第50卷201 1年第5期 9月 中山大学学报(自然科学版) ACTA SCIENTIARUM NATURALIUM UNIVERSITATIS SUNYATSENI Vo1.50 No.5 Sep. 2011 基于功率控制的AODV路由协议研究 汪华斌 ,罗中良 (1.惠州学院计算机科学系,广东惠州516007; 2.惠州学院电子科学系,广东惠州516007) 摘 要:分析了功率控制和AODV协议的工作原理。针对无线传感器网络中的“热门”节点过早死亡及能量空 洞的问题,提出了一种跨层功率自适应的节能AODV路由协议。采用RREQ协议帧的扩展,通过节点剩余能量 对RREQ协议帧进行选择性转发,优化了RREQ广播过程。NS2仿真结论表明,在保证较低延时和较高吞吐率 的同时,该方案有效地降低了网络传输的能量消耗,达到延长网络的生存周期的目的。 关键词:无线传感器网络;跨层设计;功率控制;路由发现;剩余能量 中图分类号:TP393 文献标志码:A 文章编号:0529—6579(2011)05—0059—05 Research of AODV Routing Protocol Based on Power Control WANG Huabin ,LUO Zhongliang (1.Department of Computer Science,Huizhou University,Huizhou 5 16007,China; 2.Department of Electronic Science,Huizhou University,Huizhou 5 1 6007,China) Abstract:In order to eliminate premature dead hotspots and energy holes in the wireless sensor net— works,it designs a AODV routing protocol with self-adaptability across multi—tiers and energy balance was designed to optimizes the RREQ broadcast process with an extension of RREQ protocol and selective— ly routing the frames of RREQ protocol by residual power in the node.The result of NS2 simulation indi— cates that this solution dramatically cuts down the energy consumption during the network transmission to extend the network life circle,while still ensures the network with low latency and high throughput. Key words:wireless sensor network;cross—layer design;power control;routing;residual energy 无线传感器网络是一种特殊的无线自组织Ad Hoc网络,集成了传感器技术、嵌入式系统及无线 通信技术等多项技术特点,可用于现代化战场、环 境监测、数据采集等领域。由于其应用上的潜在前 关于无线传感器网络的研究,主要分为平面结 构和簇状结构。有关功率控制及路由协议的节能问 题,已有一批学者做过相关的研究,并取得了一定 的成果¨ 。文献[4]提出的CPC协议的思想 是取保证网络连通性情形下的最小发射功率值作为 景,近年来已经成为研究热点¨J。无线传感器网 络的节点体积微小,能量有限,电池不易更换,这 些特点决定了能量消耗的问题是无线传感器网络设 计时需要考虑的一个重要指标。在保证网络覆盖范 全网的统一发射功率,从而达到降低网络能耗、延 长网络生存周期的目的,但其不具普遍适用性 5 J。 文献[6]提出的COMPOW是在每个节点上使用 若干个互不相同的发射功率的路由代理对网络进行 围及网络连j臣Jl生的前提下,设计不仅要考虑节点的 功率消耗,还要考虑各节点间的能量均衡问题。 探测,每个路由代理维护各自路由表,完成全网探 收稿日期:2011—03—19 基金项目:广东省自然科学基金资助项目(10151601501000005);广东高校优秀青年创新人才培育项目 (LYM10122);惠州市科技计划资助项目(2010B020008011,2010B020008016);惠州学院自然科学基金 资助项目(C210.0308,C509.0206) 作者简介:汪华斌(1978年生),男,讲师,硕士;E-mail:whuab@hzu.edu.an 60 中山大学学报(自然科学版) 第5O卷 测后,对各个路由代理最后得到的路由表项数进行 比较,取其中发射功率最小且所形成的网络路由表 项数和以最大发射功率所得的路由表项数一致的那 个发射功率作为全网统一的发射功率_7]。本文的 研究基于网络层与物理层联合,依据跨层设计的思 想,在网络层选路时依据能量相关的度量,构造路 由表,在物理层依据路由表,调整发射功率,两者 相辅相成,达到实现降低全网能量消耗,延长网络 生存周期的目的。 1 功率控制 现今的无线传感器网络功率控制通常都基于理 想条件下的,如:链路对称,信号传输区域为标准 圆形,信号的发射功率与距离之间的简单函数关系 等。功率控制在无线传感器网络中的研究主要有网 络层和链路层。而实际的无线信道中,信号的接收 功率衰减为传输距离的幂函数关系,并且与传播模 型相关。 