林 濤，安玳寧，李 虹，丁竑瑩

（河北工業(yè)大學(xué) 控制科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300130）

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)WSN由眾多具有感知、處理和通信能力的傳感器節(jié)點(diǎn)組成，這些節(jié)點(diǎn)通過(guò)無(wú)線通訊方式形成多跳自組織網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)與現(xiàn)實(shí)世界的遠(yuǎn)程交互，在軍事偵察、環(huán)境監(jiān)測(cè)、生物醫(yī)療等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛[1]。由于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)量眾多、能量有限且通常補(bǔ)給困難，所以在保證通信功能的前提下盡量降低能耗，延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)壽命，具有十分重要的意義。

在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點(diǎn)的能耗大部分出現(xiàn)在無(wú)線通信過(guò)程，所以路由協(xié)議的優(yōu)化成為研究熱點(diǎn)。根據(jù)路由建立時(shí)機(jī)與數(shù)據(jù)發(fā)送的關(guān)系可以把無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議分為主動(dòng)型和按需型。其中主動(dòng)型路由建立和維護(hù)的開(kāi)銷(xiāo)大，而按需型節(jié)點(diǎn)不用維護(hù)尚不需要路由，產(chǎn)生的控制開(kāi)銷(xiāo)少，應(yīng)用更廣泛。AODV協(xié)議是典型的按需型路由協(xié)議，但傳統(tǒng)的AODV仍存在能量消耗大、節(jié)點(diǎn)負(fù)載不均衡等不足，針對(duì)這些不足目前已提出了多種改進(jìn)策略。文獻(xiàn)[2]為了解決節(jié)點(diǎn)過(guò)早死亡造成的能量空洞問(wèn)題，提出一種跨層功率自適應(yīng)的節(jié)能AODV路由協(xié)議；文獻(xiàn)[3]為了優(yōu)化和平衡各節(jié)點(diǎn)的能量消耗引進(jìn)了被動(dòng)更新路由和動(dòng)態(tài)調(diào)整發(fā)射功率2種機(jī)制；文獻(xiàn)[4]提出一種面向WSN的多徑QOS保障路由協(xié)議，綜合考慮跳數(shù)、距離和能量來(lái)進(jìn)行路由選擇。

本文針對(duì)AODV在路由建立過(guò)程中采用洪泛機(jī)制造成通信開(kāi)銷(xiāo)大的問(wèn)題，引入基于路由級(jí)別的優(yōu)化策略，減少參與路由建立的節(jié)點(diǎn)數(shù)；在路由選擇時(shí)，充分考慮節(jié)點(diǎn)剩余能量，提出基于能量最優(yōu)、負(fù)載均衡的路由選擇函數(shù)，避開(kāi)能量較低的節(jié)點(diǎn)，最后進(jìn)行了優(yōu)化策略的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證及分析。

1 AODV協(xié)議

AODV路由協(xié)議[5]是應(yīng)用最廣泛的按需路由協(xié)議之一。當(dāng)源節(jié)點(diǎn)需要給網(wǎng)絡(luò)中目的節(jié)點(diǎn)傳送信息時(shí)，若不存在到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)的路由，則開(kāi)啟一個(gè)路由建立過(guò)程。AODV協(xié)議的路由建立過(guò)程如圖1所示。首先源節(jié)點(diǎn)以廣播的形式發(fā)出路由請(qǐng)求消息（RREQ），鄰近節(jié)點(diǎn)收到RREQ，若自己即為目的節(jié)點(diǎn)或者有到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)的路由，則向發(fā)起節(jié)點(diǎn)發(fā)送路由應(yīng)答消息（RREP），建立前向路由，否則繼續(xù)向它周?chē)墓?jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)該路由請(qǐng)求RREQ。源節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)的路徑有很多條，但AODV使用單路徑、最小跳數(shù)路由進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，所以路由選擇源—B—E—目的。數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中，各節(jié)點(diǎn)通過(guò)定期廣播hello消息[6]來(lái)動(dòng)態(tài)維護(hù)該路由，一旦發(fā)現(xiàn)某個(gè)鏈路斷開(kāi)，節(jié)點(diǎn)就發(fā)送路由錯(cuò)誤消息（RERR）通知那些因鏈路斷開(kāi)而不可達(dá)的節(jié)點(diǎn)刪除相應(yīng)的記錄或者對(duì)已存在的路由進(jìn)行修復(fù)，以保證數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的正確性。

