CN104869605A - 一种基于应急通信的aodv路由稳定度算法改进方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于应急通信的AODV路由稳定度改进方法，该方法涉及AODV路由协议中链路稳定度参考值的衡量以及根据链路稳定度寻找路由的方案。该方法首先根据收到的HELLO消息的时间间隔计算链路稳定度，然后将下一跳节点的链路稳定度添加到RREQ消息中，在路由跳数允许范围内，寻找所有可用路由，选择路由稳定度最大的路由向源节点回复RREP消息。采用本发明技术方案，可以提高Ad Hoc网络的路由有效连接时间，降低网络节点功耗，达到较稳定的通信服务质量。

Description

一种基于应急通信的AODV路由稳定度算法改进方法

技术领域

本发明涉及无线移动通信领域中无线自组织网络(Ad Hoc)的应用，尤其是涉及Ad Hoc网络中路由协议—AODV路由协议的改进算法。

背景技术

Ad Hoc网络作为一种无线移动通信网络，具有应急救援需要的特点：无需固定的基础设施，布网方便；能够快速有效组网；网络中节点地位平等，具有较强的抗毁性和鲁棒性。所以，在现有的应急通信系统中，部署Ad Hoc网络可以在一定程度上解决紧急救援问题。而且，通过对Ad Hoc网络的路由协议的研究，可以进一步对网络的组网进行优化，寻找更好的数据传输方案。

Ad Hoc路由协议分为主动式、按需式和混合式路由协议，其中按需式路由协议相比其他类型的路由协议能够降低网络的功耗，这是由于只有源节点需要传输数据包时才开始创建路由，直至路由异常中断或不再需要时才停止维护。AODV路由协议是按需路由协议的一种，是使用最广泛的按需路由协议，对于中小规模低速移动的Ad Hoc网络具有良好的性能，可以应用在应急通信中作为临时性网络。但是AODV路由协议规定寻找的是具有最小延时路由，也就是目的节点只对第一次收到的RREQ(Route Request,路由请求)消息进行回复RREP(Route Response,路由回复)消息，这样造成选择的链路可能不稳定，进而会造成选择的路由不一定是最稳定的路由，而应急通信系统中是非常需要路由的稳定性。

经过对现有技术文献的检索发现，公开号CN102413538A的专利文献公开了一种基于AODV且考虑延时能量节省的路由改进方法，其提出通过判断节点剩余能量选择转发节点，选择一条能耗最小的路由。公开号CN102769888A的专利文献公开了一种用于车载Ad Hoc网络基于改进AODV协议的方法，其提出发送给邻节点一些信息，包括节点位置、速度、方法及路由期满时间，计算相邻节点间的稳定度。公开号CN103856399A的专利文献公开了一种基于稳定性的Ad Hoc备份路由算法，提出增加备份路由的策略，当主路由断裂，选择优先级高的备份路由继续传输数据。公开号CN102036337A的专利文献公开了一种基于改进AODV协议的通信方法，其提出的判断稳定性方式是通过选择与发送HELLO消息时间间隔相同的时间内判断邻居节点集的变化率，最后将路由上的邻居节点集的变化率连乘得到路由的稳定度。

但是以上各种方法对解决AODV路由协议在应急系统中稳定性低的问题，都还存在进一步改进的必要。

发明内容

鉴于AODV路由协议在应急系统中的不足，即稳定性低的问题，本发明提供了一种实现高稳定性、可持续性的AODV路由算法。本发明是通过在某时间内接收一定数目的HELLO消息，再通过观察收到的HELLO时间间隔得到与邻节点的链路稳定度，最后将该路由上链路稳定度连乘得到路由稳定度，采用本发明算法能够提高Ad Hoc网络的路由有效连接时间，进而降低网络节点功耗，从而达到较稳定的通信服务质量，是非常适合于应急通信系统中的Ad Hoc网络。

为了实现上述目的，本发明提供一种基于应急通信的AODV路由稳定度改进方法，其原理为：本节点周期性收到来自相邻节点的HELLO消息，如果接收的HELLO消息的时间间隔变化很小，表示某个相邻节点移动不频繁，此条链路就越稳定；如果接收的HELLO消息时间间隔不同且变化很快，表示节点移动频繁；如果在一段时间内没有收到HELLO消息，表示链路状态很差，可以认为此条链路断裂。其中包括以下步骤：

