一种基于MAODV协议的无线自组织网组播路由能量改进方法

摘要

本发明请求保护一种基于MAODV协议的无线自组织网组播路由能量改进算法。涉及无线自组织网络，该能量改进算法对路由请求过程和路由选择过程进行改进，包括：传输能量预测阶段、节点能量比较阶段、请求路径优化阶段和应答路由激活阶段。通过将预测机制计算出的源节点发送能量值与源节点自身剩余能量进行比较确定合适的请求命令路由，考虑跳数、整体自组织网能量消耗量来选择激活路径两种方法，有效解决了消息广播过程中的无效能量损失问题，改善了自组织网的整体传输效率，降低了由于某一节点损耗能量过大而产生断链的风险。本改进算法可广泛用于无线自组网，无线局域网等相关领域。

说明书

技术领域

本发明涉及无线自组织网络技术，尤其是自组网中的组播路由能量改进 方法。

背景技术

无线自组织网络(WANET)是一种由固定或者移动的主机通过无线链路构 成的自治系统。它不像有线网络那样有固定的基站，所有主机之间的通讯都 是通过基站来集中调度；每个节点都象终端主机一样可以作为路由器来使用。 由于在无线自组织网中，节点运行时所需要的能量来自于电池的有限供给， 因此针对节能目的对WANET网络的组播路由算法进行改进是很有必要的。

与本发明最接近的现有自组织网能量改进技术有移动Agent及LAPAMRP 组播算法技术，移动Agent(张毅，王小非.移动Ad Hoc网络中一种基于电池 量的的路由算法，计算机应用第26卷第8期，2006年8月.)技术能够通过 移动Agent和各节点进行数据交换，了解网络中所有节点的连接信息，形成 一个节点信息矩阵表；然后在该矩阵表的基础上，根据节点电池余量，选择 最合适的路径进行数据报文的发送。实验证明这种路由算法有很高的效率和 鲁棒性，可以使各节点电池量的消耗趋于平衡，为下一步Ad Hoc网络管理打 下基础。而LAPAMRP组播算法技术(蔡莉黄传河 张文涛等.一种在Ad Hoc 网络中基于地理位置的节约能量的组播路由算法，计算机工程与应用，2004 年第2期)的基本思想是先由基本的组播算法生成一棵组播树，然后由组播 树的每个非叶子节点根据其邻居节点的地理位置，动态地选择一些转发点， 通过这些点以较小功率转发时可节约能量，以此优化组播树。但是本算法的 不足之处在于当组播树中某节点的子节点不同属于一个转发区域时，未寻找 该节点的转发节点，对此节点没有进行能量优化，节点运行消耗的能量较大。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：从无线自组织网中结点能量有限，无线 网链路以及链路容量并不是事先决定，而是由一些诸如节点之间距离、传输 能量、硬件实现所决定等角度考虑，对自组网中的组播路由协议进行相关改 进，以达到优化网络链路连接时间，提高整体网络能量利用率的目的。

本发明解决上述技术问题所采用的技术手段是提出一种基于按需距离向 量组播路由协议(MAODV协议)的无线自组织网组播路由能量改进方法，改进 方法主要包括以下四个阶段：传输能量预测阶段、节点能量比较阶段、请求 路径优化阶段和应答路由激活阶段。

传输能量预测阶段：请求节点向二级相邻节点发送能量检测位，由能量 消耗模型计算出源节点发送给下级相邻节点的能量值；节点能量比较阶段： 将源节点的剩余能量与预测的发送能量进行比较；请求路径优化阶段：如果 发送能量高于节点本身的剩余能量，源节点将节点路由表中的门限标志位置 高位，舍弃该路径，反之则选择该路径；应答路由激活阶段：源节点在发送 完广播路由请求报文(RREQ)后等待一段时间，并记录下这段时间内接收到 的路由应答报文(RREP)的序列号，跳数及此路径的节点生存时间和平均节 点生存时间，在激活一个根据RREP信息建立起来的多播路由时，首选序列号 为标准，选择拥有最大序列号的RREP为到达该组播树的路径。当出现目的序 列号相同的情况，将不仅仅以跳数更小的RREP更新至目的节点的用于建立向 前路由的相应路由表项，而是以结合跳数和节点生存时间综合考虑的RREP更 新至目的节点的路由表项。选择RREP路径完毕后，源节点单播发送组播激活 报文(MACT)到收到把所选RREP发送给自己的邻节点，邻节点收到MACT后 激活单播路由表中到该组地址的路由项，并把MACT转发给路由项指出的下一 跳节点。

