陳侃松,李豪科,阮玉龍,王時(shí)繪

(湖北大學(xué) 計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院 物聯(lián)網(wǎng)工程研究所,湖北 武漢 430062)

Ad Hoc 網(wǎng)絡(luò)是一種無(wú)需基礎(chǔ)設(shè)施的多跳無(wú)線自組織移動(dòng)網(wǎng)絡(luò),廣泛應(yīng)用于軍事和緊急救災(zāi)等領(lǐng)域.在Ad Hoc 網(wǎng)絡(luò)中,當(dāng)節(jié)點(diǎn)高速移動(dòng)時(shí),網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化很快,導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)鏈路狀態(tài)不穩(wěn)定[1].此時(shí),路由需要盡快重新找到能耗較低且狀態(tài)穩(wěn)定的鏈路.同時(shí),在路由失效時(shí)避免網(wǎng)絡(luò)中斷.

本文主要研究的是Ad Hoc 網(wǎng)絡(luò)中一種按需距離矢量路由協(xié)議AODV 及其改進(jìn)協(xié)議,AODV 協(xié)議在路由查找階段采用泛洪機(jī)制廣播RREQ 分組,可能會(huì)導(dǎo)致廣播風(fēng)暴[2].在通信過(guò)程中,如果發(fā)生路由中斷,則其需由源節(jié)點(diǎn)重新建立到目的節(jié)點(diǎn)的路由.同時(shí),當(dāng)節(jié)點(diǎn)移動(dòng)速度較快時(shí),由于網(wǎng)絡(luò)拓?fù)漕l繁變化,鏈路極易中斷,導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)性能迅速下降.因此,本文將跨層設(shè)計(jì)[3-6]和動(dòng)態(tài)概率相結(jié)合,針對(duì)上述問(wèn)題,對(duì)AODV 協(xié)議做出修改:首先,在AODV 路由發(fā)現(xiàn)階段采取動(dòng)態(tài)概率轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制,根據(jù)局部鄰居節(jié)點(diǎn)數(shù)量,選擇計(jì)算轉(zhuǎn)發(fā)概率抑制路由風(fēng)暴,提高了網(wǎng)絡(luò)性能;并在路由路徑選擇階段,利用跨層設(shè)計(jì)思想,提高了路由鏈路在網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓l繁時(shí)的穩(wěn)定性.

本文主要貢獻(xiàn)如下:

(1) 針對(duì)AODV 路由查找階段容易導(dǎo)致廣播風(fēng)暴的問(wèn)題,提出一種動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)發(fā)概率公式.基于網(wǎng)絡(luò)局部鄰居節(jié)點(diǎn)數(shù)量,使節(jié)點(diǎn)獲取當(dāng)前所在區(qū)域、上級(jí)節(jié)點(diǎn)所在區(qū)域和整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)密度,并根據(jù)不同的節(jié)點(diǎn)密度計(jì)算轉(zhuǎn)發(fā)概率,更好地抑制廣播風(fēng)暴;

(2) 在快速變化的Ad Hoc 網(wǎng)絡(luò)中,針對(duì)AODV 協(xié)議建立的路由鏈路不穩(wěn)定、從而影響網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)膯?wèn)題,提出鏈路權(quán)值的概念.利用跨層設(shè)計(jì)思想,結(jié)合網(wǎng)絡(luò)層節(jié)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)速度計(jì)算鏈路權(quán)值,并在路由選擇依據(jù)中,將鏈路權(quán)值作為標(biāo)準(zhǔn),以提高路由鏈路的時(shí)效性;

(3) 通過(guò)NS2 仿真平臺(tái),對(duì)改進(jìn)協(xié)議進(jìn)行仿真以驗(yàn)證其性能.分別對(duì)節(jié)點(diǎn)在40、60、80、100 節(jié)點(diǎn)數(shù)量不同移動(dòng)速度的場(chǎng)景以及在30m/s、40m/s、50m/s 移動(dòng)速度的不同節(jié)點(diǎn)數(shù)量的場(chǎng)景下進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn),對(duì)改進(jìn)協(xié)議的分組投遞率、端到端時(shí)延、歸一化路由開(kāi)銷這3 項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行仿真性能評(píng)估,分析兩種改進(jìn)協(xié)議(參見(jiàn)文獻(xiàn)[7,8]),同時(shí)驗(yàn)證分析了本文改進(jìn)協(xié)議與原始協(xié)議和文獻(xiàn)[7,8]的改進(jìn)協(xié)議相比的優(yōu)勢(shì).

