摘 要：針對物聯(lián)網(wǎng)無線傳感器監(jiān)測系統(tǒng)，研究了適合稀疏分布傳感器節(jié)點(diǎn)下的無線路由OLSR協(xié)議，并對傳統(tǒng)OLSR路由協(xié)議進(jìn)行改進(jìn)。在網(wǎng)絡(luò)高可靠性要求和節(jié)點(diǎn)分布不均的情況下，引入了功率補(bǔ)償機(jī)制和自主切換機(jī)制，并對改進(jìn)后的協(xié)議通過NS2進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該協(xié)議在可靠性和時(shí)延方面均有所提高，達(dá)到了提高稀疏節(jié)點(diǎn)無線路由網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)性能的目的。

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關(guān)鍵詞：OLSR協(xié)議； 稀疏路由； 補(bǔ)償點(diǎn)； 功率補(bǔ)償； 自主切換機(jī)制

中圖分類號：TN915.04-34； TP393

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1004-373X(2012)01-0045-04

Research on power compensation mechanism of OLSR protocol

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LIAO Shu-hong1， ZHANG Yong1， WU Yin2， HUANG Tong-xin1

(1.College of Computer Science and Technology， Nanjing University of Aeronautics and Astronautics， Nanjing 210016， China；

2.College of Automation， Nanjing University of Aeronautics and Astronautics， Nanjing 210016， China)

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Abstract：

The optimized link state routing protocol (OLSR) in a sparse routing condition for the Internet of things(IOT) wireless sensor monitoring system is studied， and the traditional OLSR protocol is improved. In order to get better performance under sparse nodes condition， both power compensated mechanism and self-switching mechanism are added， then， the implementation is simulated by NS2. The results show that the protocol has higher performance and shorter delay after it has been improved， and achieves the purpose of optimal route protocol for the system.

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Keywords： OLSR protocol; sparse routing; compensation point; power compensation; self-switching mechanism



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收稿日期：2011-08-16

0 引 言

無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)多用于比較惡劣的環(huán)境，如戰(zhàn)場或各種地下作業(yè)，因此對節(jié)能和數(shù)據(jù)可靠傳輸?shù)囊筝^高，同時(shí)由于節(jié)點(diǎn)分布不均勻，多為垂直和水平分布，傳統(tǒng)的路由協(xié)議如AODV(Ad Hoc On-Demand Distance Vector Routing)，Gear，Leach等缺乏靈活性，且對節(jié)點(diǎn)定位要求較高[1]。而先應(yīng)式路由協(xié)議OLSR(Optimized Link State Routing)引入了MPR選擇機(jī)制，使得其有效減少路由開銷和保證節(jié)點(diǎn)傳輸?shù)目煽啃浴＊?/p>

OLSR是一種先驗(yàn)式路由協(xié)議，已經(jīng)被IETF MANET工作組正式公布為自組網(wǎng)路由協(xié)議的RFC標(biāo)準(zhǔn)。OLSR通過獲得的拓?fù)湫畔?，利用Dijkstra算法進(jìn)行路由計(jì)算，選擇到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)的最短路徑。

雖然OLSR協(xié)議具有很多優(yōu)點(diǎn)，但研究結(jié)果表明，當(dāng)節(jié)點(diǎn)分布稀疏時(shí)，使用OLSR協(xié)議獲得的數(shù)據(jù)吞吐量大幅度下降，同時(shí)延遲也增大[2]。因此本文將對OLSR協(xié)議進(jìn)行改進(jìn)，使其在稀疏節(jié)點(diǎn)環(huán)境中也能取得較好的性能。

1 OLSR路由協(xié)議的改進(jìn)

本文提出的結(jié)合功率進(jìn)行補(bǔ)償機(jī)制的改進(jìn)OLSR協(xié)議，在節(jié)點(diǎn)密集處采用傳統(tǒng)OLSR協(xié)議，在節(jié)點(diǎn)稀疏處自動切換到改進(jìn)后的OLSR協(xié)議。

1.1 OLSR路由算法的缺陷

(1)不適應(yīng)稀疏節(jié)點(diǎn)

OLSR協(xié)議默認(rèn)節(jié)點(diǎn)信號傳播半徑足夠大，保證源與目的節(jié)點(diǎn)之間存在通信鏈路使得網(wǎng)絡(luò)整體連通。但在節(jié)點(diǎn)稀疏或移動分布式無線網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)漕l繁改變，無法確保網(wǎng)絡(luò)的連通性及節(jié)點(diǎn)間始終存在通信路徑。