S1：改进HELLO消息域格式，所有节点接收来自邻节点的HELLO消息，记录接收的HELLO消息时间；

S2：根据S1判断相邻节点之间的链路稳定度；

S3：通过HELLO消息将链路稳定度记录在路由表中，且每当链路断开后更新；

S4：当源节点需要传输数据时，首先判断网络中是否存在一条可达目的节点的路由，存在则直接传输数据，否则产生RREQ消息，将稳定度添加到RREQ消息中；

S5：在跳数允许的范围内，寻找到达目的节点，目的节点根据链路稳定度，判断该路由稳定度，选择路由稳定度最高的路由回送RREP消息到源节点。

S4和S5也可描述为：源节点需要传输数据时，先查找是否存在一条可达目的节点的可用路由，如果有则发送数据，否则源节点开始向邻节点发送RREQ消息，将路由表中已存储的邻节点链路稳定度添加到RREQ消息中，其中链路稳定度低的节点不再作为转发节点，经过若干中间节点后，目的节点第一次接收到RREQ消息，并继续接收其他路径到达的RREQ消息，当路由跳数大于6时，不再接收，最后从所有可用路由中选择路由稳定度最大的路由回送RREP消息给源节点。

进一步，S1中所述改进HELLO消息域格式包括类型、目的节点IP地址、目的节点序列号、源节点IP地址、跳数、寿命、邻节点链路稳定度。

S3中所述的路由表是在原AODV路由协议中路由表下一跳节点条目上新增其链路稳定度条目，新的路由表条目包括目的节点IP地址、目的节点序列号、网络接口、下一跳节点IP地址、下一跳链路稳定度，预发送节点列表，路由寿命、其他状态和路由标志。

S4所述的RREQ消息，新增至少5个消息组成域，存储每一跳的链路稳定度，其格式组成包括类型、保留位、跳数、路由请求识别码、目的节点IP地址、目的节点序列号、源节点IP地址、源节点序列号、链路1稳定度、链路2稳定度……链路n稳定度，其中n<6。

S2所示的判断链路稳定度的方法，包括以下步骤：

S21：设第一次收到HELLO消息的时间为t₀，第二次接收到HELLO消息的时间为t₁，计算接收HELLO消息的时间差Δt₁＝t₁-t₀；

S22：设收到HELLO消息的次数为m，记录HELLO消息达到该节点的时间间隔为Δt₂、Δt₃……Δt_m-1，其中Δt_m-1为第m-1、m次收到HELLO消息的时间间隔，且判断稳定度的方法中设置所述收到HELLO消息的次数m＝20；

S23：计算每次收到HELLO消息的时间间隔的均值和方差：

均值为 $E=\frac{1}{m-1}({\mathrm{\&Delta;t}}_1+{\mathrm{\&Delta;t}}_2+...+{\mathrm{\&Delta;t}}_{m-1})$

方差为 $D=\frac{1}{m-1}[{(E-{\mathrm{\&Delta;t}}_1)}^2+{(E-{\mathrm{\&Delta;t}}_2)}^2+...{(E-{\mathrm{\&Delta;t}}_{m-1})}^2];$

S24：根据时间间隔的方差预估该节点和其邻节点的链路稳定度，当D值越小且不为0时，该链路稳定度就越大，其中链路稳定度为

S5中根据链路稳定度计算寻找的路由稳定度的方法，包括以下步骤：

S51：设源节点发送携带链路稳定度RREQ消息到达目的节点，则组成此条路由的路由稳定度为其中S₁为到达目的节点的第一条路由，L_i为组成第一条路由的第i条链路稳定度，n为第一条路由的链路跳数；

S52：目的节点在收到第一个RREQ消息后，在一段时间内仍然接收其他RREQ消息，则RREP消息沿S确定的路由回送到达源节点，其中S＝max(S₁,S₂,S₃…S_N)，S₁,S₂,S₃…S_N分别为第1、2、3、N条路由。

