基于回報(bào)加權(quán)的Ad Hoc預(yù)測(cè)路由協(xié)議的研究

李 晶 肖忠良 吳桂華

1(婁底市第一人民醫(yī)院 湖南 婁底 417000)2(婁底職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子信息工程學(xué)院 湖南 婁底 417000)3(湖南電子科技職業(yè)學(xué)院 湖南 長(zhǎng)沙 410205)

0 引 言

隨著無線通信技術(shù)的發(fā)展，可移動(dòng)終端設(shè)備的應(yīng)用場(chǎng)景越來越廣泛，人們對(duì)無線網(wǎng)絡(luò)提出了更高的要求[1]。移動(dòng)Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)是由一組帶無線收發(fā)功能的移動(dòng)終端設(shè)備組成的自組織無線網(wǎng)絡(luò)[2]。與傳統(tǒng)的有基站的網(wǎng)絡(luò)不同，Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)沒有固定的基礎(chǔ)設(shè)施，無須設(shè)置任何中心控制節(jié)點(diǎn)，且由于每個(gè)節(jié)點(diǎn)都是移動(dòng)的，因此Ad Hoc支持無基站的快速組網(wǎng)和網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)，特別適用于動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中的無線數(shù)據(jù)傳輸[3]。

Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)是一種不依賴任何固定網(wǎng)絡(luò)設(shè)施就能快速布設(shè)的自組織網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，具有獨(dú)立組網(wǎng)能力自組織特點(diǎn)[4]。每個(gè)節(jié)點(diǎn)都是動(dòng)態(tài)地保持與其他節(jié)點(diǎn)的聯(lián)系。無線Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的任意某個(gè)節(jié)點(diǎn)A與另一個(gè)節(jié)點(diǎn)B在進(jìn)行數(shù)據(jù)的分組傳輸，當(dāng)目的節(jié)點(diǎn)B不在節(jié)點(diǎn)A的無線頻率覆蓋范圍時(shí)，它們可以通過一個(gè)或多個(gè)中間節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)報(bào)文進(jìn)行通信[5]。每個(gè)節(jié)點(diǎn)都可以提供到其他節(jié)點(diǎn)的路由發(fā)現(xiàn)以及路由維持功能[6]。

由于Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)處于移動(dòng)中，隨著節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在不斷變化，斷鏈容易頻繁發(fā)生，節(jié)點(diǎn)之間的連通性也會(huì)快速變化[7]。確保動(dòng)態(tài)環(huán)境下兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間高質(zhì)量高效率的通信是移動(dòng)Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中的一個(gè)挑戰(zhàn)，其中路由協(xié)議的設(shè)計(jì)目前仍然是Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)[8]。

1 相關(guān)研究

針對(duì)移動(dòng)Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議已經(jīng)有了很多研究。在眾多的路由協(xié)議中，無線自組網(wǎng)按需平面距離向量路由協(xié)議 (Ad hoc On-Demand Distance Vector Routing, AODV)是一種典型的反應(yīng)式路由協(xié)議，是移動(dòng)Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中按需生成路由的典型協(xié)議，節(jié)點(diǎn)不需要維護(hù)及時(shí)準(zhǔn)確的路由信息，當(dāng)需要發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)才發(fā)起路由查找過程，更能適應(yīng)Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)[9]。但由于它僅以最小跳數(shù)作為路由選擇的依據(jù)，容易導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)資源分配不均，鏈路經(jīng)常中斷，節(jié)點(diǎn)通信過程中數(shù)據(jù)丟包嚴(yán)重[10]。

