摘要：重點(diǎn)研究基于節(jié)能要求兼低延時(shí)效應(yīng)的AODV路由協(xié)議的改進(jìn)。節(jié)能以延長(zhǎng)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的工作時(shí)間，降低延時(shí)效應(yīng)來(lái)保證數(shù)據(jù)傳輸的實(shí)時(shí)性，這是評(píng)價(jià)一個(gè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的兩個(gè)重要指標(biāo)。在總結(jié)國(guó)內(nèi)外研究成果的基礎(chǔ)上，提出了更適用于低速運(yùn)動(dòng)的Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的低延時(shí)節(jié)能的路由改進(jìn)策略，包括在低于能量閾值時(shí)的動(dòng)態(tài)功率調(diào)整、能量意識(shí)的路由選擇、廣播控制、被動(dòng)路由更新和CMMBCR的引入。節(jié)能策略更是引入了位置信息和網(wǎng)絡(luò)平均能量的概念，而且更適用于項(xiàng)目的實(shí)際情況(低速運(yùn)動(dòng)網(wǎng)絡(luò))。在用NS-2工具對(duì)該低延時(shí)節(jié)能策略進(jìn)行仿真測(cè)試后，得出在最佳情況下網(wǎng)絡(luò)傳輸延時(shí)和網(wǎng)路壽命兩項(xiàng)指標(biāo)都能得到大幅度的改進(jìn)。
關(guān)鍵詞：無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)；Ad Hoc；AODV；ZigBee CMMBCR；CC2420

0 引言
    隨著移動(dòng)計(jì)算平臺(tái)和小型無(wú)線設(shè)備的普及，Ad Hoc無(wú)線網(wǎng)絡(luò)因其無(wú)物理位置限制而且能隨時(shí)隨地自組網(wǎng)絡(luò)而得到越來(lái)越多的關(guān)注。智能雷場(chǎng)作為此項(xiàng)研究的應(yīng)用平臺(tái)，Ad Hoc更是顯示出其特有的優(yōu)勢(shì)。實(shí)際戰(zhàn)爭(zhēng)環(huán)境中的雷場(chǎng)因其地理環(huán)境的多變性和不確定性，所以對(duì)無(wú)線數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)的自組性提出了很高的要求，又由于無(wú)線通信結(jié)點(diǎn)自身攜帶的電池供電能力有限，因此，在保證結(jié)點(diǎn)間數(shù)據(jù)通信及時(shí)性和可靠性的基礎(chǔ)上，高效地管理能量，延長(zhǎng)結(jié)點(diǎn)及整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的工作時(shí)間。
    AODV是在Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中較常用的一種通信傳輸協(xié)議。在硬件或軟件設(shè)計(jì)上，前人已經(jīng)提出了很多適用于AODV的節(jié)能方法，像AODVjr，AOD Vsimpli-fied，自適應(yīng)AODV，適用于低速運(yùn)動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的低功耗AODV協(xié)議等，但是這里發(fā)現(xiàn)前人的這些改進(jìn)算法在智能雷場(chǎng)環(huán)境中，表現(xiàn)效果并不是很理想，因?yàn)榈湍芎耐且誀奚W(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸率和提高數(shù)據(jù)傳輸延時(shí)為代價(jià)的，雖然延長(zhǎng)了整個(gè)智能雷場(chǎng)的網(wǎng)絡(luò)工作時(shí)間，但是數(shù)據(jù)傳輸延時(shí)過(guò)久，在實(shí)際工作中是非常危險(xiǎn)的。
    在本文中，提出了一種新的自動(dòng)調(diào)節(jié)的能量控制協(xié)議。為了在保持結(jié)點(diǎn)響應(yīng)速度的基礎(chǔ)上，延長(zhǎng)智能雷場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)的工作時(shí)間，根據(jù)結(jié)點(diǎn)電池的剩余能量，結(jié)點(diǎn)會(huì)根據(jù)具體情況調(diào)節(jié)自身的傳輸協(xié)議。在能量充足時(shí)，會(huì)以減小數(shù)據(jù)傳輸延時(shí)為重點(diǎn)，保證雷場(chǎng)工作的高反應(yīng)性；在低能量狀態(tài)時(shí)，會(huì)轉(zhuǎn)換到能量保護(hù)狀態(tài)，用蟻群節(jié)能算法來(lái)延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)的工作時(shí)間。