(2)鏈路結(jié)構(gòu)不均衡

OLSR協(xié)議只有被選為MPR的節(jié)點(diǎn)才產(chǎn)生并轉(zhuǎn)發(fā)TC(Topology Control)消息，默認(rèn)情況下的TC只包含了MPR(MultiPoint Relays)選擇者的地址信息[3]。在每個(gè)時(shí)刻，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的拓?fù)浼飪H僅存在MPR鏈路信息，而對其他的對稱鏈路或者單向鏈路不會反映到網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浼?。OLSR協(xié)議實(shí)驗(yàn)可以得到10個(gè)節(jié)點(diǎn)情況下網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D如圖1所示，完整的拓?fù)鋱D如圖2所示。

由圖1可以看出，節(jié)點(diǎn)3，7，8，9均未被任何節(jié)點(diǎn)選為MPR，它們沒有TC消息可以發(fā)送，同時(shí)節(jié)點(diǎn)8只有一條鏈路可以被廣播。

圖1 OLSR網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

圖2 完整的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

節(jié)點(diǎn)8到目的節(jié)點(diǎn)只有一條可用鏈路，因此需要為這些MPR節(jié)點(diǎn)集中節(jié)點(diǎn)數(shù)為1的節(jié)點(diǎn)選擇一個(gè)備用的轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)，當(dāng)MPR節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障時(shí)，能夠及時(shí)代替MPR節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)。

1.2 稀疏OLSR路由補(bǔ)償節(jié)點(diǎn)選擇算法

改進(jìn)協(xié)議針對只有一條鏈路被感知的節(jié)點(diǎn)，在Hello消息中增加一個(gè)標(biāo)志位，標(biāo)志該節(jié)點(diǎn)MPR集中節(jié)點(diǎn)數(shù)量。

協(xié)議開始后，按照傳統(tǒng)OLSR協(xié)議進(jìn)行MPR選舉，MPR集合中的節(jié)點(diǎn)選出后，各個(gè)MPR節(jié)點(diǎn)檢查收到的節(jié)點(diǎn)Hello消息中的標(biāo)志位，當(dāng)標(biāo)志位為1時(shí)，在網(wǎng)絡(luò)性能下降到一定程度時(shí)就可以采用補(bǔ)償算法選取相應(yīng)的補(bǔ)償節(jié)點(diǎn)，增大補(bǔ)償節(jié)點(diǎn)發(fā)射功率，使它的通信范圍覆蓋MPR集合中惟一節(jié)點(diǎn)所覆蓋的范圍，這樣就解除了該惟一節(jié)點(diǎn)的不可靠性，以保證整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的連通性。補(bǔ)償節(jié)點(diǎn)選擇流程如圖3所示。

圖3 補(bǔ)償節(jié)點(diǎn)選擇流程圖

由圖3可得到補(bǔ)償算法如下：



BEGIN

DO 在Hello消息中附帶子集節(jié)點(diǎn)上一次發(fā)送消息后的剩余能量信息;

IF 節(jié)點(diǎn)剩余能量>λ THEN

MPR集合中的節(jié)點(diǎn)能量將要耗盡或者鏈路狀態(tài)變壞;

DO MPR集合中節(jié)點(diǎn)惟一的節(jié)點(diǎn)發(fā)送補(bǔ)償請求消息給所有一跳鄰居節(jié)點(diǎn);

IF 該節(jié)點(diǎn)做過補(bǔ)償點(diǎn) THEN

根據(jù)分組內(nèi)部的發(fā)射/接收功率信息;

DO計(jì)算鄰接點(diǎn)與惟一節(jié)點(diǎn)的距離，并寫入補(bǔ)償回應(yīng)消息中，發(fā)送給MPR集合中的節(jié)點(diǎn)，同時(shí)該節(jié)點(diǎn)作為備用補(bǔ)償點(diǎn);

ELSE IF 距離鄰居節(jié)點(diǎn)N最近THEN

MPR集合中的惟一節(jié)點(diǎn)收到應(yīng)答消息;

DO選擇距離最近的鄰居節(jié)點(diǎn)作為補(bǔ)償點(diǎn);

ELSE END

END IF

END IF

ELSE END

END IF

DO選出的補(bǔ)償節(jié)點(diǎn)根據(jù)收到的信息來調(diào)整發(fā)射功率。補(bǔ)償節(jié)點(diǎn)將自身通信半徑增大到補(bǔ)償節(jié)點(diǎn)的MPR節(jié)點(diǎn)的通信半徑和該MPR節(jié)點(diǎn)與它距離之和;

END



為了節(jié)約能量，補(bǔ)償節(jié)點(diǎn)最大發(fā)射功率的工作時(shí)間為一個(gè)查找周期，當(dāng)發(fā)現(xiàn)MPR集合中的集合節(jié)點(diǎn)不需要補(bǔ)償節(jié)點(diǎn)時(shí)就恢復(fù)之前的發(fā)射功率。