1 相關(guān)工作

AODV 路由協(xié)議在路由查找階段采用泛洪機(jī)制發(fā)送RREQ 分組,如圖1 所示.圖1(a)中,當(dāng)節(jié)點(diǎn)發(fā)起路由請(qǐng)求時(shí),A節(jié)點(diǎn)開(kāi)始廣播RREQ,B、C、D收到分組后繼續(xù)廣播該分組,E和F收到后仍然繼續(xù)廣播直到找到目的節(jié)點(diǎn).這種方式容易導(dǎo)致廣播風(fēng)暴,即網(wǎng)絡(luò)內(nèi)很多節(jié)點(diǎn)均在廣播發(fā)送消息,從而導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)擁堵甚至癱瘓,使得網(wǎng)絡(luò)性能下降,出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)可用帶寬減小、丟包率增加、傳輸延時(shí)增加等問(wèn)題.因此,為了改善網(wǎng)絡(luò)性能,希望RREQ分組能夠以圖1(b)所示的方式轉(zhuǎn)發(fā),節(jié)點(diǎn)根據(jù)通信范圍內(nèi)的節(jié)點(diǎn)密度智能地選擇是否轉(zhuǎn)發(fā)分組,從而提高網(wǎng)絡(luò)的可用帶寬[5].

Fig.1 Broadcast storm diagram圖1 廣播風(fēng)暴示意圖

AODV 路由路徑選擇建立階段如圖2(a)所示,其中,從節(jié)點(diǎn)S到節(jié)點(diǎn)D的最短跳數(shù)路徑選擇為S→B→D.在靜態(tài)網(wǎng)絡(luò)中,該路徑選擇策略可降低數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延,節(jié)省網(wǎng)絡(luò)能量;但在拓?fù)渥兓^快的網(wǎng)絡(luò)中,采用該策略將會(huì)降低路由的時(shí)效性.如圖2(b)所示:當(dāng)節(jié)點(diǎn)B運(yùn)動(dòng)較快且超出S的通信范圍時(shí),S到D的鏈路就會(huì)斷裂,此時(shí),S→B→D的路徑已失效,需再次重新發(fā)起路由查找;而另一路徑S→A→E→D仍然可用.因此,在網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇焖僮兓瘯r(shí),不應(yīng)依據(jù)最短跳數(shù)來(lái)建立路由路徑,而應(yīng)選擇更穩(wěn)定的路徑.

節(jié)點(diǎn)廣播轉(zhuǎn)發(fā)鄰居節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)之后,可增加的平均有效廣播區(qū)域?yàn)?1%[6].同時(shí),當(dāng)節(jié)點(diǎn)擁有多鄰居節(jié)點(diǎn)時(shí),增加的有效廣播區(qū)域則會(huì)減少.文獻(xiàn)[9]中提出一種利用節(jié)點(diǎn)的平均鄰居節(jié)點(diǎn)數(shù)量來(lái)衡量網(wǎng)絡(luò)的稠密程度的策略,以動(dòng)態(tài)概率轉(zhuǎn)發(fā)路由查找分組,從而抑制路由查找階段的廣播泛洪.該方法以動(dòng)態(tài)形式表示網(wǎng)絡(luò)的疏密程度,并給出轉(zhuǎn)發(fā)概率,但是,由于網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞淖兓凸?jié)點(diǎn)的快速移動(dòng),導(dǎo)致每個(gè)節(jié)點(diǎn)不能實(shí)時(shí)獲取網(wǎng)絡(luò)的疏密程度.同時(shí),網(wǎng)絡(luò)中存在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)分布不均勻的情況,導(dǎo)致轉(zhuǎn)發(fā)概率的計(jì)算不準(zhǔn)確[10],因此,在一定程度上會(huì)影響到路由網(wǎng)絡(luò)的時(shí)效性和穩(wěn)定性.