近幾年，國(guó)內(nèi)外許多研究者針對(duì)標(biāo)準(zhǔn)AODV協(xié)議在移動(dòng)Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用[11]做了大量的研究與改進(jìn)。文獻(xiàn)[12]在MANET的應(yīng)用場(chǎng)景中提出了一種M-AODV協(xié)議，在路由不能維持當(dāng)前通信時(shí)，該協(xié)議從源節(jié)點(diǎn)開始路由重建的操作，在特定條件下，能獲得比原始AODV路由協(xié)議更好的性能；文獻(xiàn)[13]提出了一種基于AODV的能量感知路由協(xié)議，該協(xié)議將轉(zhuǎn)發(fā)決策與中間節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)能量閾值相結(jié)合，并基于最小能量算法進(jìn)行路由，以增加網(wǎng)絡(luò)的生命周期，但該路由協(xié)議未充分考慮網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)性；文獻(xiàn)[14]提出了基于網(wǎng)格的多路徑路由方案，找出所有可能的路徑，再利用海豚回聲定位算法(Dolphin Echolocation Algorithm，DEA)找到最佳路徑；文獻(xiàn)[15]提出的基于模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定AODV協(xié)議改進(jìn)方案，綜合考慮節(jié)點(diǎn)穩(wěn)定度、鏈路穩(wěn)定性與跳數(shù)，選擇穩(wěn)定且跳數(shù)較小的路徑。以上對(duì)AODV協(xié)議的研究與改進(jìn)，在一定程度上改善了Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的性能。但這些對(duì)路由協(xié)議的研究中，一部分協(xié)議會(huì)較早地建立起備用路由，無法保證啟用備用路由時(shí)的路由質(zhì)量，還有一部分在當(dāng)前通信路由中斷之后再啟動(dòng)路由的重建機(jī)制，在路由中斷到路由重建完成的這段時(shí)間里，源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)之間無法進(jìn)行數(shù)據(jù)包的傳輸，極大地降低了網(wǎng)絡(luò)的吞吐量，增加了數(shù)據(jù)包傳輸?shù)难訒r(shí)。

路由的斷開和路由的重建是影響Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)性能的關(guān)鍵因素[16]，本文提出一種基于回報(bào)加權(quán)的預(yù)測(cè)路由協(xié)議(Calculation-AODV, CAODV)。以標(biāo)準(zhǔn)AODV協(xié)議為基礎(chǔ)，利用hello消息機(jī)制，周期性地計(jì)算自身的穩(wěn)定值，預(yù)測(cè)通信路由的可靠性。在路由發(fā)現(xiàn)的過程中，避免使用不可靠的節(jié)點(diǎn)，在路由維護(hù)過程中，發(fā)現(xiàn)不可靠節(jié)點(diǎn)，及時(shí)啟動(dòng)路由的重建機(jī)制，提高通信的效率。

2 預(yù)測(cè)路由模型

2.1 信號(hào)功率強(qiáng)度

用集合V={v1,v2,…,vN}表示Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)某個(gè)地理區(qū)域中的N個(gè)無線節(jié)點(diǎn)。兩個(gè)處在彼此通信范圍內(nèi)的節(jié)點(diǎn)vi、vj，vi，vj∈V，vj節(jié)點(diǎn)為vi的鄰居節(jié)點(diǎn)，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)移動(dòng)時(shí)，節(jié)點(diǎn)之間的距離會(huì)變化。對(duì)于網(wǎng)絡(luò)中的每一個(gè)節(jié)點(diǎn)，利用無線信號(hào)傳輸模型來計(jì)算信號(hào)功率強(qiáng)度值。假設(shè)節(jié)點(diǎn)之間的距離為d，接收信號(hào)功率值pij可以表述為：

(1)

式中：pi,j為節(jié)點(diǎn)vi接收鄰居節(jié)點(diǎn)vj的信號(hào)功率；pj為鄰居節(jié)點(diǎn)vj的發(fā)射功率；Gj為發(fā)射天線增益；Gi為接收天線增益；λ為波長(zhǎng)，單位為m；d為節(jié)點(diǎn)vi與鄰居節(jié)點(diǎn)vj之間的距離，單位為m；L為與傳播無關(guān)的損耗(傳輸線衰減、濾波損耗、天線損耗)。功率與增益的單位都為W。

2.2 路由可靠性維護(hù)

Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)具有自主性和移動(dòng)性，有路由器的功能，因此，Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)都能發(fā)現(xiàn)和維護(hù)到其他節(jié)點(diǎn)的路由。針對(duì)Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)位置不固定，通信鏈路容易斷開的特點(diǎn)，在傳統(tǒng)的AODV路由協(xié)議的基礎(chǔ)上，綜合物理層、MAC層和網(wǎng)絡(luò)層，提出一種預(yù)測(cè)路由機(jī)制。周期性評(píng)估節(jié)點(diǎn)的穩(wěn)定性，判斷通信鏈路的傳輸性能，為通信節(jié)點(diǎn)是否需要更新路由提供依據(jù)。

建立如圖1所示的基于回報(bào)加權(quán)的路由預(yù)測(cè)模型。節(jié)點(diǎn)之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)可以分為相向運(yùn)動(dòng)和背向運(yùn)動(dòng)，根據(jù)節(jié)點(diǎn)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)定義節(jié)點(diǎn)的相對(duì)穩(wěn)定性。Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)，通過hello消息周期性地進(jìn)行信息的交互，假設(shè)通信中的節(jié)點(diǎn)根據(jù)hello消息感知下一跳節(jié)點(diǎn)的距離變化和信號(hào)強(qiáng)度變化，根據(jù)定義的節(jié)點(diǎn)相對(duì)穩(wěn)定性，通信節(jié)點(diǎn)獲取下一跳節(jié)點(diǎn)的穩(wěn)定值，預(yù)測(cè)當(dāng)前路由的可靠性，判斷路由重建的時(shí)機(jī)。Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中的無線通信節(jié)點(diǎn)根據(jù)預(yù)測(cè)的結(jié)果決定是否更新路由。

圖1 預(yù)測(cè)路由模型

2.3 路由重建時(shí)機(jī)的判定

Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)性會(huì)引起網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)變化。標(biāo)準(zhǔn)的AODV協(xié)議只維持一條源節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)之間的路由，若在通信路由發(fā)生中斷后節(jié)點(diǎn)再啟動(dòng)路由的重建，此時(shí)通信已經(jīng)中斷，新路由的建立需要一定時(shí)間，會(huì)降低系統(tǒng)的吞吐量，也會(huì)降低數(shù)據(jù)傳輸?shù)募皶r(shí)性。但是，若在不必要的時(shí)候引入備用路由，會(huì)增加系統(tǒng)的開銷，增加網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜度，降低系統(tǒng)的效率，且Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不固定，隨著節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)，在通信路由中斷而啟用備用路由時(shí)，備用路由的可用性變得不可知。選擇合適的時(shí)機(jī)建立新的路由顯得尤為重要。綜合考慮上述問題，改進(jìn)了標(biāo)準(zhǔn)AODV協(xié)議，提出了一種根據(jù)節(jié)點(diǎn)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)方式定義節(jié)點(diǎn)穩(wěn)定性的方法，給出判斷啟動(dòng)路由重建的信號(hào)感知判據(jù)，在預(yù)測(cè)到通信路由不穩(wěn)定時(shí)，發(fā)出路由重建的信號(hào)，以避免增大通信時(shí)延和增加系統(tǒng)開銷。圖2為t時(shí)刻節(jié)點(diǎn)vi周圍的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其中：虛線的圓形區(qū)域?yàn)楣?jié)點(diǎn)vi的最大傳輸范圍，傳輸半徑為R，在此范圍之內(nèi)的圓點(diǎn)表示節(jié)點(diǎn)vi的鄰居節(jié)點(diǎn)；實(shí)線的圓形區(qū)域?yàn)楣?jié)點(diǎn)vi的可靠傳輸范圍，在此區(qū)域之內(nèi)的圓點(diǎn)表示節(jié)點(diǎn)vi相對(duì)可靠的鄰居節(jié)點(diǎn)，可靠傳輸半徑為r。

圖2 節(jié)點(diǎn)相對(duì)穩(wěn)定性示意圖

經(jīng)過時(shí)間T，節(jié)點(diǎn)vi的鄰居節(jié)點(diǎn)vj的可能運(yùn)動(dòng)方向有四種。當(dāng)節(jié)點(diǎn)vj運(yùn)動(dòng)到節(jié)點(diǎn)vi的可靠傳輸范圍以外，并且經(jīng)過時(shí)間周期T接收到的信號(hào)功率強(qiáng)度與t時(shí)間接收到的數(shù)據(jù)包功率強(qiáng)度相比已經(jīng)減小時(shí)，可以預(yù)測(cè)網(wǎng)絡(luò)[17]中兩個(gè)節(jié)點(diǎn)正超出彼此的無線信號(hào)范圍，鏈路斷開的可能性增大。

