一种用于Ad Hoc网络环境下的基于节能的AODV路由选择方法

摘要

本发明公开了一种用于Ad Hoc网络环境下的基于节能的AODV路由选择方法，本发明从用户的节能需求出发，利用按需路由协议与拓扑结构分析法，提出一种新的节能路由选择方法，综合考虑节点能耗低，链路容量等因素；在此基础上提出了一种结合基于动态优先因子与单条备份路径的网络路由选择方法并设置二次判断，全面考虑了用户节点能量影响链路选择的因素，仿真结果验证了此方法不仅可以节省网络能量，而且可以推迟路由更新，从而延缓网络分裂。

说明书

技术领域

本发明涉及无线通信中Ad hoc网络环境下的IP层路由技术，尤其涉及Ad hoc网络中基于矢量的路由方法。 

背景技术

随着人们对随时随地可以进行自由通信的需求，近几年来，无线通信技术得到了飞速发展，并且已经在世界范围内被广泛地应用；蜂窝式移动通信系统、无线局域网、蓝牙技术、家庭无线网等无线通信新技术纷纷涌现；这些技术的出现，极大方便了人们的生活，同时也推动了无线通信技术的发展； 

无线通信网络按照其组网控制方式一般分为两类：一类是集中式控制的，即有中心；这一类无线网络的运行要依赖预先部署的网络基础设施；典型的例子有：蜂窝移动通信系统要有基站和移动交换中心等基础设施的支持，而无线局域网中移动终端则主要通过接入点(access point)接入有线骨干网；但对于某些特殊场合，不可能有这种预先部署的固定设施可以利用；比如，在战场上指挥快速展开的部队、发生地震或水灾等大型灾难后的营救、野外科学考查、偏远地区作业以及临时性的大型会议等；在这些应用场景中，就需要一种能够临时快速自动组网的无线通信技术——Ad Hoc网络通信技术应运而生，并且迅速成为移动通信技术的一个重要分支，将在未来的通信技术中占据重要地位； 

Ad Hoc网络是由一组带有无线收发装置的移动终端组成的一个多跳的临时性自治系统，网络中的移动终端具有路由和报文转发功能，可以通过无线连接构成任意的网络拓扑，这种网络可以独立工作，也可以接入Internet或蜂窝无线网络；在Ad Hoc网络中，无线信道变化的不规则性、节点的移动、加入、退出等原因导致了网络拓扑结构经常发生变化，而且由于节点无线覆盖范围的有限性，两个无法直接连接的节点需要借助于其它节点的报文转发 才能通信，路由协议的作用就是在这种环境中监控网络拓扑结构变化、交换路由信息、定位目的节点位置，产生、维护和选择路由，并根据选择的路由转发数据，提供网络的连通性，它是移动节点互相通信的基础，是Ad Hoc网络一个重要核心问题；IETF于1996年专门成立了MANET工作组，研究Ad Hoc网络环境下基于IP协议的路由协议规范和接口设计，并提出了一系列路由协议与草案，比如DSR、AODV、OLSR、TORA等，此外，国内外的科研人员还发表了许多学术论文提出了一系列路由协议，DSDV、WRP、CGSR等； 

Ad Hoc网络是由一组相互合作以维持网络连通性的多跳的临时性的自治系统，它不需要固定基站的支持，能够满足任何环境下对网络连接的要求，尤其是灾难发生地、临时场合、偏远地区等；但Ad Hoc网络应用场合的特殊性要求了它的终端节点必须符合轻便、灵巧、便携性等要求，这使得终端节点必须使用电池、蓄电池等可耗尽型电源；在目前的技术水平下电池容量难以在短期内大幅度提高，因此如何使终端节点在正常工作的同时尽量减慢自身能量的消耗速度已成为Ad Hoc网络的研究热点之一，一个理想的Ad Hoc网络节能路由协议应当满足如下的要求： 

