CN110650511A - 一种基于能耗和负载的改进aodv路由协议 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于能耗和负载的改进AODV路由协议，依据AdHoc网络中节点的剩余能量及网络负载状况来衡量该节点作为中间转发节点的可能性大小，避开负载过重且剩余能量过低的节点，并把每个节点的剩余能量和负载情况以跳数形式，即能量代价因子函数和负载代价因子函数加以表示，另外对传统AODV的RREQ帧格式进行了相应补充。通过上述对传统AODV协议的改进，使得网络中节点有限的能量得到更加充分合理的使用，网络中的负载信息得到更加科学的考量，全网的传输时延得到了大幅下降。进而有效延长了全网生存时间，提高了全网通信性能。

Description

一种基于能耗和负载的改进AODV路由协议

技术领域

本发明涉及无线网络路由算法技术领域，特别是指一种基于能耗和负载的改进AODV路由协议。

背景技术

AODV(Ad hoc On-demand Distance Vector Routing，无线自组网按需平面距离向量路由协议)是一种源驱动按需路由协议。采用AODV协议的每个节点均维护一张存储到达目的节点下一跳路由信息的路由表。每个路由表条目标注有生存时间TTL值，如果路由没有在寿命周期内使用，那么这条路由就会期满终止。而当每次路由被使用时，寿命周期TTL值就会更新以保证路由没有过早被删除。传统的AODV协议有效解决了无线自组网中节点间的路由转发问题，但其协议机制仍存在着一系列的缺陷，具体如下：

(1)AODV路由协议采用RREQ广播分组的方式寻找路由，洪泛的方法会增加网络开销，浪费网络带宽，大大减少数据分组的传送机会，减小分组到达成功率，增加传输时延。

(2)路由表中仅维持一条到达目的节点的路由，如果该条链路失效，会导致正在传送的数据分组丢失。由于没有备选路由可用，源节点不得不重新发起新一轮寻路，从而大幅增加了端到端时延。

(3)AODV以最短跳数为选路标准，故无法确保所选路由是最佳路由，不适合重负载的网络。随着网络负载的增加，Ad Hoc网络所选择的路由如果已经包含一些重负载的节点，即使该路由是到达目的节点所需跳数最少的路由，也并非是最佳路由——因为网络负载的不平衡会导致的中间节点过于拥塞，从而使RREQ分组被丢弃或返回超时。而RREP分组一旦丢失，源节点会重新开始路由寻找过程，从而增大传输时延。

(4)Ad Hoc网络中的移动节点都采用电池供电，为了延长节点的工作时间和全网生存时间，需要尽量减少节点能耗。而AODV路由协议没有考虑到节点能量的消耗问题。

综上所述，传统的AODV协议没有考虑到实际无线网络中节点负载和节点能耗的状况，将不可避免的造成网络带宽资源和节点能量的浪费，从而导致全网传输时延的大幅增加和通信性能的严重下降。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提出一种基于能耗和负载的改进AODV路由协议，依据节点的剩余能量及网络负载状况来调整该节点作为中间转发节点的可能性大小，避开负载过重且剩余能量过低的节点，并把节点剩余能量和负载情况以跳数形式，即能量代价因子函数和负载代价因子函数表示，另外对传统AODV的RREQ帧格式进行改进，使得网络中节点有限的能量得到更加充分合理的使用，延长了全网生存时间。

本实施例中，设计了剩余能量等级因子E_level并为每一个节点建立能量代价因子函数M_E(hops)，用于衡量网络中节点的剩余能量对其路由转发参与程度的影响；设计了负载等级因子L_level并为每一个节点建立负载代价因子函数M_L(hops)，用于衡量网络节点的负载对其路由转发参与程度的影响。最后用代价因子函数将能量代价因子函数和负载代价因子函数加以结合，得到对于网络中某一条路径质量的整体衡量并在传统RREQ帧中加入了代价因子计数器字段。

所述剩余能量，由于无线自组织网络节点采用电池供电模式，能量受限，当某个节点的能量耗尽，该节点所在的路径就不能作为有效路由，继续进行数据交换及转发，因此在网络节点能量耗尽之前，对于剩余能量不足的节点，应尽可能阻止其过多参与路由。

