杜海韜，李　強，丁廣太，王營冠，朱磊基

（1.上海大學計算機工程與科學學院，上海200444；2.中國科學院上海微系統(tǒng)所與信息技術(shù)研究所，上海201899；3.上海物聯(lián)網(wǎng)有限公司，上海201899）

WSN中基于鏈路質(zhì)量和節(jié)點能量的AODV路由算法研究*

杜海韜1，2，李強2，3*，丁廣太1，王營冠2，朱磊基3

（1.上海大學計算機工程與科學學院，上海200444；2.中國科學院上海微系統(tǒng)所與信息技術(shù)研究所，上海201899；3.上海物聯(lián)網(wǎng)有限公司，上海201899）

為了滿足無線傳感網(wǎng)絡(luò)能量的高效使用以及數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性的要求，需要對無線傳感網(wǎng)絡(luò)路由層協(xié)議進行改進。本文提出一種基于節(jié)點之間鏈路質(zhì)量和節(jié)點能量狀態(tài)的LE-AODV路由協(xié)議，LE-AODV路由協(xié)議采用跨層設(shè)計，路由發(fā)現(xiàn)過程中通過MAC層和物理層獲取鏈路質(zhì)量信息和節(jié)點能量信息來選取最優(yōu)路徑，并通過節(jié)點能量狀態(tài)更新機制避免網(wǎng)絡(luò)中熱點的產(chǎn)生。本文使用Castalia仿真器對LE-AODV路由協(xié)議進行仿真，仿真結(jié)果表明，LE-AODV路由協(xié)議可以有效的提高分組投遞率和網(wǎng)絡(luò)生存時間。

無線傳感網(wǎng)絡(luò)；鏈路質(zhì)量；節(jié)點能量；LE-AODV路由協(xié)議；Castalia仿真器

EEACC:6150Pdoi:10.3969/j.issn.1004-1699.2016.07.016

無線傳感網(wǎng)絡(luò)WSN（Wireless Sensor Network）［1］是隨著無線通信技術(shù)、嵌入式計算技術(shù)、傳感器技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展出現(xiàn)的一種新型的數(shù)據(jù)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，被認為是21世紀最重要的技術(shù)之一，它能夠?qū)嵤┍O(jiān)測、感知和采集網(wǎng)絡(luò)分布區(qū)域內(nèi)各種環(huán)境或監(jiān)測對象的信息，并對其進行合理的處理，獲得詳盡而準確的現(xiàn)場信息。WSN由于其快速展開、自組網(wǎng)、抗毀性強、檢測精度高、覆蓋區(qū)域大等特點，在軍事通信安防監(jiān)控，城市交通管理，家庭保健，環(huán)境監(jiān)測，搶險，遠程控制等許多領(lǐng)域都有重要的科研價值和巨大的使用價值。目前WSN的研究主要集中在網(wǎng)絡(luò)層和鏈路層，網(wǎng)絡(luò)層路由協(xié)議和算法是WSN研究熱點。WSN與傳統(tǒng)無線網(wǎng)絡(luò)有很大不同，傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議設(shè)計目標是降低通訊延遲，提高網(wǎng)絡(luò)帶寬利用率，進行流量控制，而WSN由于具有分布式、節(jié)點能量有限、通訊鏈路容易受環(huán)境影響等特點，因此WSN路由協(xié)議更加關(guān)注網(wǎng)絡(luò)能量的高效使用以及數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性［2］。本文結(jié)合WSN的特點對AODV（Ad Hoc on Demand Distance Vector）［3］路由協(xié)議進行了改進，提出了基于鏈路質(zhì)量和節(jié)點能量的LE-AODV（AODV Routing Dased on Link Quality and Energy）路由協(xié)議，改進了AODV路由協(xié)議的路由發(fā)現(xiàn)過程和選取路徑的機制，提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性，使網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點能量消耗更加均衡，延長了網(wǎng)絡(luò)生存時間［4］。

