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)

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景，近年来已经成为研究热点[1]。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。在保证网络覆盖范围及网络连通性的前提下，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。

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[1-11]。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]。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探测，每个路由代理维护各自路由表，完成全网探测后,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

(1)

(2)

其中Pt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。Gt、Gr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，λ为无线电波的波长。ht、hr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R1，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*d2)，大于等于门阀值r1时，采用多路衰减模式(k*d4),如图1所示。

图1 近似算法举例

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

⟹

(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PRXThresh。将公式(3)的d4代入公式(1)得到

(4)

这样节点i和节点j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j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。

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。

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-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

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-1-2-5-8-D、S-1-3-6-8-D、S-1-4-7-8-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-1-4-7-8-D。

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Improved-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1、2、5、10、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1。

图3 仿真场景拓扑

表1 无线节点的模拟参数

Table 1 Simulation Parameters of Wireless Nodes

参数值参数值无线传播模型TwoRay Ground节点的初始能量50 J电波传输距离250 m发送功率0.660 W电波干扰距离550接收功率0.395 W信道传输速率2 Mb/s监听功率0.0 W

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。

图4 仿真结果

从图4结果看。由于Improved-AODV采用中间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(图4(b))相对传统AODV稍高，随着CBR发送频率的增大，从(图4(c))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。

4 结 语

基于节能的无线传感器网络的研究是目前的一个热点，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。

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