1 低速運(yùn)動(dòng)Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的AODV改進(jìn)協(xié)議
1．1 網(wǎng)絡(luò)環(huán)境
    在假定的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，50 m×50 m的正方形場(chǎng)地內(nèi)有20～30個(gè)結(jié)點(diǎn)，結(jié)點(diǎn)間的普遍距離是10～20m。由于網(wǎng)絡(luò)環(huán)境空間的可擴(kuò)展性，用IEEE 802．15．4標(biāo)準(zhǔn)作為物理層和MAC層協(xié)議。IEEE 802．15．4的信號(hào)發(fā)射的能量模型采用了Chipeon CC2420，其默認(rèn)發(fā)射頻率為2．4 GHz。在NS-2的Two-ray-ground傳播模型中，CC2420最大的傳輸距離為17 m。網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)結(jié)點(diǎn)都知道自己的位置和剩余能量。
    AODV是最基本的路由協(xié)議架構(gòu)，即適合低速運(yùn)動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的按需分配路由協(xié)議。在此基礎(chǔ)上，加入了CMMBCR(條件性電池能量大小調(diào)節(jié)協(xié)議)算法來(lái)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的智能調(diào)節(jié)，在網(wǎng)絡(luò)結(jié)點(diǎn)擁有充足能量時(shí)，提高網(wǎng)絡(luò)的處理速度以減小數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)母咝?；在網(wǎng)絡(luò)結(jié)點(diǎn)的能量不足時(shí)，啟用能量保護(hù)方案，通過(guò)修改廣播控制和路由選擇算法以延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)的工作壽命。
1．2 網(wǎng)絡(luò)平均能量的估計(jì)和自適應(yīng)路由
    這里AODV算法旨在延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)的工作時(shí)間，即網(wǎng)絡(luò)中第一個(gè)因?yàn)殡姵啬芰亢谋M而停止工作的結(jié)點(diǎn)的時(shí)間。為了達(dá)到這個(gè)目的，提出了兩種改進(jìn)措施：首先，應(yīng)該不選擇那些剩余能量遠(yuǎn)小于網(wǎng)絡(luò)平均能量的結(jié)點(diǎn)，其次，在新的路由代價(jià)評(píng)價(jià)函數(shù)中，把跳數(shù)、剩余能量還有能量消耗等三個(gè)因素都考慮進(jìn)去，這樣有助于選擇一條能耗相對(duì)最小的路由。
1．2．1 新的路由代價(jià)評(píng)價(jià)函數(shù)
   