1　相關(guān)工作

AODV路由協(xié)議是一種反應(yīng)式按需路由協(xié)議［5］。當一個節(jié)點需要一條路由時，它通過廣播路由請求RREQ（Route Request）消息啟動路由發(fā)現(xiàn)過程，每個節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)RREQ消息直到這個節(jié)點存在到目的節(jié)點的路徑或者這個節(jié)點就是目的節(jié)點，這時這個節(jié)點會發(fā)送一個路由回復RREP（Route Replay）消息給源節(jié)點并忽略之后從其他路徑發(fā)送過來的RREQ消息，因此AODV路由協(xié)議路由發(fā)現(xiàn)過程中選取的是最短路徑。這樣的路由發(fā)現(xiàn)過程存在以下不足之處：首先，最短路徑意味著路由跳數(shù)較少，那么節(jié)點之間的距離較長，長距離的鏈路質(zhì)量較差，容易受到噪聲和干擾的影響而造成丟包；其次，AODV路由協(xié)議沒有對點能量消耗進行管理，容易在網(wǎng)絡(luò)中產(chǎn)生熱點現(xiàn)象［6］，如圖1所示，由于選取最短路徑，節(jié)點6～節(jié)點8都通過節(jié)點5向Sink節(jié)點發(fā)送信息，節(jié)點5被過度使用了，造成節(jié)點5能量消耗過快，使整個網(wǎng)絡(luò)的能量消耗分布不均衡，最終在網(wǎng)絡(luò)中產(chǎn)生能量空洞；最后，對于給定的目的節(jié)點，AODV路由協(xié)議只保存一條最短路徑，如果這條路徑失效了，那么必須重新進行路由發(fā)現(xiàn)過程，這樣會需要更多的時間造成發(fā)包的遲延。因此AODV路由協(xié)議路由發(fā)現(xiàn)的過程和選取最短路徑的機制不能滿足WSN對能量的高效使用以及數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性的要求。

圖1　熱點現(xiàn)象

目前WSN中對AODV路由協(xié)議主要有以下一些改進，L-AODV［7］是基于鏈路質(zhì)量的改進的 AODV路由協(xié)議，L-AODV使用 LQI［8］（Link Quality Indicator）來表示鏈路質(zhì)量，通過設(shè)定一個LQI閾值LQIth來判斷鏈路的好壞，LQI值低于這個LQI閾值的鏈路是差的鏈路，LQI值高于這個LQI閾值的鏈路是好的鏈路。在路由發(fā)現(xiàn)的過程中對路徑中差的鏈路的數(shù)量進行統(tǒng)計，并在RREQ消息和RREP消息中添加一個Link字段來記錄這個值，通過比較Link值的大小來選取路徑。L-AODV選取是鏈路質(zhì)量最好的路徑提高了網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性，但是由于L-AODV沒有考慮節(jié)點能量，網(wǎng)絡(luò)中仍然會產(chǎn)生熱點，造成網(wǎng)絡(luò)能量消耗不均衡。E-AODV［9］是基于能量的改進的AODV路由協(xié)議，E-AODV考慮整條路徑的能量消耗和整條路徑中節(jié)點的最低能量狀態(tài)，E-AODV在RREQ中添加了一個字段來記錄路徑中節(jié)點的最低能量狀態(tài)，通過設(shè)定一個Energy閾值Eth來判斷路徑中是否有節(jié)點被過度使用而成為熱點。當一個節(jié)點在t時刻能量狀態(tài)為E（t），如果E（t）與t-1時刻的能量狀態(tài)E（t-1）的差值大于Eth，那么說明該節(jié)點發(fā)生了熱點現(xiàn)象，如果某條路徑中存在熱點，則選擇其他路徑。EAODV提高了網(wǎng)絡(luò)能量消耗的均衡性，延長了網(wǎng)絡(luò)生存時間，但是由于E-AODV沒有考慮節(jié)點之間的鏈路質(zhì)量，因此E-AODV的數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定性不佳。

