CN106792975A - 基于距离估计的aodv路由协议优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于距离估计的AODV路由协议优化方法，本发明针对AODV协议路由建立过程中无指向性的广播RREP和某些节点频繁被选为路由中间节点问题，提出一种基于距离估计的路由协议优化方法，通过在路由请求包RREQ中加入上一跳节点到目的节点距离条目，并建立各节点到目的节点的距离比较机制，最终实现降低了路由开销，减少了数据传输的平均时延，延长了网络的生命周期的目的。

Description

基于距离估计的AODV路由协议优化方法

技术领域

本发明涉及无线通信领域，特别涉及到一种基于距离估计的AODV路由协议优化方法。

背景技术

无线传感器网络(WSN)是一种偏应用型的研究领域，其理论与实践技术的研究都是与具体的应用环境相关的。与传统的网络相比，其具有节点随机分布、网络自组织、动态拓扑、节点能量受限等特点。为实现网络内的数据的长期高效传输，出现了专门适用于此种自组织网络的路由协议，分析比较AODV、DSR、TORA，AODV(Ad hoc On-demand DistanceVector)是一种典型的自组织按需距离矢量路由协议。结果表明AODV协议在平均能耗、节点存活率、平均端到端时延上表现较优[1]。AODV(Ad hoc On-demand Distance Vector)是一种典型的自组织按需距离矢量路由协议，它根据源节点的数据传输需求以较小的路由开销建立可靠的传输路径。

经过对现有技术文献的检索发现，公开号CN102404819A的专利文献公开了一种基于自组织网按需距离矢量协议的路由方法，其通过在路由请求RREQ中增加能量条目，判断各传输节点剩余能量等级，根据判断结果建立能耗最小数据传输路径。公开号CN102271378A的专利文献公开了一种在无线自组织网中基于路径跳数和节点相对运动速度的路由选择方法，通过在节点间发送HELLO协议包来计算各节点相对运动速度，并在路由请求RREQ中加入此运动速度条目，实现提供数据传输可靠性的目的。

以上方法通过在路由请求RREQ中加入能量、运动速度条目以实现其优化目标，针对不同的应用环境，AODV仍存在优化的可能。在实际的路由建立过程中，即使对RREQ广播次数做出限制，泛洪式的广播RREQ的指向性仍较弱，也会使得目的节点多次发送RREP到源节点，而源节点最终仅选择一条有效路径，可知路由建立的开销存在减小的可能；对于目的节点序列号相同的路由路径会选择跳数较小的，已达到减少数据传输距离、减少数据传输能耗的目的，但因此也会导致靠近目的节点的某些节点频繁的被选为路由中间节点，这些节点能量消耗较快，使得整个网络能耗不均衡。

发明内容

本发明的目的在于针对AODV协议路由建立过程中无指向性的广播RREP所导致的路由开销问题和某些节点频繁被选为路由中间节点导致的能耗不均衡问题，提出一种基于距离估计的AODV路由协议优化方法，优化了路由建立过程，其对距离的考量不再是仅根据源节点到目的节点的路由跳数，而是利用与距离有直接关系的接收信号功率优化路由建立过程，建立一种分布式与集中式相混合的路由协议，以实现降低了路由开销，减少了数据传输的平均时延，延长了网络的生命周期的目的。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于距离估计的AODV路由协议优化方法，包括下列步骤：

1)节点接收到目的节点定期发送距离探测包，根据接收信号功率估计节点到目的节点传输距离；

2)源节点广播带有上一跳节点到目的节点距离条目的路由请求包RREQ，该RREQ包含源节点地址、目的节点地址、上一跳节点地址、源节点序列号、目的节点序列号、广播ID、到当前节点的跳数、上一跳节点到目的节点距离条目，中间转发节点转发RREQ前都会将本节点到目的节点的距离更新到上一跳节点到目的节点距离条目中；

当节点接收到RREQ后，如果本节点到目的节点的距离在一定阈值(d_threshold)范围内，则转到步骤5，如果本节点到目的节点的距离在一定阈值范围外，则顺序执行步骤4；该阈值取值为1～3倍节点有效半径R，假设整个无线传感器网络内有n个节点，x、y为网络区域内的横纵坐标，无线传感器网络面积为S_网络，每平方米内节点个数用ρ(n)表示，式(1)为ρ(n)与n关系表达式。

