ZigBee无线传感网中AODV jr路由协议研究

王　宁　李英伟

（1.91336部队　秦皇岛　066000）（2.燕山大学信息科学与工程学院　秦皇岛　066004）

1　引言

无线传感网络是由大量的传感器节点组成的自组织网络，目前ZigBee协议是无线传感网络中较常用的通信协议，ZigBee是一种短距离无线通信技术，具有成本低、功耗低、复杂度低、网络容量大、可靠性高等优势［1～2］。该协议网络层采用Cluster-Tree和AODVjr路由算法［3～5］。本文重点研究AODVjr协议，通过减少路由请求分组（RREQ）的发送次数和TTL的初始值以及缩短故障路由的生存时间的方式来降低路由开销，从而降低整个网络的能量消耗，延长网络生命期。经过NS2仿真，证实了改进后的AODVjr协议有效地降低了路由开销，且保持了其他方面性能的优越性。

2　AODV jr路由协议存在的问题及解决方法

首先，在AODVjr路由协议的路由发现过程和路由维护过程中需要大量发送路由请求分组（RREQ），这会带来巨大的路由开销甚至引发RREQ广播风暴。在这些过程中如果能在不影响或不显著影响路由性能的前提下，减少路由请求分组（RREQ）的发送次数和TTL的初始值则可以有效地降低由此带来的路由开销。其次，在AODVjr路由协议中存在着一个路由生存时间的概念，这是每一条处于活跃状态的路由都会具备的一个属性。这里有两种情况：第一，在路由发现过程中路由生存时间等于当前时间与接收请求分组RREQ时更新的路由生存时间之和。第二，当目的节点接收到请求分组RREQ并作出响应RREP，响应分组RREP回发过程中，所经过的节点根据响应分组RREP对自己的路由表加以更新，其路由生存时间值更新为当前时间与接收响应分组RREP时更新的路由生存时间之和。在AODVjr路由协议中，为了保证在网络拓扑频繁变化的前提下，路由依旧能够表现出良好的稳定性，往往会将路由生存时间设置较大，我们可以通过控制相应参数值来减低故障路由的生存时间，从而降低整个网络在故障路由上的额外开销，达到降低路由开销的目的。

3　仿真结果分析

本文中对AODVjr改进的主要目的是降低路由开销，以延长传感网络的生命期，同时兼顾改进后路由协议的其他方面性能。本文中将改进后的路由协议命名为AODVjr-new。本文中从归一化路由开销、数据分组的送达率和平均吞吐量三方面对两种路由协议进行了评估分析。具体仿真结果如下。

1）归一化路由开销（Normalized routing load）［6～7］。一般来说，在无线网络中传输包的类型包括数据包和控制包两种。由于在无线传输过程中两种传输包共用同一信道资源，而且数据包的开销是刚性需求，所以控制包的开销大小是系统开销的重要影响因素。以此作为理论依据，给出的归一化路由开销定义为每传输一个数据包所需要的控制包数量，这可以直观地反映出路由协议的开销情况。归一化路由开销越小，意味着路由协议在路由寻找过程中发送的控制包数量越少、占用的带宽越小，继而所造成的节点能量消耗越少，即能量使用率越高。通过编写awk程序对不同节点运行速率和节点在目的地的停留时间变化情况下得到的trace文件进行归一化路由开销分析，对结果进行整理之后绘制了图1和图2。

从图中可以看出改进优化后的AODVjr-new路由协议在节点平均停留时间和节点移动速率变化的情况下，其归一化路由开销均明显小于同样情况下AODVjr路由协议的归一化路由开销，这主要是因为改进后的路由协议AODVjr-new一方面减少了路由请求分组（RREQ）的发送数量及单个节点的路由请求次数，另一方面由于降低了故障路由的生存时间，从而有效地降低了路由发现过程中的开销，从而减少了节点能量的额外消耗，可有效地提高整个网络的生存时间。

图1　平均停留时间改变情况下的路由开销

图2　最大速率改变情况下的路由开销

2）数据分组的送达率（Packet Delivery Fraction）［8～9］，其定义为，目的节点成功接收的数据分组数量与源节点发送的总数据分组数量的百分比，它表示了路由协议的可靠性。通过编写相应的awk程序对不同情况下的得到的trace文件进行数据分组的送达率分析，对结果进行整理之后绘制了图3和图4。