采用本发明技术方案，可以提高Ad Hoc网络的路由有效连接时间，降低网络节点功耗，达到较稳定的通信服务质量。

说明书附图

图1是改进HELLO消息格式；

图2是改进RREQ消息格式；

图3是本发明的实现流程图；

图4是Ad Hoc网络移动节点初始分布模型；

图5是在原始AODV路由协议控制下节点移动4次寻找路由结果；

图6(a)是在改进AODV路由寻找算法控制下节点移动4次寻找路由结果；

图6(b)是在改进AODV路由寻找算法控制下节点移动30次寻找路由结果。

具体实施方式

以下将结合附图，对本发明的稳定路由寻找进行详细的描述；应当理解，稳定路由的寻找仅为了说明本发明，而不是为了限制本发明的保护范围。

图1为改进HELLO消息格式，图2为改进RREQ消息格式，图3为本发明的实现流程图，图4为Ad Hoc网络移动节点初始分布模型，该实施例的具体场景为中小范围应急场景，网络中节点不需要频繁移动，具有机动部署特性，设置为在1000m×1000m的范围内分布50个移动节点，每个节点的通信范围是250m，节点初始位置随机分布，随后节点处于随机移动的状态，每次移动的范围在40m×40m的方形范围。

若采用传统的AODV协议中路由寻找算法，当源节点1需要向目的节点25传输数据时，寻找的是最小延迟路由，也就是经过最小跳到达目的节点。第一次路由寻找的路由为：1->37->3->7->22->25，第二次路由寻找的路由为：1->37->3->22->25，第三次路由寻找的路由为：1->45->3->22->25，第四次路由寻找的路由为：1->45->3->22->25，具体路径如图5所示。

然后采用本发明的方案，具体步骤如下所示：

S1：当网络监测到源节点1需要向目的节点25传输数据时，网络节点开始向邻节点发送HELLO消息，记录收到20次HELLO消息的时间间隔，根据时间间隔方差D得到邻节点链路稳定度为

S2：源节点1产生RREQ消息，此RREQ消息包括类型、保留位、跳数、路由请求识别码、目的节点IP地址、目的节点序列号、源节点IP地址、源节点序列号、邻节点的链路稳定度，当邻节点链路稳定度为无穷时，不把此邻节点作为转发节点；

S3：收到RREQ消息的节点，根据其路由表中记录的下一跳的链路稳定度，更新其RREQ消息，并将RREQ消息转发给满足要求的邻节点；

S4：目的节点第一次收到RREQ消息后，将其缓存在目的节点中，在一定时间内依然接收其他到来的RREQ消息，当超过时间阀值后不再接收RREQ消息。目的节点通过链路稳定度得到该条路由的路由稳定度通过比较RREQ消息，得到满足要求的稳定路由由S＝max(S₁,S₂,S₃…S_N)确定，向源节点回送RREP消息；

S5：源节点收到RREP消息后，就可以使用该条路由传输数据了。

采用本发明方案中：在网络开始阶段中，通过采用方差可以准确判断发送HELLO消息的时间间隔波动，进而得到链路稳定度参考指标；在路由寻找过程中，S2阶段把中间转发节点的链路稳定度添加到RREQ消息中，可以为后续路由稳定度提供参考，并且通过对转发节点的限制，减少网络中控制开销的消耗；在S4阶段通过链路稳定度连乘而不是相加得到路由稳定度，避免了某些链路稳定度过低的情况，并且对到达目的节点且满足跳数范围的多个RREQ消息进行接收，可以进一步扩大稳定路由查找范围，也不至于消耗过多的开销。

本发明中，节点寻找一次路由后，经过在40m×40m的方形范围移动一次，再次寻找路由，如图6(a)所示，从源节点1到目的节点25的四次路由寻找的路由均为：1->37->47->38->22->25。且随着时间的变化，此条路由没有变化。为了进一步验证路由的稳定性，在更长的时间内，即30次路由寻找后，依然保持这条路由不变，如下图6(b)所示，说明网络中第一次寻找的路由具备了稳定性，它在通信过程中一直保持了源节点到目的节点路由的连接，信息传输不会出现突然中断，路由持续的时间显著增长，不需重复寻找路由，维护路由的控制消息更少，更适合于应急通信系统中紧急消息的传达。

Claims (8)