Fig.2 Comparison of routing path selection圖2 路由路徑選擇對(duì)比圖

在文獻(xiàn)[11]中提出了一種基于計(jì)數(shù)的轉(zhuǎn)發(fā)方案來(lái)抑制路由風(fēng)暴,它在每次要轉(zhuǎn)發(fā)RREQ 分組前開(kāi)始等待時(shí)間來(lái)避免所有節(jié)點(diǎn)均廣播轉(zhuǎn)發(fā),但是該方案明顯提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)延.Kim 等人在文獻(xiàn)[12]中提出一種基于鏈路質(zhì)量LQI(link quality indicator)的改進(jìn)協(xié)議,通過(guò)設(shè)定鏈路質(zhì)量的閾值來(lái)界定一條鏈路的好壞.因?yàn)殒溌返倪x擇是基于優(yōu)秀鏈路質(zhì)量最優(yōu)的一條,因此改進(jìn)的協(xié)議能夠提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性[13].由于L-AODV 沒(méi)有考慮網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)的情況,從而選擇不穩(wěn)定的路由路徑導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延增大.Mohammed 等人在文獻(xiàn)[14]中提出一種基于能量的改進(jìn)協(xié)議,結(jié)合路徑的能量消耗以及節(jié)點(diǎn)的最低能耗來(lái)設(shè)定能量閾值,避免了節(jié)點(diǎn)成為熱點(diǎn)而死亡,從而導(dǎo)致鏈路中斷.但是因?yàn)樵诼窂竭x擇中過(guò)度考慮能量導(dǎo)致鏈路的質(zhì)量不高,數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定性較低.文獻(xiàn)[15]提出基于跨層機(jī)制以及能量約束來(lái)選擇路由路徑,結(jié)合MAC 層的信號(hào)鏈路強(qiáng)度和節(jié)點(diǎn)能量因素來(lái)平衡網(wǎng)絡(luò)中的能量消耗,選擇一條最優(yōu)路徑以避免網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)熱點(diǎn)現(xiàn)象,但是并未考慮到網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓那闆r會(huì)影響路由的時(shí)效性.

2 協(xié)議改進(jìn)

2.1 基于局部鄰居的動(dòng)態(tài)概率轉(zhuǎn)發(fā)

如圖3 所示,A、B兩節(jié)點(diǎn)間相距d,節(jié)點(diǎn)通信半徑為R(R>d),當(dāng)B接收到A轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)后,如果繼續(xù)轉(zhuǎn)發(fā)該數(shù)據(jù),則可增加的有效覆蓋區(qū)域?yàn)閳D中陰影部分面積.

Fig.3 Forwarding model diagram圖3 轉(zhuǎn)發(fā)模型圖

每個(gè)節(jié)點(diǎn)所能覆蓋的有效傳播范圍是INCR(d),當(dāng)節(jié)點(diǎn)B也轉(zhuǎn)發(fā)該數(shù)據(jù)時(shí),增加的陰影部分區(qū)域?yàn)?/p>

其中,A、B兩節(jié)點(diǎn)均能傳輸?shù)降膮^(qū)域:

在實(shí)際傳輸過(guò)程中,當(dāng)兩節(jié)點(diǎn)間距離剛好為節(jié)點(diǎn)傳輸半徑R時(shí),兩節(jié)點(diǎn)間重復(fù)的傳播區(qū)域最小,轉(zhuǎn)發(fā)增加的有效傳播區(qū)域最大,此時(shí),R=d,INCR(d)最大為

由公式(2)可知,節(jié)點(diǎn)在轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)之后能夠增加的有效傳播區(qū)域最大為原區(qū)域的61%.該區(qū)域隨著節(jié)點(diǎn)間距離的減小而降低,而增加的平均區(qū)域計(jì)算公式如下:

由上述分析可得,數(shù)據(jù)在轉(zhuǎn)發(fā)之后能夠增加的有效傳播區(qū)域平均值為41%.這是在節(jié)點(diǎn)只有一個(gè)鄰居的情況下所得,而在實(shí)際應(yīng)用中,一個(gè)節(jié)點(diǎn)擁有多個(gè)鄰居節(jié)點(diǎn),因此,在轉(zhuǎn)發(fā)過(guò)程中增加的有效傳播區(qū)域?qū)⒏賉16].本文在AODV 路由查找階段提出一種基于動(dòng)態(tài)概率的路由轉(zhuǎn)發(fā)模型,該概率公式通過(guò)本節(jié)點(diǎn)的鄰居數(shù)量與上級(jí)節(jié)點(diǎn)的鄰居數(shù)量、網(wǎng)絡(luò)平均鄰居數(shù)量之間的比較,計(jì)算選擇不同的轉(zhuǎn)發(fā)概率,使RREQ 分組可依據(jù)網(wǎng)絡(luò)的疏密程度以動(dòng)態(tài)概率轉(zhuǎn)發(fā),極大地改善了廣播風(fēng)暴問(wèn)題,也提高了網(wǎng)絡(luò)可用帶寬.現(xiàn)將本文中參數(shù)定義說(shuō)明如下.

1.網(wǎng)絡(luò)平均鄰居數(shù)量avgCnt:網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)的鄰居節(jié)點(diǎn)數(shù)量之和與網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)量的比值:

N為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)量,nbCnti為第i個(gè)節(jié)點(diǎn)的鄰居節(jié)點(diǎn)數(shù)量;

2.本地鄰居數(shù)量nbCnt:當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的鄰居節(jié)點(diǎn)數(shù)量;

3.上級(jí)節(jié)點(diǎn):本地鄰居節(jié)點(diǎn)中,將RREQ 轉(zhuǎn)發(fā)給當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn);

4.上級(jí)節(jié)點(diǎn)鄰居數(shù)量pnbCnt:上級(jí)節(jié)點(diǎn)的鄰居節(jié)點(diǎn)數(shù)量;

5.轉(zhuǎn)發(fā)概率P:節(jié)點(diǎn)收到RREQ 分組后,轉(zhuǎn)發(fā)該分組的概率:

當(dāng)節(jié)點(diǎn)收到RREQ 分組后,將自身鄰居數(shù)量和上級(jí)節(jié)點(diǎn)鄰居數(shù)量以及網(wǎng)絡(luò)平均鄰居數(shù)量進(jìn)行比較,以選擇不同的轉(zhuǎn)發(fā)概率計(jì)算公式,其中,P1>P3>P2>P4.

(1) 當(dāng)本地鄰居數(shù)量<上級(jí)節(jié)點(diǎn)鄰居數(shù)量,并且本地鄰居數(shù)量<網(wǎng)絡(luò)平均鄰居數(shù)量時(shí),表明當(dāng)前節(jié)點(diǎn)通信范圍相對(duì)于上級(jí)節(jié)點(diǎn)以及整個(gè)網(wǎng)絡(luò)來(lái)說(shuō)處于一個(gè)較稀疏的路由網(wǎng)絡(luò)中,因此需要以較大概率P1 來(lái)轉(zhuǎn)發(fā)RREQ,避免該分組在當(dāng)前的小網(wǎng)絡(luò)被吸收(此時(shí),分組數(shù)據(jù)傳遞不出去);

(2) 當(dāng)本地鄰居數(shù)量<上級(jí)節(jié)點(diǎn)鄰居數(shù)量,并且本地鄰居數(shù)量≥網(wǎng)絡(luò)平均鄰居數(shù)量時(shí),表明當(dāng)前節(jié)點(diǎn)通信范圍只是相對(duì)于上級(jí)節(jié)點(diǎn)而言所處的網(wǎng)絡(luò)較稀疏,此時(shí)只需以一般隨機(jī)概率P2 轉(zhuǎn)發(fā)RREQ.上級(jí)節(jié)點(diǎn)也是相對(duì)于整個(gè)網(wǎng)絡(luò)而言處在稠密網(wǎng)絡(luò)中,其周圍將會(huì)有很多節(jié)點(diǎn)已接收到RREQ 分組并已經(jīng)轉(zhuǎn)發(fā);

(3) 當(dāng)本地鄰居數(shù)量≥上級(jí)節(jié)點(diǎn)鄰居數(shù)量,并且本地鄰居數(shù)量<網(wǎng)絡(luò)平均鄰居數(shù)量時(shí),表明當(dāng)前節(jié)點(diǎn)通信范圍相對(duì)于整個(gè)網(wǎng)絡(luò)而言處于稀疏狀態(tài),相對(duì)于上級(jí)節(jié)點(diǎn)而言處于稠密狀態(tài),因此需要以概率P3 轉(zhuǎn)發(fā)RREQ.此時(shí),上級(jí)節(jié)點(diǎn)相對(duì)于全網(wǎng)處于稀疏狀態(tài),所以,當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的分組會(huì)被吸收,可以適當(dāng)降低轉(zhuǎn)發(fā)概率;