綜上所述，本文結(jié)合WSN的特點，采用跨層的設(shè)計［10］，如圖2，依據(jù)物理層和MAC層提供的具體的鏈路信息和節(jié)點能量信息，提出了基于鏈路質(zhì)量和節(jié)點能量的LE-AODV路由協(xié)議。仿真實驗將LE-AODV路由協(xié)議與AODV、L-AODV、E-AODV路由協(xié)議進行比較，結(jié)果表明，LE-AODV路由協(xié)議能有效改善網(wǎng)絡(luò)能量消耗均衡性，延長了網(wǎng)絡(luò)生存時間，提高了數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定性。

圖2　跨層設(shè)計

2　AODV路由協(xié)議算法改進

2.1路由發(fā)現(xiàn)和最優(yōu)路徑選取機制

LE-AODV路由協(xié)議在路由發(fā)現(xiàn)過程中，發(fā)送的RREQ消息通過物理層和MAC層獲得節(jié)點之間的鏈路質(zhì)量LQI和節(jié)點的剩余能量，在RREQ消息中添加Link和Energy這兩個字段，Link表示路徑中鏈路質(zhì)量較差的鏈路的數(shù)量Q，Energy表示路徑中最低節(jié)點能量狀態(tài)E，LE-AODV路由協(xié)議RREQ消息幀格式如表1所示。LE-AODV路由協(xié)議路由表中存儲多條到達目的節(jié)點的路徑，當一個節(jié)點需要發(fā)送數(shù)據(jù)包到目的節(jié)點時，該節(jié)點會從路由表中選取一條最優(yōu)路徑。

表1　RREQ消息幀格式

①低質(zhì)量鏈路數(shù)Q［11］：

假設(shè)一條路徑L的跳數(shù)為N+1，則L經(jīng)過N個中間節(jié)點，節(jié)點i與節(jié)點i+1之間鏈路質(zhì)量L為：

整條路徑中低質(zhì)量鏈路數(shù)Q為：

設(shè)定LQI閾值為LQIth，當L＞LQIth時，節(jié)點之間鏈路數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定，不容易丟包，當L＜LQIth時，節(jié)點之間鏈路數(shù)據(jù)傳輸不穩(wěn)定，容易丟包。LQI閾值LQIth可由實際場景下的實驗得到，當節(jié)點之間鏈路的分組投遞率PDR［9］（Packet Delivery Radio）達到80%以上時，說明這條鏈路傳輸數(shù)據(jù)是穩(wěn)定的，取此時鏈路的LQI值作為LQIth閾值。鏈路的LQI值容易受環(huán)境的影響，在實際的室內(nèi)場景中，使用CC2420芯片作為WSN工作節(jié)點，實驗測得LQI值與PDR之間的關(guān)系如圖3所示，取LQIth值為220。

圖3　CC2420分組投遞率PDR與LQI之間的關(guān)系

②路徑中最低節(jié)點能量狀態(tài)E［12］：

中間節(jié)點i的能量狀態(tài)為節(jié)點剩余能量和初始能量的比值：

整條路徑中節(jié)點最低能量狀態(tài)為：

③路徑跳數(shù)差H［13］：

假設(shè)一個節(jié)點到目的節(jié)點還存在一條路徑L1，L1的跳數(shù)為M+1，則L與L1的跳數(shù)差H為：

在LE-AODV路由協(xié)議中最優(yōu)路徑的選取機制中，對于同一個目的節(jié)點，可能存在多條路徑，設(shè)定一個跳數(shù)差閾值Hth，路徑之間的跳數(shù)差不能超過Hth。Hth是對新發(fā)現(xiàn)路徑跳數(shù)的限制，如果沒有對路徑的跳數(shù)進行限制，在LE-AODV路由協(xié)議的路由發(fā)現(xiàn)過程中，節(jié)點會收到大量路由回復RREP消息，RREP消息的爆炸性增長會降低路由發(fā)現(xiàn)的效率，同時路徑的數(shù)量并不是越多越好。Hth越大，路由發(fā)現(xiàn)過程中產(chǎn)生的可選路徑越多，考慮到在實際的應(yīng)用場景中，如果整個網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點數(shù)較少，可以取Hth值為2，如果整個網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點數(shù)量較多達到上百個節(jié)點，Hth的值需要通過仿真實驗來確定。

