基于AODV協(xié)議的可靠路由研究

引 言

無線體域網(wǎng)（WBAN）通過部署在人體不同部位的傳感器對(duì)用戶的身體情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)[1]，雖然節(jié)點(diǎn)都分布在一個(gè)有限的范圍內(nèi)，但是節(jié)點(diǎn)間的多跳傳輸還是必要的[2]。隨著人體姿勢(shì)變化，無線體域網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生變化，之前可以通信的兩個(gè)節(jié)點(diǎn)可能會(huì)隨著人體的運(yùn)動(dòng)而不能直接通信 [3]。且信號(hào)穿過人體的損耗很高，直接通信可能會(huì)影響傳輸質(zhì)量。另外， 傳感器節(jié)點(diǎn)的傳輸功率是有限的，通過多跳傳輸可能更高效。探索隨著傳感器電量的變化，尋找更加合適的路由來提高系統(tǒng)QoS（服務(wù)質(zhì)量）的方法具有重要意義。

在文獻(xiàn) [4] 中，作者提出了一種適用于無線體域網(wǎng)的安全和可靠的路由框架，它可以集成一個(gè)特定的路由協(xié)議，以提高協(xié)議的可靠性并且可以防止數(shù)據(jù)通信過程中的數(shù)據(jù)注入攻擊。文獻(xiàn) [5] 提出了一個(gè)稱作 MBStar 的實(shí)時(shí)、高頻率、安全、可靠的路由協(xié)議。它利用信道跳頻以及信道黑名單來減少噪音的干擾，并通過支持公認(rèn)的傳輸和重傳輸來提高可靠性。MBStar 在設(shè)備接入認(rèn)證和數(shù)據(jù)加密中同時(shí)采用公鑰和私鑰機(jī)制。文獻(xiàn) [6] 提出了一種以數(shù)據(jù)為中心的多目標(biāo) QoS 感知協(xié)議用以解決體感網(wǎng)中的可靠性和延時(shí)問題[7]。它根據(jù)消息的重要性將數(shù)據(jù)分為不同的優(yōu)先級(jí)，從而提高系統(tǒng)的服務(wù)質(zhì)量。文獻(xiàn) [8] 提出了一種能量感知路由來提高系統(tǒng)的高效性和可靠性，它由呼叫協(xié)議、鄰節(jié)點(diǎn)構(gòu)建算法和路由表構(gòu)建算法三部分組成。實(shí)驗(yàn)表明，該方法在節(jié)點(diǎn)傳輸功率更低的情況下提高了傳輸?shù)目煽啃?，但是該方案只適用于室內(nèi)環(huán)境。

1 相關(guān)工作

1.1 傳感器節(jié)點(diǎn)組成

在本文提出的方案中，每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)都有自己的節(jié)點(diǎn)id，并且每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)都包含一個(gè)控制器，一個(gè)用來存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)器，以及一個(gè)收發(fā)器。

這些傳感器節(jié)點(diǎn)位于第一層，可以感知人體數(shù)據(jù)，作為消息的發(fā)送者，也可以作為中繼節(jié)點(diǎn)，這些節(jié)點(diǎn)都由處于第二層的協(xié)調(diào)器控制，傳感器節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)感知并傳輸給協(xié)調(diào)器， 再由協(xié)調(diào)器發(fā)送至處于第三層的醫(yī)療服務(wù)器。

1.2 直接模式與間接模式

為了使整個(gè)系統(tǒng)更加高效可靠，系統(tǒng)中的傳感器節(jié)點(diǎn)都有兩種模式 ：直接模式和間接模式，具體如圖 1 所示。

(1) 直接模式。直接模式時(shí)節(jié)點(diǎn)的傳輸功率更高，但要保證功率低于影響人體健康的限度，這時(shí)消息只需最少跳數(shù)即可到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)，所有節(jié)點(diǎn)都默認(rèn)為直接模式。

(2) 間接模式。當(dāng)傳感器的電池電量不足時(shí)，節(jié)點(diǎn)會(huì)轉(zhuǎn)為間接模式，這時(shí)傳感器節(jié)點(diǎn)只能與相鄰節(jié)點(diǎn)通信，因此傳輸一條消息需要更多跳數(shù)。

節(jié)點(diǎn)的兩種模式既可以通過手動(dòng)轉(zhuǎn)換，也可以通過節(jié)點(diǎn)計(jì)算電池電量來自動(dòng)轉(zhuǎn)換。

2 基于AODV協(xié)議的可靠路由RelAODV

在使用少量傳感器建立的自組網(wǎng)中DSDV（Destination Sequenced Distance Vector Routing）[9]目的序列距離矢量路由協(xié)議是十分有效的，但需要結(jié)點(diǎn)周期性的廣播路由更新分組來維護(hù)路由表。AODV（Adhoc On-Demand Distance VectorRouting）[10]按需距離矢量路由協(xié)議在DSDV 及其他類似協(xié)議的自組網(wǎng)的建立和維護(hù)方面做出了改進(jìn)。文中所有的傳感器節(jié)點(diǎn)都會(huì)在剩余電量的基礎(chǔ)上選擇直接模式或者間接模式，從而決定下一條節(jié)點(diǎn)。通常情況下，由于直接模式時(shí)節(jié)點(diǎn)傳輸功率大，且無線體域網(wǎng)中節(jié)點(diǎn)的相對(duì)移動(dòng)是在某一范圍內(nèi)，故節(jié)點(diǎn)處于直接模式時(shí)可靠性更高。