(4) 當(dāng)本地鄰居數(shù)量≥上級(jí)節(jié)點(diǎn)鄰居數(shù)量,并且本地鄰居數(shù)量≥網(wǎng)絡(luò)平均鄰居數(shù)量時(shí),表明當(dāng)前節(jié)點(diǎn)通信范圍相對(duì)于上級(jí)節(jié)點(diǎn)以及整個(gè)網(wǎng)絡(luò)處于一個(gè)較稠密的小網(wǎng)絡(luò)中,因此以小概率P4 來(lái)轉(zhuǎn)發(fā)RREQ.因?yàn)楫?dāng)前節(jié)點(diǎn)所處的網(wǎng)絡(luò)較為稠密,其鄰居節(jié)點(diǎn)已有很大幾率接收到RREQ 分組并已經(jīng)轉(zhuǎn)發(fā),當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的分組被吸收.

概率轉(zhuǎn)發(fā)公式中的ifc為影響因子,經(jīng)過(guò)多次實(shí)驗(yàn),最終選定該值為0.5.該值用來(lái)平衡部分節(jié)點(diǎn)周圍分布不均勻的情況,當(dāng)節(jié)點(diǎn)鄰居節(jié)點(diǎn)較少時(shí),影響因子可使得函數(shù)y=e-x的指數(shù)部分變小從而增大轉(zhuǎn)發(fā)概率.在概率轉(zhuǎn)發(fā)公式中,結(jié)合網(wǎng)絡(luò)平均鄰居節(jié)點(diǎn)和上級(jí)節(jié)點(diǎn)鄰居節(jié)點(diǎn)數(shù)量,能夠充分反映整個(gè)網(wǎng)絡(luò)以及單個(gè)節(jié)點(diǎn)通信范圍內(nèi)的節(jié)點(diǎn)密度[17],使每個(gè)節(jié)點(diǎn)能夠更加智能地依據(jù)自身和周圍的節(jié)點(diǎn)密度調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)發(fā)概率.

2.2 基于鏈路權(quán)值的路由選擇

在Ad Hoc 網(wǎng)絡(luò)中,節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)會(huì)導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞淖兓?為了適應(yīng)移動(dòng)自組織網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)性能,在保證數(shù)據(jù)分組投遞率的同時(shí),盡量降低數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)延.本文利用跨層設(shè)計(jì)思想,將物理層和MAC 層的LQI 信息傳遞給網(wǎng)絡(luò)層,并結(jié)合節(jié)點(diǎn)移動(dòng)速度提出鏈路權(quán)值,利用鏈路權(quán)值來(lái)衡量路由路徑的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性,依據(jù)最小權(quán)值選擇最佳路由,以提高路由的時(shí)效性,避免了頻繁的路由斷裂和查找,降低了數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延和丟包率.現(xiàn)將相關(guān)定義說(shuō)明如下.

1.鄰居平均速度avgSpd:當(dāng)前節(jié)點(diǎn)所有鄰居節(jié)點(diǎn)的平均速度:

其中,k表示節(jié)點(diǎn)的鄰居節(jié)點(diǎn)數(shù)量,vn表示第n個(gè)鄰居節(jié)點(diǎn)的速度.

2.鏈路信號(hào)系數(shù)lk:通信范圍內(nèi)兩節(jié)點(diǎn)間LQI 的比例系數(shù):

其中,LQI(i,j)為i,j兩節(jié)點(diǎn)間的LQI 值.兩節(jié)點(diǎn)間鏈路信號(hào)強(qiáng)度越高,lk值越小.

3.速度權(quán)值spdWgt:當(dāng)前節(jié)點(diǎn)速度與鄰居平均速度比值(取小于等于1 的比):

其中,ispeed表示當(dāng)前節(jié)點(diǎn)i的速度,avg_nb_speedi表示i節(jié)點(diǎn)的鄰居平均速度.