式(1)∫∫ρ(n)dxdy＝n

实际网络中ρ(n)是随坐标变化的，将ρ(n)简化为公式(2)；

式(2)S_网络·ρ(n)＝n

节点有效半径R与每平方米内节点个数ρ(n)关系为公式(3)；

式(3)πR²＝1/ρ(n)

综合(1)、(2)、(3)式得到如下阈值计算公式：

4)如果本节点相对于上一跳节点到目的节点距离增大，则将RREQ包丢弃，如果本节点相对于上一跳节点到目的节点距离减小，则顺序执行步骤5；

5)如果RREQ包为节点本身发送或者节点是已经接收过此RREQ包，则将RREQ包丢弃，否则，建立本节点到上一跳节点的反向路由，并继续广播RREQ直到目的节点接收到；

6)当中间转发节点接收到RREQ后，如果中间转发节点有到目的节点的有效路由或者中间转发节点就是目的节点，则沿反向路由发送路由应答包RREP，否则，继续广播RREQ直到目的节点接收到；

当源节点接收到多个RREP，选择目的节点序列号最大，或者目的节点序列号相同但跳数小的RREP建立有效路由路径，并向目的节点发送路由应答认可包RREP-ACK。

本发明与现有技术相比，其显著效果是：1)源节点发送的路由请求包RREQ增加了上一跳节点到目的节点距离条目，中间转发节点转发RREQ前都会将本节点到目的节点的距离更新到此条目中。2)节点接收到RREQ后，判断本节点到目的节点距离是否在一定阈值(d_threshold)范围内，提出了该阈值的计算方法。3)当节点到目的节点的距离在一定阈值范围内时，路由建立过程与原AODV一致，当节点到目的节点的距离在一定阈值范围外时，增加了判断本节点相对于上一跳节点到目的节点距离是否增大的步骤，如果本节点相对于上一跳节点到目的节点距离增大，则丢弃该RREQ包。

附图说明

图1为本发明流程图。

图2为传统AODV路由协议与优化后AODV路由协议(D-AODV)平均时延性能对比图。

图3为传统AODV路由协议与优化后AODV路由协议(D-AODV)归一化路由开销性能对比图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例，对本发明作进一步详细说明。

该仿真具体实施例的场景为在1000m×100m的范围内随机布置50个节点，节点最大移动速度为20m/s，在每个地点的停留时间分别设置为0、30、60、90、120、300秒，停留时间0秒表示节点一直运动，停留时间300秒表示节点不动。暂停时间反映了网络拓扑变化的频繁程度，暂停时间越长，节点的移动性越差。节点间最多有30条连接，某时刻每个CBR源每秒钟发送2个CBR数据包。下文仅介绍区别于传统AODV的实施部分。

步骤1)中距离探测包D-HELLO包含目的节点地址、广播ID条目，为估计节点到基站(目的节点)传输距离，采用距离-接收信号功率模型描述了节点间距离与接收到信号功率的关系，在基站和移动节点之间，单一的直线传播不再是唯一的传播方式，双径地面反射模型处理考虑直线传播路径还考虑了地面反射路径，在长距离传输环境中更为准确。距离与接收信号功率的关系如式(4)所示：

d为距离；h_t和h_r分别为发射天线和接收天线的高度；G_t和G_r分别为发射方和接收方的天线增益；L(L≥1)为系统损坏；P_t和P_r分别为发射和接收的信号功率。

步骤2)中源节点发送的路由请求包RREQ增加了上一跳节点到目的节点距离条目：

struct hdr_d-aodv_request{

...

double rq_dist_BS；//上一跳节点到目的节点距离条目

...}

中间转发节点转发RREQ前将本节点到目的节点的距离更新到上一跳节点到目的节点距离条目中：

rq->rq_dist_BS＝my_dist_BS；

步骤3)中判断了接收RREQ的节点到目的节点的距离是否在一定阈值范围外，步骤4)中判断了本节点相对于上一跳节点到目的节点距离是否增大：

结合图2、图3，对本发明的距离估计路由优化方法仿真结果进行分析，图2、图3横坐标为节点在每个地点的停留时间，停留时间越小，表明节点移动频率越高，D-AODV表示优化后的路由协议。