所述节点负载，考虑到Ad Hoc网络中每个节点都处于随机移动的状态，在这种状态下，随着网络负载的增加，网络性能下降很快。为了改善AODV的可扩展性和吞吐量，需要阻止没有必要的数据交换及转发，来减少路由负载。

所述代价因子函数，其输出值为比较参数M，为本实施例中路由选择的关键参数，表示对于某一条路径的整体衡量标准，在实现中通过RREQ帧中新增的代价因子计数器字段加以体现。另外引入权重因子λ，定性说明协议选择较长路径来换取网络稳定性的程度。关于能量代价因子函数、负载代价因子函数和代价因子函数的计算方式，后续实施例对此具体说明。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例的基于改进后AODV协议的目的节点的路径选择示意图；

图2为本发明实施例的改进后AODV协议的RREQ消息帧格式图。

具体实施方式

本发明实施例提供了一种基于能耗和负载的改进AODV路由协议，利用能量代价因子函数、负载代价因子函数和代价因子函数作为对于网络中节点和路径状态的衡量标准，具体设计如下：

所述剩余能量等级因子E_level，具体计算公式如下：

E_level＝E_residual/E_initial

(1)

上式中，E_residual为当前节点剩余能量，E_initial为该节点初始能量。考虑到AODV协议默认采用最短路径算法，即选择序列号最新或序列号相同时跳数最少的路径作为数据通路，将剩余能量等级因子E_level以跳数形式表示，为每一个节点建立能量代价因子函数M_E(hops)。本实施例中，将剩余能量等级因子E_level分为四个不同等级，对于不同的等级，选择是否作为中间转发节点，并对被赋予转发功能的节点，根据相应标准，设置不同的跳数值。

(1)当E_level≥0.8时，说明网络中该节点的能量处于很充足的状态，能够用于长时间数据交换和转发，可作为中间转发节点参与路由。这种情况下，将跳数代价设为0，即

M_E(hops)＝0 (2)

(2)当0.8＞E_level≥0.5时，说明网络中该节点的能量并非最佳状态，但仍可以被作为中间转发节点，使用该节点转发时，可能会增加网络的时延，这种情况下，将跳数代价设为3，即

M_E(hops)＝3 (3)

(3)当0.5＞E_level≥0.2时，说明网络中该节点能量即将处于危险状态，应该阻止该节点过多参与路由，当使用该节点转发，会引起较大端到端时延，这种情况下，将跳数代价设为6，即

M_E(hops)＝6 (4)

(4)当E_level＜0.2时，表明节点能量已经严重不足，不应该参与任何路由过程，此时不选择该节点作为中间转发节点，它只接收目的节点是自己的分组。

所述负载等级因子L_level，具体计算公式如下：

L_level＝Total_Packet_Received/(Receive_Delay_Time) (5)

其中Total_Packet_Received表示节点接收数据包的总数，Receive_Delay_Time表示节点节点结束数据包的总时延。与E_level相同，将L_level以跳数形式表示，为每一个节点建立负载代价因子函数M_L(hops)并分为四个不同的等级。对于不同的等级，选择是否作为中间转发节点，并对被赋予转发功能的节点，根据相应标准，设置不同的跳数值。

(1)当L_level≤0.3时，说明网络负载情况良好，节点处于较空闲状态，节点可以承受更多的数据交换和转发任务。该节点可以作为中间节点参与转发，当使用该节点转发时，将跳数代价设为0，即

M_L(hops)＝0 (6)

(2)当0.3＜L_level≤0.6时，说明网络负载情况一般，该节点的流量较大，此时该节点可以用作转发节点，但时延会较大。当使用此节点转发时，将跳数代价设为3，即

M_L(hops)＝3 (7)

(3)当0.6＜L_level≤0.9时，说明网络负载情况不容乐观，经过该节点的流量已经很大，应尽量减少用该节点作为转发节点，当使用此节点转发时，将跳数代价设为6，即

M_L(hops)＝6 (8)

(4)当L_level＞0.9时，说明网络负载很重，经过节点的流量已经过大，不应该参与任何路由，此时不将该节点作为中间转发节点，它只能接收目的节点是自己的RREQ分组。

所述代价因子函数，得到单个节点的比较参数M。具体计算公式如下：

M＝μM_E(hops)+κM_L(hops)+λ×hops (9)