四種運(yùn)動(dòng)形式如圖3所示，在圖3(a)中，節(jié)點(diǎn)vj相對(duì)于節(jié)點(diǎn)vi最不穩(wěn)定，如果節(jié)點(diǎn)vi與節(jié)點(diǎn)vj之間當(dāng)前正在傳輸數(shù)據(jù)，則通信中斷的可能性較大。

圖3 節(jié)點(diǎn)相對(duì)運(yùn)動(dòng)示意圖

(2)

根據(jù)式(1)，式(2)可變換如下：

(3)

式中：d表示節(jié)點(diǎn)vj與節(jié)點(diǎn)vi之間的距離；dt代表t時(shí)刻vj與vi之間的距離；dt+T代表t+T時(shí)刻vj與vi之間的距離；r代表可靠傳輸半徑；任何時(shí)刻節(jié)點(diǎn)之間相對(duì)穩(wěn)定性均有str(i,j)∈[0, 1]。

當(dāng)節(jié)點(diǎn)vj運(yùn)動(dòng)到節(jié)點(diǎn)vi的可靠傳輸半徑r之外，即d≥1且str(i,j)<1時(shí)，則可以認(rèn)為鄰居節(jié)點(diǎn)vj的信號(hào)強(qiáng)度正逐漸減弱，穩(wěn)定性不能滿足需求，在這種情況下，若節(jié)點(diǎn)vi正在通信的路由節(jié)點(diǎn)集合B={v1,v2,…,vK}包含鄰居節(jié)點(diǎn)vj，則認(rèn)為路由B已經(jīng)不可靠，隨時(shí)可能中斷通信。

當(dāng)路由建立成功之后，節(jié)點(diǎn)會(huì)利用有效的路由進(jìn)行通信。同時(shí)，節(jié)點(diǎn)與鄰居節(jié)點(diǎn)之間會(huì)利用hello消息周期性計(jì)算str值。在檢測(cè)到通信節(jié)點(diǎn)不穩(wěn)定時(shí)，重新啟動(dòng)路由發(fā)現(xiàn)過程。

如圖4所示，節(jié)點(diǎn)v21和v22都屬于通信鏈路中的節(jié)點(diǎn)，且v22是v21的鄰居節(jié)點(diǎn)。在鄰居節(jié)點(diǎn)信息交換的過程中，如果v21發(fā)現(xiàn)與鄰居節(jié)點(diǎn)v22的傳輸距離大于可靠傳輸半徑且穩(wěn)定值小于1，此時(shí)，可以認(rèn)為路由vs-v21-v22-vd已不可靠，需要立即啟動(dòng)路由重建機(jī)制，在新路由建立成功后，立即將通信鏈路切換到新路由。

圖4 Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的路由重建

3 基于回報(bào)加權(quán)的預(yù)測(cè)路由機(jī)制

3.1 回報(bào)權(quán)重值函數(shù)

3.1.1潛能值Rs

在Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中，數(shù)據(jù)的傳輸是節(jié)點(diǎn)能量消耗主要原因。潛能函數(shù)R主要考慮傳輸?shù)哪芎?，定義接收(發(fā)送)單位數(shù)據(jù)所需能量為en，解碼(編碼)單位數(shù)據(jù)所需能耗為em，則接收轉(zhuǎn)發(fā)lbit數(shù)據(jù)包消耗的能量為：

E=2l(en+em)

(4)

在Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中，若節(jié)點(diǎn)vs選擇路由C中的節(jié)點(diǎn)作為新的路由，則潛能值可計(jì)算如下：

(5)

式中：Ei為Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中，路由C中的節(jié)點(diǎn)vi的剩余能量；ξC表示路由C包含的節(jié)點(diǎn)集合。