本文中,速度權(quán)值取值為小于等于1.當(dāng)權(quán)值大于1 時(shí),將權(quán)值置為2,表明當(dāng)前節(jié)點(diǎn)相對(duì)于周圍鄰居節(jié)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)過(guò)快.權(quán)值越小,表明當(dāng)前節(jié)點(diǎn)相對(duì)于周圍鄰居節(jié)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)緩慢,以此節(jié)點(diǎn)作為路由,可以增加路由鏈路的時(shí)效性;權(quán)值越大,表明當(dāng)前節(jié)點(diǎn)相對(duì)于周圍鄰居節(jié)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)過(guò)快,此時(shí),可能由于節(jié)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)過(guò)快而導(dǎo)致路由鏈路過(guò)早失效.

4.鏈路權(quán)值LP:路由路徑選擇的依據(jù),權(quán)值最小的鏈路為當(dāng)前最優(yōu)路由:

其中,spdWgti表示節(jié)點(diǎn)i的速度權(quán)值,lki表示節(jié)點(diǎn)i與上級(jí)節(jié)點(diǎn)的鏈路信號(hào)系數(shù).

鏈路LP 值決定最終路由路徑的選取,LP 值最小,表明當(dāng)前路徑速度權(quán)值和鏈接強(qiáng)度之和最小,且速度權(quán)值為所有路徑中的較小值,說(shuō)明所選路徑中的節(jié)點(diǎn)在該節(jié)點(diǎn)的鄰居網(wǎng)絡(luò)鏈路中信號(hào)強(qiáng)度較高,穩(wěn)定性較好.

2.3 改進(jìn)算法流程

節(jié)點(diǎn)在上電工作后,開(kāi)始周期性地發(fā)送HELLO 消息,通過(guò)HELLO 消息獲取鄰居節(jié)點(diǎn)數(shù)量的相關(guān)信息;當(dāng)節(jié)點(diǎn)開(kāi)始路由發(fā)現(xiàn)或者接收到RREQ 分組時(shí),首先判斷是否丟棄該分組,若不丟棄,則判斷是否建立到源節(jié)點(diǎn)的反向路由;在節(jié)點(diǎn)再次轉(zhuǎn)發(fā)此RREQ 之前,通過(guò)計(jì)算轉(zhuǎn)發(fā)概率來(lái)決定是否轉(zhuǎn)發(fā)該RREQ,若需要轉(zhuǎn)發(fā),則再次計(jì)算本節(jié)點(diǎn)與上級(jí)節(jié)點(diǎn)間的LP 值,根據(jù)每個(gè)不同路徑的RREQ 分組中的LP 值選擇最優(yōu)路徑,LP 最小的路徑則為當(dāng)前路由發(fā)現(xiàn)的最優(yōu)路徑并返回RREP 消息分組.

由于改進(jìn)方法中需由節(jié)點(diǎn)獲取鄰居節(jié)點(diǎn)數(shù)量、速度等信息,為方便數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì),直接利用協(xié)議的HELLO 消息機(jī)制,由每個(gè)節(jié)點(diǎn)獲取鄰居節(jié)點(diǎn)的相關(guān)信息,因此,需重新設(shè)計(jì)HELLO 消息格式,具體設(shè)計(jì)見(jiàn)表1.

在路由查找階段,每個(gè)節(jié)點(diǎn)接收到RREQ 分組后,均要計(jì)算源到當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的總LP,以及上級(jí)節(jié)點(diǎn)和當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的LP 值并加以存儲(chǔ),以便RREP 消息傳輸時(shí)獲得此值.因此,需要在RREQ 消息格式中添加相應(yīng)字段,修改后的RREQ 消息格式見(jiàn)表2.

Table 1 Modified HELLO message format表1 修改后HELLO 消息格式

Table 2 Modified RREQ message format表2 修改后RREQ 消息格式

因?yàn)槁酚陕窂降倪x擇依據(jù)是LP 值,因此在路由表?xiàng)l目中需要增加字段路由鏈路,當(dāng)有新的路徑需要更新時(shí),比較路由表?xiàng)l目中的LP 值與新路徑的LP 值來(lái)更新路徑.當(dāng)源節(jié)點(diǎn)接收到RREP 分組后,通過(guò)比較每條路徑中的LP 值,選擇LP 值最小的路徑作為源節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)的最優(yōu)路徑,存入路由表?xiàng)l目中.