1.一种基于应急通信的AODV路由稳定度改进方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：改进HELLO消息域格式，所有节点接收来自邻节点的HELLO消息，记录接收的HELLO消息时间；

S2：根据S1判断相邻节点之间的链路稳定度；

S3：通过HELLO消息将链路稳定度记录在路由表中，且每当链路断开后更新；

S4：当源节点需要传输数据时，首先判断网络中是否存在一条可达目的节点的路由，存在则直接传输数据，否则产生RREQ消息，将稳定度添加到RREQ消息中；

S5：在跳数允许的范围内，寻找到达目的节点，目的节点根据链路稳定度，判断该路由稳定度，选择路由稳定度最高的路由回送RREP消息到源节点。

2.根据权利要求1所述的AODV路由稳定度改进方法，其特征在于：S2所示的判断链路稳定度的方法，包括以下步骤：

S21：计算两次接收HELLO消息的时间差Δt₁：Δt₁＝t₁-t₀，其中t₀为第一次接收到HELLO消息的时间，t₁为第二次接收到HELLO消息的时间；

S22：设收到HELLO消息的次数为m，记录HELLO消息达到该节点的时间间隔为Δt₂、Δt₃……Δt_m-1，其中Δt₂为第二、三次收到HELLO消息的时间间隔，Δt₃为第三、四次收到HELLO消息的时间间隔，Δt_m-1为第m-1、m次收到HELLO消息的时间间隔；

S23：计算收到HELLO消息的时间间隔的均值和方差，其中均值为 $E=\frac{1}{m-1}(\mathrm{\&Delta;}{t}_1+\mathrm{\&Delta;}{t}_2+\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;+\mathrm{\&Delta;}{t}_{m-1}),$ 方差为 $D=\frac{1}{m-1}[{(E-\mathrm{\&Delta;}{t}_1)}^2+{(E-\mathrm{\&Delta;}{t}_2)}^2+\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;{(E-\mathrm{\&Delta;}{t}_{m-1})}^2];$

S24：根据时间间隔的方差预估该节点和其邻节点的链路稳定度，当D值越小且不为0时，该链路稳定度就越大，其中链路稳定度为

3.根据权利要求2所述的AODV路由稳定度改进方法，其特征在于：判断链路稳定度的方法中设置所述收到HELLO消息的次数m＝20。

4.根据权利要求1所述的AODV路由稳定度改进方法，其特征在于：S5中所述根据链路稳定度计算路由稳定度的方法，包括以下步骤：

S51：设源节点发送携带链路稳定度RREQ消息到达目的节点，则组成此条路由的路由稳定度为其中S₁为到达目的节点的第一条路由，L_i为组成第一条路由的第i条链路稳定度，n为第一条路由的链路跳数；

S52：目的节点在收到第一个RREQ消息后，在一段时间内仍然接收其他RREQ消息，则RREP消息沿S确定的路由回送到达源节点，其中S＝max(S₁,S₂,S₃…S_N)，S₁,S₂,S₃…S_N分别为第1、2、3、N条路由。

5.根据权利要求4所述的AODV路由稳定度改进方法，其特征在于：S51中设置每条路由的链路跳数n<6。

6.根据权利要求1-5之任一项所述的AODV路由稳定度改进方法，其特征在于：S1中所述改进HELLO消息域格式包括类型、目的节点IP地址、目的节点序列号、源节点IP地址、跳数、寿命、邻节点链路稳定度。

7.根据权利要求1-5之任一项所述的AODV路由稳定度改进方法，其特征在于：S3中所述的路由表是在原AODV路由协议中路由表下一跳节点条目上新增其链路稳定度条目，新的路由表条目包括目的节点IP地址、目的节点序列号、网络接口、下一跳节点IP地址、下一跳链路稳定度，预发送节点列表，路由寿命、其他状态和路由标志。

8.根据权利要求1-5之任一项所述的AODV路由稳定度改进方法，其特征在于：S4所述的RREQ消息，新增至少5个消息组成域，存储每一跳的链路稳定度，其格式组成包括类型、保留位、跳数、路由请求识别码、目的节点IP地址、目的节点序列号、源节点IP地址、源节点序列号、链路1稳定度、链路2稳定度……链路n稳定度，其中n<6。