LE-AODV路由協(xié)議最優(yōu)路徑選取綜合考慮路徑中路徑中鏈路質(zhì)量較差的鏈路的數(shù)量Q和節(jié)點最低能量狀態(tài)E以及路徑之間的跳數(shù)差H，算法流程圖如圖4所示。

由圖4可知，當路由發(fā)現(xiàn)過程中發(fā)現(xiàn)了一條到達目的節(jié)點新的路徑B，將路徑B與當前正在使用的最優(yōu)路徑A進行比較。如果路徑A和路徑B的節(jié)點最低能量狀態(tài)相等，那么需要比較路徑A和路徑B的跳數(shù)HA、HB，如果路徑B的跳數(shù)HB大于路徑A的跳數(shù)HA，那么顯然路徑A仍為最優(yōu)路徑，路徑B的跳數(shù)多會比路徑A消耗更多的能量，如果路徑B的跳數(shù)HB小于路徑A的跳數(shù)HA，這時需要使用跳數(shù)差閾值Hth對跳數(shù)進行限制，如果滿足HA-HB＞Hth且路徑A的低質(zhì)量鏈路數(shù)QA大于等于路徑B的低質(zhì)量鏈路數(shù)QB，那么路徑B為最優(yōu)路徑；當路徑A的節(jié)點最低能量狀態(tài)小于路徑B時，如果滿足HB-HA＜Hth且路徑A的低質(zhì)量鏈路數(shù)QA大于等于路徑B的低質(zhì)量鏈路數(shù)QB，此時選擇路徑B為最優(yōu)路徑；當路徑A的節(jié)點最低能量狀態(tài)大于路徑B時，如果滿足路徑A的低質(zhì)量鏈路數(shù)QA大于等于路徑B的低質(zhì)量鏈路數(shù)QB且HA-HB＞Hth時，此時路徑B為最優(yōu)路徑。最優(yōu)路徑選取算法綜合考慮了可選路徑的跳數(shù)，路徑中節(jié)點的能量狀態(tài)以及整條路徑的鏈路質(zhì)量。

圖4　LE-AODV路由協(xié)議最優(yōu)路徑選取算法流程圖

2.2節(jié)點能量狀態(tài)更新機制

在LE-AODV路由協(xié)議中，節(jié)點周期性的維護自身的能量狀態(tài)和周圍鄰居節(jié)點的能量狀態(tài)，并通過發(fā)送EnergyPacket數(shù)據(jù)包來更新自身能量狀態(tài)和鄰居節(jié)點的能量狀態(tài)，EnergyPacket數(shù)據(jù)包幀格式如表2所示。設(shè)定一個能量狀態(tài)變化閾值Eth，在t時刻節(jié)點的能量狀態(tài)為E（t），如果E（t）與t-1時刻的能量狀態(tài)E（t-1）的差值大于Eth，，說明自身能量消耗過快，發(fā)生了熱點現(xiàn)象，那么該節(jié)點通過發(fā)送EnergyPacket數(shù)據(jù)包來更新鄰居節(jié)點中自身的能量狀態(tài)，并且更新相關(guān)路由表中路徑的最低節(jié)點能量狀態(tài)。Eth的值需要通過仿真實驗確定，如果Eth過大，那么節(jié)點不能感知到熱點的產(chǎn)生，會造成能量消耗的不均衡，如果Eth過小，那么節(jié)點需要發(fā)送更多的EnergyPacket數(shù)據(jù)包來進行節(jié)點能量的更新，會消耗更多的節(jié)點能量。

