基于能量均衡的AODV协议的改进与仿真分析

孔繁硕+倪洋

摘 要：随着无线自组织网络的不断发展，其自有的特性为无线路由协议的设计提出了很大的挑战。为了提高AODV协议在Ad Hoc网络中的性能表现，文章提出了一种基于能量均衡的改进AODV协议（AODVKA）。AODVKA在路由发现阶段不以跳数作为路由决策的唯一因素，综合考虑跳数，节点剩余能量，节点未来预计的消耗能量以及邻居节点剩余能量四个因素，用一个灵活可调整权重的综合指标代替最短路径来决定最优路径。在NS-2仿真平台下对AODVKA和标准AODV协议的性能进行仿真和对比分析。实验结果表明，所提出的AODVKA在环境相同的场景下，能为无线自组织网络提供更好的服务质量，在网络性能方面和均衡能量方面相比原AODV协议有一定提高。

关键词：Ad hoc网络；AODV 路由协议；能量均衡；NS-2

中图分类号：TN929；TP39 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2017）05-00-05

0 引 言

无线自组织网络[1]是由许多中间节点构成的无线自治网络，节点可以自由移动，并且自带接收和发送路由控制信息和数据的功能，节点地位平等，依靠节点间的多级转发完成路由控制信息和数据的发送与传递。Ad Hoc网络中节点的能量主要来源于自身的电池[2]，若不考虑节点中的能量开销，某些中间节点很容易因为被整个网络过度使用而过早衰亡，从而降低整个网络的生存时间，并且会因为衰亡导致链路断裂引起路由中断，使分组时延增大，影响服务质量。Ad Hoc路由协议在供电设备局限和电池容量有限的情况下[3]，只能通过节能的方式实现长期运用和发展。因此，为避免节点间能量的浪费，以节点节能的思想为基础进行动态无线网络路由的选择和建立，均衡网络中整体节点的能量消耗，最大限度延长网络的生命周期，提高网络可靠性和效率成为当前研究的重点。

Ad Hoc 网络路由协议[4]的种类基本分为表驱动路由协议和按需驱动路由协议。表驱动路由协议的特点[5]是这类协议需要将每个节点到其他所有可达节点的信息存储在路由表中，在网络拓扑发生变化时及时进行路由信息的更新，其典型协议为DSDV；按需驱动路由协议的特点是只有源节点有向目的节点发送数据的需求，且路由表中没有可到达的路径时，才会开启路由发现。当路由发现完成后，不会周期性的维护网络，典型协议为DSR和AODV。与DSR相比，AODV在數据包的头部不再装载完整的路径信息，降低了网络的流量开销。

本文针对Ad Hoc网络中移动节点能量受限的问题，综合考虑跳数、能量因素，对AODV协议进行研究，改进了路由选择机制，不再单以跳数作为路由决策的唯一因素，综合考虑跳数，节点剩余能量，节点未来预计的消耗能量以及节点邻居节点平均剩余能量这四个因素，设计一个灵活可调整权重的综合指标代替最短路径来确定最优路径。

1 相关研究

1.1 AODV路由协议

AODV协议是一种按需路由协议，当源节点需要传输数据时，会尝试在自己和目的地之间建立一条路径。首先广播路由请求报文（RREQ）[6]，其中附加目的节点信息，当中间节点收到并处理RREQ后，则根据RREQ信息在路由表中记录到源节点的反向路由，然后根据是否收到重复的RREQ来决定是否进行转发。如果是目的节点收到RREQ，或者路由表中含有到目的节点路由的中间节点，它会使用刚刚建立的到源节点的反向路由发送一个路由应答报文（RREP）。同时中间节点在收到和转发RREP的过程中，在路由表中建立到目的节点的反向路由。当源节点收到RREP时，源节点使用拥有最新目的节点序列号和最小跳数的路由来发送数据。当链路发生断裂时，中间节点会决策使用局部修复，或者发送路由错误报文（RERR）到源节点，源节点收到RERR报文后，开启新一轮的路由发现。具体AODV的路由发现过程如图1，图2所示。

1.2 研究背景

随着无线自组织网络的不断发展，其自有的特性给无线路由协议的设计带来很大的挑战。有限的节点能量，受限的网络带宽，多跳传输方式带来的时延等瓶颈都不可避免的制约着Ad Hoc网络应用的发展[7]。近年来，许多学者致力于改进AODV路由协议以提高其在Ad Hoc网络中的性能表现[8]。能量意识，网络负载等因素被引入AODV协议中。然而许多改进的协议在最优路径的决策上仍使用单一的指标作为评价标准[9]，而协议在网络中的性能往往由很多因素共同作用决定，单一的评价标准容易漏掉其他关键因素。

从以上分析出发，本文提出了一种综合跳数和能量的路由选择机制，在标准AODV协议的基础上，综合考虑跳数，节点剩余能量，未来预计消耗能量和邻居节点平均剩余能量四个因素在路由发现过程中的作用，设计了一个灵活可调整权重的综合指标来代替最短路径作为最优路径的决策方法，从而达到整个网络的能量均衡，提高网络性能的同时，最大程度延长网络生存时间。

2 AODVKA的路由发现机制的设计

2.1 权重因素的量化

在本文中，路由发现过程路径选择的权重因素由跳数，剩余能量，未来预计消耗能量和邻居节点平均剩余能量组成。按如下方式对这些因素作量化设计。

AODVKA协议沿用了原协议中的跳数因素，以式（1）的形式展示：

（1）

其中， NHop代表从源端到此节点的跳数值（Hops） ，N代表整个网络拓扑中的总节点数。Mh越小，表明跳数越小，被选作中间节点的机会越大。

剩余能量的量化形式见式（2）：

（2）

其中，Er代表节点自身的剩余能量值； Ei代表节点在网络初始化时的最初能量值。随着节点发送，接收事件的发生以及待机所带来的能量消耗，Er值会逐渐减小。为了使得剩余能量指标值与最优路径的选择呈现指标值越小，路径越好的趋势，将Mer转变为能量指标Me， 如式（3）所示：