(1)分布式处理：不需要全局网络信息，利用本地信息在各节点处分别执行； 

(2)简单性：计算复杂度不能太大，能够实现实时执行； 

(3)稳健性：在网络拓扑动态变化和网络流量动态变化等各种动态因素下，是否能保持节能性能的稳定性； 

(4)可扩展性：在各种网络规模条件下都能正常运行； 

(5)兼容性：节能策略是否可以和现有的经典路由策略进行良好的嫁接。 

发明内容

本发明的目的是：提出一种用于Ad Hoc网络环境下的基于节能的路由选择方法，该方法从用户的节能需求出发，利用按需路由协议与拓扑结构分析法，全面地考虑了用户节点能量影响链路选择的因素，不仅可以节省网络能量，而且可以推迟路由更新，从而延缓网络分裂。 

本发明的目的是通过如下方式实现的：一种用于Ad Hoc网络环境下的基 于节能的AODV路由选择方法，本方法首要考虑用户的节能需求，综合按需路由协议与拓扑结构分析法，全面地考虑了影响链路选择的因素——用户节点能量，所述方法包括下述步骤： 

(a.)设置链路动态优先因子： 

AODV协议以最小跳数作为路由选择的标准，其路径发现的开销对拓扑结构动态变化的移动Ad Hoc网络来说是巨大的。为了解决节能问题，这里提出以路由优先因子值作为选路标准，以跳数作为优化的条件： 

设一路由routei＝ns，n1，n2，…，nd其中：ns为源节点，nd为目的节点；Ri(t)为节点n_i在时刻t的电池剩余能量，Ci(t)为节点n_i在t时刻已经消耗的能量，β_i(t)为节点n_i的优先因子， 的平方值显然导致倾向于选择路由优先因子值大的路由，最优路由R_o满足条件： 其中r为所有可能路由的集合； 

(b.)建立新的路由模型： 

原有的AODV协议只搜索一条到目的节点的路径，一旦该路径失效，就要重新发起路由建立过程，而重建路由的开销是巨大的；本方案提出的路由方法采用备份路由机制，在路由发现过程中搜索2条到达目的节点的路径，在路由请求报文RREQ中需要增加电池剩余能量记录字段(Residual_Energy)、电池消耗能量字段(Consumed_Energy)和路由优先因子字段(Route_β)来表示路由能量信息。路由应答报文和路由表中也相应地增加一个路由优先因子字段； 

(c.)权值合成： 

当第一个RREQ传播到某节点时，将节点的电池剩余能量和电池消耗能量分别记录在RREQ中的Residual_Energy和Consumed_Energy字段中，节点可 以根据公式 来计算源节点到该节点的路由优先因子值，并将该值替换RREQ中字段Route_β值，建立到源节点的路由，在该节点路由表中增加一条路由条目，称为“反向路由”；如果路由表中有到源节点的路由，就进行更新操作；如果节点再次收到一个复制的RREQ消息，将RREQ中的Route_β值与路由表中的Route_β值进行比较，如果RREQ中的Route_β值较大(最优路由)，或者相等且跳数较少，就将RREQ报文向邻居节点转发，否则，立即丢弃； 

(d.)提供备份路由： 

由目的节点(即信宿节点)来记录多条路径，为了降低每个节点的路由表开销，避免过多的RREP报文占用信道，本方案在选择多条路径的时候，即使在路由发现过程中RREQ请求消息找到了超过两条路径时，为了降低路由开销，只选择两条路径，目的节点将这两条路径信息通过RREP消息传送给源节点，丢掉其余RREQ消息找到的路径信息； 

源节点收到RREP报文后，以路径的TTL(Time to Live)较高的作为主路由，剩下的作为备份路由，并以主路由开始数据传输；如果主路由失效，不进行重建路由操作，而采用备份路由进行数据传输，只有当两条路由都失效时才重新启动路由发现过程； 