平均时延表明数据包从源节点IP层到目的节点IP层所需的平均时间，反映了路由的有效性。从图2可以看出，D-AODV的平均时延明显低于AODV，在停留时间为60秒时，其平均时延降低了51％，在停留时间为30秒时，优化后协议仍较好的控制住了平均时延。路由发现过程中通过比较本节点与上一跳节点到目的节点的距离，加快了源节点到目的节点的路由路径的收敛速度，大大降低了路由发现时延；相比AODV仅在目的节点序列号一致的条件下依靠较小跳数来减少传输距离，改进后协议在比较目的节点序列号之前已经从节点到目的节点距离因素上对传输路径进行了挑选，故数据传输时延、MAC层重传时延也会得到改善。

归一化路由开销是每发送一个数据包所需要的路由消息包数目。从图3可看出，D-AODV归一化路由开销的降低与平均时延的降低是相呼应的，且无论节点移动频率的高低，优化后路由开销减少程度都是相当明显的。当中间节点接收到路由请求包RREQ时，会根据当前节点到目的节点距离决定是否转发RREQ，使得RREQ朝着目的节点方向发送，相对于AODV，D-AODV减少了RREQ转发数量，也排除了目的节点接收绕路较远的RREQ的可能性，即减少了目的节点发送路由回复包RREP的数量。

Claims (4)

1.一种基于距离估计的AODV路由协议优化方法，其特征在于包括以下步骤：

1)节点接收到目的节点定期发送的距离探测包，根据接收信号功率估计节点到目的节点的传输距离；

2)源节点广播带有上一跳节点到目的节点距离条目的路由请求包RREQ，每一个转发RREQ的节点将本节点到目的节点的距离更新到RREQ中；

3)当节点接收到RREQ后，如果本节点到目的节点的距离在一定阈值(d_threshold)范围内，则转到步骤5，如果本节点到目的节点的距离在一定阈值范围外，则顺序执行步骤4；

4)如果本节点相对于上一跳节点到目的节点距离增大，则将RREQ包丢弃，如果本节点相对于上一跳节点到目的节点距离减小，则顺序执行步骤5；

5)如果RREQ包为节点本身发送或者节点已经接收过此RREQ包，则将RREQ包丢弃，否则，建立本节点到上一跳节点的反向路由，并继续广播RREQ直到目的节点接收到；

6)当中间转发节点接收到RREQ后，如果中间转发节点有到目的节点的有效路由或者中间转发节点就是目的节点，则沿反向路由发送路由应答包RREP，否则，继续广播RREQ直到目的节点接收到；

7)当源节点接收到多个RREP，选择目的节点序列号最大，或者目的节点序列号相同但跳数小的RREP建立有效路由路径，并向目的节点发送路由应答认可包RREP-ACK。

2.根据权利要求1所述的基于距离估计的AODV路由协议优化方法，其特征在于：步骤2所述源节点发送的路由请求包RREQ，包含源节点地址、目的节点地址、上一跳节点地址、源节点序列号、目的节点序列号、广播ID、到当前节点的跳数、上一跳节点到目的节点距离条目，中间转发节点转发RREQ前都会将本节点到目的节点的距离更新到上一跳节点到目的节点距离条目中。

3.根据权利要求1所述的基于距离估计的AODV路由协议优化方法，其特征在于：步骤3所述的阈值(d_threshold)的计算方法为：该阈值取值为1～3倍节点有效半径R；假设整个无线传感器网络内有n个节点，x、y为网络区域内的横纵坐标，无线传感器网络面积为S_网络，每平方米内节点个数用ρ(n)表示，式(1)为ρ(n)与n关系表达式。

式(1) ∫∫ρ(n)dxdy＝n

将ρ(n)简化为公式(2)；

式(2) S_网络·ρ(n)＝n

节点有效半径R与每平方米内节点个数ρ(n)关系为公式(3)；

式(3) πR²＝1/ρ(n)

综合(1)、(2)、(3)式得到如下阈值计算公式：

4.根据权利要求1所述的基于距离估计的AODV路由协议优化方法，其特征在于：所述步骤4中，当节点接收到RREQ后，判断本节点相对于上一跳节点到目的节点距离是否增大，如果本节点相对于上一跳节点到目的节点距离增大，将该RREQ包丢弃，如果本节点相对于上一跳节点到目的节点距离未增大，再顺序执行步骤5，判断节点接收到RREQ包是否为节点本身发送、节点是否接收过此RREQ包，如果节点接收到的RREQ包不是节点本身发送且节点从未接收过此RREQ包，建立本节点到上一跳节点的反向路由，并继续广播RREQ直到目的节点接收到，否则，将RREQ包丢弃。