本發(fā)明涉及無(wú)線通信領(lǐng)域，特別涉及到一種基于距離估計(jì)的AODV路由協(xié)議優(yōu)化方法。

背景技術(shù)：

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN)是一種偏應(yīng)用型的研究領(lǐng)域，其理論與實(shí)踐技術(shù)的研究都是與具體的應(yīng)用環(huán)境相關(guān)的。與傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)相比，其具有節(jié)點(diǎn)隨機(jī)分布、網(wǎng)絡(luò)自組織、動(dòng)態(tài)拓?fù)洹⒐?jié)點(diǎn)能量受限等特點(diǎn)。為實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的數(shù)據(jù)的長(zhǎng)期高效傳輸，出現(xiàn)了專(zhuān)門(mén)適用于此種自組織網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議，分析比較AODV、DSR、TORA，AODV(Ad hoc On-demand Distance Vector)是一種典型的自組織按需距離矢量路由協(xié)議。結(jié)果表明AODV協(xié)議在平均能耗、節(jié)點(diǎn)存活率、平均端到端時(shí)延上表現(xiàn)較優(yōu)[1]。AODV(Ad hoc On-demand Distance Vector)是一種典型的自組織按需距離矢量路由協(xié)議，它根據(jù)源節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸需求以較小的路由開(kāi)銷(xiāo)建立可靠的傳輸路徑。

經(jīng)過(guò)對(duì)現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)的檢索發(fā)現(xiàn)，公開(kāi)號(hào)CN102404819A的專(zhuān)利文獻(xiàn)公開(kāi)了一種基于自組織網(wǎng)按需距離矢量協(xié)議的路由方法，其通過(guò)在路由請(qǐng)求RREQ中增加能量條目，判斷各傳輸節(jié)點(diǎn)剩余能量等級(jí)，根據(jù)判斷結(jié)果建立能耗最小數(shù)據(jù)傳輸路徑。公開(kāi)號(hào)CN102271378A的專(zhuān)利文獻(xiàn)公開(kāi)了一種在無(wú)線自組織網(wǎng)中基于路徑跳數(shù)和節(jié)點(diǎn)相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度的路由選擇方法，通過(guò)在節(jié)點(diǎn)間發(fā)送HELLO協(xié)議包來(lái)計(jì)算各節(jié)點(diǎn)相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度，并在路由請(qǐng)求RREQ中加入此運(yùn)動(dòng)速度條目，實(shí)現(xiàn)提供數(shù)據(jù)傳輸可靠性的目的。

以上方法通過(guò)在路由請(qǐng)求RREQ中加入能量、運(yùn)動(dòng)速度條目以實(shí)現(xiàn)其優(yōu)化目標(biāo)，針對(duì)不同的應(yīng)用環(huán)境，AODV仍存在優(yōu)化的可能。在實(shí)際的路由建立過(guò)程中，即使對(duì)RREQ廣播次數(shù)做出限制，泛洪式的廣播RREQ的指向性仍較弱，也會(huì)使得目的節(jié)點(diǎn)多次發(fā)送RREP到源節(jié)點(diǎn)，而源節(jié)點(diǎn)最終僅選擇一條有效路徑，可知路由建立的開(kāi)銷(xiāo)存在減小的可能；對(duì)于目的節(jié)點(diǎn)序列號(hào)相同的路由路徑會(huì)選擇跳數(shù)較小的，已達(dá)到減少數(shù)據(jù)傳輸距離、減少數(shù)據(jù)傳輸能耗的目的，但因此也會(huì)導(dǎo)致靠近目的節(jié)點(diǎn)的某些節(jié)點(diǎn)頻繁的被選為路由中間節(jié)點(diǎn)，這些節(jié)點(diǎn)能量消耗較快，使得整個(gè)網(wǎng)絡(luò)能耗不均衡。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于針對(duì)AODV協(xié)議路由建立過(guò)程中無(wú)指向性的廣播RREP所導(dǎo)致的路由開(kāi)銷(xiāo)問(wèn)題和某些節(jié)點(diǎn)頻繁被選為路由中間節(jié)點(diǎn)導(dǎo)致的能耗不均衡問(wèn)題，提出一種基于距離估計(jì)的AODV路由協(xié)議優(yōu)化方法，優(yōu)化了路由建立過(guò)程，其對(duì)距離的考量不再是僅根據(jù)源節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)的路由跳數(shù)，而是利用與距離有直接關(guān)系的接收信號(hào)功率優(yōu)化路由建立過(guò)程，建立一種分布式與集中式相混合的路由協(xié)議，以實(shí)現(xiàn)降低了路由開(kāi)銷(xiāo)，減少了數(shù)據(jù)傳輸?shù)钠骄鶗r(shí)延，延長(zhǎng)了網(wǎng)絡(luò)的生命周期的目的。

實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)解決方案為：一種基于距離估計(jì)的AODV路由協(xié)議優(yōu)化方法，包括下列步驟：