(e.)执行下述两级判断： 

I.一级判断， 

一级判断主要通过信道测量及用户节点参数获取，包括节点电池剩余能量，电池已消耗能量和动态优先因子等值，查询当前可接入的节点列表，找出能够满足当前所有正在进行的应用的节点，并判断当前网络对所有正在进 行的应用的满足情况； 

II.二级判断， 

二级判断是在一级判断所找出的网络中继续查找一条符合用户需求和当前业务类型的备选路由，因此，必须根据用户剩余能量和已消耗能量，并按照用户对链路有效的程度计算出一条备用路径更加符合用户的能量限制和当前业务类型的要求； 

确定用户节点接入链路及执行路由建立。 

本发明从用户的节能需求出发，利用按需路由协议与拓扑结构分析法，提出一种新的节能路由选择方法，综合考虑节点能耗低，链路容量等因素；在此基础上提出了一种结合基于动态优先因子与单条备份路径的网络路由选择方法并设置二次判断，全面考虑了用户节点能量影响链路选择的因素，仿真结果验证了此方法不仅可以节省网络能量，而且可以推迟路由更新，从而延缓网络分裂。 

附图说明

图1：是本发明用户节点选择功能架构； 

图2：是本发明用户节点接入选择功能的实现； 

图3：是本发明接入选择模块执行过程； 

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明： 

如图1、图2、图3所示，本方案将路由选择功能架构主要包含3个模块：用户能量收集模块、能量信息管理模块、选择适配模块，分别负责从不同的用户节点获取能量参数、处理用户的需求和执行选路选择； 

(1)用户能量收集模块 

负责确认及发现网络中各用户节点上不同的状态，从各用户节点收集能量参数； 

当第一个RREQ传播到某节点时，将用户节点的电池剩余能量和电池消耗能量分别记录在RREQ中的Residual_Energy和Consumed_Energy字段中； 

(2)能量信息管理模块 

负责计算各节点及链路的动态优先因子值，通过比较节点及链路的动态因子值来判定优先级； 

节点可以根据公式 来计算源节点到该节点的路由优先因子值，并将该值替换RREQ中字段Route_β值，建立到源节点的路由，在该节点路由表中增加一条路由条目，称为“反向路由”；如果路由表中有到源节点的路由，就进行更新操作，如果节点再次收到一个复制的RREQ消息，将RREQ中的Route_β值与路由表中的Route_β值进行比较，如果RREQ中的Route_β值较大(最优路由)，或者相等且跳数较少，就将RREQ报文向邻居节点转发，否则，立即丢弃； 

(3)选择适配模块 

选择适配模块能够向源节点用户提供关于可用接入链路的节点的信息列表，每个列表包括各节点的动态优先因子、已耗能量、剩余能量等。选择适配模块也可以通过特定的网络发现协议判断是否有新的节点出现，或者用户已选择的节点和链路是否不满足要求了，将这些信息通知能量信息管理模块，触发新的选择过程。 

具体步骤如下： 

(a.)设置链路动态优先因子 

以路由优先因子值作为选路标准，以跳数作为优化的条件： 

设一路由routei＝ns，n1，n2，…，nd其中：ns为源节点，nd为目的节点； Ri(t)为节点n_i在时刻t的电池剩余能量，Ci(t)为节点n_i在t时刻已经消耗的能量，β_i(t)为节点n_i的优先因子， 的平方值显然导致倾向于选择路由优先因子值大的路由，最优路由R_o满足条件： 其中r为所有可能路由的集合； 

(b.)建立新的路由模型 

采用备份路由机制，在路由发现过程中搜索2条到达目的节点的路径，在路由请求报文RREQ中增加Residual_Energy记录字段、Consumed_Energy字段和Route_β字段来表示路由能量信息；路由应答报文和路由表中也相应地增加一个路由优先因子字段； 

