張 莉，馬苗立

(華北科技學(xué)院 電子信息工程學(xué)院，北京 東燕郊 065201)

0 引言

目前，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展非常迅速，在未來的幾十年內(nèi)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將在很大的程度上改變?nèi)藗兊纳a(chǎn)、生活。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的核心問題是無線網(wǎng)絡(luò)的通信能力，有效的利用網(wǎng)絡(luò)資源是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展的一個關(guān)鍵問題[1]。

在無線網(wǎng)絡(luò)中，要考慮整個網(wǎng)絡(luò)的通信能力，也要考慮網(wǎng)絡(luò)中每個節(jié)點的負(fù)載問題。由于無線網(wǎng)絡(luò)中各個節(jié)點的通信能力有強有弱，AODV協(xié)議中的跳數(shù)最小路由判據(jù)可能會造成網(wǎng)絡(luò)負(fù)載集中流向通信能力差的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，造成這些節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)堵塞，從而降低整個網(wǎng)絡(luò)的通信能力[2-3]。同時，這些節(jié)點的能量消耗過多的應(yīng)用到與周圍節(jié)點建立通信連接上，這也會造成網(wǎng)絡(luò)能量的浪費[4]。

針對以上問題，本文提出了一種均衡負(fù)載的AODV協(xié)議，該協(xié)議引入了無線通信成功率的概念，將路由的判據(jù)由原來的跳數(shù)最小改進為通信成功率最高，很好的避免了網(wǎng)絡(luò)的阻塞，提高了整個網(wǎng)絡(luò)的通信能力。

1 AODV協(xié)議簡介

AODV路由協(xié)議是按需改進的距離向量路由協(xié)議，它包括多種控制消息：路由請求消息 Routing Request(RREQ)，路由應(yīng)答消息 Route Replies(RREP)和路由錯誤消息 Route Error(RERR)，路由應(yīng)答認(rèn)可消息(RREP-ACK)，Hello 消息等[5]。網(wǎng)絡(luò)中的每個節(jié)點靠發(fā)送hello消息與周圍的節(jié)點建立連通關(guān)系[6]。當(dāng)源節(jié)點需要向目標(biāo)節(jié)點發(fā)布消息而又沒有有效路由時，就會發(fā)送一個路由請求消息，開啟一個尋找路由的過程，找到有效路由后目標(biāo)節(jié)點回復(fù)一個路由應(yīng)答消息到源節(jié)點,源節(jié)點將保存該路由到路由項表[7]。如果源節(jié)點收到無法尋求到有效路由的錯誤信息或?qū)で蟪瑫r則表示到該目標(biāo)節(jié)點沒有有效路由。在路由尋求的過程中，各個節(jié)點就會建立起到其他節(jié)點連通性的路由項表。路由項表維護了該節(jié)點到其他節(jié)點的最新連通情況[7,8]。

2 LD-AODV協(xié)議

2.1 判據(jù)改進

無線網(wǎng)絡(luò)中兩個節(jié)點間的路由判據(jù)是路由選擇的依據(jù)，在標(biāo)準(zhǔn)的AODV路由協(xié)議中，路由判據(jù)是跳數(shù)最少[9]，但是這種判據(jù)容易造成數(shù)據(jù)的堵塞和無線網(wǎng)絡(luò)能量的浪費[10]。為了解決網(wǎng)絡(luò)堵塞的問題，本論文將無線網(wǎng)絡(luò)的路由判據(jù)由原來的跳數(shù)最小，修改為通信成功率最高。

2.2 通信成功率的獲取

在標(biāo)準(zhǔn)的AODV協(xié)議里一個節(jié)點與其周圍其他節(jié)點的連通性的建立是靠該節(jié)點定期向周圍節(jié)點廣播hello消息，周圍節(jié)點向該節(jié)點回復(fù)應(yīng)答消息，這個過程就使該節(jié)點與周圍節(jié)點建立起連接。本文中為了獲取通信成功率，節(jié)點在向其周圍節(jié)點廣播hello消息時將一個改為一組，節(jié)點根據(jù)在一個周期內(nèi)收到的應(yīng)答消息的個數(shù)來獲取通信成功率,具體如公式1所示，

(1)