1)節(jié)點(diǎn)接收到目的節(jié)點(diǎn)定期發(fā)送距離探測(cè)包，根據(jù)接收信號(hào)功率估計(jì)節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)傳輸距離；

2)源節(jié)點(diǎn)廣播帶有上一跳節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)距離條目的路由請(qǐng)求包RREQ，該RREQ包含源節(jié)點(diǎn)地址、目的節(jié)點(diǎn)地址、上一跳節(jié)點(diǎn)地址、源節(jié)點(diǎn)序列號(hào)、目的節(jié)點(diǎn)序列號(hào)、廣播ID、到當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的跳數(shù)、上一跳節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)距離條目，中間轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)RREQ前都會(huì)將本節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)的距離更新到上一跳節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)距離條目中；

當(dāng)節(jié)點(diǎn)接收到RREQ后，如果本節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)的距離在一定閾值(d_threshold)范圍內(nèi)，則轉(zhuǎn)到步驟5，如果本節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)的距離在一定閾值范圍外，則順序執(zhí)行步驟4；該閾值取值為1～3倍節(jié)點(diǎn)有效半徑R，假設(shè)整個(gè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)內(nèi)有n個(gè)節(jié)點(diǎn)，x、y為網(wǎng)絡(luò)區(qū)域內(nèi)的橫縱坐標(biāo)，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)面積為S_{網(wǎng)絡(luò)}，每平方米內(nèi)節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)用ρ(n)表示，式(1)為ρ(n)與n關(guān)系表達(dá)式。

式(1)∫∫ρ(n)dxdy＝n

實(shí)際網(wǎng)絡(luò)中ρ(n)是隨坐標(biāo)變化的，將ρ(n)簡(jiǎn)化為公式(2)；

式(2)S_{網(wǎng)絡(luò)}·ρ(n)＝n

節(jié)點(diǎn)有效半徑R與每平方米內(nèi)節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)ρ(n)關(guān)系為公式(3)；

式(3)πR²＝1/ρ(n)

綜合(1)、(2)、(3)式得到如下閾值計(jì)算公式：

4)如果本節(jié)點(diǎn)相對(duì)于上一跳節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)距離增大，則將RREQ包丟棄，如果本節(jié)點(diǎn)相對(duì)于上一跳節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)距離減小，則順序執(zhí)行步驟5；

5)如果RREQ包為節(jié)點(diǎn)本身發(fā)送或者節(jié)點(diǎn)是已經(jīng)接收過(guò)此RREQ包，則將RREQ包丟棄，否則，建立本節(jié)點(diǎn)到上一跳節(jié)點(diǎn)的反向路由，并繼續(xù)廣播RREQ直到目的節(jié)點(diǎn)接收到；

6)當(dāng)中間轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)接收到RREQ后，如果中間轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)有到目的節(jié)點(diǎn)的有效路由或者中間轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)就是目的節(jié)點(diǎn)，則沿反向路由發(fā)送路由應(yīng)答包RREP，否則，繼續(xù)廣播RREQ直到目的節(jié)點(diǎn)接收到；

當(dāng)源節(jié)點(diǎn)接收到多個(gè)RREP，選擇目的節(jié)點(diǎn)序列號(hào)最大，或者目的節(jié)點(diǎn)序列號(hào)相同但跳數(shù)小的RREP建立有效路由路徑，并向目的節(jié)點(diǎn)發(fā)送路由應(yīng)答認(rèn)可包RREP-ACK。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其顯著效果是：1)源節(jié)點(diǎn)發(fā)送的路由請(qǐng)求包RREQ增加了上一跳節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)距離條目，中間轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)RREQ前都會(huì)將本節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)的距離更新到此條目中。2)節(jié)點(diǎn)接收到RREQ后，判斷本節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)距離是否在一定閾值(d_threshold)范圍內(nèi)，提出了該閾值的計(jì)算方法。3)當(dāng)節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)的距離在一定閾值范圍內(nèi)時(shí)，路由建立過(guò)程與原AODV一致，當(dāng)節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)的距離在一定閾值范圍外時(shí)，增加了判斷本節(jié)點(diǎn)相對(duì)于上一跳節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)距離是否增大的步驟，如果本節(jié)點(diǎn)相對(duì)于上一跳節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)距離增大，則丟棄該RREQ包。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明流程圖。

圖2為傳統(tǒng)AODV路由協(xié)議與優(yōu)化后AODV路由協(xié)議(D-AODV)平均時(shí)延性能對(duì)比圖。

圖3為傳統(tǒng)AODV路由協(xié)議與優(yōu)化后AODV路由協(xié)議(D-AODV)歸一化路由開(kāi)銷(xiāo)性能對(duì)比圖。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖和具體實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。