因?yàn)槁酚陕窂降倪x擇依據(jù)是LP 值,在路由表?xiàng)l目中需要增加字段和路由鏈路,當(dāng)有新的路徑需要更新時(shí),比較路由表?xiàng)l目中的LP 值與新路徑的LP 值來(lái)更新路徑.若接收到的數(shù)據(jù)類型是RREQ、RREP、RRER、HELLO分組類型,則表明接收的是AODV 協(xié)議類型分組.此時(shí)將分組中的TTL 字段減1,然后對(duì)分組進(jìn)行響應(yīng).根據(jù)不同的數(shù)據(jù)包類型調(diào)用不同的處理函數(shù),主要分為以下幾種情況.

(1) 如果數(shù)據(jù)類型為RREQ 分組,則主要解析處理RREQ 分組并判斷是否繼續(xù)轉(zhuǎn)發(fā);

(2) 通過(guò)調(diào)用路由請(qǐng)求函數(shù)來(lái)處理接收RREP 分組,函數(shù)輸出有效值是對(duì)路由請(qǐng)求的響應(yīng).表明已經(jīng)找到數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪康墓?jié)點(diǎn),并且已經(jīng)創(chuàng)建了反向的路由鏈路;

(3) 處理接收到的RRER 分組,通過(guò)相關(guān)函數(shù)對(duì)當(dāng)前使用路由做出錯(cuò)誤響應(yīng),并對(duì)路由路徑進(jìn)行檢測(cè)維護(hù).

改進(jìn)協(xié)議路由請(qǐng)求工作流程如圖4 所示.

在通信時(shí)選擇路由開(kāi)銷小、節(jié)點(diǎn)間鏈路失效時(shí)間長(zhǎng)的路由,可以提高鏈路的穩(wěn)定性,延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)的壽命.鄰居節(jié)點(diǎn)數(shù)量在一定程度上反映了網(wǎng)絡(luò)的狀況.路由協(xié)議能夠選擇較為穩(wěn)定的鏈路進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸,提高了分組投遞率,降低了端到端平均時(shí)延與歸一化路由開(kāi)銷,進(jìn)而提高了路由協(xié)議的性能,將最優(yōu)路由選擇問(wèn)題轉(zhuǎn)化為路由開(kāi)銷C、節(jié)點(diǎn)平均鄰居節(jié)點(diǎn)數(shù)N和鏈路失效時(shí)間T最優(yōu)的問(wèn)題,上述3 個(gè)條件轉(zhuǎn)化為權(quán)值計(jì)算,表示為

網(wǎng)絡(luò)中,鏈路上節(jié)點(diǎn)能量的大小及能量消耗的快慢對(duì)鏈路質(zhì)量起著決定性作用.鏈路越短,新增協(xié)議字段的長(zhǎng)度和緩沖數(shù)據(jù)包越少,節(jié)點(diǎn)能量消耗越小,數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延越小.所以,路由開(kāi)銷可用公式表示為

其中,h表示跳數(shù),q表示鏈路中節(jié)點(diǎn)緩存數(shù)據(jù)包的最大數(shù)目,e表示鏈路中節(jié)點(diǎn)剩余的最小能量值.由公式(11)可知:路由開(kāi)銷越小,鏈路的生存時(shí)間越長(zhǎng)[18].

本文對(duì)協(xié)議的改進(jìn)主要表現(xiàn)在如下兩個(gè)方面:第1,在路由請(qǐng)求階段,當(dāng)節(jié)點(diǎn)收到其他節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)的RREQ 分組時(shí),依據(jù)上級(jí)節(jié)點(diǎn)鄰居數(shù)量和本地鄰居數(shù)量的大小,選擇不同的轉(zhuǎn)發(fā)概率公式,以避免路由廣播風(fēng)暴影響網(wǎng)絡(luò)性能,同時(shí)能夠降低傳輸時(shí)延;第2,在路由路徑選擇時(shí),利用鏈路權(quán)值來(lái)決定當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湎碌淖顑?yōu)路徑,使得在網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓那闆r下路徑相對(duì)穩(wěn)定,減少路由斷裂情況以避免多次路由查找,降低了傳輸時(shí)延,提高了分組投遞率.