源节点的发送能量由与其相邻的最大距离的节点需要的能量确定。当请 求节点发送的能量检测位无法传递到二级节点，将请求节点列入不可发送节 点集；当请求节点和二级节点之间发生断链，链路修复完毕后继续发送能量 检测位；二级节点通过下级相邻节点反馈回来的地理位置信息，以及节点之 间的预测路径确定发送能量。在应答路由激活阶段，每隔一固定周期估算每 一个节点当前时刻的能量消耗速度和当前可用剩余能量，由此估算出节点生 存时间，根据节点生存时间选取一条生命周期长的路径。

本发明通过预测源节点发送能量值，并与源节点自身剩余能量进行比较 确定合适的请求命令路由以及考虑跳数、整体自组织网中节点能量消耗量来 选择激活路径的方法，MACT的传播激活了唯一的一条从源节点到组播树某成 员的路径上所有中间节点的路由项，保证了源节点到组播树只有一条路径。 以优化网络链路连接时间，提高了整体网络能量利用率，有效解决了消息广 播过程中的无效能量损失问题，改善了自组织网的整体传输效率，降低了由 于某一节点损耗能量过大而产生断链的风险。

说明书附图

图1基于RREQ请求的改进方案示意图

图2基于激活路由选择的改进示意图

具体实施方式

在自组网中，当源节点向邻节点发送数据包的时候，发送过程要考虑到 传输路径对能量损耗的影响。这里假定源节点到某一相邻节点的路径长度为 A，由无线网络中的能量消耗模型可以知道在数据传输过程中消耗的能量为 E＝A^α。α为一个固定常数，数值在2到4之间。可见节点之间距离越大，在 传输中消耗的能量也越大。由于与源节点相邻的节点到源节点的距离不同， 为了能使信息传递到每一个节点，源节点的发送能量必须考虑到与其相邻的 最大距离的节点。只有保持这个发送能量，与源节点相邻的所有节点才可以 接受到发送数据。

要保证节点能够顺利的将请求报文RREQ消息广播到与之相邻的节点， 就必须使其剩余能量维持在下一跳所消耗的最大能量之上。而MAODV协议本 身在处理节点转发消息时并没有考虑到这点。本发明所述的方法在每个节点 的路由表中设置能量检测位、门限标志位及剩余能量信息位。在节点想要加 入组播树时，请求节点广播能量检测标志位，下级节点接收到此消息后开始 进行能量预测。

这里我们假设节点都已知自己的地理位置，以及目的节点或目的区域的 地理位置，整个自组织网络中，相邻节点都交换彼此的地理位置信息。

如图1所示为基于RREQ请求的改进方案示意图。在能量预测过程中，链 路之间可能会出现多种情况。

1、请求节点和二级节点(即与请求节点相邻的下级节点)之间的链路 由于物理原因造成永久性断链，这样请求节点发送的能量检测位无法传递到 二级节点。能量检测位一旦发现这种情况立即回复请求节点路由损坏消息， 表明该链路无法传递RREQ数据包。将该请求节点列入不可发送节点集，避免 了可能再次向其广播消息的可能。

2、请求节点和二级节点之间的链路由于网络拓扑发生改变而引起的断 链，这种情况下断链方发起断链修复过程，链路修复完毕后继续发送能量检 测信息。

3、链路一切正常，请求节点顺利接收到能量反馈信息。二级节点接 受到能量预测字段开始进行能量预测过程。二级节点通过下级相邻节点反馈 回来的地理位置信息，计算出发送能量。可通过GPS的方法确定地理位置信 息，在无GPS系统的情况下，可以通过节点之间预测路径的手段来计算上级 节点发送给邻节点的能量。在自组织网中每个节点都将自己的位置信息、移 动速度及剩余能量值信息存储在自己的路由表中。当节点需要通过来确定即 将发送的能量大小，它复制自己的位置信息将其作为数据包广播出去。一旦 下级节点接受到这个数据包就将自己的位置信息拷贝到数据包中，该数据包 沿原路径传送给上级节点，上级节点根据此数据包的位置信息计算出上级节 点和它相邻节点的距离从而预测出要发送的能量值。

在节点能量比较阶段，将节点剩余能量与预测的发送能量值进行比较， 如果发现其自身剩余能量低于此发送能量，无法将数据包广播到三级节点， 就将门限标志位置高位，这样做的目的是一旦再有类似的请求预测消息传递 过来，节点即可不采取任何行为，避免了重复预测。同时向请求节点反馈信 息表示该节点不支持继续转发RREQ消息，请求节点同样将此节点列入不可发 节点集，不向该节点发送RREQ数据包。反之则将门限标志不置位，请求节点 收到二级节点发过来的允许发送消息后即向它传递RREQ消息。