图3　平均停留时间改变情况下的分组送达率

从以上两曲线图可以看出改进优化后得到的的AODVjr-new路由协议在节点平均停留时间改变和节点最大移动速率改变的情况下，其数据送达率与原AODVjr路由协议的数据分组送达率在各参考位上的表现都比较接近，即改进优化后得到的路由协议虽然没有实现传输数据分组投递率的显著提高，但也未对原路由协议的分组送达率性能带来明显的负面影响，所以改进后的协议具备保持链路连通性的能力，可以保证数据的正常有效传输。

图4　最大速率改变情况下的分组送达率

3）平均吞吐量（Average throughput）［10］，路由的平均吞吐量是指网络节点在单位时间内能够接收的数据量，常用单位为Mbit/s或Kbit/s，表现了路由承载数据的能力，是路由性能的重要指标，吞吐量越大一定程度上说明路由的性能越好。通过编写相应的的awk程序对不同情况下的得到的trace文件进行路由发起频率分析，对结果进行整理之后绘制了图5和图6，直观地给出了在不同节点运行速率和节点在目的地的停留时间变化时，AODVjr和AODVjr-new两种路由协议的平均吞吐量情况比较。

图5　平均停留时间改变情况下的平均吞吐量

从图5的对比结果可以看出改进优化后的AODVjr-new路由协议在大部分位置的表现均优于原AODVjr路由协议，而在曲线图6中AODVjr-new路由协议的表现基本与AODVjr路由协议持平，只在个别点出现吞吐量降低的情况，即改进后的AODVjr-new具备良好的数据承载能力。

图6　最大速率改变情况下的平均吞吐量

4　结语

本文对AODVjr路由协议存在的问题作了分析并提出了解决方法，在此基础上对原路由协议作了改进优化，并形成了改进后的AODVjr-new路由协议，并通过NS2网络仿真模拟器对AODVjr和AODVjr-new路由协议做了仿真性能比较，对AODVjr-new路由协议的预期性能作了验证，比较的性能指标项包括归一化路由开销，数据分组的送达率和平均吞吐量三方面。结果证明AODVjr-new路由协议相比较原AODVjr路由协议可以有效地降低开销，且其他方面的性能也能满足需要。

［1］Huang L C，Chang H C，Chen CC，etal.ZigBee-based Monitoring and Protection System for Building Electrical Safety［J］.EnergyandBuildings，2011，43（6） ：1418-1426.

［2］钱志鸿，朱爽，王雪.基于分簇机制的ZigBee混合路由能量优化算法［J］.计算机学报，2013，36（3）：485-493.QIAN Zhihong，ZHU Shuang，WANG Xue.An Energy Optimization Algorithm for ZigBee Hybrid Routing Based on Clustering Mechanism［J］.Chinese Journal of Computers，2013，36（3）：485-493.

［3］QianZhi-hong，ZhuShuang，WangXue.An Cluster-Based ZigBee Routing Algorithm for Network Energy Optimization［J］.Chinese Journal of Computers，2013，36（3）：485-493.

［4］高圣国，王汉兴，胡细.一个优化的AODV路由协议［J］.计算机工程与应用，2007，43（3）：128-130.GAO Shengguo，WANG Hanxing，HU Xi.An optimized AODV routing protocol［J］.Computer Engineering and Applications，2007，43（3）：128-130.

［5］Ren Weil，Yeung D.Y.，Jin Hai.TCP performance evaluation over AODV and DSDV in RW and SNmobilitymodels［J］.Journel of Zhejiang University，2006，7（10）：1683-1689.

［6］Pan Q，Wu J，Wang Y，et al.Implementation of ZigBee Network Layer Based on AODVjr and Tree Hirarchical Route Algorisms［J］.Journal of Software Engineering&Applications，2011，4（8）：487-490.

［7］Wu Qiang，Fan Jianhua，Kan Baoqiang.Design of Low Overhead Opportunistic Routing Protocol forWireless Network Coding［J］.Computer Engineering，2014，40（2）：21-25，30.

［8］吴强，范建华，阚宝强，等.低开销的无线网络编码机会路由协议设计［J］.计算机工程，2014，40（2）：21-25，30.WU Qiang，FAN Jianhua，KAN Baoqiang，etal.Low overhead wireless network coding opportunities for routing protocol design［J］.Computer engineering，2014，40（2）：21-25，30.

［9］Cheng G，Song M，Zhang Y，et al.Routing protocol based on social characteristics for opportunistic networks［J］.The Journalof China Universities of Posts and Telecommunications，2014，21（1）：67-103.

［10］Eiman，Biswanath M.A Survey on Routing Algorithms for Wireless Ad-Hoc and Mesh Networks［J］.Computer Networks，2012，56（2）：940-965.