王　寧　李英偉

（1.91336部隊　秦皇島　066000）（2.燕山大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院　秦皇島　066004）

1　引言

無線傳感網(wǎng)絡(luò)是由大量的傳感器節(jié)點(diǎn)組成的自組織網(wǎng)絡(luò)，目前ZigBee協(xié)議是無線傳感網(wǎng)絡(luò)中較常用的通信協(xié)議，ZigBee是一種短距離無線通信技術(shù)，具有成本低、功耗低、復(fù)雜度低、網(wǎng)絡(luò)容量大、可靠性高等優(yōu)勢［1～2］。該協(xié)議網(wǎng)絡(luò)層采用Cluster-Tree和AODVjr路由算法［3～5］。本文重點(diǎn)研究AODVjr協(xié)議，通過減少路由請求分組（RREQ）的發(fā)送次數(shù)和TTL的初始值以及縮短故障路由的生存時間的方式來降低路由開銷，從而降低整個網(wǎng)絡(luò)的能量消耗，延長網(wǎng)絡(luò)生命期。經(jīng)過NS2仿真，證實了改進(jìn)后的AODVjr協(xié)議有效地降低了路由開銷，且保持了其他方面性能的優(yōu)越性。

2　AODV jr路由協(xié)議存在的問題及解決方法

首先，在AODVjr路由協(xié)議的路由發(fā)現(xiàn)過程和路由維護(hù)過程中需要大量發(fā)送路由請求分組（RREQ），這會帶來巨大的路由開銷甚至引發(fā)RREQ廣播風(fēng)暴。在這些過程中如果能在不影響或不顯著影響路由性能的前提下，減少路由請求分組（RREQ）的發(fā)送次數(shù)和TTL的初始值則可以有效地降低由此帶來的路由開銷。其次，在AODVjr路由協(xié)議中存在著一個路由生存時間的概念，這是每一條處于活躍狀態(tài)的路由都會具備的一個屬性。這里有兩種情況：第一，在路由發(fā)現(xiàn)過程中路由生存時間等于當(dāng)前時間與接收請求分組RREQ時更新的路由生存時間之和。第二，當(dāng)目的節(jié)點(diǎn)接收到請求分組RREQ并作出響應(yīng)RREP，響應(yīng)分組RREP回發(fā)過程中，所經(jīng)過的節(jié)點(diǎn)根據(jù)響應(yīng)分組RREP對自己的路由表加以更新，其路由生存時間值更新為當(dāng)前時間與接收響應(yīng)分組RREP時更新的路由生存時間之和。在AODVjr路由協(xié)議中，為了保證在網(wǎng)絡(luò)拓?fù)漕l繁變化的前提下，路由依舊能夠表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性，往往會將路由生存時間設(shè)置較大，我們可以通過控制相應(yīng)參數(shù)值來減低故障路由的生存時間，從而降低整個網(wǎng)絡(luò)在故障路由上的額外開銷，達(dá)到降低路由開銷的目的。

3　仿真結(jié)果分析

本文中對AODVjr改進(jìn)的主要目的是降低路由開銷，以延長傳感網(wǎng)絡(luò)的生命期，同時兼顧改進(jìn)后路由協(xié)議的其他方面性能。本文中將改進(jìn)后的路由協(xié)議命名為AODVjr-new。本文中從歸一化路由開銷、數(shù)據(jù)分組的送達(dá)率和平均吞吐量三方面對兩種路由協(xié)議進(jìn)行了評估分析。具體仿真結(jié)果如下。

1）歸一化路由開銷（Normalized routing load）［6～7］。一般來說，在無線網(wǎng)絡(luò)中傳輸包的類型包括數(shù)據(jù)包和控制包兩種。由于在無線傳輸過程中兩種傳輸包共用同一信道資源，而且數(shù)據(jù)包的開銷是剛性需求，所以控制包的開銷大小是系統(tǒng)開銷的重要影響因素。以此作為理論依據(jù)，給出的歸一化路由開銷定義為每傳輸一個數(shù)據(jù)包所需要的控制包數(shù)量，這可以直觀地反映出路由協(xié)議的開銷情況。歸一化路由開銷越小，意味著路由協(xié)議在路由尋找過程中發(fā)送的控制包數(shù)量越少、占用的帶寬越小，繼而所造成的節(jié)點(diǎn)能量消耗越少，即能量使用率越高。通過編寫awk程序?qū)Σ煌?jié)點(diǎn)運(yùn)行速率和節(jié)點(diǎn)在目的地的停留時間變化情況下得到的trace文件進(jìn)行歸一化路由開銷分析，對結(jié)果進(jìn)行整理之后繪制了圖1和圖2。

