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)點下的無線路由OLSR協(xié)議。并對傳統(tǒng)OLSR路由協(xié)議進行改進。在網(wǎng)絡(luò)高可靠性要求和節(jié)點分布不均的情況下，引入了功率補償機制和自主切換機制，并對改進后的協(xié)議通過NS2進行了仿真實驗。實驗結(jié)果表明，該協(xié)議在可靠性和時延方面均有所提高，達(dá)到了提高稀疏節(jié)點無線路由網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)性能的目的。
關(guān)鍵詞：OLSRSR協(xié)議；稀疏路由；補償點；功率補償；自主切換機制

0 引言
    無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點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，同時由于節(jié)點分布不均勻，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)點定位要求較高。而先應(yīng)式路由協(xié)議OLSR(Optimized Link state Routing)引入了MPR選擇機制，使得其有效減少路由開銷和保證節(jié)點傳輸?shù)目煽啃浴?br />     OLSR是一種先驗式路由協(xié)議，已經(jīng)被IETFMANET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算法進行路由計算，選擇到達(dá)目的節(jié)點的最短路徑。
    雖然OLSR協(xié)議具有很多優(yōu)點，但研究結(jié)果表明，當(dāng)節(jié)點分布稀疏時，使用OLSR協(xié)議獲得的數(shù)據(jù)吞吐量大幅度下降，同時延遲也增大。因此本文將對OLSR協(xié)議進行改進，使其在稀疏節(jié)點環(huán)境中也能取得較好的性能。

1 OLSR路由協(xié)議的改進
    本文提出的結(jié)合功率進行補償機制的改進OLSR協(xié)議，在節(jié)點密集處采用傳統(tǒng)OLSR協(xié)議，在節(jié)點稀疏處自動切換到改進后的OLSR協(xié)議。
1．1 OLSR路由算法的缺陷
   (1)不適應(yīng)稀疏節(jié)點
    OLSR協(xié)議默認(rèn)節(jié)點信號傳播半徑足夠大，保證源與目的節(jié)點之間存在通信鏈路使得網(wǎng)絡(luò)整體連通。但在節(jié)點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)點問始終存在通信路徑。
    (2)鏈路結(jié)構(gòu)不均衡
    OLSR協(xié)議只有被選為MPR的節(jié)點才產(chǎn)生并轉(zhuǎn)發(fā)TC(TopologyControl)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。在每個時刻，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的拓?fù)浼飪H僅存在MPR鏈路信息，而塒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)議實驗可以得到10個節(jié)點情況下網(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3，7，8，9均未被任何節(jié)點選為MPR，它們沒有TC消息可以發(fā)送，同時節(jié)點8只有一條鏈路可以被廣播。
    節(jié)點8到目的節(jié)點只有一條可用鏈路，因此需要為這些MPR節(jié)點集中節(jié)點數(shù)為1的節(jié)點選擇一個備用的轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點，當(dāng)MPR節(jié)點出現(xiàn)故障時，能夠及時代替MPR節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)。
1．2 稀疏OLSR路由補償節(jié)點選擇算法
    改進協(xié)議針對只有一條鏈路被感知的節(jié)點，在Hello消息中增加一個標(biāo)志位，標(biāo)志該節(jié)點MPR集中節(jié)點數(shù)量。
    協(xié)議開始后，按照傳統(tǒng)OLSR協(xié)議進行MPR選舉，MPR集合中的節(jié)點選出后，各個MPR節(jié)點檢查收到的節(jié)點Hello消息中的標(biāo)志位，當(dāng)標(biāo)志位為1時，在網(wǎng)絡(luò)性能下降到一定程度時就可以采用補償算法選取相應(yīng)的補償節(jié)點，增大補償節(jié)點發(fā)射功率，使它的通信范圍覆蓋MPR集合中惟一節(jié)點所覆蓋的范圍，這樣就解除了該惟一節(jié)點的不可靠性，以保證整個網(wǎng)絡(luò)的連通性。補償節(jié)點選擇流程如圖3所示。

    由圖3可得到補償算法如下：
    BEGIN
      DO在Hello消息中附帶子集節(jié)點上一次發(fā)送消息后的剩余能量信息；
      IF節(jié)點剩余能量>λ THEN
        MPR集合中的節(jié)點能量將要耗盡或者鏈路狀態(tài)變壞；
      DO MPR集合中節(jié)點惟一的節(jié)點發(fā)送補償請求消息給所有一跳鄰居節(jié)點；
        IF該節(jié)點做過補償點THEN
        根據(jù)分組內(nèi)部的發(fā)射／接收功率信息；
        DO計算鄰接點與惟一節(jié)點的距離，并寫入補償回應(yīng)消息中，發(fā)送給MPR集合中的節(jié)點，同時該節(jié)點作為備用補償點；
        ELSF IF距離鄰居節(jié)點N最近THEN
          MPR集合中的惟一節(jié)點收到應(yīng)答消息；
          DO選擇距離最近的鄰居節(jié)點作為補償點；
          ELSE END
          END IF
     END IF
     ELSE END
     END IF
     DO選出的補償節(jié)點根據(jù)收到的信息來調(diào)整發(fā)射功率。補償節(jié)點將自身通信半徑增大到補償節(jié)點的MPR節(jié)點的通信半徑和該MPR節(jié)點與它距離之和；
    END
    為了節(jié)約能量，補償節(jié)點最大發(fā)射功率的工作時間為一個查找周期，當(dāng)發(fā)現(xiàn)MPR集合中的集合節(jié)點不需要補償節(jié)點時就恢復(fù)之前的發(fā)射功率。