其中λ为跳数权重因子，其值越大，较长路径被选择作为路由的可能性越低，对M_E(hops)和M_L(hops)的要求也更苛刻。μ和κ分别为能量代价权重因子和负载代价权重因子，其数值可以根据实际网络情况，进行调整和设置。在本发明中，优选地，将λ、μ和κ均赋值为1。

当源节点广播发出的RREQ分组沿着不同路径向目的节点传播时，RREQ分组会更新途经的每个节点的M值，当RREQ分组最终到达目的节点时，计算该条路径的M值，即该条路径上所有节点的M值之和。选择目的节点序列号最新且M值最小的路径作为路由转发链路，如果M相同，选择最先到达目的节点的路径作为路由转发链路，并返回一个RREP给源节点。

参考图1，节点S和节点D分别表示源节点和目的节点，其它均为中间节点，图中节点上面的数字表示该节点的代价因子M。当RREQ分组到达D时，传统的AODV路由协议会选择Route 2或者Route 3作为路由传输数据分组，因为这两条路径的跳数最短。但是这两条链路的节点的代价因子较大，如果将这两条作为传输链路，极有可能在传输中发生中断或出现较大延迟。依据公式(9)，计算出Route 1、Route 2、Route 3、Route 4的M值分别为11、21、21、10，选择M值最小的作为传输数据的链路，因此，根据改进后的AODV协议，Route 4会作为最优路由来传输数据。

所述代价因子计数器字段，其在RREQ消息帧格式中的位置参考图2。在改进的AODV路由协议的RREQ消息中，分组类型、保留字段、转发跳数计数器、路由请求识别码、目的节点的IP地址、目的节点序列号、源节点IP地址、源节点序列号这几项与传统的AODV的RREQ帧格式保持一致，增加的字段M_COST_SUM代表由此RREQ发现的此条链路上的各节点的代价因子M的总和。与传统AODV路由协议不同之处在于，改进后的AODV路由协议在RREQ消息到达目的节点时，不是以目的节点序列号最新且跳数最小作为更新的条件，而是以目的节点序列号为最新且M_COST_SUM值最小作为路由更新条件。

Claims (7)

1.一种基于能耗和负载的改进AODV路由协议，依据节点的剩余能量及网络负载状况来调整该节点作为中间转发节点的可能性大小，避开负载过重且剩余能量过低的节点，并把节点剩余能量和负载情况以跳数形式，即能量代价因子函数和负载代价因子函数表示，另外对传统AODV的RREQ帧格式进行改进。

2.根据权利要求1所述的基于能耗和负载的改进AODV路由协议，其特征在于，设计了剩余能量等级因子E_level并为每一个节点建立能量代价因子函数M_E(hops)，用于衡量网络中节点的剩余能量对其路由转发参与程度的影响；设计了负载等级因子L_level并为每一个节点建立负载代价因子函数M_L(hops)，用于衡量网络节点的负载对其路由转发参与程度的影响。最后用代价因子函数将能量代价因子函数和负载代价因子函数加以结合，得到对于网络中某一条路径质量的整体衡量并在传统RREQ帧中加入了代价因子计数器字段。

3.根据权利要求2所述的基于能耗和负载的改进AODV路由协议，其特征在于，所述代价因子函数，其输出值为比较参数M，为本实施例中路由选择的关键参数，表示对于某一条路径的整体衡量标准，在实现中通过RREQ帧中新增的代价因子计数器字段加以体现。另外引入权重因子λ，定性说明协议选择较长路径来换取网络稳定性的程度。

4.根据权利要求2所述的基于能耗和负载的改进AODV路由协议，其特征在于，所述剩余能量等级因子E_level，具体计算公式如下：

E_level＝E_residual/E_initial (1)

上式中，E_residual为当前节点剩余能量，E_initial为该节点初始能量。考虑到AODV协议默认采用最短路径算法，即选择序列号最新或序列号相同时跳数最少的路径作为数据通路，将剩余能量等级因子E_level以跳数形式表示，为每一个节点建立能量代价因子函数M_E(hops)。本实施例中，将剩余能量等级因子E_level分为四个不同等级，对于不同的等级，选择是否作为中间转发节点，并对被赋予转发功能的节点，根据相应标准，设置不同的跳数值如下。