從圖中可以看出改進(jìn)優(yōu)化后的AODVjr-new路由協(xié)議在節(jié)點(diǎn)平均停留時間和節(jié)點(diǎn)移動速率變化的情況下，其歸一化路由開銷均明顯小于同樣情況下AODVjr路由協(xié)議的歸一化路由開銷，這主要是因為改進(jìn)后的路由協(xié)議AODVjr-new一方面減少了路由請求分組（RREQ）的發(fā)送數(shù)量及單個節(jié)點(diǎn)的路由請求次數(shù)，另一方面由于降低了故障路由的生存時間，從而有效地降低了路由發(fā)現(xiàn)過程中的開銷，從而減少了節(jié)點(diǎn)能量的額外消耗，可有效地提高整個網(wǎng)絡(luò)的生存時間。

圖1　平均停留時間改變情況下的路由開銷

圖2　最大速率改變情況下的路由開銷

2）數(shù)據(jù)分組的送達(dá)率（Packet Delivery Fraction）［8～9］，其定義為，目的節(jié)點(diǎn)成功接收的數(shù)據(jù)分組數(shù)量與源節(jié)點(diǎn)發(fā)送的總數(shù)據(jù)分組數(shù)量的百分比，它表示了路由協(xié)議的可靠性。通過編寫相應(yīng)的awk程序?qū)Σ煌闆r下的得到的trace文件進(jìn)行數(shù)據(jù)分組的送達(dá)率分析，對結(jié)果進(jìn)行整理之后繪制了圖3和圖4。

圖3　平均停留時間改變情況下的分組送達(dá)率

從以上兩曲線圖可以看出改進(jìn)優(yōu)化后得到的的AODVjr-new路由協(xié)議在節(jié)點(diǎn)平均停留時間改變和節(jié)點(diǎn)最大移動速率改變的情況下，其數(shù)據(jù)送達(dá)率與原AODVjr路由協(xié)議的數(shù)據(jù)分組送達(dá)率在各參考位上的表現(xiàn)都比較接近，即改進(jìn)優(yōu)化后得到的路由協(xié)議雖然沒有實現(xiàn)傳輸數(shù)據(jù)分組投遞率的顯著提高，但也未對原路由協(xié)議的分組送達(dá)率性能帶來明顯的負(fù)面影響，所以改進(jìn)后的協(xié)議具備保持鏈路連通性的能力，可以保證數(shù)據(jù)的正常有效傳輸。

圖4　最大速率改變情況下的分組送達(dá)率

3）平均吞吐量（Average throughput）［10］，路由的平均吞吐量是指網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)在單位時間內(nèi)能夠接收的數(shù)據(jù)量，常用單位為Mbit/s或Kbit/s，表現(xiàn)了路由承載數(shù)據(jù)的能力，是路由性能的重要指標(biāo)，吞吐量越大一定程度上說明路由的性能越好。通過編寫相應(yīng)的的awk程序?qū)Σ煌闆r下的得到的trace文件進(jìn)行路由發(fā)起頻率分析，對結(jié)果進(jìn)行整理之后繪制了圖5和圖6，直觀地給出了在不同節(jié)點(diǎn)運(yùn)行速率和節(jié)點(diǎn)在目的地的停留時間變化時，AODVjr和AODVjr-new兩種路由協(xié)議的平均吞吐量情況比較。

圖5　平均停留時間改變情況下的平均吞吐量

從圖5的對比結(jié)果可以看出改進(jìn)優(yōu)化后的AODVjr-new路由協(xié)議在大部分位置的表現(xiàn)均優(yōu)于原AODVjr路由協(xié)議，而在曲線圖6中AODVjr-new路由協(xié)議的表現(xiàn)基本與AODVjr路由協(xié)議持平，只在個別點(diǎn)出現(xiàn)吞吐量降低的情況，即改進(jìn)后的AODVjr-new具備良好的數(shù)據(jù)承載能力。

圖6　最大速率改變情況下的平均吞吐量

4　結(jié)語

本文對AODVjr路由協(xié)議存在的問題作了分析并提出了解決方法，在此基礎(chǔ)上對原路由協(xié)議作了改進(jìn)優(yōu)化，并形成了改進(jìn)后的AODVjr-new路由協(xié)議，并通過NS2網(wǎng)絡(luò)仿真模擬器對AODVjr和AODVjr-new路由協(xié)議做了仿真性能比較，對AODVjr-new路由協(xié)議的預(yù)期性能作了驗證，比較的性能指標(biāo)項包括歸一化路由開銷，數(shù)據(jù)分組的送達(dá)率和平均吞吐量三方面。結(jié)果證明AODVjr-new路由協(xié)議相比較原AODVjr路由協(xié)議可以有效地降低開銷，且其他方面的性能也能滿足需要。

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