該仿真具體實(shí)施例的場(chǎng)景為在1000m×100m的范圍內(nèi)隨機(jī)布置50個(gè)節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)最大移動(dòng)速度為20m/s，在每個(gè)地點(diǎn)的停留時(shí)間分別設(shè)置為0、30、60、90、120、300秒，停留時(shí)間0秒表示節(jié)點(diǎn)一直運(yùn)動(dòng)，停留時(shí)間300秒表示節(jié)點(diǎn)不動(dòng)。暫停時(shí)間反映了網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓念l繁程度，暫停時(shí)間越長(zhǎng)，節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)性越差。節(jié)點(diǎn)間最多有30條連接，某時(shí)刻每個(gè)CBR源每秒鐘發(fā)送2個(gè)CBR數(shù)據(jù)包。下文僅介紹區(qū)別于傳統(tǒng)AODV的實(shí)施部分。

步驟1)中距離探測(cè)包D-HELLO包含目的節(jié)點(diǎn)地址、廣播ID條目，為估計(jì)節(jié)點(diǎn)到基站(目的節(jié)點(diǎn))傳輸距離，采用距離-接收信號(hào)功率模型描述了節(jié)點(diǎn)間距離與接收到信號(hào)功率的關(guān)系，在基站和移動(dòng)節(jié)點(diǎn)之間，單一的直線傳播不再是唯一的傳播方式，雙徑地面反射模型處理考慮直線傳播路徑還考慮了地面反射路徑，在長(zhǎng)距離傳輸環(huán)境中更為準(zhǔn)確。距離與接收信號(hào)功率的關(guān)系如式(4)所示：

d為距離；h_t和h_r分別為發(fā)射天線和接收天線的高度；G_t和G_r分別為發(fā)射方和接收方的天線增益；L(L≥1)為系統(tǒng)損壞；P_t和P_r分別為發(fā)射和接收的信號(hào)功率。

步驟2)中源節(jié)點(diǎn)發(fā)送的路由請(qǐng)求包RREQ增加了上一跳節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)距離條目：

struct hdr_d-aodv_request{

...

double rq_dist_BS；//上一跳節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)距離條目

...}

中間轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)RREQ前將本節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)的距離更新到上一跳節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)距離條目中：

rq->rq_dist_BS＝my_dist_BS；

步驟3)中判斷了接收RREQ的節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)的距離是否在一定閾值范圍外，步驟4)中判斷了本節(jié)點(diǎn)相對(duì)于上一跳節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)距離是否增大：

結(jié)合圖2、圖3，對(duì)本發(fā)明的距離估計(jì)路由優(yōu)化方法仿真結(jié)果進(jìn)行分析，圖2、圖3橫坐標(biāo)為節(jié)點(diǎn)在每個(gè)地點(diǎn)的停留時(shí)間，停留時(shí)間越小，表明節(jié)點(diǎn)移動(dòng)頻率越高，D-AODV表示優(yōu)化后的路由協(xié)議。

平均時(shí)延表明數(shù)據(jù)包從源節(jié)點(diǎn)IP層到目的節(jié)點(diǎn)IP層所需的平均時(shí)間，反映了路由的有效性。從圖2可以看出，D-AODV的平均時(shí)延明顯低于AODV，在停留時(shí)間為60秒時(shí)，其平均時(shí)延降低了51％，在停留時(shí)間為30秒時(shí)，優(yōu)化后協(xié)議仍較好的控制住了平均時(shí)延。路由發(fā)現(xiàn)過(guò)程中通過(guò)比較本節(jié)點(diǎn)與上一跳節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)的距離，加快了源節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)的路由路徑的收斂速度，大大降低了路由發(fā)現(xiàn)時(shí)延；相比AODV僅在目的節(jié)點(diǎn)序列號(hào)一致的條件下依靠較小跳數(shù)來(lái)減少傳輸距離，改進(jìn)后協(xié)議在比較目的節(jié)點(diǎn)序列號(hào)之前已經(jīng)從節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)距離因素上對(duì)傳輸路徑進(jìn)行了挑選，故數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延、MAC層重傳時(shí)延也會(huì)得到改善。

歸一化路由開(kāi)銷(xiāo)是每發(fā)送一個(gè)數(shù)據(jù)包所需要的路由消息包數(shù)目。從圖3可看出，D-AODV歸一化路由開(kāi)銷(xiāo)的降低與平均時(shí)延的降低是相呼應(yīng)的，且無(wú)論節(jié)點(diǎn)移動(dòng)頻率的高低，優(yōu)化后路由開(kāi)銷(xiāo)減少程度都是相當(dāng)明顯的。當(dāng)中間節(jié)點(diǎn)接收到路由請(qǐng)求包RREQ時(shí)，會(huì)根據(jù)當(dāng)前節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)距離決定是否轉(zhuǎn)發(fā)RREQ，使得RREQ朝著目的節(jié)點(diǎn)方向發(fā)送，相對(duì)于AODV，D-AODV減少了RREQ轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)量，也排除了目的節(jié)點(diǎn)接收繞路較遠(yuǎn)的RREQ的可能性，即減少了目的節(jié)點(diǎn)發(fā)送路由回復(fù)包RREP的數(shù)量。