3.1.2節(jié)點(diǎn)可信度

對(duì)于新路徑選擇的可信度評(píng)估值為傳輸距離。如圖5所示，假設(shè)節(jié)點(diǎn)之間的相對(duì)距離與網(wǎng)絡(luò)中的實(shí)際距離成正比且節(jié)點(diǎn)的響應(yīng)時(shí)間相同，可以很明顯看出，路徑s1：vs-v31-v32-vd比路徑s2：vs-v41-v42-v43-vd短，如果vs同時(shí)通過路徑s1、s2向節(jié)點(diǎn)vd發(fā)送信息，由于s1的傳輸距離短，則經(jīng)由s1路徑的信息很可能比s2先達(dá)到目的節(jié)點(diǎn)vd，即s1比s2可信度更高。

圖5 可選路由的可信度模型

用Fs,d,C表示節(jié)點(diǎn)vs與節(jié)點(diǎn)vd之間活躍路徑集合C中的節(jié)點(diǎn)距離之和，則節(jié)點(diǎn)vs的路徑C的可信度Fs,d,C計(jì)算如下(考慮響應(yīng)時(shí)間)：

(6)

考慮到一些關(guān)鍵任務(wù)的重要度，引入權(quán)重因子α來表示每一種資源的重要度。節(jié)點(diǎn)vs與節(jié)點(diǎn)vd的路由C的回報(bào)值JC計(jì)算如下：

(7)

由于Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)的位置和狀態(tài)處于動(dòng)態(tài)變化中，對(duì)于給定的可靠傳輸半徑r，當(dāng)節(jié)點(diǎn)vj超出節(jié)點(diǎn)vi的可靠傳輸距離且穩(wěn)定值str<1時(shí)，則啟動(dòng)節(jié)點(diǎn)vs到vd之間路由的重建機(jī)制，根據(jù)回報(bào)權(quán)重值挑選出最佳路徑，立即更新路由。因此，在預(yù)測(cè)到通信路由中有即將失效或者傳輸性能不能滿足需求的節(jié)點(diǎn)時(shí)，都要對(duì)其他活躍路徑集合的狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)的評(píng)估，在通信中斷之前放棄舊路由，啟用新路由。

3.2 路由協(xié)議的改進(jìn)

在標(biāo)準(zhǔn)AODV路由協(xié)議基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，過程如下：

(1) 節(jié)點(diǎn)的鄰居信息表增加兩個(gè)字段：與鄰居節(jié)點(diǎn)的當(dāng)前通信距離，鄰居節(jié)點(diǎn)穩(wěn)定值。字段里的數(shù)值將根據(jù)hello消息的發(fā)送周期性地更新。路由應(yīng)答(RouteReply, RREP)包增加兩個(gè)字段，即節(jié)點(diǎn)剩余能量值和當(dāng)前節(jié)點(diǎn)與下一跳節(jié)點(diǎn)之間的距離，用于源節(jié)點(diǎn)選擇回報(bào)值最大的路徑發(fā)送數(shù)據(jù)。增加一個(gè)WARNING警告信息，信息中包含節(jié)點(diǎn)的IP地址，當(dāng)節(jié)點(diǎn)不穩(wěn)定時(shí)，會(huì)發(fā)送WARNING信息給源節(jié)點(diǎn)，啟動(dòng)路由重建。

(2)在路由發(fā)現(xiàn)過程中，對(duì)于超出節(jié)點(diǎn)可靠傳輸距離且穩(wěn)定值小于1的節(jié)點(diǎn)，可以認(rèn)為是不穩(wěn)定的節(jié)點(diǎn)。