圖1 AODV協(xié)議路由建立Fig.1 Establishment of AODV routing protocol

雖然AODV協(xié)議性能較好、應(yīng)用廣泛，但仍然存在一些不足：①在路由建立過(guò)程中，AODV采用洪泛機(jī)制，如果應(yīng)用到傳感器節(jié)點(diǎn)眾多的WSN中會(huì)造成很大的網(wǎng)絡(luò)開(kāi)銷(xiāo)并且RREQ報(bào)文沖突幾率也很高；②AODV協(xié)議基于單路徑、最小跳數(shù)來(lái)選擇路由，而不是路由能耗最優(yōu)，會(huì)導(dǎo)致能量浪費(fèi)、節(jié)點(diǎn)負(fù)載不均衡；③路由維護(hù)時(shí)定期廣播hello消息，只有發(fā)現(xiàn)鏈路斷開(kāi)時(shí)才會(huì)觸發(fā)路由更新，沒(méi)有考慮節(jié)點(diǎn)剩余能量，部分節(jié)點(diǎn)被過(guò)度使用，過(guò)早死亡。

2 AODV協(xié)議優(yōu)化策略

2.1 基于路由級(jí)別的優(yōu)化策略

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)包括一個(gè)與上位機(jī)相連的基站節(jié)點(diǎn)和若干個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)，基站節(jié)點(diǎn)為各傳感器節(jié)點(diǎn)分配級(jí)別。每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)都保存了其周?chē)?jié)點(diǎn)（上級(jí)、同級(jí)、下級(jí)節(jié)點(diǎn)）的信息（級(jí)別和地址），級(jí)別用r表示（認(rèn)為基站節(jié)點(diǎn)r=0）。每個(gè)級(jí)別中各傳感器節(jié)點(diǎn)占用的地址空間是常數(shù)[7]，用Snode（r）表示。假設(shè)基站節(jié)點(diǎn)的地址為A，則級(jí)別r=1的節(jié)點(diǎn)地址為

由此導(dǎo)出任意節(jié)點(diǎn)的地址An與級(jí)別r之間的函數(shù)關(guān)系式：

由于RREQ消息中包含源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)的地址，故利用式（3）可計(jì)算出目的節(jié)點(diǎn)所處的級(jí)別值raim，再與該中間節(jié)點(diǎn)的級(jí)別值rmid相比較，若raim＜rmid，則該中間節(jié)點(diǎn)不需要參與路由建立過(guò)程，這樣就減少了轉(zhuǎn)發(fā)RREQ信息的通信能耗。

2.2 基于剩余能量的路由選擇函數(shù)

傳統(tǒng)的AODV協(xié)議僅以跳數(shù)最小作為路由選擇的依據(jù)，沒(méi)有考慮路徑的總能量消耗和節(jié)點(diǎn)的剩余能量。本文提出一種基于能量最優(yōu)、負(fù)載均衡的函數(shù)來(lái)選擇路由，一方面，選擇能耗總和較小的路徑來(lái)降低路由能耗；另一方面，避開(kāi)剩余能量過(guò)低的節(jié)點(diǎn)，平衡各節(jié)點(diǎn)的能量消耗。該路由選擇函數(shù)為

式中：C 為整條路由的能耗總和；cnode（i）為節(jié)點(diǎn) i到其下一跳節(jié)點(diǎn)的路由能耗；hops為整條路由的跳數(shù)總和；λ為選取節(jié)點(diǎn)i的權(quán)值，由平均能量與節(jié)點(diǎn)剩余能量的比值決定。在路由選擇時(shí)將選取能耗總和C最小的路徑作為最佳路徑。

2.3 路由維護(hù)

相比傳統(tǒng)的AODV協(xié)議路由維護(hù)時(shí)以定期廣播hello消息來(lái)發(fā)現(xiàn)鏈路斷開(kāi)，進(jìn)而觸發(fā)路由更新，本文提出一種基于能量閾值的路由更新觸發(fā)機(jī)制。隨著數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中節(jié)點(diǎn)能量的消耗，當(dāng)節(jié)點(diǎn)的剩余能量與路由建立時(shí)該節(jié)點(diǎn)的剩余能量的比值小于閾值T（如設(shè)定T=0.5），則觸發(fā)路由更新。從而使路由更新隨節(jié)點(diǎn)剩余能量來(lái)調(diào)節(jié)，進(jìn)一步平衡網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的能量消耗，延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)壽命。