表2　EnergyPacket數(shù)據(jù)包幀格式

節(jié)點能量狀態(tài)更新機制流程圖如圖5所示。

圖5　節(jié)點能量狀態(tài)更新機制

3　仿真過程與結(jié)果分析

本文采用Castalia仿真器［14］對LE-AODV路由協(xié)議和AODV、E-AODV、L-AODV路由協(xié)議進行仿真對比實驗，分別從節(jié)點能量消耗、分組投遞率PDR、網(wǎng)絡(luò)生存時間、節(jié)點存活數(shù)量這幾個方面進行比較分析，驗證了LE-AODV路由算法可以提高網(wǎng)絡(luò)能量利用率，延長網(wǎng)絡(luò)生存時間，提高數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定性。Castalia仿真器是Linux操作系統(tǒng)下的、基于OMNET++平臺的、針對WSN場景的低能耗嵌入式設(shè)備仿真器，本文使用的Castalia仿真器版本為Castalia-3.2。在仿真過程中設(shè)計了兩種仿真場景：仿真場景一仿真區(qū)域較小，節(jié)點數(shù)較少，模擬室內(nèi)場景，通過對比分析不同Eth值情況下LE-AODV路由協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)生存時間，確定Eth的值；仿真場景二仿真區(qū)域較大，節(jié)點數(shù)較多，模擬室外場景，通過比較分析不同Hth值情況下LE-AODV路由協(xié)議的分組投遞率，來選取合適的Hth值。

仿真場景一仿真參數(shù)如表3所示。

表3　仿真場景一參數(shù)表

Eth取不同的值時，LE-AODV路由協(xié)議網(wǎng)絡(luò)中平均能量狀態(tài)隨時間變化的關(guān)系如圖6所示。

由圖6可以發(fā)現(xiàn)當Eth大于6時，網(wǎng)絡(luò)的生存時間反而降低了，這是因為Eth較大時，LE-AODV路由協(xié)議并不能及時發(fā)現(xiàn)成為熱點的節(jié)點，整個網(wǎng)絡(luò)的能量消耗會不均勻，導致了網(wǎng)絡(luò)生存時間的降低。Eth=2時的網(wǎng)絡(luò)生存時間比Eth=4時的網(wǎng)絡(luò)生存時間多2 min，Eth=2時的網(wǎng)絡(luò)生存時間最高，因此取Eth=2。

圖6　不同Eth下網(wǎng)絡(luò)平均能量狀態(tài)隨時間變化的關(guān)系

取 Eth=2，在上述仿真場景下仿真 AODV、E-AODV、L-AODV和LE-AODV路由協(xié)議，仿真時間為12 min，圖7和圖8分別為節(jié)點的分組投遞率PDR和節(jié)點的能量狀態(tài)。

由圖7、圖8可以發(fā)現(xiàn)LE-AODV、E-AODV、LAODV路由協(xié)議中節(jié)點的分組投遞率PDR和節(jié)點能量狀態(tài)都要高于AODV路由協(xié)議。LE-AODV路由協(xié)議中節(jié)點的分組投遞率PDR與L-AODV路由協(xié)議接近，LE-AODV路由協(xié)議中節(jié)點能量狀態(tài)與E-AODV路由協(xié)議接近，同時在AODV路由協(xié)議中，節(jié)點5的分組投遞率最低，這因為AODV路由協(xié)議選取的是最短路徑，節(jié)點（7、8、9）向節(jié)點5發(fā)送的數(shù)據(jù)包較多，造成了節(jié)點5分組投遞率的降低，結(jié)合圖7可以發(fā)現(xiàn)節(jié)點5的能量狀態(tài)也最低，說明節(jié)點5需要轉(zhuǎn)發(fā)更多的數(shù)據(jù)包，消耗更多的能量。圖7和圖8說明E-AODV路由協(xié)議能提高網(wǎng)絡(luò)能量利用率，但是由于E-AODV路由協(xié)議沒有考慮鏈路質(zhì)量，因此E-AODV路由協(xié)議不能改善網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性，L-AODV路由協(xié)議提高了網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性，但是由于沒有考慮節(jié)點能量，因此L-AODV沒有改善網(wǎng)絡(luò)能量的利用率，而LE-AODV路由協(xié)議由于綜合考慮了鏈路質(zhì)量和節(jié)點能量，因此LE-AODV路由協(xié)議不僅可以提高網(wǎng)絡(luò)能量利用率也能提高網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性。