1.1 传播模型 目前的无线传感器通常选择TwoRayGround (双地面反射)模型,如 f堕 d≤cr0 0ve di t l (4pd) 一 f l=I1【 d>… … d…… …ist :l= (1) crossover dist: (2) 其中 为发送端发出无线信号时的功率值,即信 号发射功率,Pr为接收端收到来自发送端的无线 信号的功率值,即信号接收功率。 、 分别是 发射天线和接收天线增益,对于两个固定的节点来 说这两个值都是常量。L是与传播无关的系统损耗 因子,A为无线电波的波长。 、 分别是发送节 点的发射天线高度和接收节点的接收天线的高度。 d为发送端与接收端之间的距离。 为方便说明算法和模型的最优发射功率,假设 节点的最大传输距离为尺l,当收发节点间的距离 小于某一门阀值r1时,采用自由空间模型(k d ),大于等于门阀值r1时,采用多路衰减模式 (k:l:d ),如图1所示。 图1近似算法举例 Fig.1 Approximation algorithm for example 1.2最优发射功率推导过程 本文中的算法前后均采用双地面传播模型。即 传播消耗的能量与距离的4次幂成比例。依据公式 (1)进行推导得 Pr(i,J)= Pt( √) Gt Gr ht hr d( L = 啤 (3) 为使接收端能够顺利接收,要求接收端的接收 功率大于接收灵敏度P 。将公式(3)的d 代入公式(1)得到 p 一 f !兰 竺 !垒 ( J)一d r p 一 尘 ! 2:兰墨 ( ,,)一 Gt Gr ht ¥hr p, 一 )竺 竺 ! 2竺 ! 兰 ( √) 一d r n木Gt木Gr米ht 木hr2:l:L ‰): (4) ( √) 这样节点i和节点 进行通信所需要的最优发 射功率即可由节点i处的发射功率与节点 处的接 收功率计算得到。这是一种网络层与物理层结合的 跨层设计思路,可有效避免了距离测量问题,也无 需地理位置辅助信息。 2改进的Improved—AODV路由协议 AODV是无线自组织Ad Hoc网络中应用最广 泛的一种按需路由路由协议,它利用了DSDV的逐 跳(Hop—by-Hop)路由和DSR的路由发现和维护 机制。文献[3]已对增加能量要素后的AODV协 议移植到无线传感器网络的可行性进行了相应的研 究。 第5期 汪华斌等:基于功率控制的AODV路由协议研究 61 AODV协议在源节点有数据要发送到目标节点 且无可用的路由情况下(不存在路由或路由失 效),通过RREQ路由请求,采用洪泛广播建立其 路由。为避免环路,在RREQ中增加TTL值和广 播号来判定是否可达或重复,目标节点收到RREQ 后,通过单播RREP响应包沿原路返回,从而建立 起通信节点间的路由。 图2中,反色的节点3、5、6为“热点”,剩 余能量水平较低,其它节点剩余能量水平较高。一 般地,AODV在选择路径时,有3种选择,即S一 1—2—5—8一D、S一1—3—6—8一D、S一1—4—7 —8一D。而在Improved.AODV协议中选择所有节 点能量水平较高的第三种S一1—4—7—8一D。 本文在AODV协议中依据文献[12]增加剩 余能量水平的度量和文献[13]增加概率转发的 思路,提出一种功率自适应的Improved—AODV协 3仿真结果与分析 3.1 仿真场景与参数设置 利用NS2网络仿真软件,对改进后的Im— 议,该方案以传统的AODV协议为基础,结合1.1 中物理层功率控制思想。做如下改进: 1)在Improved.AODV中增设节点剩余能量水 平e(e=节点的当前能量/初始能量)的门限值为 20%,当中间节点转发RREQ包时依据当前剩余能 量水平e进行判断。如小于初始能量的20%,则 对RREQ包丢弃不进行转发。 2)当中间节点能量水平高于20%时对RREQ 进行转发,转发时依据剩余能量水平e进行延时, 转发RREQ请求包的延时为:0.01 (1一e)S。 3)在RTABLE路由表项目中增加LPower项, 用以保存在物理层计算出的到达下一节点的最优发 射功率。为保证下一节点能够正确接收,考虑节点 不移动或缓慢移动的情况下,在实际发送数据时, 可使用c(C>=1)增益参数进行修正C LPower。 4)在通信过程中,除业务流数据发送采用物 理层所计算出的最优发射功率外,其余数据均采用 最大功率发送,以保证无线传感器网络原有的连通 性和覆盖范围。 通过上述措施保护一些“热点”节点因过度使 用造成的能量空洞,从而达到能量均衡的目标。延 长无线传感器网络的生存周期。选路的示意如图2。 图2 EAODV选路示意图 Fig.2 EAODV routing diagram proved—AODV与传统的AODV作性能比较。本文构 建的仿真场景,节点个数为25个,仿真拓扑为 400 m%400 m,仿真时间800 S。仿真采用CBR 流,包大小512字节,每秒发送l、2、5、l0、 12.5、25个。如图3#1的持续时间为(0~100 S)、 {}2(100—200 s)、……#8(700~800 s)。其它无 线节点的参数设定如表l。 O +●● 5 吕00 ●● ●,O 如 1 2 3 4 \ / \ / Connection l 0一>24 Connection :20->4 Conneclion 3:10一>l4 1 4 Connection样4:22一)2 / \ Connection 5 I9一>I5 Connection 6:9.>5 Connection 7:1一>2l 1 O Connection 8:3->23 /、厂 、/ r、 /、 厂\1 \ 21 22 23 24 ——400 m—————————+ 图3仿真场景拓扑 Fig.3 Simulation scenario topology 表1无线节点的模拟参数 Simulation Parameters of Wireless Nodes 参数 值 参数 值 无线传播模型 节点的初始能量 电波传输距离 250 m 发送功率 电波干扰距离 550 接收功率 信道传输速率 2 Mb/s 监听功率 3.2仿真结果和分析 通过改变CBR流的发送频率,对图3进行了 多次仿真和比较,结果如图4所示。