2 自主切換機(jī)制

在路由建立階段，當(dāng)通過各個(gè)節(jié)點(diǎn)的Hello消息使整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的MPR節(jié)點(diǎn)集確定后，MPR子集內(nèi)部各個(gè)節(jié)點(diǎn)利用式(1)求出平均閾值Savr：

Savr=Sall/Smpr

(1)

式中:Sall代表整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)數(shù)和;Smpr代表MPR集合節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)。MPR節(jié)點(diǎn)集合內(nèi)的各個(gè)子節(jié)點(diǎn)計(jì)算自己負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)發(fā)的節(jié)點(diǎn)數(shù)Hello_Count。當(dāng)Hello_Count低于平均閾值Savr時(shí)，便利用式(2)開始預(yù)測本輪信號強(qiáng)度：

Snew=#8226;Sold+(1－)#8226;Snew-measure

(2)

式中:Snew-measure表示新測得的信號強(qiáng)度;Sold表示上一次預(yù)測的信號強(qiáng)度;Snew表示預(yù)測的下一段時(shí)間的信號強(qiáng)度;是權(quán)重，取值范圍是［0，1］，越小，預(yù)測信號強(qiáng)度受該時(shí)刻信號強(qiáng)度的影響越大[4]。

當(dāng)預(yù)測的下次信號強(qiáng)度低于預(yù)先規(guī)定的一定強(qiáng)度時(shí)，可以確定此處為稀疏節(jié)點(diǎn)分布區(qū)且信號強(qiáng)度較低，則該MPR集合中節(jié)點(diǎn)分組內(nèi)實(shí)行改進(jìn)后的OLSR協(xié)議，否則繼續(xù)使用OLSR協(xié)議。 

OLSR協(xié)議和改進(jìn)OLSR協(xié)議的自主切換機(jī)制流程如圖4所示。

3 功率控制算法依據(jù)

補(bǔ)償機(jī)制中，需要增大節(jié)點(diǎn)的發(fā)射功率，當(dāng)源節(jié)點(diǎn)向目的節(jié)點(diǎn)發(fā)送分組時(shí)，發(fā)送功率Pt與接收功率Pr的關(guān)系[5]如下：

Pr=Ptλ4πdβGtGr

(3)

式中:λ為載波波長;d為源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)間的距離;Gt為發(fā)射機(jī)天線增益；Gr為接收機(jī)天線增益。設(shè)接收功率的門限為Prt，當(dāng)信號的功率不小于Prt時(shí)才能被正確接收，可推出式(4)和式(5)：

Pt=Tfd4

(4)

Tf=(4π)4PrtGtGrλ4

(5)

由式(4)可知，當(dāng)傳輸距離增大1倍，發(fā)射功率成冪級數(shù)增加，才能被正確接收。

圖4 OLSR切換機(jī)制

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

本文實(shí)驗(yàn)環(huán)境是在Linux操作平臺下移植了TinyOS操作系統(tǒng)，利用CC2430控制芯片進(jìn)行編程，并在ns2.34環(huán)境下進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。

4.1 仿真實(shí)驗(yàn)環(huán)境

仿真的網(wǎng)絡(luò)范圍為500 m×1 000 m，節(jié)點(diǎn)數(shù)量為20和100個(gè)，傳輸范圍為250 m，物理信道的帶寬為2 Mb/s，MAC層使用802.11a協(xié)議。建立12個(gè)CBR業(yè)務(wù)連接，分組長度為512 B，仿真時(shí)間為200 s，發(fā)包率為4個(gè)/s，節(jié)點(diǎn)的速度分別為0 m/s，1 m/s，5 m/s，10 m/s，20 m/s，25 m/s，30 m/s。

4.2 性能指標(biāo)

協(xié)議改進(jìn)主要針對網(wǎng)絡(luò)的可靠傳輸，因此仿真實(shí)驗(yàn)的性能指標(biāo)有節(jié)點(diǎn)投遞率和網(wǎng)絡(luò)傳輸平均延時(shí)[7]。由于改進(jìn)后的協(xié)議運(yùn)用了自主切換機(jī)制，必然會增大部分能量的開銷，因此，需要對剩余能量也進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)[6]。