圖7　節(jié)點的分組投遞率對比圖

圖8　節(jié)點能量狀態(tài)對比圖

仿真場景二仿真參數(shù)如表4。

表4　仿真場景二參數(shù)表

在仿真節(jié)點數(shù)量為100時，取不同Hth值，通過比較分析不同Hth值情況下LE-AODV路由協(xié)議的分組投遞率，來選取合適的Hth值，仿真結(jié)果如圖9所示。當Hth取不同值時，整個網(wǎng)絡(luò)的分組投遞率都超過了80%，當Hth值從2增加到5時，整個網(wǎng)絡(luò)的分組投遞率逐漸增加，而當Hth值繼續(xù)增加時，整個網(wǎng)絡(luò)的分組投遞率開始降低，這說明Hth值增加，備選路徑的數(shù)量也會增加，雖然LE-AODV路由協(xié)議最優(yōu)路徑選取的算法可以選取到最優(yōu)路徑，但是較多備選路徑和產(chǎn)生的大量的路由回復信息RREP會增加整個網(wǎng)絡(luò)的延遲，降低整個網(wǎng)絡(luò)的生存時間。因此綜合考慮分組投遞率和整個網(wǎng)絡(luò)的效率，Hth值可以取5。

圖9　不同Hth取值LE-AODV路由協(xié)議的分組投遞率

取Hth值為5，設(shè)定仿真時間設(shè)為60 min，改變節(jié)點的數(shù)量，圖10為不同節(jié)點數(shù)量情況下的網(wǎng)絡(luò)生存時間。由圖10可知，節(jié)點數(shù)量的增加會增加網(wǎng)絡(luò)生存時間，這是因為更多的節(jié)點提供了更多的路徑選擇，LE-AODV、E-AODV路由協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)生存時間要高于AODV、L-AODV路由協(xié)議。在圖10中，在節(jié)點數(shù)量為120時，LE-AODV路由協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)生存時間為58 min，AODV路由協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)生存時間為42 min，網(wǎng)絡(luò)生存時間增加了16 min，在節(jié)點數(shù)量為60時，LE-AODV路由協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)生存時間為51 min，AODV路由協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)生存時間為41 min，網(wǎng)絡(luò)生存時間增加了10 min。隨著節(jié)點數(shù)量的增加，LE-AODV路由協(xié)議能增加更多的網(wǎng)絡(luò)生存時間。LE-AODV、E-AODV路由協(xié)議由于考慮了節(jié)點能量，避免了網(wǎng)絡(luò)中發(fā)生熱點現(xiàn)象，延長了網(wǎng)絡(luò)生存時間，但是由于E-AODV路由協(xié)議沒有最優(yōu)路徑的選取機制，E-AODV路由協(xié)議需要頻繁的發(fā)起路由發(fā)現(xiàn)的過程，因此會消耗額外的能量，導致E-AODV路由協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)生存時間要低于LE-AODV路由協(xié)議。