图5为剩余能 量的对比图。 62 (a)平均端对端延时 0.06 中山大学学报(自然科学版) (b)平均跳数 3.2 第5O卷 们~ 口pu叫0 II &窖 O.05 q时0 岛一葛0 N一一日g0Z r/ II叫 II【u 吕 3 ∞ 0.04 2.8 O.O3 2.6 2.4 0.02 0.01 1 2 5 l0 l2.5 25 2.2 2 5 1O 12.5 25 CBR Trafic fInterval/(pkts.S ) CBR ̄afic Ifnterval/(pkts.S ) (c)归一化路由开销 0-35 (d)吞吐量 0.3 0。25 O.2 O.15 0.1 — 00 Q0}{ M一’10 O.05 O 1 2 5 霉 a,p 2 8 苗 譬 0 cI皇jZ O 0 O O 8 O O O 6 O O O 4 O O O 2 O O O 如 铝 O 钳 1O 12.5 25 1 2 5 10 12.5 25 CBR Trafic Ifnterval/(pkts・S ) CBR ̄afic fInterval/(pkts.S ) 图4仿真结果 Fig.4 Simulation results (&)1 pkts/s 50 49.5 49 48.5 48 47.5 47 46.5 46 45.5 45 O 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 (b)2 pkts/s 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 2O 22 24 Node Number ID Node Number ID (C)5 pkts/s (d)10 pkts/s 0 2 4 6 8 10 l2 14 16 18 2O 22 24 Node Number ID NodeNumberID 图5剩余能量对比 Fig.5 Comparison residual energy 第5期 汪华斌等:基于功率控制的AODV路由协议研究 63 从图4结果看。由于Improved—AODV采用中间 ed.Proc.of the GlobeCom 2002.Taipei:IEEE Press, 2002:42—46. 节点的剩余能量水平对RREQ包进行了控制性转 发,其端对端平均延时(图4(a))、平均跳数 『5]PARK S,SIVAKUMAR R.Quantitative analysis of trans- (图4(b))相对传统AODV稍高,随着CBR发送 频率的增大,从(图4(e))看,其归一化路由 开销减小,吞吐量有所提高。从图5看,仿真结束 后,节点的剩余能量较传统的AODV协议大提升, 延长了网络的生命周期,达到的节能的目的。 mission power control in wireless ad—hoc networks.[C]∥ Lilja D,ed.Proc.of the ICPP 2002.Vancouver:IEEE Computer Society,2002:56—63. [6] NARAYANASWAMY S,KAWADIA V,SREENIVAS R S.Power control in ad—hoc networks:Theory,architec— ture,algorithm and implementation of the COMPOW pro— 4结语 tocol[C]∥Lenzini L,ed.Proc.of the European Wire— less Conf.2002.Florence,2002:156—162. 基于节能的无线传感器网络的研究是目前的一 [7] 李方敏,徐文君,刘新华.无线传感器网络功率控制技 术[J].软件学报,2008,19(3):716—732. [8] 邓罡,陈颖文,徐明,等.无线传感器网络环境感知的 节点定位方法[J].中山大学学报:自然科学版, 2008,47(6):114—119. 个热点,本文依据跨层设计思想提出的物理层功率 自适应调节与网络层节能路由选择的协议算法,理 论分析和仿真实验表明,在保证较低延时和较高吞 吐率的同时,较大幅度的减少了节点的能量消耗水 平,尤其在业务量较高的,负荷较大的情况下,效 果更为显著。 [9] 杨卫东,周杰英,张光昭.Ad Hoc网络中一种基于权 值的分簇算法[J].中山大学学报:自然科学版, 2007,46(5):5—9. 参考文献: [1]赵海,程大伟,孙佩刚,等.基于矩法估计量的无线传 [10] 王忠恒,张曦煌.移动Ad Hoc网络AODV路由协议 的改进[J].计算机应用,2010,30(2):333—336. [11]藩云霞,冀常精.AoDV的能量策略研究[J].计算 机工程,加10,36(22):103—105. 感器网络路由度量[J].东北大学学报:自然科学版, 2008,29(3):320—323. [12]刘雯雯,马锐,许海滨.均衡无线传感器网络能耗的 AODV改进方案[J].计算机工程,2008,34(22): 143—144,147. [2] 黄景博.移动Ad Hoc网络的节能路由技术研究[D]. 合肥:中国科技大学,2007. [3] 王冬青,谭跃刚.AODV协议在无线传感器网络中的应 用[J].测试技术学报,2008,22(3):274—277. 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