引 言

0 引 言

近年來，研究人員考慮將無線傳感網推廣應用于海事搜 救和海洋監(jiān)測領域 [1]。但海上無線傳感網路由方案的設計面 臨一些嚴峻挑戰(zhàn)，提高惡劣海洋環(huán)境下網絡的性能，設計出 一種確保數(shù)據可靠傳輸?shù)穆酚蓪Ｉ蠎枚跃哂兄匾饬x。 由于源路由算法的動態(tài)源路由（DSR）協(xié)議網絡中的節(jié)點緩存 多到達目的節(jié)點的源路由，使該協(xié)議對網絡拓撲變化具有較快 的反應速度，因此可以提供快速反應式服務，較好地保證了 數(shù)據的有效傳輸 [2]。但該路由協(xié)議存在一些缺陷：在高度動 態(tài)性的環(huán)境中，頻繁的鏈路斷裂導致數(shù)據傳輸率較低 [3] ；效 率低下的路由發(fā)現(xiàn)機制造成了較大的傳輸延遲和較高的路由開 銷 [4] ；產生的能耗較大 [5]。

現(xiàn)階段，針對動態(tài)源路由協(xié)議提出了很多改進和優(yōu)化。 文獻 [6，7] 針對 DSR 路由緩存中失效路由導致協(xié)議性能下降 的問題，提出了改進的 DSR 路由協(xié)議，使節(jié)點能夠及時更新 緩存中的失效路由，但該方案無法減少路由開銷。在路由發(fā)現(xiàn) 的過程中，文獻 [8，9] 提出了一些控制數(shù)據包的洪泛技術以 減少路由開銷，但未必能夠找到有效的路徑。

因此，本文提出一種改進型動態(tài)源路由（I-DSR）算法， 以提高路由效率。該算法能較好地滿足海上無線傳感網路由的 要求，在保證節(jié)省能耗和延長網絡生存時間的同時，實現(xiàn)了較 高的數(shù)據傳輸率，克服了已有路由算法的不足。

1 改進型動態(tài)源路由算法設計

1.1 路由控制包

動態(tài)源路由發(fā)現(xiàn)過程需要兩種控制數(shù)據包，即路由請求 （RREQ）和路由應答（RREP）。本文提出的增強型動態(tài)源路 由算法需要修改傳統(tǒng)動態(tài)源路由控制數(shù)據包格式以適應本算 法的路由機制，路由控制包格式見表 1 所列。

在路由發(fā)現(xiàn)過程中，源節(jié)點發(fā)送路由請求控制數(shù)據包RREQ，搜索到目的節(jié)點的路徑，并更新控制包的信息。請求控制包包含源節(jié)點和目的節(jié)點地址，跳數(shù) Hc 初始設置為 0， 隨著數(shù)據包在網絡中傳播，每通過一個中間節(jié)點跳數(shù)便加 1， 當數(shù)據包發(fā)送到目的節(jié)點時，該跳數(shù)即為路徑所有跳數(shù)。使用路徑擁塞度度量值 Rc 衡量整條路徑的擁塞水平，由中間路徑和節(jié)點擁塞度表示。路徑可靠性度量值 Rr 由每一個中間鏈路的連通性決定，表明整條路徑能維持較長時間的連通性。Er 表示路徑剩余能量，其值為路徑中節(jié)點的最小剩余能量。在通過周期性的信息交換后，節(jié)點獲取鄰居節(jié)點的剩余能量信息， 保存在自己的緩存中。路由控制包每經過一個中間節(jié)點，就會比較節(jié)點的剩余能量，選擇剩余能量較小值更新控制包中的Er。類型表示控制數(shù)據包的種類，即 RREQ 為1，RREP 為 0。中間節(jié)點地址棧INA 存儲路由請求數(shù)據包在網絡中傳輸經過的所有中間節(jié)點的地址。

1.2 路由發(fā)現(xiàn)