圖10　網(wǎng)絡(luò)生存時間對比圖

圖11為不同節(jié)點數(shù)量情況下分組投遞率PDR。由圖11可知，隨著節(jié)點數(shù)的增加，網(wǎng)絡(luò)的分組投遞率會降低，這是因為節(jié)點數(shù)量增加后，路徑的跳數(shù)會增加，跳數(shù)增加后提高了丟包的可能性導致了分組投遞率的下降。在圖11中，LE-AODV、L-AODV路由協(xié)議的分組投遞率要高于AODV、E-AODV路由協(xié)議，說明AODV、E-AODV路由協(xié)議由于沒有考慮鏈路質(zhì)量，選取的路徑丟包的可能性增加，因此分組投遞率低于LE-AODV、L-AODV。LE-AODV路由協(xié)議的分組投遞率要高于L-AODV路由協(xié)議，這是因為L-AODV路由協(xié)議僅考慮了鏈路質(zhì)量，因此L-AODV路由協(xié)議路由發(fā)現(xiàn)過程中可能選取到跳數(shù)比較多的路徑，跳數(shù)比較多的路徑也會降低分組投遞率，而LE-AODV路由協(xié)議由于有最優(yōu)路徑選取的機制，閾值Hth限制了LE-AODV路由協(xié)議路徑的跳數(shù)，隨著節(jié)點數(shù)量的增加，LE-AODV路由協(xié)議仍能保持較高的分組投遞率，保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性。

圖11　分組投遞率對比圖

4　總結(jié)

本文針對WSN對網(wǎng)絡(luò)能量的高效使用以及數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性的要求，考慮節(jié)點之間鏈路質(zhì)量和節(jié)點能量，對AODV路由協(xié)議進行改進，提出了基于鏈路質(zhì)量和節(jié)點能量的LE-AODV路由協(xié)議。在路由發(fā)現(xiàn)過程中選取鏈路質(zhì)量較高的鏈路，通過最優(yōu)路徑選取的機制對路徑的最低節(jié)點能量狀態(tài)和跳數(shù)進行限制，節(jié)點能量狀態(tài)更新機制避免了網(wǎng)絡(luò)中熱點的產(chǎn)生。仿真結(jié)果顯示，LE-AODV路由協(xié)議能夠延長網(wǎng)絡(luò)生存時間，提高分組投遞率，從而保證了WSN網(wǎng)絡(luò)能量的高效使用和數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性。在本文的研究中，在不同節(jié)點數(shù)量情況下，路徑跳數(shù)差Hth閾值的取值對最優(yōu)路徑選取的影響以及在不同的環(huán)境情況下，LQIth閾值的設(shè)定對路由發(fā)現(xiàn)過程的影響還需要進行深入研究。在后續(xù)的工作中，需要針對不同Hth閾值和LQIth閾值對路由選取和路徑發(fā)現(xiàn)的影響進行進一步的研究。

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杜海韜（1988-），男，碩士研究生。研究領(lǐng)域為無線傳感網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議的優(yōu)化與應(yīng)用，banehallow@126.com；

李強（1973-），男，山東煙臺人，博士，研究員。研究方向為移動通信、超寬帶、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、數(shù)據(jù)融合等，liqiang@mail.sim.ac.cn；

丁廣太（1966-），男，博士，副教授，研究領(lǐng)域為數(shù)字圖像處理。

The Research of AODV Routing Protocol Based on Link Quality and Node Energy in WSN*

DU Haitao1，2，LI Qiang2，3*，DING Guangtai1，WANG Yingguan2，ZHU Leiji3
（1.School of Computer Engineering and Science，Shanghai University，Shanghai 20044，China；2.Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology Chinese Academy of Sciences，Shanghai 201899，China；3.Shanghai Internet of Things CO.LTD，Shanghai 201899，China）

In order to meet the demands of energy efficiency use and data transmission stability，the routing protocol of the wireless sensor network needs to be further improved.This paper proposes a LE-AODV routing protocol based on the link quality and energy status of node.The LE-AODV routing protocol adopts the cross-layer design. During the route discovery process，optimal path is selected by acquiring the link quality information and the node energy information from MAC layer and physical layer.Meanwhile，hot spots in the network will be avoided by the node energy status updating mechanism.In this paper，the Castalia simulator is applied to accomplish the simulation of the LE-AODV routing protocol.The research result shows that the LE-AODV routing protocol can effectively improve the packet delivery rate and prolong the network lifetime.

wireless sensor network；link quality；node energy；LE-AODV routing protocol；castalia simulator

TP393

A

1004-1699（2016）07-1042-07

項目來源：上海市浦江人才計劃項目（14PJ1433100）

2016-01-16修改日期：2016-02-24