基于AODV 且考虑延时能量节省的路由协议

摘要：重点研究基于节能要求兼低延时效应的AODV路由协议的改进。节能以延长无线传感器网络的工作时间，降低延时效应来保证数据传输的实时性，这是评价一个无线传感器网络的两个重要指标。在总结国内外研究成果的基础上，提出了更适用于低速运动的Ad Hoc网络的低延时节能的路由改进策略，包括在低于能量阈值时的动态功率调整、能量意识的路由选择、广播控制、被动路由更新和CMMBCR的引入。节能策略更是引入了位置信息和网络平均能量的概念，而且更适用于项目的实际情况(低速运动网络)。在用NS-2工具对该低延时节能策略进行仿真测试后，得出在最佳情况下网络传输延时和网路寿命两项指标都能得到大幅度的改进。
关键词：无线传感器网络；Ad Hoc；AODV；ZigBee CMMBCR；CC2420

0 引言
随着移动计算平台和小型无线设备的普及，Ad Hoc无线网络因其无物理位置限制而且能随时随地自组网络而得到越来越多的关注。智能雷场作为此项研究的应用平台，Ad Hoc更是显示出其特有的优势。实际战争环境中的雷场因其地理环境的多变性和不确定性，所以对无线数据通信网络的自组性提出了很高的要求，又由于无线通信结点自身携带的电池供电能力有限，因此，在保证结点间数据通信及时性和可靠性的基础上，高效地管理能量，延长结点及整个网络的工作时间。
AODV是在Ad Hoc网络中较常用的一种通信传输协议。在硬件或软件设计上，前人已经提出了很多适用于AODV的节能方法，像AODVjr，AOD Vsimpli-fied，自适应AODV，适用于低速运动网络的低功耗AODV协议等，但是这里发现前人的这些改进算法在智能雷场环境中，表现效果并不是很理想，因为低能耗往往是以牺牲网络的数据传输率和提高数据传输延时为代价的，虽然延长了整个智能雷场的网络工作时间，但是数据传输延时过久，在实际工作中是非常危险的。
在本文中，提出了一种新的自动调节的能量控制协议。为了在保持结点响应速度的基础上，延长智能雷场网络的工作时间，根据结点电池的剩余能量，结点会根据具体情况调节自身的传输协议。在能量充足时，会以减小数据传输延时为重点，保证雷场工作的高反应性；在低能量状态时，会转换到能量保护状态，用蚁群节能算法来延长网络的工作时间。

1 低速运动Ad Hoc网络的AODV改进协议
1．1 网络环境
在假定的网络环境中，50 m×50 m的正方形场地内有20～30个结点，结点间的普遍距离是10～20m。由于网络环境空间的可扩展性，用IEEE 802．15．4标准作为物理层和MAC层协议。IEEE 802．15．4的信号发射的能量模型采用了Chipeon CC2420，其默认发射频率为2．4 GHz。在NS-2的Two-ray-ground传播模型中，CC2420最大的传输距离为17 m。网络中的每个结点都知道自己的位置和剩余能量。
AODV是最基本的路由协议架构，即适合低速运动网络的按需分配路由协议。在此基础上，加入了CMMBCR(条件性电池能量大小调节协议)算法来实现网络的智能调节，在网络结点拥有充足能量时，提高网络的处理速度以减小数据传输时延，保证数据传输的高效性；在网络结点的能量不足时，启用能量保护方案，通过修改广播控制和路由选择算法以延长网络的工作寿命。
1．2 网络平均能量的估计和自适应路由
这里AODV算法旨在延长网络的工作时间，即网络中第一个因为电池能量耗尽而停止工作的结点的时间。为了达到这个目的，提出了两种改进措施：首先，应该不选择那些剩余能量远小于网络平均能量的结点，其次，在新的路由代价评价函数中，把跳数、剩余能量还有能量消耗等三个因素都考虑进去，这样有助于选择一条能耗相对最小的路由。
1．2．1 新的路由代价评价函数

式中Pt_consumei是结点i到它的下一跳结点传送信息所需要消耗的能量；Ei是结点i的剩余能量；E是网络的平均剩余能量；α是调节剩余能量的权重系数；ηi是结点热噪声；G是整条路由代价评价。式(1)是计算结点i到它的下一跳结点的连接功率消耗，整条路由的消耗如式(2)所示，源结点会选择G值较小的路由。需要特别注意的是，Pt_consumei不同于Pt。它表示的是收发模块内部实际能量的消耗，而Pt是发射出去的电磁波的能量。在式(2)中，考虑了三个因素：传输所需能量、结点剩余能量、跳数。
1．2．2 RREQ广播控制和被动路由更新
RREQ的广播控制和被动路由更新则是进一步平衡网络结点间的能量消耗，从而延长网络寿命。
当一个结点接收到一个RREQ时，它不是判断这个是不是重复的RREQ，而是计算自己剩余能量和网络平均剩余能量的比值，如果该值小于某一预设值A，结点不再将RREQ广播出去，它也将不参于此次路由发现。这个策略和文献中提出的结点能量小于初始值的10％时便绕过有所不同，举例说，如果一个网络中绝大多数的结点能量都小于初始值的10％，本文的策略仍然可以选择有相对高剩余能量的路由，而文献中的策略将使网络陷入瘫痪。
当一个路由建立后，一个名为established_energy的域会在相应路由表项中建立，用来记录当前结点建立路由时的剩余能量。随着时间过去，结点不断地收发数据包，如果当前剩余能量和established_energy的比值小于一个预设值B，比如B=0．7，该路由项会宣布为不活动状态，并启动RERR来触发该路由的源结点启动路由重新更新，这称为被动路由更新。相比AODV中的主动路由更新，它是使用剩余能量而不是时间来触发路由更新，更有利于路由更新随着能量消耗的多少来调节。如果某条路由上的数据包很少，它可以有效减少不必要的路由更新(也是对于低速运动的网络而言)，如果某条路由上的数据包太多，它可以及时切换到能量更多的路由上去。