當源節(jié)點需要發(fā)送數(shù)據包時，就會啟動路由發(fā)現(xiàn)過程尋找一條到達目的節(jié)點的路由，并向網絡廣播路由請求控制包。路由請求控制包在選擇下一跳節(jié)點時，會綜合考慮路徑的可靠性、擁塞度、剩余能量以及跳數(shù)，從而找到具有較高可靠性、較低擁塞度、較少跳數(shù)和剩余能量較高的路徑，在保證路由效率的同時，降低能量消耗，均衡網絡負載，延長網絡的生存時間。路由發(fā)現(xiàn)過程如圖 1 所示。

目的節(jié)點收到請求控制包后向源節(jié)點返回一個應答控制包 RREP，源節(jié)點接收到 RREP 控制包后便完成了路由發(fā)現(xiàn)過程，產生了一條到達目的節(jié)點的源路由。在路由選擇時，第一個 RREP 控制包到達，產生一條路徑，發(fā)送節(jié)點使用該路徑發(fā)送數(shù)據分組。當發(fā)送節(jié)點再次收到一個應答數(shù)據包后，便產生另外一條路由，根據跳數(shù)、路徑可靠性度量值、擁塞度量值和剩余能量，比較兩者路徑性能值的大小，選擇較好的一條路徑發(fā)送數(shù)據分組。直到收到最后一個路由應答控制包， 路由選擇過程結束。

2 仿真結果與分析

本文使用Linux 系統(tǒng)下的網絡仿真工具NS2 模擬所需的網絡環(huán)境，對提出的I-DSR算法進行仿真，并與DSR[10] 算 法進行比較。仿真場景為在 1000m1000m范圍內隨機部署150個節(jié)點，節(jié)點的運動模型為RWP（RandomWayPoint， RWP），其最大移動速度為10m/s。本文從數(shù)據傳輸率、能耗和網絡生存時間三個方面對兩種算法進行比較，發(fā)現(xiàn)網絡生存 時間為死亡節(jié)點數(shù)量達到節(jié)點總數(shù)的 20% 時網絡運行的時間。

圖 2所示為本文算法與DSR 算法數(shù)據傳輸率的比較。

從圖中可以看出，本文提出的算法有較高的傳輸率，原因在于本文算法有效地預測了路徑的可靠性和擁塞度，從而發(fā)現(xiàn)了比較可靠的路徑，減少了數(shù)據丟失和傳輸延時，提高了數(shù)據傳輸率。

圖 3 所示為能耗的比較。從圖中可以看出I-DSR 算法比DSR 算法更節(jié)能，原因在于DSR 在網絡中盲目泛洪路由請求控制包，而本文算法選擇了相對可靠的路徑發(fā)送路由請求，減少了路由開銷，節(jié)省了能量。

圖 4 所示為網絡生存時間的比較。從圖中可以看出，死 亡節(jié)點數(shù)為 30（達到總結點數(shù)的 20%）時，對應的時間分別 為 235 和 280，因此本文算法較 DSR 方法延長了網絡生存時 間。本文算法不僅能夠節(jié)省節(jié)點能量，更在選擇路徑時，考慮 了路徑的剩余能量，具有較多剩余能量的路徑被使用的可能 性更大，這在一定程度上均衡了網絡負載，避免了節(jié)點因負載 過大，能量耗盡而過早死亡，從而減少了死亡節(jié)點的數(shù)量，相 比 DSR 算法延長了網絡生存時間。

3 結 語

本文針對海上無線傳感網路由方案存在的問題和挑戰(zhàn)， 引入了動態(tài)源路由機制，提出了一種改進型動態(tài)源路由算法。該路由方案通過發(fā)現(xiàn)并選擇具有較低擁塞度、較高可靠性、 較少跳數(shù)和剩余能量較高的路徑傳輸數(shù)據分組，實現(xiàn)了較高 的數(shù)據傳輸率，節(jié)省了能量，并延長了網絡生存時間。若將本 文算法應用到海上無線傳感網，將大大提高海上搜救和海洋 監(jiān)測效率。