無線傳感器網(wǎng)絡(luò)AODV路由算法改進(jìn)

[摘 要] 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的傳統(tǒng)路由層協(xié)議中，在進(jìn)行路由選擇時，僅僅根據(jù)能量最優(yōu)或者最短路徑作為依據(jù)，沒有考慮節(jié)點的鏈路狀態(tài)信息。結(jié)合物理層狀態(tài)對路由的影響，對AODV算法進(jìn)行改進(jìn)，計算出節(jié)點的最優(yōu)發(fā)送功率，有效降低節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)的能耗。

[關(guān) 鍵 詞] AODV，最優(yōu)發(fā)送功率，路由協(xié)議，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)

[中圖分類號] TN929.5 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼] A [文章編號] 2096-0603（2016）36-0165-01

一、引言

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議設(shè)計中，在進(jìn)行路由選擇時候，根據(jù)能量最優(yōu)或者最短路徑作為依據(jù)，沒有考慮節(jié)點的鏈路狀態(tài)信息。本文結(jié)合物理層狀態(tài)對路由的影響，對AODV算法進(jìn)行改進(jìn)，在路徑建立階段根據(jù)節(jié)點代價能耗和剩余能量的權(quán)值函數(shù)，使用貪婪算法選擇最優(yōu)節(jié)點。節(jié)點之間發(fā)送數(shù)據(jù)幀時，物理層計算最優(yōu)功率后，采用最小功率轉(zhuǎn)發(fā)來解決隱藏終端的問題，進(jìn)而節(jié)省能耗。

二、系統(tǒng)模型和定義

為簡化系統(tǒng)模型，對網(wǎng)絡(luò)作以下合理假設(shè)：

（一）傳感器節(jié)點隨機均勻分布在正方形監(jiān)測區(qū)域，Sink節(jié)點在監(jiān)測區(qū)域外。

（二）所有節(jié)點一旦部署，不再發(fā)生移動。

（三）節(jié)點初始能量值相同，Sink節(jié)點能量不受限制。

文獻(xiàn)中提到，節(jié)點傳輸1bit信息100m消耗的能量與節(jié)點執(zhí)行3000條指令消耗的能量等同，通信模塊的能耗成為考慮重點。本文采用相同的無線信道模型及能量消耗模型。

三、路由協(xié)議中節(jié)點最優(yōu)發(fā)送功率

假設(shè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點之間的距離都滿足d

在進(jìn)行路由選擇的時候，根據(jù)下一跳節(jié)點到匯點的加權(quán)通信代價，計算節(jié)點作為下一跳轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點的概率，使網(wǎng)絡(luò)能耗均衡。用Cost（i）表示節(jié)點i到匯點的期望代價，各條路徑的通信代價的加權(quán)平均值就是期望代價值。路徑建立步驟如下：

步驟1：由匯點開始，采用經(jīng)典洪泛協(xié)議，廣播路徑建立請求REQ，其中REQ消息幀部分字段如下表所示。Ds和節(jié)點到匯點的期望代價Cost初始值為0。

步驟2：如果節(jié)點i收到j(luò)發(fā)來的REQ消息后，發(fā)現(xiàn)自身的Ds值大于節(jié)點j的Ds值，則選擇轉(zhuǎn)發(fā)該消息，更新發(fā)送節(jié)點ID和節(jié)點地址addr，記錄自身到匯點距離，并重新計算節(jié)點到匯點的通信代價值。

步驟3：根據(jù)計算出節(jié)點i到j(luò)的最優(yōu)發(fā)送功率MinPt （i），并將節(jié)點j加入到i路由緩存表中，并在緩存表中存儲節(jié)點j的ID，節(jié)點地址，距離匯點距離Ds，節(jié)點到匯點的通信代價Cost，節(jié)點剩余能量Eleft。最優(yōu)功率計算公式：MinPt （i）=Pt （j）/Pr （i）*RT（j）.

步驟4：節(jié)點的路由緩存表建立好后，節(jié)點開始計算每個下一跳節(jié)點選擇的概率，概率與能耗成反比。

步驟5：根據(jù)節(jié)點選擇概率和能耗計算節(jié)點到匯點各條路徑能耗代價的加權(quán)平均值。

四、實驗結(jié)果

仿真中51個節(jié)點隨機均勻分布在1000m×1000m的方形區(qū)域內(nèi)，Sink節(jié)點位于區(qū)域中心，坐標(biāo)為（500，500）。節(jié)點最大通信距離250m，節(jié)點采用多跳方式傳遞數(shù)據(jù)到Sink節(jié)點。

MAC層的初始占空比均設(shè)為10%，偵聽睡眠周期為1.6s，偵聽時間0.16s，節(jié)點發(fā)送速率為200kb/s。

網(wǎng)絡(luò)流量不斷變化，節(jié)點發(fā)送間隔固定為1s。仿真時間越長，Sink節(jié)點接收到的數(shù)據(jù)包數(shù)越多，節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)時，采用自適應(yīng)調(diào)整最優(yōu)功率，減少通信次數(shù)和節(jié)點空閑偵聽能耗，在匯點接收到相同的數(shù)據(jù)包個數(shù)時，該協(xié)議消耗的網(wǎng)絡(luò)小于AODV協(xié)議，接收2200個數(shù)據(jù)包時，節(jié)約能耗約15%。

五、小結(jié)

在ADOV路由協(xié)議中，路徑選擇的時候，根據(jù)接口函數(shù)調(diào)用物理層，計算最優(yōu)發(fā)送功率值并在發(fā)送數(shù)據(jù)幀的時候采用最優(yōu)發(fā)送功率節(jié)省能耗。仿真實驗證明與路由層采用ADOV協(xié)議相比，在數(shù)據(jù)發(fā)送間隔固定時，Sink節(jié)點接收數(shù)據(jù)包一定的情況下，本協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)總能耗更少。

參考文獻(xiàn)：

[1]張智威，孫子文.基于蟻群算法的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點可信安全路由[J].傳感技術(shù)學(xué)報，2016，29（2）：256-263.

[2]王杉，魏急波.一種新的跨層功率控制無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議[J].傳感技術(shù)學(xué)報，2008，21（8）：1402-1405.

[3]李丹，陳傳峰.一種能量感知型無線傳感器網(wǎng)絡(luò)跨層式通信協(xié)議[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2009，32（5）：7-10.

[4]張永梅，楊沖，馬禮，等.一種低功耗的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點設(shè)計方法[J].計算機工程，2012，38（3）：71-73.