    式中Pt_consumei是結(jié)點(diǎn)i到它的下一跳結(jié)點(diǎn)傳送信息所需要消耗的能量；Ei是結(jié)點(diǎn)i的剩余能量；E是網(wǎng)絡(luò)的平均剩余能量；α是調(diào)節(jié)剩余能量的權(quán)重系數(shù)；ηi是結(jié)點(diǎn)熱噪聲；G是整條路由代價(jià)評(píng)價(jià)。式(1)是計(jì)算結(jié)點(diǎn)i到它的下一跳結(jié)點(diǎn)的連接功率消耗，整條路由的消耗如式(2)所示，源結(jié)點(diǎn)會(huì)選擇G值較小的路由。需要特別注意的是，Pt_consumei不同于Pt。它表示的是收發(fā)模塊內(nèi)部實(shí)際能量的消耗，而Pt是發(fā)射出去的電磁波的能量。在式(2)中，考慮了三個(gè)因素：傳輸所需能量、結(jié)點(diǎn)剩余能量、跳數(shù)。
1．2．2 RREQ廣播控制和被動(dòng)路由更新
    RREQ的廣播控制和被動(dòng)路由更新則是進(jìn)一步平衡網(wǎng)絡(luò)結(jié)點(diǎn)間的能量消耗，從而延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)壽命。
    當(dāng)一個(gè)結(jié)點(diǎn)接收到一個(gè)RREQ時(shí)，它不是判斷這個(gè)是不是重復(fù)的RREQ，而是計(jì)算自己剩余能量和網(wǎng)絡(luò)平均剩余能量的比值，如果該值小于某一預(yù)設(shè)值A(chǔ)，結(jié)點(diǎn)不再將RREQ廣播出去，它也將不參于此次路由發(fā)現(xiàn)。這個(gè)策略和文獻(xiàn)中提出的結(jié)點(diǎn)能量小于初始值的10％時(shí)便繞過(guò)有所不同，舉例說(shuō)，如果一個(gè)網(wǎng)絡(luò)中絕大多數(shù)的結(jié)點(diǎn)能量都小于初始值的10％，本文的策略仍然可以選擇有相對(duì)高剩余能量的路由，而文獻(xiàn)中的策略將使網(wǎng)絡(luò)陷入癱瘓。
    當(dāng)一個(gè)路由建立后，一個(gè)名為established_energy的域會(huì)在相應(yīng)路由表項(xiàng)中建立，用來(lái)記錄當(dāng)前結(jié)點(diǎn)建立路由時(shí)的剩余能量。隨著時(shí)間過(guò)去，結(jié)點(diǎn)不斷地收發(fā)數(shù)據(jù)包，如果當(dāng)前剩余能量和established_energy的比值小于一個(gè)預(yù)設(shè)值B，比如B=0．7，該路由項(xiàng)會(huì)宣布為不活動(dòng)狀態(tài)，并啟動(dòng)RERR來(lái)觸發(fā)該路由的源結(jié)點(diǎn)啟動(dòng)路由重新更新，這稱為被動(dòng)路由更新。相比AODV中的主動(dòng)路由更新，它是使用剩余能量而不是時(shí)間來(lái)觸發(fā)路由更新，更有利于路由更新隨著能量消耗的多少來(lái)調(diào)節(jié)。如果某條路由上的數(shù)據(jù)包很少，它可以有效減少不必要的路由更新(也是對(duì)于低速運(yùn)動(dòng)的網(wǎng)絡(luò)而言)，如果某條路由上的數(shù)據(jù)包太多，它可以及時(shí)切換到能量更多的路由上去。
1．2. 3 網(wǎng)絡(luò)平均能量的估計(jì)
    在文獻(xiàn)中，Gil，HR等提出了估計(jì)網(wǎng)絡(luò)平均能量的算法。該算法的缺陷在于，當(dāng)一個(gè)節(jié)點(diǎn)M持續(xù)不斷地向節(jié)點(diǎn)N發(fā)送數(shù)據(jù)包時(shí)，他們的能量消耗要遠(yuǎn)比網(wǎng)絡(luò)平均多，但是它的一跳鄰居P也許只從M接收到RREQ，從而P對(duì)網(wǎng)絡(luò)平均能量的估計(jì)很可能十分接近M的能量值，從而大大低于實(shí)際的網(wǎng)絡(luò)平均能量值。本文對(duì)該算法的改進(jìn)在于，加了一個(gè)域到RREP中，而任何節(jié)點(diǎn)接收到RREP時(shí)所做的計(jì)算和接收到RREQ時(shí)一樣。通過(guò)這種方法，提供給節(jié)點(diǎn)更全面的信息去估計(jì)網(wǎng)絡(luò)的平均能量，使得估計(jì)更精確。
1．3 基于CMMBR的自調(diào)節(jié)傳輸協(xié)議
    在文獻(xiàn)中提到，如果源結(jié)點(diǎn)、目的結(jié)點(diǎn)以及路由可能經(jīng)過(guò)的結(jié)點(diǎn)都有充足的剩余能量(比如都大于某個(gè)閾值)，則只要挑選總體傳輸能量最小的路由即可，這樣可減小路由選擇算法的計(jì)算復(fù)雜度，從而減小數(shù)據(jù)傳輸?shù)难訒r(shí)，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)募皶r(shí)性。然而，當(dāng)路由上某些結(jié)點(diǎn)都處于較低能量時(shí)(比如小于某個(gè)閾值)，就需要用到上述的被動(dòng)能量調(diào)節(jié)，從而來(lái)延長(zhǎng)這些結(jié)點(diǎn)的工作時(shí)間，從來(lái)保證整個(gè)無(wú)線傳輸網(wǎng)絡(luò)不會(huì)過(guò)早的衰亡。具體的算法實(shí)現(xiàn)如下：
   