3 協(xié)議實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

傳感器節(jié)點(diǎn)的硬件采用MSP430F5438作為主控芯片，由Silicon Labs公司的Si4432射頻模塊作為通信模塊。實(shí)驗(yàn)的模擬結(jié)構(gòu)如圖1所示，將模擬的基站節(jié)點(diǎn)通過(guò)串口與上位機(jī)相連，監(jiān)測(cè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)。實(shí)驗(yàn)中使節(jié)點(diǎn)E向源節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)，將節(jié)點(diǎn)H通過(guò)串口與計(jì)算機(jī)相連，監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)H的狀態(tài)。由節(jié)點(diǎn)H的串口輸出結(jié)果可知，節(jié)點(diǎn)H收到RREQ消息之后，通過(guò)路由級(jí)別的計(jì)算、比較，沒(méi)有繼續(xù)轉(zhuǎn)發(fā)RREQ消息。但相同結(jié)構(gòu)下在傳統(tǒng)AODV協(xié)議中，節(jié)點(diǎn)H會(huì)繼續(xù)向周?chē)?jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)RREQ消息。因此，優(yōu)化后的協(xié)議避免了不必要的節(jié)點(diǎn)參與到路由建立過(guò)程，降低了能耗，且對(duì)RREQ報(bào)文沖突現(xiàn)象也有一定改善作用。

針對(duì)基于能量的改進(jìn)實(shí)驗(yàn)，利用Matlab中Truetime工具箱構(gòu)建無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)仿真平臺(tái)。TrueTime是以Matlab/Simulink和Visual C++為平臺(tái)的仿真工具包[8]，提供了大量通信模塊，可以模擬多種網(wǎng)絡(luò)參數(shù)。仿真環(huán)境主要網(wǎng)絡(luò)參數(shù)如表1所示。

表1 主要網(wǎng)絡(luò)參數(shù)表Tab.1 Main network parameter table

傳統(tǒng)AODV協(xié)議與改進(jìn)AODV協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)壽命隨暫停時(shí)間的變化如圖2所示，暫停時(shí)間越長(zhǎng)改進(jìn)的AODV協(xié)議在網(wǎng)絡(luò)壽命方面的優(yōu)勢(shì)越明顯。當(dāng)暫停時(shí)間為500 s時(shí)，改進(jìn)的AODV協(xié)議網(wǎng)絡(luò)壽命比傳統(tǒng)的AODV延長(zhǎng)了36%，此時(shí)的改進(jìn)性能最好。因?yàn)闀和r(shí)間較長(zhǎng)時(shí)，若采用傳統(tǒng)的AODV協(xié)議建立的路由在此時(shí)間內(nèi)基本不會(huì)變化，導(dǎo)致?lián)?fù)路由任務(wù)的節(jié)點(diǎn)能量過(guò)度消耗。但改進(jìn)的AODV協(xié)議采用基于剩余能量的路由選擇和維護(hù)機(jī)制，能夠有效地平均各節(jié)點(diǎn)的能量消耗，延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)壽命。而暫停時(shí)間較少時(shí)，節(jié)點(diǎn)移動(dòng)相對(duì)頻繁，路由重建次數(shù)相對(duì)較多，改進(jìn)的AODV協(xié)議優(yōu)勢(shì)減弱。

圖2 網(wǎng)絡(luò)壽命隨暫停時(shí)間的變化Fig.2 Change of network life with different pause time

表2是暫停時(shí)間500 s時(shí)傳統(tǒng)AODV協(xié)議與改進(jìn)AODV協(xié)議的性能對(duì)比。由表中數(shù)據(jù)可以看出各項(xiàng)性能都有一定程度的改善。改進(jìn)的AODV協(xié)議采用基于剩余能量的路由選擇和維護(hù)機(jī)制，避開(kāi)了剩余能量較低的節(jié)點(diǎn)，平衡了各節(jié)點(diǎn)的能量消耗，因此改進(jìn)的AODV協(xié)議路由能量剩余方差比傳統(tǒng)的AODV低。另外，負(fù)載均衡策略保證了建立的每一條路由都有足夠的能量，使得網(wǎng)絡(luò)平均延時(shí)減少，傳遞成功率增大。

表2 暫停時(shí)間為500 s時(shí)性能Tab.2 Performance in network when pause time is 500s

4 結(jié)語(yǔ)

本文在傳統(tǒng)的AODV路由協(xié)議基礎(chǔ)上，考慮了轉(zhuǎn)發(fā)RREQ消息時(shí)節(jié)點(diǎn)的路由級(jí)別以及路由選擇時(shí)節(jié)點(diǎn)的剩余能量。當(dāng)中間節(jié)點(diǎn)收到RREQ消息時(shí)，使不在源節(jié)點(diǎn)及目的節(jié)點(diǎn)之間的節(jié)點(diǎn)不參與路由建立，不向其周?chē)?jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)路由請(qǐng)求消息，以此減少了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的能耗。在選擇路由節(jié)點(diǎn)時(shí)，提出了一種基于能量最優(yōu)、負(fù)載均衡的路由選擇函數(shù)，避開(kāi)剩余能量較低的節(jié)點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明改進(jìn)的AODV路由協(xié)議有效均衡了各節(jié)點(diǎn)的能量消耗，延長(zhǎng)了網(wǎng)絡(luò)壽命，并在一定程度上提高了網(wǎng)絡(luò)性能質(zhì)量。

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