一種改進(jìn)的海上無線傳感網(wǎng)動(dòng)態(tài)源路由算法

引 言

0 引 言

近年來，研究人員考慮將無線傳感網(wǎng)推廣應(yīng)用于海事搜 救和海洋監(jiān)測領(lǐng)域 [1]。但海上無線傳感網(wǎng)路由方案的設(shè)計(jì)面 臨一些嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，提高惡劣海洋環(huán)境下網(wǎng)絡(luò)的性能，設(shè)計(jì)出 一種確保數(shù)據(jù)可靠傳輸?shù)穆酚蓪Ｉ蠎?yīng)用而言具有重要意義。 由于源路由算法的動(dòng)態(tài)源路由（DSR）協(xié)議網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)緩存 多到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)的源路由，使該協(xié)議對網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓哂休^快 的反應(yīng)速度，因此可以提供快速反應(yīng)式服務(wù)，較好地保證了 數(shù)據(jù)的有效傳輸 [2]。但該路由協(xié)議存在一些缺陷：在高度動(dòng) 態(tài)性的環(huán)境中，頻繁的鏈路斷裂導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸率較低 [3] ；效 率低下的路由發(fā)現(xiàn)機(jī)制造成了較大的傳輸延遲和較高的路由開 銷 [4] ；產(chǎn)生的能耗較大 [5]。

現(xiàn)階段，針對動(dòng)態(tài)源路由協(xié)議提出了很多改進(jìn)和優(yōu)化。 文獻(xiàn) [6，7] 針對 DSR 路由緩存中失效路由導(dǎo)致協(xié)議性能下降 的問題，提出了改進(jìn)的 DSR 路由協(xié)議，使節(jié)點(diǎn)能夠及時(shí)更新 緩存中的失效路由，但該方案無法減少路由開銷。在路由發(fā)現(xiàn) 的過程中，文獻(xiàn) [8，9] 提出了一些控制數(shù)據(jù)包的洪泛技術(shù)以 減少路由開銷，但未必能夠找到有效的路徑。

因此，本文提出一種改進(jìn)型動(dòng)態(tài)源路由（I-DSR）算法， 以提高路由效率。該算法能較好地滿足海上無線傳感網(wǎng)路由的 要求，在保證節(jié)省能耗和延長網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)了較 高的數(shù)據(jù)傳輸率，克服了已有路由算法的不足。

1 改進(jìn)型動(dòng)態(tài)源路由算法設(shè)計(jì)

1.1 路由控制包

動(dòng)態(tài)源路由發(fā)現(xiàn)過程需要兩種控制數(shù)據(jù)包，即路由請求 （RREQ）和路由應(yīng)答（RREP）。本文提出的增強(qiáng)型動(dòng)態(tài)源路 由算法需要修改傳統(tǒng)動(dòng)態(tài)源路由控制數(shù)據(jù)包格式以適應(yīng)本算 法的路由機(jī)制，路由控制包格式見表 1 所列。

在路由發(fā)現(xiàn)過程中，源節(jié)點(diǎn)發(fā)送路由請求控制數(shù)據(jù)包RREQ，搜索到目的節(jié)點(diǎn)的路徑，并更新控制包的信息。請求控制包包含源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)地址，跳數(shù) Hc 初始設(shè)置為 0， 隨著數(shù)據(jù)包在網(wǎng)絡(luò)中傳播，每通過一個(gè)中間節(jié)點(diǎn)跳數(shù)便加 1， 當(dāng)數(shù)據(jù)包發(fā)送到目的節(jié)點(diǎn)時(shí)，該跳數(shù)即為路徑所有跳數(shù)。使用路徑擁塞度度量值 Rc 衡量整條路徑的擁塞水平，由中間路徑和節(jié)點(diǎn)擁塞度表示。路徑可靠性度量值 Rr 由每一個(gè)中間鏈路的連通性決定，表明整條路徑能維持較長時(shí)間的連通性。Er 表示路徑剩余能量，其值為路徑中節(jié)點(diǎn)的最小剩余能量。在通過周期性的信息交換后，節(jié)點(diǎn)獲取鄰居節(jié)點(diǎn)的剩余能量信息， 保存在自己的緩存中。路由控制包每經(jīng)過一個(gè)中間節(jié)點(diǎn)，就會(huì)比較節(jié)點(diǎn)的剩余能量，選擇剩余能量較小值更新控制包中的Er。類型表示控制數(shù)據(jù)包的種類，即 RREQ 為1，RREP 為 0。中間節(jié)點(diǎn)地址棧INA 存儲(chǔ)路由請求數(shù)據(jù)包在網(wǎng)絡(luò)中傳輸經(jīng)過的所有中間節(jié)點(diǎn)的地址。

1.2 路由發(fā)現(xiàn)