    式(3)為結(jié)點(diǎn)nj和結(jié)點(diǎn)ni之間的傳輸功率，式(4)為路由的總傳輸功率，式(5)是最理想的路由K所滿足的條件，其中Ptransmit是結(jié)點(diǎn)ni和nj之間的傳輸功率，Preceiver是結(jié)點(diǎn)nj接收數(shù)據(jù)的接收功率，A是所有可能路由的集合。
    如果最小結(jié)點(diǎn)剩余能量，則說(shuō)明部分結(jié)點(diǎn)的能量已經(jīng)消耗過(guò)快，這時(shí)要啟動(dòng)上述的能量相關(guān)的代價(jià)評(píng)價(jià)函數(shù)來(lái)均衡網(wǎng)絡(luò)中的結(jié)點(diǎn)能量分布，延長(zhǎng)路由的工作時(shí)間。

2 仿真模型
    用NS-2對(duì)改進(jìn)的AODV和經(jīng)典AODV的表現(xiàn)進(jìn)行仿真比較。25個(gè)點(diǎn)以10 m的橫向和縱向間隔在網(wǎng)絡(luò)中平均分布，如圖1所示。隨后，又利用CBR工具產(chǎn)生了16個(gè)UDP對(duì)話。每個(gè)對(duì)話以恒定的速率連續(xù)發(fā)送30s的數(shù)據(jù)包。

    對(duì)話中的源節(jié)點(diǎn)和目的結(jié)點(diǎn)對(duì)如圖1所示，并以逆時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)，如5-19，0-24，1-23，依此類推并循環(huán)。這種場(chǎng)景設(shè)計(jì)的目的有兩個(gè)，一是平均結(jié)點(diǎn)之間數(shù)據(jù)收發(fā)任務(wù)的分配，盡量不使作為源節(jié)點(diǎn)和目的結(jié)點(diǎn)的角色任務(wù)過(guò)重而死掉，二是有意識(shí)地增加中央?yún)^(qū)域的路由負(fù)擔(dān)，形成“過(guò)熱”區(qū)域，以顯示改進(jìn)的算法對(duì)于在低能量時(shí)對(duì)“過(guò)熱”區(qū)域的處理能力。場(chǎng)景的預(yù)設(shè)測(cè)試時(shí)間為5 000 s，同時(shí)也讓每個(gè)結(jié)點(diǎn)有低速度的運(yùn)動(dòng)，平均速度為0．5 m／s，數(shù)據(jù)的速率為5幀／s。根據(jù)之前在這方面的工作，在式(1)中的α設(shè)為3。測(cè)試網(wǎng)絡(luò)在不同的暫停時(shí)間下各方面的表現(xiàn)，并和原AODV比較。
    這里為網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)了2種初始能量，分別為5 J和20 J。前者是不夠讓網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行5 000 s的，而后者則是足夠的。在5 J的情形下測(cè)試網(wǎng)絡(luò)的壽命和網(wǎng)絡(luò)平均數(shù)據(jù)傳輸延時(shí)，網(wǎng)絡(luò)的壽命即是第一個(gè)結(jié)點(diǎn)死掉的時(shí)間；在20 J的情況下，測(cè)試網(wǎng)絡(luò)的平均吞吐量、發(fā)送成功率、剩余能量的方差、平均每個(gè)數(shù)據(jù)包消耗的能量和平均延時(shí)。