路由發(fā)現(xiàn)開始時(shí)，源節(jié)點(diǎn)會(huì)發(fā)送RREP包，發(fā)起到目的節(jié)點(diǎn)的路由發(fā)現(xiàn)過程，中間節(jié)點(diǎn)接收到RREP包后，會(huì)通過當(dāng)前通信距離與穩(wěn)定值判斷與上一跳節(jié)點(diǎn)之間的穩(wěn)定性，如果中間節(jié)點(diǎn)認(rèn)為自身相對(duì)于上一跳節(jié)點(diǎn)不穩(wěn)定，則將RREP包直接丟棄，如果中間節(jié)點(diǎn)認(rèn)為自身穩(wěn)定性較好，則進(jìn)行相應(yīng)的轉(zhuǎn)發(fā)。與傳統(tǒng)的AODV不同，節(jié)點(diǎn)會(huì)綜合自身的回報(bào)加權(quán)值和接收到的RREP包中的參數(shù)，計(jì)算出新的值取代RREP包中原有的回報(bào)加權(quán)值，再將數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)出去，完成路由的回報(bào)值計(jì)算。

目的節(jié)點(diǎn)對(duì)于接收到的多條路徑的RREP數(shù)據(jù)包，選取回報(bào)值較高的路由發(fā)出RREP數(shù)據(jù)包進(jìn)行應(yīng)答。

算法的部分偽代碼如下：

set radiusThreshold=220;

while receive a packet

do

if transrange > radiusThreshold

then

if strengthvalue < 1

then

update. stabilitylist ( );

droppacket ( );

end

else

update. stabilitylist ( );

sendpacket ( );

end

(3) 在路由維護(hù)過程中，隨著通信的進(jìn)行，當(dāng)正在通信路由中，有節(jié)點(diǎn)發(fā)現(xiàn)下一跳節(jié)點(diǎn)變得不穩(wěn)定，會(huì)立即給源節(jié)點(diǎn)發(fā)送一個(gè)WARNING信息，源節(jié)點(diǎn)收到WARNING信息后，會(huì)啟動(dòng)路由重建，選擇回報(bào)值最大的路徑作為新路由，當(dāng)新路由建立好之后，立即將通信切換到新路由。

算法的部分偽代碼如下：

set radiusThreshold=220;

while receive a packet

do

if transrange > radiusThreshold

then

if strengthvalue < 1

then

send WARNING to source;

rebuild ( link.reward ( ) ) ；

end

else

as before;

end

在路由發(fā)現(xiàn)和路由維護(hù)的過程中，改進(jìn)的協(xié)議沿用了AODV的hello消息機(jī)制，交換節(jié)點(diǎn)之間的信息用于判斷鄰居節(jié)點(diǎn)的穩(wěn)定性以及WARNING消息發(fā)送的時(shí)機(jī)，相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)的AODV協(xié)議，并不會(huì)增加系統(tǒng)的時(shí)間復(fù)雜度和空間復(fù)雜度。

4 仿真及性能分析

為了能夠全面分析基于回報(bào)加權(quán)的預(yù)測(cè)路由協(xié)議的性能，本文通過對(duì)標(biāo)準(zhǔn)的AODV協(xié)議進(jìn)行改進(jìn)，利用NS-2[18]搭建了一個(gè)平面網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)，對(duì)提出的路由協(xié)議進(jìn)行性能評(píng)估。Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中的每一個(gè)節(jié)點(diǎn)既可以充當(dāng)路由器，又可以充當(dāng)終端節(jié)點(diǎn)。我們?yōu)槊總€(gè)節(jié)點(diǎn)添加了鄰居節(jié)點(diǎn)狀態(tài)表，該表用于節(jié)點(diǎn)記錄鄰居節(jié)點(diǎn)接收hello消息的功率值以及功率差。

在NS-2仿真平臺(tái)下，對(duì)AODV協(xié)議、M-AODV協(xié)議和CAODV協(xié)議進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。Pt、Gt、Gr、ht、ht、L采用仿真平臺(tái)默認(rèn)值，即Pt=0.281 838 15 W，傳輸范圍為250 m，可靠傳輸半徑為220 m，接收功率閾值為3.652e-10 W，Gt和Gr均為1，ht和ht為1.5 m，L=1。仿真區(qū)域?yàn)? 000 m×1 000 m，移動(dòng)模型采用隨機(jī)移動(dòng)模型(Random Way Point, RWP)，節(jié)點(diǎn)采用全向天線(Omni Antenna),數(shù)據(jù)源采用恒定比特率(Constant Bit Rate, CBR)。移動(dòng)仿真參數(shù)如表1所示。

