅(qū)動路由協(xié)議。表驅(qū)動路由協(xié)議的特點[5]是這類協(xié)議需要將每個節(jié)點到其他所有可達節(jié)點的信息存儲在路由表中，在網(wǎng)絡拓撲發(fā)生變化時及時進行路由信息的更新，其典型協(xié)議為DSDV；按需驅(qū)動路由協(xié)議的特點是只有源節(jié)點有向目的節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)的需求，且路由表中沒有可到達的路徑時，才會開啟路由發(fā)現(xiàn)。當路由發(fā)現(xiàn)完成后，不會周期性的維護網(wǎng)絡，典型協(xié)議為DSR和AODV。與DSR相比，AODV在數(shù)據(jù)包的頭部不再裝載完整的路徑信息，降低了網(wǎng)絡的流量開銷。

本文針對Ad Hoc網(wǎng)絡中移動節(jié)點能量受限的問題，綜合考慮跳數(shù)、能量因素，對AODV協(xié)議進行研究，改進了路由選擇機制，不再單以跳數(shù)作為路由決策的唯一因素，綜合考慮跳數(shù)，節(jié)點剩余能量，節(jié)點未來預計的消耗能量以及節(jié)點鄰居節(jié)點平均剩余能量這四個因素，設計一個靈活可調(diào)整權(quán)重的綜合指標代替最短路徑來確定最優(yōu)路徑。

1 相關(guān)研究

1.1 AODV路由協(xié)議

AODV協(xié)議是一種按需路由協(xié)議，當源節(jié)點需要傳輸數(shù)據(jù)時，會嘗試在自己和目的地之間建立一條路徑。首先廣播路由請求報文（RREQ）[6]，其中附加目的節(jié)點信息，當中間節(jié)點收到并處理RREQ后，則根據(jù)RREQ信息在路由表中記錄到源節(jié)點的反向路由，然后根據(jù)是否收到重復的RREQ來決定是否進行轉(zhuǎn)發(fā)。如果是目的節(jié)點收到RREQ，或者路由表中含有到目的節(jié)點路由的中間節(jié)點，它會使用剛剛建立的到源節(jié)點的反向路由發(fā)送一個路由應答報文（RREP）。同時中間節(jié)點在收到和轉(zhuǎn)發(fā)RREP的過程中，在路由表中建立到目的節(jié)點的反向路由。當源節(jié)點收到RREP時，源節(jié)點使用擁有最新目的節(jié)點序列號和最小跳數(shù)的路由來發(fā)送數(shù)據(jù)。當鏈路發(fā)生斷裂時，中間節(jié)點會決策使用局部修復，或者發(fā)送路由錯誤報文（RERR）到源節(jié)點，源節(jié)點收到RERR報文后，開啟新一輪的路由發(fā)現(xiàn)。具體AODV的路由發(fā)現(xiàn)過程如圖1，圖2所示。

1.2 研究背景

隨著無線自組織網(wǎng)絡的不斷發(fā)展，其自有的特性給無線路由協(xié)議的設計帶來很大的挑戰(zhàn)。有限的節(jié)點能量，受限的網(wǎng)絡帶寬，多跳傳輸方式帶來的時延等瓶頸都不可避免的制約著Ad Hoc網(wǎng)絡應用的發(fā)展[7]。近年來，許多學者致力于改進AODV路由協(xié)議以提高其在Ad Hoc網(wǎng)絡中的性能表現(xiàn)[8]。能量意識，網(wǎng)絡負載等因素被引入AODV協(xié)議中。然而許多改進的協(xié)議在最優(yōu)路徑的決策上仍使用單一的指標作為評價標準[9]，而協(xié)議在網(wǎng)絡中的性能往往由很多因素共同作用決定，單一的評價標準容易漏掉其他關(guān)鍵因素。

從以上分析出發(fā)，本文提出了一種綜合跳數(shù)和能量的路由選擇機制，在標準AODV協(xié)議的基礎(chǔ)上，綜合考慮跳數(shù)，節(jié)點剩余能量，未來預計消耗能量和鄰居節(jié)點平均剩余能量四個因素在路由發(fā)現(xiàn)過程中的作用，設計了一個靈活可調(diào)整權(quán)重的綜合指標來代替最短路徑作為最優(yōu)路徑的決策方法，從而達到整個網(wǎng)絡的能量均衡，提高網(wǎng)絡性能的同時，最大程度延長網(wǎng)絡生存時間。

2 AODVKA的路由發(fā)現(xiàn)機制的設計

2.1 權(quán)重因素的量化

在本文中，路由發(fā)現(xiàn)過程路徑選擇的權(quán)重因素由跳數(shù)，剩余能量，未來預計消耗能量和鄰居節(jié)點平均剩余能量組成。按如下方式對這些因素作量化設計。

AODVKA協(xié)議沿用了原協(xié)議中的跳數(shù)因素，以式（1）的形式展示：

（1）

其中， NHop代表從源端到此節(jié)點的跳數(shù)值（Hops） ，N代表整個網(wǎng)絡拓撲中的總節(jié)點數(shù)。Mh越小，表明跳數(shù)越小，被選作中間節(jié)點的機會越大。

剩余能量的量化形式見式（2）：

（2）

其中，Er代表節(jié)點自身的剩余能量值； Ei代表節(jié)點在網(wǎng)絡初始化時的最初能量值。隨著節(jié)點發(fā)送，接收事件的發(fā)生以及待機所帶來的能量消耗，Er值會逐漸減小。為了使得剩余能量指標值與最優(yōu)路徑的選擇呈現(xiàn)指標值越小，路徑越好的趨勢，將Mer轉(zhuǎn)變?yōu)槟芰恐笜薓e， 如式（3）所示：