一种基于带宽接入控制的AODV改进路由协议

周 鑫，张衡阳

(1.重庆电子工程职业学院，重庆401331;2.空军工程大学，陕西 西安710038)

责任编辑:许 盈

AdHoc网络是一种由多个移动节点形成的无线自组织多跳网络，通常用在一些无固定设施的通信环境中，如战争、自然灾害、临时会议等场合[1-2]。带宽是指单位时间内链路可传输的信息容量多少，表征在信道中传递数据的能力大小，近年来，随着语音、图像等多媒体业务应用的日益增多，如何在AdHoc网络环境中有效地分配和利用带宽，提高网络效率，成为了研究的热点课题之一。文献[3]使用探测包测试链路饱和的思想来估算带宽，用最大带宽减去已用带宽则为剩余的可用带宽，这种方法会增加网络开销，且不适合节点移动较快的网络。文献[4]采用马尔科夫链对IEEE802.11 DCF进行了建模，并提出了信道吞吐量公式，但并没有考虑公式中某些参数的获得问题，仅适用于理论分析。

移动自组网中的节点通常根据路由表进行数据的传输与转发，AODV协议是一种按需路由协议，由于该协议本身不提供拥塞控制，当网络负荷较重时，实时业务如语音、视频等会产生较大的延时，甚至大量分组被丢弃，导致网络性能下降。本文提出一种基于带宽控制策略的AODV改进路由协议，利用AODV周期性发送Hello分组包的机制，加入带宽估算和业务进入控制策略，使路径的带宽能够满足业务的实时要求，提高网络吞吐量，降低网络延时和丢包率。

1 AODV路由协议

当源节点想传输数据至目的节点而路由表中又没有相关路由记录时，AODV就会广播RREQ分组查找路由。RREQ分组包含有目的节点IP地址、源节点IP地址和RREQ ID等信息。RREQ ID为一递增的序号，用来判断当前路由是否为最新以及防止路由环路[5]。在路由建立过程中，RREQ沿途所经过的中间节点都要建立到源节点的反向路由;目的节点收到RREQ分组后，回传RREP应答分组沿反向路径直到源节点，此过程各节点会依次建立到目的节点的正向路由。

当节点收到重复的RREQ分组时，如果后到达的RREQ分组ID比之前收到的RREQ分组ID大或路由跳数更少，则更新路由信息并回传RREP分组，否则丢弃该RREQ分组。

当路由失效时，节点会启动路由维护过程，即往源节点发送RRER分组，源节点收到后重新发起路由建立过程，或由中间节点直接进行本地修复，直到新的路径产生。

2 对AODV协议的改进

本节对AODV进行优化改进，形成一种基于带宽控制的改进协议BAC_AODV(Bandwidth Reservation Control AODV)。主要包括三方面的内容:一是带宽估算;二是信道竞争节点数的确定;三是在路由建立过程中加入QoS控制管理。

2.1 带宽估算

带宽估算包括业务带宽需求(BWQ)、本节点剩余带宽(RBW)最小剩余带宽的估算(Min_RBW)三部分。

BWQ表示业务流在网络中传输时需要的带宽，当源节点发起路由寻找时，会在RREQ分组中携带该数值，即

式中:R表示分组产生率，不同的业务流类型具有不同的R值(如CBR，VBR);TDATA表示分组传输时间;C表示物理层传输信息时候的速率。

RBW表示节点自身剩余的带宽，可通过载波监听的方式计算得到，即

式中:Ti表示节点在一段TP的监听时间内，信道呈现为空闲状态的时间;C表示物理层传输信息时的速率。

对AODV协议Hello分组格式进行修改，加入自身的RBW值，Hello分组会周期性地广播给一跳距离内邻居，每个节点均可获得其所有邻居节点的剩余带宽N_RBWi。节点收到所有一跳内邻居节点的剩余带宽后，取最小值记为N_RBW，即

将式(2)和式(3)再取最小值，得

式中:RBW_min为最小剩余带宽，在路径寻找过程中使用该值进行建立路由的QoS控制管理。

2.2 带宽竞争节点数的确定

在IEEE802.11无线载波监听机制下，由于隐藏终端的原因，节点的通信不仅受到通信范围内节点的影响，也会受到干扰范围内节点的影响[6]。设干扰范围为通信范围的2倍，如图1所示，对B节点而言，1跳邻居节点A，F，C和2跳邻居节点S，D都会影响自己可以使用的带宽。

定义一个参数Ncn(带宽竞争节点数目)，表示节点传输RREQ时，可能会影响自己占用带宽的节点数目(包含节点自身)，考虑到RREQ是单向传输，本文对Ncn做了一种悲观的估算方法，即

图1 节点的通信范围和干扰范围

式中:d根据下一跳是否为目的端进行取值;m表示从源段开始的跳数。对于d而言，有

对于m而言，设中间节点到源节点的跳数为h，有m=min(h，2)。

2.3 路由建立与维护

当节点的路由表没有去往目的节点的路由记录时，则会广播发出RREQ分组进行路由发现，BAC_AODV协议对RREQ分组进行了修改，如图2所示。

图2 BAC_AODV修改后的RREQ格式

修改的RREQ分组利用原有的保留字段来携带BWQ值，去掉了节点序列号栏位，采用Flow_ID进行路由寻找和业务通信。不同的业务(如音频，视频)即使是同一个节点发出，其Flow_ID也会不相同。