式中，Pi是第i個節(jié)點與源節(jié)點的通信成功率，Ri代表源節(jié)點接收到的第i個節(jié)點回應(yīng)的Hello消息個數(shù)，T表示源節(jié)點在該時間段內(nèi)廣播的Hello消息個數(shù)。

2.3 消息格式的修改

為了適應(yīng)路由判據(jù)的修改，AODV的消息格式也做了相應(yīng)的修改，在每一種消息格式內(nèi)都增加了2個字節(jié)的通信成功率數(shù)據(jù)。路由請求消息修改為表1的格式。

表1 修改后的RREQ消息格式

改進的RREQ協(xié)議與標(biāo)準(zhǔn)的RREQ協(xié)議相比，唯一的區(qū)別是在協(xié)議里增加了32個位，其中16位用于存儲與其他節(jié)點的通信成功率，其他16位保留，默認(rèn)為0. 值得提出的是，其他的控制消息與標(biāo)準(zhǔn)AODV協(xié)議的格式一致[11，12]。

2.4 路由通信成功率的獲得

每條路由的通信成功率表示了該路由目標(biāo)節(jié)點接收源節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)包成功的概率，和該條路由上所有節(jié)點之間的通信成功率有關(guān)，具體計算如式2所示。

(2)

式中，Mj表示從目標(biāo)節(jié)點到源節(jié)點的第j條路由總通信率；n表示第j條路由的跳數(shù)；Pji表示每一跳的通信成功率。

3 效果驗證

3.1 驗證網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)方式

為了能夠真實的驗證LD-AODV協(xié)議的工作性能，專門設(shè)計了網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的硬件。利用若干個硬件組成一個特殊的測試網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)節(jié)點硬件主要由單片機stm32f103r8t6和無線射頻模塊nrf2401組成。硬件設(shè)計電路框圖如圖1所示。

圖1 無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點硬件框圖

如圖1所示，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點由ID標(biāo)識、網(wǎng)口、串口、外部擴展器及無線通信單元NRF2410組成。其中：

(1) ID標(biāo)識給網(wǎng)絡(luò)節(jié)點提供唯一的8位節(jié)點序號，該節(jié)點序號由硬件提供，保證了節(jié)點程序的一致性。

(2) 網(wǎng)口和串口為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的數(shù)據(jù)傳輸提供了接口。

(3) 外部擴展存儲用于傳輸數(shù)據(jù)的存儲，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)通信成功率不高的時候，可以將待傳輸?shù)臄?shù)據(jù)暫存本地，防止因網(wǎng)絡(luò)阻塞造成數(shù)據(jù)丟失。同時，擴展的存儲器還開辟了一定的空間用于路由項表的存儲。

(4) NRF2401是節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)通信單元，可以通過與其連接的放大器來調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)的通信能力，本文為了驗證協(xié)議的有效性，通過調(diào)節(jié)放大器的放大倍數(shù)及加遮擋物的方式來獲得不同通信距離的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點。

另外，由于本文所選用的NRF2401每次通信字節(jié)數(shù)有限，在實驗過程中，進一步將AODV的協(xié)議格式進行了壓縮，其中包括：1)對預(yù)留位的刪除；2)對協(xié)議字節(jié)數(shù)的縮減等。

3.2 驗證網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)方式

在驗證LD-AODV無線網(wǎng)絡(luò)時，設(shè)計了10個圖1所示的無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，將這些節(jié)點隨機的分布到一個空曠的測試環(huán)境內(nèi)。利用硬件上的接口可以隨意的切換硬件的運行模式。該網(wǎng)絡(luò)可以單獨獲得任意節(jié)點的與周圍節(jié)點的連通情況，也可以按照特定的模式進行數(shù)據(jù)通信。為了驗證效果，我們設(shè)計了一條從節(jié)點1到節(jié)點10的尋找路由的過程。為了很好的驗證LD-AODV的改進效果，實驗中將節(jié)點10進行了特殊處理，其中10(1)表示節(jié)點10的功率放大器放大倍數(shù)被調(diào)至最小時的通信成功率，10(2)表示節(jié)點10在(1)的基礎(chǔ)之上再通過放置遮擋物進行部分方向上信號的屏蔽。具體的組網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 組網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖

3.3 效果驗證方法

測試網(wǎng)絡(luò)節(jié)點可以在不同的運行模式下運行，為了直觀的觀察LD-AODV無線網(wǎng)絡(luò)的工作情況，首先將各節(jié)點運行在獲取各節(jié)點與周圍節(jié)點連通情況的模式下，獲得各節(jié)點之間的通信情況，某一時刻各節(jié)點間的通信情況見表2。

表2 各節(jié)點與周圍節(jié)點的連通情況

為了能夠直觀的看到數(shù)據(jù)通信的詳細過程，測試自組的網(wǎng)絡(luò)可以通過設(shè)置使其工作在標(biāo)準(zhǔn)的AODV和LD-AODV兩種協(xié)議下，并且網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)在傳輸過程中添加的數(shù)據(jù)傳輸?shù)穆窂叫畔?，為了能夠更加清晰的看到?shù)據(jù)的傳輸過程，數(shù)據(jù)在傳輸過程中每一跳都進行了通信成功重發(fā)與確認(rèn)。為了觀察算法的尋求路由的過程，從源節(jié)點開始，將每個路過的節(jié)點信息保存到尋找路徑的信息中，具體的信息存儲見表3。

表3 數(shù)據(jù)含義

3.4 效果驗證結(jié)果

為了對比標(biāo)準(zhǔn)AODV協(xié)議和LD-AODV協(xié)議的數(shù)據(jù)傳輸過程，讓兩種協(xié)議下的網(wǎng)絡(luò)進行相同的數(shù)據(jù)傳輸。表4是兩種協(xié)議下數(shù)據(jù)從節(jié)點1到節(jié)點10的數(shù)據(jù)通信情況。

表4 兩種通信協(xié)議下的數(shù)據(jù)傳輸對比

續(xù)表

從表4的數(shù)據(jù)傳輸過程來看，在節(jié)點1到節(jié)點10的數(shù)據(jù)通信過程中，在第一種情況下 LD-AODV協(xié)議成功的避開了通信成功率低的3號節(jié)點，在第二種情況下節(jié)點1到節(jié)點10是可聯(lián)通的，但是成功率較低，LD-AODV協(xié)議選擇了1-4-6-8-10將通信成功率提升到了76.3%。而標(biāo)準(zhǔn)的AODV協(xié)議選擇了1-10的直接聯(lián)通，其通信成功率為31.5%。從以上分析可知LD-AODV協(xié)議的路徑選擇是通訊成功率最高的路徑。

從總體上看LD-AODV協(xié)議由于在路由選擇過程中避讓了通信能力較差的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，所以減少了數(shù)據(jù)包被轉(zhuǎn)發(fā)的次數(shù)。被轉(zhuǎn)發(fā)次數(shù)的減少勢必會減輕整個網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載量，從而可以減少整個網(wǎng)絡(luò)的能量消耗。

在數(shù)據(jù)通信過程中，每一個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的通信能力與和它通信的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點有關(guān)系，通信能力差是相對于某個節(jié)點而言的，某個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的通信能力會根據(jù)數(shù)據(jù)通信的源節(jié)點和目標(biāo)節(jié)點的不同而不同。所以本文所提出的LD-AODV協(xié)議動態(tài)的均衡了網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的負(fù)載。

另外，由于測試環(huán)境是多變的，各個節(jié)點間的實時通信成功率是變化的，所以測試的結(jié)果與實際的理論結(jié)果有一定的偏差。表4中的數(shù)據(jù)是五次測試的平均值。

4 結(jié)論

(1) 每個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點定期廣播hello消息組，通過接收到的響應(yīng)信息個數(shù)獲取了與周圍節(jié)點的通信成功率，并將其保存到路由項表里。

(2) 將通信成功率指標(biāo)作為了信息是否經(jīng)過該節(jié)點的判斷依據(jù)，有效的避開了成功率較差的節(jié)點，增加了網(wǎng)絡(luò)的通信成功率。

(3) 實驗結(jié)果表明，LD-AODV協(xié)議避讓了通信能力較差的中間節(jié)點，動態(tài)有效的均衡了網(wǎng)絡(luò)負(fù)載分布，在一定程度上緩解了網(wǎng)絡(luò)的消息堵塞問題，同時優(yōu)化了整個網(wǎng)絡(luò)的能量消耗。