(1) 投遞率

OLSR協(xié)議適用于節(jié)點(diǎn)密集型的網(wǎng)絡(luò)，從圖5可以看出，兩個(gè)協(xié)議在100個(gè)節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)整體比20個(gè)節(jié)點(diǎn)的稀疏網(wǎng)絡(luò)的投遞率高。在節(jié)點(diǎn)固定或者移動較小的情況下，性能已經(jīng)很好，則改進(jìn)后的協(xié)議性能并未得到良好的體現(xiàn)。當(dāng)節(jié)點(diǎn)移動速度超過10 m/s后，網(wǎng)絡(luò)性能明顯下降，這時(shí)運(yùn)用自主切換機(jī)制，網(wǎng)絡(luò)的投遞率得到顯著改善。速度越大，OLSR協(xié)議性能下降越快，而改進(jìn)的OLSR協(xié)議性能下降得到控制。

(2) 平均時(shí)延

在節(jié)點(diǎn)固定或者移動速度較低的情況下，改進(jìn)的OLSR協(xié)議并未表現(xiàn)出特別的優(yōu)勢，這是由于監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的性能耗費(fèi)一定的時(shí)延，之前采用自主切換提高的時(shí)延并不明顯。

端到端時(shí)延統(tǒng)計(jì)如圖6所示。由圖可看出，當(dāng)節(jié)點(diǎn)移動速度超過15 m/s后，改進(jìn)的OLSR協(xié)議能夠在網(wǎng)絡(luò)剩余能量很低或部分MPR節(jié)點(diǎn)失效的情況下，使數(shù)據(jù)通過補(bǔ)償節(jié)點(diǎn)得到及時(shí)的轉(zhuǎn)發(fā)，因而它的網(wǎng)絡(luò)傳播時(shí)延相比OLSR協(xié)議有明顯降低。

圖5 節(jié)點(diǎn)的投遞率

圖6 節(jié)點(diǎn)的端到端時(shí)延

(3) 剩余能量

對100個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行仿真，速度固定為5 m/s，假定節(jié)點(diǎn)初始能量在［20，60］間隨機(jī)分配。仿真時(shí)間為400 s，x軸表示剩余能量，y軸表示處于該能量的節(jié)點(diǎn)數(shù)，如圖7所示。

圖7 節(jié)點(diǎn)的剩余能量

在400 s處，使用傳統(tǒng)路由協(xié)議在剩余能量60 J處有3個(gè)，而改進(jìn)的協(xié)議在此處為1個(gè)。但是在剩余能量為10 J的節(jié)點(diǎn)中，傳統(tǒng)OLSR有15個(gè)，而改進(jìn)的OLSR只有11個(gè)，兩個(gè)協(xié)議的大多數(shù)節(jié)點(diǎn)都集中在［20，50]的能量區(qū)。由此可見，使用改進(jìn)的OLSR協(xié)議并沒有造成過多的能量耗費(fèi)，同時(shí)有效地平衡了能量的均衡使用，從而延長了部分節(jié)點(diǎn)的壽命。

5 結(jié) 論

本文分析了OLSR協(xié)議不適合節(jié)點(diǎn)分布稀疏的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)情況，通過加入特定節(jié)點(diǎn)補(bǔ)償機(jī)制和自主切換機(jī)制對其進(jìn)行改進(jìn)，并對改進(jìn)后的OLSR協(xié)議進(jìn)行了仿真。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，改進(jìn)后的協(xié)議能夠取得更高的投遞率，提高了網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)目煽啃?。在?jié)點(diǎn)移動速度較大時(shí)，在降低時(shí)延方面效果顯著。同時(shí)也有利地均衡了各個(gè)節(jié)點(diǎn)的能量，從而延長整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的壽命。

選取出的補(bǔ)償節(jié)點(diǎn)進(jìn)行合適的功率放大后，增大了節(jié)點(diǎn)的傳輸覆蓋范圍，必然會對周圍的節(jié)點(diǎn)傳輸信號有所影響，本文假定是在忽略功率增大的幅度對周圍節(jié)點(diǎn)信號強(qiáng)度影響的情況下進(jìn)行的研究，下一步對增加這種補(bǔ)償和切換機(jī)制后的網(wǎng)絡(luò)與節(jié)點(diǎn)信號強(qiáng)度之間的關(guān)系和影響進(jìn)行研究，找到一種均衡的度量關(guān)系，使改進(jìn)的協(xié)議性能可以得到最好的發(fā)揮。

參 考 文 獻(xiàn)

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作者簡介：

廖書紅 女，1988年出生，河南信陽人，碩士研究生。主要研究方向?yàn)闊o線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和嵌入式系統(tǒng)開發(fā)技術(shù)。

章 勇 男，1966年出生，博士，副教授。主要研究方向?yàn)閿?shù)據(jù)挖掘和嵌入式系統(tǒng)開發(fā)技術(shù)。

吳 寅 男，1982年出生，博士研究生。主要研究方向?yàn)樽怨╇姛o線傳感器網(wǎng)絡(luò)。

黃同心 男，1985年出生，碩士研究生。主要研究方向?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)。