(c.)权值合成 

当第一个RREQ传播到某节点时，将节点的电池剩余能量和电池消耗能量分别记录在RREQ中的Residual_Energy和Consumed_Energy字段中，节点根据公式 来计算源节点到该节点的路由优先因子值，并将该值替换RREQ中字段Route_β值，建立到源节点的路由，在该节点路由表中增加一条反向路由条目；当路由表中有到源节点的路由，就进行更新操作；当节点再次收到一个复制的RREQ消息，将RREQ中的Route_β值与路由表中的Route_β值进行比较，RREQ中的Route_β值较大或者相等且跳数较少，就将RREQ报文向邻居节点转发，否则，立即丢弃； 

(d.)提供备份路由 

由信宿节点来记录多条路径，在路由发现过程中RREQ请求消息找到了超过两条路径时，也只选择两条路径；信宿节点将这两条路径信息通过RREP消 息传送给源节点，丢掉其余RREQ消息找到的路径信息；源节点收到RREP报文后，以路径的TTL较高的作为主路由，剩下的作为备份路由，并以主路由开始数据传输；如果主路由失效，不进行重建路由操作，而采用备份路由进行数据传输，只有当两条路由都失效时才重新启动路由发现过程； 

(e.)参数选择； 

I.电池已消耗能量， 

将已经消耗的能量定义为：Ci(t)表示节点n_i在t时刻已经消耗的能量； 

II.电池剩余能量， 

将一条路由上具有最少剩余能量的节点作为标记节点，再在候选路由集中选择标记节点剩余能量最多的路由作为最后选定的路由：R_i(t)为节点n_i在时刻t的电池剩余能量； 

(f.)选择用户节点接入链路及执行路由建立； 

I.一级判断， 

一级判断主要通过信道测量及用户节点参数获取，包括节点电池剩余能量，电池已消耗能量和动态优先因子等值，查询当前可接入的节点列表，找出能够满足当前所有正在进行的应用的节点，并判断当前网络对所有正在进行的应用的满足情况； 

II.二级判断， 

二级判断是在一级判断所找出的网络中继续查找一条符合用户需求和当前业务类型的备选路由，因此，必须根据用户剩余能量和已消耗能量，并按照用户对链路有效的程度计算出一条备用路径更加符合用户的能量限制和当前业务类型的要求。 

实施例： 

假设场景大小为800m*800m，环境中存在45个移动节点，移动速率为 0m/s-25m/s，每个节点随机选择目的节点发送分组，发送分组大小服从指数分布，最小分组大小为1024bits，所有节点均按随机方向移动，发包间隔服从最小值为1packet/s的指数分布，节点到达目的地后停留时间为10s，数据传输率为2Mbps，hello报文周期为1s，hello报文的最大等待时间为5s，考察场景时间为30minutes。通过提升节点速度属性，设置不同移动速度来研究不同节点移动速度条件对传统的AODV路由协议和基于节能的AODV路由选择方法运行性能的影响。 

具体考察两者在分组投递率、网络控制开销、平均端到端时延三方面的差异。 

(1)在分组投递率方面，基于节能的AODV路由选择方法较传统的AODV路由选择方法有所提高，随着节点移动速度的加快，算法体现出来的差异逐渐明显，在丢失的分组比率上来看，二者相差大概达到了3.5％-7.0％。本方案选择一条连通性更好的链路进行通信，采用了备份路由，从而一定程度上提高了分组投递率。 

(2)在网络延时方面，基于节能的AODV路由选择方法较传统的AODV路由选择方法有所改善，随着节点移动速度的加快，算法在运行过程中拉开了差距，由于引入了多径的思想，虽然会有产生一定的控制开销，但是新的选择方法可以节约重新寻找路由耗费的时间。 

(3)在网络控制开销方面，基于节能的AODV路由选择方法运行过程中产生的开销较较传统的AODV路由选择方法有所降低。在基于节能的AODV路由选择方法中，选路标准由通常的跳数变成了链路优先因子权值，而跳数作为优化条件，在采用新的选择方法时，提升了链路的质量，加强了路由效率，从而控制了网络开销。