2 自主切換機制
    在路由建立階段，當(dāng)通過各個節(jié)點的Hello消息使整個網(wǎng)絡(luò)的MPR節(jié)點集確定后，MPR子集內(nèi)部各個節(jié)點利用式(1)求出平均閾值Savr：
    Savr=Sall／Smpr (1)
    式中：Sall代表整個網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點數(shù)和；Smpr代表MPR集合節(jié)點個數(shù)。MPR節(jié)點集合內(nèi)的各個子節(jié)點計算自己負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)發(fā)的節(jié)點數(shù)Hello_Cou nt。當(dāng)Hello_Count低于平均閾值Savr時，便利用式(2)開始預(yù)測本輪信號強度：
   
    式中：Snew-measure表示新測得的信號強度；Sold表示上一次預(yù)測的信號強度；Snew表示預(yù)測的下一段時間的信號強度；是權(quán)重，取值范圍是[0，1]，越小，預(yù)測信號強度受該時刻信號強度的影響越大。
    當(dāng)預(yù)測的下次信號強度低于預(yù)先規(guī)定的一定強度時，可以確定此處為稀疏節(jié)點分布區(qū)且信號強度較低，則該MPR集合中節(jié)點分組內(nèi)實行改進后的OLSR協(xié)議，否則繼續(xù)使用OLSR協(xié)議。
    OLSR協(xié)議和改進OLSR協(xié)議的自主切換機制流程如圖4所示。

3 功率控制算法依據(jù)
    補償機制中，需要增大節(jié)點的發(fā)射功率，當(dāng)源節(jié)點向目的節(jié)點發(fā)送分組時，發(fā)送功率Pt與接收功率Pr的關(guān)系如下：
   
    式中：λ為載波波長；d為源節(jié)點和目的節(jié)點間的距離；Gt為發(fā)射機天線增益；Gr為接收機天線增益。設(shè)接收功率的門限為Prt，當(dāng)信號的功率不小于Prt時才能被正確接收，可推出式(4)和式(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。

4 實驗結(jié)果
    本文實驗環(huán)境是在Linux操作平臺下移植了TinyOS操作系統(tǒng)，利用CC2430控制芯片進行編程，并在ns2．34環(huán)境下進行仿真實驗。
4．1 仿真實驗環(huán)境
    仿真的網(wǎng)絡(luò)范圍為500m×1 000 m，節(jié)點數(shù)量為20和100個，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CBR業(yè)務(wù)連接，分組長度為512 B，仿真時間為200 s，發(fā)包率為4個／s。節(jié)點的速度分別為0 m／s，1 m／s，5 m／s，10 m／s，20 m／s，25m／s，30m／s。
4．2 性能指標(biāo)
    協(xié)議改進主要針對網(wǎng)絡(luò)的可靠傳輸，因此仿真實驗的性能指標(biāo)有節(jié)點投遞率和網(wǎng)絡(luò)傳輸平均延時。由于改進后的協(xié)議運用了自主切換機制，必然會增大部分能量的開銷，因此，需要對剩余能量也進行仿真實驗。
    (1)投遞率
    OLSR協(xié)議適用于節(jié)點密集型的網(wǎng)絡(luò)，從圖5可以看出，兩個協(xié)議在100個節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)整體比20個節(jié)點的稀疏網(wǎng)絡(luò)的投遞率高。在節(jié)點固定或者移動較小的情況下，性能已經(jīng)很好，則改進后的協(xié)議性能并未得到良好的體現(xiàn)。當(dāng)節(jié)點移動速度超過10 m／s后，網(wǎng)絡(luò)性能明顯下降，這時運用自主切換機制，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，而改進的OLSR協(xié)議性能下降得到控制。
    (2)平均時延
    在節(jié)點固定或者移動速度較低的情況下，改進的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)的性能耗費一定的時延，之前采用自主切換提高的時延并不明顯。

    端到端時延統(tǒng)計如圖6所示。由圖可看出，當(dāng)節(jié)點移動速度超過15 m／s后，改進的OLSR協(xié)議能夠在網(wǎng)絡(luò)剩余能量很低或部分MPR節(jié)點失效的情況下，使數(shù)據(jù)通過補償節(jié)點得到及時的轉(zhuǎn)發(fā)，因而它的網(wǎng)絡(luò)傳播時延相比OLSR協(xié)議有明顯降低。
    (3)剩余能量
    對100個節(jié)點進行仿真，速度固定為5m／s，假定節(jié)點初始能量在[20，60]間隨機分配。仿真時間為400s，x軸表示剩余能量，y軸表示處于該能量的節(jié)點數(shù)，如圖7所示。

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

5 結(jié)論
    本文分析了OLSR協(xié)議不適合節(jié)點分布稀疏的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)情況，通過加入特定節(jié)點補償機制和自主切換機制塒其進行改進．并對改進后的OLSR協(xié)議進行了仿真。實驗結(jié)果表明，改進后的協(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)點移動速度較大時，在降低時延方面效果顯著。同時也有利地均衡了各個節(jié)點的能量，從而延長整個網(wǎng)絡(luò)的壽命。
    選取出的補償節(jié)點進行合適的功率放大后，增大了節(jié)點的傳輸覆蓋范圍，必然會對周圍的節(jié)點傳輸信號有所影響，本文假定是在忽略功率增大的幅度對周圍節(jié)點信號強度影響的情況下進行的研究，下一步對增加這種補償和切換機制后的網(wǎng)絡(luò)與節(jié)點信號強度之間的關(guān)系和影響進行研究，找到一種均衡的度量關(guān)系，使改進的協(xié)議性能可以得到最好的發(fā)揮。