表1 仿真參數(shù)設(shè)置

將AODV、M-AODV、CAODV的性能在由50個(gè)和100個(gè)節(jié)點(diǎn)組成的仿真網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洵h(huán)境中進(jìn)行對(duì)比，對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行比較和評(píng)價(jià)。

在20 s、30 s、40 s、50 s的仿真時(shí)間點(diǎn)，獲取網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸比率。如圖6所示，CAODV協(xié)議的數(shù)據(jù)傳輸比率比AODV協(xié)議增加了7%左右，比M-AODV協(xié)議增加了5%左右。如圖7所示，CAODV協(xié)議的數(shù)據(jù)傳輸比率比AODV協(xié)議增加了9%左右，比M-AODV協(xié)議增加了5%左右。對(duì)比圖6和圖7，當(dāng)仿真節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)由50個(gè)增加到100個(gè)時(shí)，網(wǎng)絡(luò)整體的數(shù)據(jù)傳輸比率都有一定程度下降，但在仿真節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)相同的場(chǎng)景下，CAODV協(xié)議的數(shù)據(jù)傳輸比率優(yōu)于其他兩種協(xié)議，能有效降低斷鏈發(fā)生的概率。

圖6 50個(gè)節(jié)點(diǎn)仿真的數(shù)據(jù)傳輸比率

圖7 100個(gè)節(jié)點(diǎn)仿真的數(shù)據(jù)傳輸比率

如圖8所示，CAODV協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)吞吐量比AODV協(xié)議和M-AODV協(xié)議增加了9%左右。如圖9所示，CAODV協(xié)議在20 s到30 s之間，出現(xiàn)吞吐量下降的情況，但隨著仿真時(shí)間的推進(jìn)，CAODV協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)吞吐量高于其他兩種路由協(xié)議，CAODV協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)吞吐量比AODV協(xié)議和M-AODV協(xié)議增加了10%左右。

圖8 50個(gè)節(jié)點(diǎn)仿真的網(wǎng)絡(luò)吞吐量

圖9 100個(gè)節(jié)點(diǎn)仿真的網(wǎng)絡(luò)吞吐量

在100個(gè)節(jié)點(diǎn)的仿真場(chǎng)景中，每個(gè)節(jié)點(diǎn)的初始能量為10 J。如圖10所示，從第15 s開始，部分節(jié)點(diǎn)會(huì)因?yàn)槟芰康南亩兂蔁o效節(jié)點(diǎn)。由于CAODV協(xié)議考慮了節(jié)點(diǎn)的能耗比和可信度，較好地均衡了網(wǎng)絡(luò)負(fù)載，使用CAODV協(xié)議仿真時(shí)，節(jié)點(diǎn)的消亡速度較緩慢，能更好地延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)的生存時(shí)間。

圖10 網(wǎng)絡(luò)存活節(jié)點(diǎn)數(shù)量

從圖11中可以看出，CAODV協(xié)議的平均端到端延時(shí)整體優(yōu)于其他兩種協(xié)議，這是因?yàn)镃AODV針對(duì)Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)性，采用預(yù)測(cè)路由的方法。當(dāng)感知到通信路由不穩(wěn)定時(shí)，啟動(dòng)路由重建，實(shí)現(xiàn)新舊路由的實(shí)時(shí)切換，有效地降低了通信時(shí)延。

圖11 平均端到端時(shí)延

5 結(jié) 語(yǔ)

設(shè)計(jì)一種預(yù)測(cè)路由模型，提出基于回報(bào)加權(quán)的預(yù)測(cè)路由協(xié)議CAODV。仿真結(jié)果表明，CAODV協(xié)議能降低斷鏈發(fā)生的概率，有效地提升數(shù)據(jù)傳輸比率和網(wǎng)絡(luò)吞吐量，提升網(wǎng)絡(luò)通信質(zhì)量,從而為Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的實(shí)際應(yīng)用提供有效的通信支撐。