无线自组织网组播路由能量改进算法的具体步骤包括，

首先，如果请求节点想要加入组播树，请求节点给二级相邻节点发送能 量检测位；对链路的连接情况分三种考虑，二级节点接受到能量检测位后开 始进入能量预测过程，二级节点通过邻节点反馈的地理位置信息计算出到三 级节点的最大能量消耗值E₁；通过节点路由表中的剩余能量信息值判断自身 的剩余能量E₂是否能支持向3级节点转发数据包，如果E₁＞E₂，2级节点将自 身的门限标志位不置位，并通知请求节点可以向其转发RREQ消息；如果E₁＜E₂， 2级节点将自身的门限标志位置高位，并通知请求节点无需向其转发RREQ消 息，同时请求节点将该二级节点列入不可发送节点集；以下所有节点依次类 推，直到遇到组播树成员节点发送RREP回复为止。

以上是建立在RREQ发送过程中，在路由建立和更新时基于能量的改进方 法。这种思路考虑到节点剩余能量和发送能量的大小关系，因此有效避免了 由于广播路由请求消息等所消耗的不必要能量。不过这只降低了组播树创立 前半部分的能量消耗，下面具体介绍路由选择和激活过程中降低能量消耗的 相关改进方法。

在自组网中，当一个节点的能量消耗速度较其他节点快，缓存器中缓存 队列较其它节点长则意味着这个节点参与通信较其他节点多，在此节点发生 拥塞的可能性更大，因此可以考虑尽量选择能量消耗速度慢，缓存队列短的 节点作为通信节点，这样就起到了控制拥塞的作用，从而降低能耗延长网络 生存时间。

如图2所示为基于激活路由选择的改进示意图。为了减轻节点处理负担， 每隔一固定周期T估算每一个节点当前即t_i时刻的能量消耗速度v_i和当前可 用剩余能量E_i，然后假定节点将继续以速度T_i消耗能量，从而估算出节点当 前剩余生命时长T_i，并将T_i记录于节点所管理的路由表项里，v_i、T_i是每隔T 时刻就更新。现在用公式表示如下：v_i＝(E_i-E_i-1)/T。RREQ、RREP不仅增加了 前面所提到的能量预测字段和门限标志字段等，还新增了两个生命周期字段， 分别表示单个节点的生命周期以及整体节点的平均生命周期。在源节点发起 的RREQ消息中新增：节点剩余生命时长lifetime和平均节点剩余生命时长 Lifetime两项，这两项在源节点处的值均为源节点T_i的值T_i^源，源节点将此 时Lifetime的值T_i^源记录于自己所维护的用于建立反向路由的相应路由表项 中，然后将RREQ广播出去。源节点的邻节点1在收到RREQ后将lifetime值 加上自己的T_i值即T_i¹得到更新后的lifetime值：T_i^源+T_i，然后对更新后的 lifetime做均值处理以求得Lifetime的更新值：(T_i^源+T_i)/2，并在它到源节 点用于建立反向路由的相应路由表项中记录下更新的Lifetime的值：(T_i^源+T_i) /2，处理完后节点1将RREQ转发出去，下一跳节点2在收到RREQ后在lifetime 中加上自己的T_i值T_i²，此时2在收到RREQ后在lifetime的值变为T_i^源+T_i¹+T_i²， 而Lifetime的值经过节点2做完均值处理后变为(T_i^源+T_i¹+T_i²)/3，节点2 将Lifetime记录于自己相应路由项后将RREQ转发出去。以此类推，以后的 节点作相同处理。中间节点不仅对收到的第一个RREQ处理，在收到的同一RREQ 副本后将比较副本中Lifetime和自己维护的相应路由表的Lifetime值，当 副本中的Lifetime较大时做相同的转发处理，同时用副本更新相应路由表项， 当RREQ到达目的节点时至源节点反向路径单播至源节点的过程中，在目的序 列号相同的情况下，将不再单单以跳数更小的RREP更新至目的节点的用于建 立向前路由的相应路由表项，而是结合lifetime较大的RREP更新至目的节 点的路由表项共同决定要选择的路径。这里设每条反馈路由的跳数为N_i，而 Lifetime值为T_均＝∑(T_i^源+T_i¹+T_i²...Tⁿ_i)/(n+1)。将N_i与T_均的值相乘得到一 个值X_i，源节点比较X_i的大小，选择其值较大的RREP信息来更新自己的路由。 这样既能够选取一条生命周期较长的路径，确保整个网络的拓扑结构不易发 生较大变化，减少网络重建时间，同时也照顾到了跳数问题。能够让源节点 以较少跳数连接组播树。

本发明提出的基于按需距离向量组播路由协议的能量改进方法，通过将 预测计算出源节点发送能量值与源节点自身剩余能量进行比较确定合适的请 求命令路由以及考虑跳数、整体自组织网中节点能量消耗量来选择激活路径 的方法，有效解决了消息广播过程中的无效能量损失问题，改善了自组织网 的整体传输效率，降低了由于某一节点损耗能量过大而产生断链的风险。可 广泛用于无线自组网，无线局域网等相关领域。