3 仿真結(jié)果
    圖2給出了在能量不足的情況(初始能量是5 J)下，改進(jìn)的AODV和原AODV的網(wǎng)絡(luò)壽命隨暫停時(shí)間的變化比較。從圖中很明顯看出，改進(jìn)的AODV相對(duì)原AODV在網(wǎng)絡(luò)壽命的延長(zhǎng)方面隨著暫停時(shí)間的變長(zhǎng)而變大。暫停時(shí)間為5 000 s時(shí)為靜止網(wǎng)絡(luò)。這個(gè)時(shí)候改進(jìn)的AODV的表現(xiàn)是最好的。而當(dāng)網(wǎng)絡(luò)的靜止時(shí)間為250 s的時(shí)候，網(wǎng)絡(luò)壽命的延長(zhǎng)效果最差。這是因?yàn)樵陟o止網(wǎng)絡(luò)中，由于拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的靜止不變，個(gè)別結(jié)點(diǎn)就承擔(dān)了過(guò)重的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)任務(wù)，從而結(jié)點(diǎn)間的能量消耗就更不均勻，從而導(dǎo)致個(gè)別結(jié)點(diǎn)任務(wù)過(guò)重而過(guò)快衰竭。圖3給出了在暫停時(shí)間為2 000 s時(shí)，網(wǎng)絡(luò)工作在不同階段的數(shù)據(jù)傳輸?shù)钠骄訒r(shí)。取γ=0．4，即CurrentEnergy／InitialEnergy=0．4，從圖中可以看到在40％之前改進(jìn)后的AODV算法比原AODV的延時(shí)時(shí)間縮短了20％～34％，而之后，延時(shí)縮短時(shí)間也有10％左右，這是符合設(shè)計(jì)初衷的。

    在實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景中，即雷場(chǎng)中，暫停時(shí)間為2 000 s比較具有代表性，即結(jié)點(diǎn)的平均移動(dòng)速度大約為0．5 m／s。表1給出了在暫停時(shí)間為2000s的運(yùn)動(dòng)網(wǎng)絡(luò)中，改進(jìn)的AODV和原AODV在性能上比較?？梢郧宄吹皆诖藯l件下，平均吞吐量基本沒有變化，平均延時(shí)降低了29．9％，剩余能量方差降低了11．3％，發(fā)送成功率提高了0．7％，其中每個(gè)數(shù)據(jù)包消耗的能量提高了。每個(gè)數(shù)據(jù)包消耗能量的增加主要是因?yàn)樵诮Y(jié)點(diǎn)能量充足的階段，采用了總體路由能量最小的路由選擇算法，沒有采取任何廣播控制和能量節(jié)省算法所致，這是改進(jìn)的AODV機(jī)制中需要付出的代價(jià)，但是在能量充足的情況下，這一點(diǎn)消耗能量的增加并不會(huì)影響網(wǎng)絡(luò)整體的工作壽命，而且達(dá)到了降低數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延的目的，這正是希望看到的。

    在這個(gè)改進(jìn)的AODV傳輸協(xié)議中，其關(guān)鍵作用就是閾值γ，閾值取的太大則網(wǎng)絡(luò)工作壽命會(huì)減少，閾值取的過(guò)小則數(shù)據(jù)傳輸延時(shí)會(huì)過(guò)大，所以這里對(duì)各種閾值都進(jìn)行了仿真比較，結(jié)果如圖4所示。由圖4可以看到，延時(shí)隨著閾值的增大而減小，在0．4處出現(xiàn)緩和并趨向平穩(wěn)；網(wǎng)絡(luò)工作壽命隨著閾值的增大而變小，在0．4處出現(xiàn)了一次大幅度的下滑，據(jù)此分析可得，閾值γ=0．4是個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)，也是符合要求的值。

4 總結(jié)
    本文在敘述AODV路由協(xié)議原理的基礎(chǔ)上，指出其在智能雷場(chǎng)環(huán)境中對(duì)于傳輸延時(shí)和節(jié)能要求的不足，并在回顧了國(guó)內(nèi)外節(jié)能路由協(xié)議研究現(xiàn)狀之后，提出了本文的算法，主要包括：動(dòng)態(tài)發(fā)射功率調(diào)整，能量和延時(shí)相關(guān)的代價(jià)評(píng)價(jià)函數(shù)，RREQ廣播控制，被動(dòng)路由更新和CMMBCR的引入。這些算法的提出是基于該項(xiàng)目中具有GPS模塊，并且是一個(gè)低速運(yùn)動(dòng)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)。隨后，利用NS-2網(wǎng)絡(luò)仿真工具對(duì)算法進(jìn)行了仿真測(cè)試。從結(jié)果可以看到，算法不僅提高了網(wǎng)絡(luò)壽命，而且減小了數(shù)據(jù)的平均傳輸延時(shí)，并且吞吐量等其他方面沒有很顯著的下降。最后討論了不同傳輸協(xié)議算法之間轉(zhuǎn)換閾值γ的取值問(wèn)題。