(1)当E_level≥0.8时，说明网络中该节点的能量处于很充足的状态，能够用于长时间数据交换和转发，可作为中间转发节点参与路由。这种情况下，将跳数代价设为0，即

M_E(hops)＝0 (2)

(2)当0.8＞E_level≥0.5时，说明网络中该节点的能量并非最佳状态，但仍可以被作为中间转发节点，使用该节点转发时，可能会增加网络的时延，这种情况下，将跳数代价设为3，即

M_E(hops)＝3 (3)

(3)当0.5＞E_level≥0.2时，说明网络中该节点能量即将处于危险状态，应该阻止该节点过多参与路由，当使用该节点转发，会引起较大端到端时延，这种情况下，将跳数代价设为6，即

M_E(hops)＝6 (4)

(4)当E_level＜0.2时，表明节点能量已经严重不足，不应该参与任何路由过程，此时不选择该节点作为中间转发节点，它只接收目的节点是自己的分组。

5.根据权利要求2所述的基于能耗和负载的改进AODV路由协议，其特征在于，所述负载等级因子L_level，具体计算公式如下：

L_level＝Total_Packet_Received/(Receive_Delay_Time) (5)

其中Total_Packet_Received表示节点接收数据包的总数，Receive_Delay_Time表示节点节点结束数据包的总时延。与E_level相同，将L_level以跳数形式表示，为每一个节点建立负载代价因子函数M_L(hops)并分为四个不同的等级。对于不同的等级，选择是否作为中间转发节点，并对被赋予转发功能的节点，根据相应标准，设置不同的跳数值。

(1)当L_level≤0.3时，说明网络负载情况良好，节点处于较空闲状态，节点可以承受更多的数据交换和转发任务。该节点可以作为中间节点参与转发，当使用该节点转发时，将跳数代价设为0，即

M_L(hops)＝0 (6)

(2)当0.3＜L_level≤0.6时，说明网络负载情况一般，该节点的流量较大，此时该节点可以用作转发节点，但时延会较大。当使用此节点转发时，将跳数代价设为3，即

M_L(hops)＝3 (7)

(3)当0.6＜L_level≤0.9时，说明网络负载情况不容乐观，经过该节点的流量已经很大，应尽量减少用该节点作为转发节点，当使用此节点转发时，将跳数代价设为6，即

M_L(hops)＝6 (8)

(4)当L_level＞0.9时，说明网络负载很重，经过节点的流量已经过大，不应该参与任何路由，此时不将该节点作为中间转发节点，它只能接收目的节点是自己的RREQ分组。

6.根据权利要求3所述的基于能耗和负载的改进AODV路由协议，其特征在于，所述代价因子函数，得到单个节点的比较参数M。具体计算公式如下：

M＝μM_E(hops)+κM_L(hops)+λ×hops (9)

其中λ为跳数权重因子，其值越大，较长路径被选择作为路由的可能性越低，对M_E(hops)和M_L(hops)的要求也更苛刻。μ和κ分别为能量代价权重因子和负载代价权重因子，其数值可以根据实际网络情况，进行调整和设置。在本发明中，优选地，将λ、μ和κ均赋值为1。

当源节点广播发出的RREQ分组沿着不同路径向目的节点传播时，RREQ分组会更新途经的每个节点的M值，当RREQ分组最终到达目的节点时，计算该条路径的M值，即该条路径上所有节点的M值之和。选择目的节点序列号最新且M值最小的路径作为路由转发链路，如果M相同，选择最先到达目的节点的路径作为路由转发链路，并返回一个RREP给源节点。

7.根据权利要求3所述的基于能耗和负载的改进AODV路由协议，其特征在于，所述代价因子计数器字段，其在RREQ消息帧格式中的位置参考图2。在改进的AODV路由协议的RREQ消息中，增加的字段M_COST_SUM代表由此RREQ发现的此条链路上的各节点的代价因子M的总和。与传统AODV路由协议不同之处在于，改进后的AODV路由协议在RREQ消息到达目的节点时，不是以目的节点序列号最新且跳数最小作为更新的条件，而是以目的节点序列号为最新且M_COST_SUM值最小作为路由更新条件。

Images