當(dāng)源節(jié)點(diǎn)需要發(fā)送數(shù)據(jù)包時(shí)，就會(huì)啟動(dòng)路由發(fā)現(xiàn)過程尋找一條到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)的路由，并向網(wǎng)絡(luò)廣播路由請求控制包。路由請求控制包在選擇下一跳節(jié)點(diǎn)時(shí)，會(huì)綜合考慮路徑的可靠性、擁塞度、剩余能量以及跳數(shù)，從而找到具有較高可靠性、較低擁塞度、較少跳數(shù)和剩余能量較高的路徑，在保證路由效率的同時(shí)，降低能量消耗，均衡網(wǎng)絡(luò)負(fù)載，延長網(wǎng)絡(luò)的生存時(shí)間。路由發(fā)現(xiàn)過程如圖 1 所示。

目的節(jié)點(diǎn)收到請求控制包后向源節(jié)點(diǎn)返回一個(gè)應(yīng)答控制包 RREP，源節(jié)點(diǎn)接收到 RREP 控制包后便完成了路由發(fā)現(xiàn)過程，產(chǎn)生了一條到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)的源路由。在路由選擇時(shí)，第一個(gè) RREP 控制包到達(dá)，產(chǎn)生一條路徑，發(fā)送節(jié)點(diǎn)使用該路徑發(fā)送數(shù)據(jù)分組。當(dāng)發(fā)送節(jié)點(diǎn)再次收到一個(gè)應(yīng)答數(shù)據(jù)包后，便產(chǎn)生另外一條路由，根據(jù)跳數(shù)、路徑可靠性度量值、擁塞度量值和剩余能量，比較兩者路徑性能值的大小，選擇較好的一條路徑發(fā)送數(shù)據(jù)分組。直到收到最后一個(gè)路由應(yīng)答控制包， 路由選擇過程結(jié)束。

2 仿真結(jié)果與分析

本文使用Linux 系統(tǒng)下的網(wǎng)絡(luò)仿真工具NS2 模擬所需的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，對提出的I-DSR算法進(jìn)行仿真，并與DSR[10] 算 法進(jìn)行比較。仿真場景為在 1000m1000m范圍內(nèi)隨機(jī)部署150個(gè)節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)模型為RWP（RandomWayPoint， RWP），其最大移動(dòng)速度為10m/s。本文從數(shù)據(jù)傳輸率、能耗和網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間三個(gè)方面對兩種算法進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)生存 時(shí)間為死亡節(jié)點(diǎn)數(shù)量達(dá)到節(jié)點(diǎn)總數(shù)的 20% 時(shí)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行的時(shí)間。

圖 2所示為本文算法與DSR 算法數(shù)據(jù)傳輸率的比較。

從圖中可以看出，本文提出的算法有較高的傳輸率，原因在于本文算法有效地預(yù)測了路徑的可靠性和擁塞度，從而發(fā)現(xiàn)了比較可靠的路徑，減少了數(shù)據(jù)丟失和傳輸延時(shí)，提高了數(shù)據(jù)傳輸率。

圖 3 所示為能耗的比較。從圖中可以看出I-DSR 算法比DSR 算法更節(jié)能，原因在于DSR 在網(wǎng)絡(luò)中盲目泛洪路由請求控制包，而本文算法選擇了相對可靠的路徑發(fā)送路由請求，減少了路由開銷，節(jié)省了能量。

圖 4 所示為網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間的比較。從圖中可以看出，死 亡節(jié)點(diǎn)數(shù)為 30（達(dá)到總結(jié)點(diǎn)數(shù)的 20%）時(shí)，對應(yīng)的時(shí)間分別 為 235 和 280，因此本文算法較 DSR 方法延長了網(wǎng)絡(luò)生存時(shí) 間。本文算法不僅能夠節(jié)省節(jié)點(diǎn)能量，更在選擇路徑時(shí)，考慮 了路徑的剩余能量，具有較多剩余能量的路徑被使用的可能 性更大，這在一定程度上均衡了網(wǎng)絡(luò)負(fù)載，避免了節(jié)點(diǎn)因負(fù)載 過大，能量耗盡而過早死亡，從而減少了死亡節(jié)點(diǎn)的數(shù)量，相 比 DSR 算法延長了網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間。

3 結(jié) 語

本文針對海上無線傳感網(wǎng)路由方案存在的問題和挑戰(zhàn)， 引入了動(dòng)態(tài)源路由機(jī)制，提出了一種改進(jìn)型動(dòng)態(tài)源路由算法。該路由方案通過發(fā)現(xiàn)并選擇具有較低擁塞度、較高可靠性、 較少跳數(shù)和剩余能量較高的路徑傳輸數(shù)據(jù)分組，實(shí)現(xiàn)了較高 的數(shù)據(jù)傳輸率，節(jié)省了能量，并延長了網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間。若將本 文算法應(yīng)用到海上無線傳感網(wǎng)，將大大提高海上搜救和海洋 監(jiān)測效率。