中间节点收到RREQ后，将自己的RBW值与所有1跳邻居节点的N_RBW取最小值，得最小剩余带宽RBW_min(详见2.1小节所述)，并根据式(8)进行带宽判断。

如果满足该式，则表明该条路径上的带宽满足于业务带宽的需要，将相关信息写入路由表，否则不转发该RREQ，回传RRER分组，该路径被删除。

中间节点如果收到具有相同Flow_ID的RREQ，则比较与先到RREQ分组中的跳数，选择跳数少的RREQ分组同样使用式(8)进行QoS控制判断后再做转发，否则直接丢弃该RREQ。

目的节点收到RREQ后，回传RREP到源节点，RREP分组含有Flow_ID，中间节点根据Flow_ID建立业务去往目的节点的正向路径。

BAC_AODV协议是以源节点产生的Flow_ID对业务进行标识，当中间节点发现路由无效时，不再进行本地局部修复，而是直接广播携带Flow_ID的RRER分组给周围邻居节点。收到RRER的邻居，如果其路由表中有此Flow_ID相关信息栏，则继续转发RRER分组直到源节点;反之邻居节点则不再转发RRER。源节点收到RRER后，会重新发起路由建立过程。

3 仿真与分析

本文采用NS-2.35软件，模拟在无线自组网环境下[7]，使用VBR流承载MPEG-4视频业务，分析比较了在AODV和BAC_AODV两种路由协议下网络所表现出的性能差异。

仿真参数如下:网络范围1 200 m×1 200 m，50个无线通信节点随机分布;通信距离250 m，干扰距离500 m;仿真时间200 s，每隔2 s随机产生一条VBR业务流，共20条，根据文献[8]，VBR业务流的分组产生率R值取102 packet/s，适宜于MPEG-4视频格式的传输;MAC层采用IEEE802.11DCF模式，发送缓冲队列值最大为50 packet/s，最大业务数据单元MSDU为1 500 byte。

选取网络延时(Delay)、网络吞吐量(Throughput)、分组丢弃率(Dropping rate)和业务流阻塞率(Blocking rate)为网络性能指标。其中延时是指发送端到目的端的时间间隔;吞吐量表示单位时间内目的节点成功收到的数据分组;分组丢弃率表示节点丢弃分组与总数据分组的比值;业务流阻塞率表示被限制进入网络的业务流数。图3和图4是VBR业务流在两种协议下的吞吐量对比和延时对比。

图3 两种协议下的吞吐量对比

图4 两种协议下的延时对比

可以看出，业务流在10条的时候达到饱和，随着业务流的增多，AODV协议的吞吐量会逐渐下降，平均延时明显增大;由于BAC_AODV采用QoS允许接入控制策略，当节点负载过重时，会拒绝其他业务流的进入，从而得到一个比较稳定的吞吐量，而在延时方面，BAC_AODV的性能也优于AODV协议。

图5是两种协议下业务流的阻塞情况比较。AODV协议没有建立业务QoS机制，不具备带宽和拥塞控制管理功能，即便是网络负载非常严重时，也不会限制业务流的接入，因此其阻塞率一直为0;而BAC_AODV协议在业务到达饱和后，通过带宽估计和接入控制，会限制后续业务流进入网络。从图中可以看到，当网络负载为15条VBR时，阻塞率为16%左右，为20条时，阻塞率为35%。本次模拟场景中，BAC_AODV协议始终维持网络中的VBR业务流数量在12～13条，之所以阻塞后续的业务流，其目的是为了给正在进行通信的业务流提供有效的带宽，保障网络的QoS。

图5 两种协议下的业务流流阻塞率对比

当分组重传次数大于设定的最大次数依然无法成功投递，或分组数多于发送缓冲队列最大值，都会导致分组被丢弃。图6显示为AODV和BAC_AODV的分组丢弃率比较。

图6 两种协议的分组丢失率对比

可以看到，随着业务流数量的增加，两种协议下的分组丢失率均有不同程度的上升。当网络中业务达到饱和后，BAC_AODV会控制新的业务流进入网络，避免出现网络过度拥塞使分组大量被丢弃的情况，因此分组丢弃率保持较低幅度的增长，总体上没超过15%;而AODV协议的分组丢失率随着网络负载的加重增加非常明显，甚至超过50%，总体性能表现不如BAC_AODV优越。

4 结束语

本文在AODV的基础上，提出一种基于带宽估算的QoS路由策略BAC_AODV，利用hello-message包携带带宽信息广播给周围邻居，并以此作为业务接入网络的依据。节点在收到RREQ后进行控制判断，使建立的路径满足业务流的带宽需求。从仿真结果可以看出，在网络负载加重的情形下，BAC_AODV协议能够更好地控制网络流量，降缓解网络拥塞，且网络吞吐量和延时性能均比原AODV协议优越，提升了网络效率。

[1]陈林星，曾曦，曹毅.移动Ad Hoc网络[M].北京:电子工业出版社，2006.

[2]李鹏，刘宇，李庆华.一种基于剩余能量考虑的Ad Hoc网路由协议[J].计算机应用，2008，28(2):399-401.

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[5]周希林.一种改进的AODV路由协议[D].广州:中山大学，2010.

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[7]柯志亨，程荣祥，邓德隽.NS2仿真实验—多媒体和无线网络通信[M].北京:电子工业出版社，2009.

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