ZigBee無線傳感網中AODV jr路由協(xié)議研究

王　寧　李英偉

（1.91336部隊　秦皇島　066000）（2.燕山大學信息科學與工程學院　秦皇島　066004）

1　引言

無線傳感網絡是由大量的傳感器節(jié)點組成的自組織網絡，目前ZigBee協(xié)議是無線傳感網絡中較常用的通信協(xié)議，ZigBee是一種短距離無線通信技術，具有成本低、功耗低、復雜度低、網絡容量大、可靠性高等優(yōu)勢［1～2］。該協(xié)議網絡層采用Cluster-Tree和AODVjr路由算法［3～5］。本文重點研究AODVjr協(xié)議，通過減少路由請求分組（RREQ）的發(fā)送次數和TTL的初始值以及縮短故障路由的生存時間的方式來降低路由開銷，從而降低整個網絡的能量消耗，延長網絡生命期。經過NS2仿真，證實了改進后的AODVjr協(xié)議有效地降低了路由開銷，且保持了其他方面性能的優(yōu)越性。

2　AODV jr路由協(xié)議存在的問題及解決方法

首先，在AODVjr路由協(xié)議的路由發(fā)現過程和路由維護過程中需要大量發(fā)送路由請求分組（RREQ），這會帶來巨大的路由開銷甚至引發(fā)RREQ廣播風暴。在這些過程中如果能在不影響或不顯著影響路由性能的前提下，減少路由請求分組（RREQ）的發(fā)送次數和TTL的初始值則可以有效地降低由此帶來的路由開銷。其次，在AODVjr路由協(xié)議中存在著一個路由生存時間的概念，這是每一條處于活躍狀態(tài)的路由都會具備的一個屬性。這里有兩種情況：第一，在路由發(fā)現過程中路由生存時間等于當前時間與接收請求分組RREQ時更新的路由生存時間之和。第二，當目的節(jié)點接收到請求分組RREQ并作出響應RREP，響應分組RREP回發(fā)過程中，所經過的節(jié)點根據響應分組RREP對自己的路由表加以更新，其路由生存時間值更新為當前時間與接收響應分組RREP時更新的路由生存時間之和。在AODVjr路由協(xié)議中，為了保證在網絡拓撲頻繁變化的前提下，路由依舊能夠表現出良好的穩(wěn)定性，往往會將路由生存時間設置較大，我們可以通過控制相應參數值來減低故障路由的生存時間，從而降低整個網絡在故障路由上的額外開銷，達到降低路由開銷的目的。

3　仿真結果分析

本文中對AODVjr改進的主要目的是降低路由開銷，以延長傳感網絡的生命期，同時兼顧改進后路由協(xié)議的其他方面性能。本文中將改進后的路由協(xié)議命名為AODVjr-new。本文中從歸一化路由開銷、數據分組的送達率和平均吞吐量三方面對兩種路由協(xié)議進行了評估分析。具體仿真結果如下。

1）歸一化路由開銷（Normalized routing load）［6～7］。一般來說，在無線網絡中傳輸包的類型包括數據包和控制包兩種。由于在無線傳輸過程中兩種傳輸包共用同一信道資源，而且數據包的開銷是剛性需求，所以控制包的開銷大小是系統(tǒng)開銷的重要影響因素。以此作為理論依據，給出的歸一化路由開銷定義為每傳輸一個數據包所需要的控制包數量，這可以直觀地反映出路由協(xié)議的開銷情況。歸一化路由開銷越小，意味著路由協(xié)議在路由尋找過程中發(fā)送的控制包數量越少、占用的帶寬越小，繼而所造成的節(jié)點能量消耗越少，即能量使用率越高。通過編寫awk程序對不同節(jié)點運行速率和節(jié)點在目的地的停留時間變化情況下得到的trace文件進行歸一化路由開銷分析，對結果進行整理之后繪制了圖1和圖2。

從圖中可以看出改進優(yōu)化后的AODVjr-new路由協(xié)議在節(jié)點平均停留時間和節(jié)點移動速率變化的情況下，其歸一化路由開銷均明顯小于同樣情況下AODVjr路由協(xié)議的歸一化路由開銷，這主要是因為改進后的路由協(xié)議AODVjr-new一方面減少了路由請求分組（RREQ）的發(fā)送數量及單個節(jié)點的路由請求次數，另一方面由于降低了故障路由的生存時間，從而有效地降低了路由發(fā)現過程中的開銷，從而減少了節(jié)點能量的額外消耗，可有效地提高整個網絡的生存時間。

圖1　平均停留時間改變情況下的路由開銷

圖2　最大速率改變情況下的路由開銷

2）數據分組的送達率（Packet Delivery Fraction）［8～9］，其定義為，目的節(jié)點成功接收的數據分組數量與源節(jié)點發(fā)送的總數據分組數量的百分比，它表示了路由協(xié)議的可靠性。通過編寫相應的awk程序對不同情況下的得到的trace文件進行數據分組的送達率分析，對結果進行整理之后繪制了圖3和圖4。

圖3　平均停留時間改變情況下的分組送達率

從以上兩曲線圖可以看出改進優(yōu)化后得到的的AODVjr-new路由協(xié)議在節(jié)點平均停留時間改變和節(jié)點最大移動速率改變的情況下，其數據送達率與原AODVjr路由協(xié)議的數據分組送達率在各參考位上的表現都比較接近，即改進優(yōu)化后得到的路由協(xié)議雖然沒有實現傳輸數據分組投遞率的顯著提高，但也未對原路由協(xié)議的分組送達率性能帶來明顯的負面影響，所以改進后的協(xié)議具備保持鏈路連通性的能力，可以保證數據的正常有效傳輸。

圖4　最大速率改變情況下的分組送達率

3）平均吞吐量（Average throughput）［10］，路由的平均吞吐量是指網絡節(jié)點在單位時間內能夠接收的數據量，常用單位為Mbit/s或Kbit/s，表現了路由承載數據的能力，是路由性能的重要指標，吞吐量越大一定程度上說明路由的性能越好。通過編寫相應的的awk程序對不同情況下的得到的trace文件進行路由發(fā)起頻率分析，對結果進行整理之后繪制了圖5和圖6，直觀地給出了在不同節(jié)點運行速率和節(jié)點在目的地的停留時間變化時，AODVjr和AODVjr-new兩種路由協(xié)議的平均吞吐量情況比較。

圖5　平均停留時間改變情況下的平均吞吐量

從圖5的對比結果可以看出改進優(yōu)化后的AODVjr-new路由協(xié)議在大部分位置的表現均優(yōu)于原AODVjr路由協(xié)議，而在曲線圖6中AODVjr-new路由協(xié)議的表現基本與AODVjr路由協(xié)議持平，只在個別點出現吞吐量降低的情況，即改進后的AODVjr-new具備良好的數據承載能力。

圖6　最大速率改變情況下的平均吞吐量

4　結語

本文對AODVjr路由協(xié)議存在的問題作了分析并提出了解決方法，在此基礎上對原路由協(xié)議作了改進優(yōu)化，并形成了改進后的AODVjr-new路由協(xié)議，并通過NS2網絡仿真模擬器對AODVjr和AODVjr-new路由協(xié)議做了仿真性能比較，對AODVjr-new路由協(xié)議的預期性能作了驗證，比較的性能指標項包括歸一化路由開銷，數據分組的送達率和平均吞吐量三方面。結果證明AODVjr-new路由協(xié)議相比較原AODVjr路由協(xié)議可以有效地降低開銷，且其他方面的性能也能滿足需要。

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