2.1 路由的建立 

源節(jié)點(diǎn)廣播 RREQ（路由請(qǐng)求）報(bào)文，所有的相鄰節(jié)點(diǎn) 都能收到，并且一個(gè)節(jié)點(diǎn)可以收到多個(gè) RREQ 報(bào)文。收到的 節(jié)點(diǎn)先查看報(bào)文中的目的地址是否為自身，如果不是自身且路 由表中沒有到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)的路徑，再檢查節(jié)點(diǎn)的模式，如果是 中繼模式，在跳數(shù)中加上一個(gè)中繼損耗值，再將 RREQ 報(bào)文 發(fā)送出去 ；如果自身路由表中有到達(dá)的路徑，并且路由項(xiàng)中的 目的序列號(hào)大于或等于 RREQ 中的目的序列號(hào)，節(jié)點(diǎn)檢查自身 的模式，如果是中繼模式，節(jié)點(diǎn)將跳數(shù)加一，再向源節(jié)點(diǎn)發(fā)送 RREP（路由回應(yīng)），并將所有中間節(jié)點(diǎn)路由表更新。

2.2 路由的維護(hù) 

當(dāng)消息通過節(jié)點(diǎn)路由表中的路由表成功送達(dá)后，說明這 個(gè)路徑是活躍的。當(dāng)活躍路徑中的某一節(jié)點(diǎn)模式發(fā)生變化或者 路徑斷開時(shí)，節(jié)點(diǎn)會(huì)向源節(jié)點(diǎn)發(fā)送一個(gè) RERR（路由錯(cuò)誤）信息， 告知源節(jié)點(diǎn)該路徑不可用，需要建立新的路由。

中繼節(jié)點(diǎn)選擇下一跳不僅僅依據(jù)下一節(jié)點(diǎn)是出于何種模 式，這是因?yàn)橥ㄟ^間接模式可能跳數(shù)更少，但是加上中繼損耗 值時(shí)跳數(shù)可能比直接模式多，這時(shí)可能會(huì)造成網(wǎng)絡(luò)擁塞，影 響系統(tǒng)服務(wù)質(zhì)量。知道節(jié)點(diǎn)處于哪一種模式有利于提高系統(tǒng)的 可靠性。加入中繼損耗是為了有利于選擇間接模式的節(jié)點(diǎn)為下 一節(jié)點(diǎn)，且中繼損耗值的選取很重要，如果太高，系統(tǒng)會(huì)一直 選擇處于直接模式的節(jié)點(diǎn)，太低又會(huì)使選擇直接模式或者中 間模式?jīng)]有太大意義。

通常情況下，鏈路斷開是由于節(jié)點(diǎn)電量耗盡。因此，本 文提出的方案中，通過模式的轉(zhuǎn)化，不會(huì)使系統(tǒng)產(chǎn)生大量的 RERR（路由錯(cuò)誤）信息。

可靠 AODV 路由協(xié)議中路徑的選擇如圖 2 所示，節(jié)點(diǎn) X 為源節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn) Y 為目的節(jié)點(diǎn)。當(dāng)節(jié)點(diǎn) X 廣播 RREQ（路由請(qǐng) 求）報(bào)文到達(dá)間接模式的節(jié)點(diǎn) b 時(shí)，在跳數(shù)中加上中繼損耗值 1，所以當(dāng)通過節(jié)點(diǎn) b 到達(dá)節(jié)點(diǎn) e 時(shí)跳數(shù)值為 3。因此系統(tǒng)會(huì) 選擇更優(yōu)的通過節(jié)點(diǎn) c 的路徑。盡管路徑 x → b → e → y 與路 徑 x → c → e → y 的中間節(jié)點(diǎn)數(shù)目相同，但后者因?yàn)槁窂街兴?有節(jié)點(diǎn)都是直接模式而被選取。 

3 性能分析 

圖 3 與圖 4 分別是暫停時(shí)間以及節(jié)點(diǎn)數(shù)量與數(shù)據(jù)包投遞 率的關(guān)系。數(shù)據(jù)包分組投遞率是成功接受數(shù)據(jù)包數(shù)量與發(fā)送 數(shù)據(jù)包數(shù)量的比值，當(dāng)暫停時(shí)間較小時(shí)，RelAODV 的分組投 遞率比 C-AODV 以及 AODV 都高，即 RelAODV 在節(jié)點(diǎn)隨人 體姿勢(shì)變化運(yùn)動(dòng)時(shí)表現(xiàn)得更好。圖 4 說明 RelAODV 在節(jié)點(diǎn)數(shù) 量較少時(shí)，可靠性更高，分組投遞率隨著節(jié)點(diǎn)數(shù)量的增加而 降低，但是都比其他兩種表現(xiàn)的更好?？傊?jīng)過仿真對(duì)比， RelAODV 的表現(xiàn)良好。

4 結(jié) 語

在體域網(wǎng)中，數(shù)據(jù)總是由感知傳感器傳送至協(xié)調(diào)器，目 的地址不變，但是傳感器節(jié)點(diǎn)會(huì)隨著人體的運(yùn)動(dòng)而變換相對(duì) 位置，造成傳輸路徑的變化。并且隨著節(jié)點(diǎn)電量的消耗，會(huì) 造成傳輸功率的變化從而影響系統(tǒng)服務(wù)質(zhì)量。文中所提到的方 案在這兩方面均有良好表現(xiàn)，使得系統(tǒng)在可靠性、高效性方 面表現(xiàn)的更為優(yōu)越。 

由于無線體域網(wǎng)中的信息種類可能不止一種，重要性也 不盡相同，所以在未來的研究中，筆者將對(duì)消息的分類與系統(tǒng) 中節(jié)點(diǎn)模式的轉(zhuǎn)化機(jī)制進(jìn)行更加深入的研究，在該系統(tǒng)的基礎(chǔ)上提出新的數(shù)據(jù)安全高效傳輸方法。