Fig.4 Routing request workflow diagram圖4 路由請(qǐng)求工作流程圖

3 仿真結(jié)果及分析

3.1 仿真環(huán)境

本文利用網(wǎng)絡(luò)仿真軟件NS2 分別對(duì)AODV 路由協(xié)議、本文改進(jìn)路由協(xié)議(MOD-AODV)以及文獻(xiàn)[7,8]中提出的改進(jìn)協(xié)議I-AODV-SE 和ND-AODV 進(jìn)行了仿真模擬,實(shí)驗(yàn)仿真場(chǎng)景主要分為兩種.

場(chǎng)景1.節(jié)點(diǎn)數(shù)量不變,節(jié)點(diǎn)平均移動(dòng)速度在改變.最大連接數(shù)為10,模擬時(shí)間為100s,停留時(shí)間為0s,數(shù)據(jù)類型為cbr,發(fā)包速度為4 包/秒,仿真場(chǎng)景為1000m×1000m,節(jié)點(diǎn)最小移動(dòng)速度為1m/s,最大移動(dòng)速度分別為10、20、30、40、50(m/s).節(jié)點(diǎn)最大移動(dòng)速度在改變(即網(wǎng)絡(luò)平均速度發(fā)生改變),根據(jù)節(jié)點(diǎn)數(shù)量分別為40、60、80、100,比較不同平均移動(dòng)速度下的時(shí)延、分組投遞率、歸一化路由開(kāi)銷;

場(chǎng)景2.節(jié)點(diǎn)平均移動(dòng)速度不變,節(jié)點(diǎn)數(shù)量在改變.最大連接數(shù)為10,模擬時(shí)間為100s,停留時(shí)間為0s,數(shù)據(jù)類型為cbr,發(fā)包速度為4 包/秒,仿真場(chǎng)景大小為1000m×1000m.節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)為20、40、60、80、100,最大移動(dòng)速度分別為30m/s、40m/s、50m/s,比較不同節(jié)點(diǎn)數(shù)目下時(shí)延、分組投遞率、歸一化路由開(kāi)銷;

本文對(duì)每個(gè)場(chǎng)景進(jìn)行30 次模擬仿真實(shí)驗(yàn),將收集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)平均,然后繪圖.為了繪圖方便,在節(jié)點(diǎn)平均速度變化的圖示中,橫坐標(biāo)為節(jié)點(diǎn)的最大移動(dòng)速度,節(jié)點(diǎn)最大移動(dòng)速度的改變即是網(wǎng)絡(luò)平均移動(dòng)速度的改變.其中,I-AODV-SE 和ND-AODV 分別是文獻(xiàn)[7,8]中的算法,MOD-AODV 是本文改進(jìn)的算法,AODV 為原始協(xié)議.協(xié)議仿真參數(shù)設(shè)置見(jiàn)表3.

Table 3 Protocol parameter type settings表3 協(xié)議仿真參數(shù)類型設(shè)置

3.2 性能評(píng)價(jià)指標(biāo)

為了能夠全面分析改進(jìn)前后AODV 協(xié)議的性能,本文從以下3 個(gè)性能指標(biāo)的角度進(jìn)行了分析.

(1) 端到端傳輸時(shí)延:所有數(shù)據(jù)分組從源節(jié)點(diǎn)發(fā)出到目的節(jié)點(diǎn)正確接收所用時(shí)間的平均值,亦即數(shù)據(jù)包從源節(jié)點(diǎn)發(fā)出到目的節(jié)點(diǎn)接收之間的平均時(shí)間差,反映了路由的有效性;

(2) 數(shù)據(jù)分組投遞率:節(jié)點(diǎn)接收到的總分組個(gè)數(shù)與發(fā)送出去的總分組個(gè)數(shù)的比值,反映了網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)目煽啃?分組投遞率越大,可靠性越高.數(shù)據(jù)分組投遞率是衡量網(wǎng)絡(luò)丟包率的重要指標(biāo),反映了網(wǎng)絡(luò)性能的好壞;

(3) 歸一化路由開(kāi)銷:每發(fā)送一個(gè)數(shù)據(jù)分組所需要的路由分組數(shù),其中,路由分組每一跳的傳輸均認(rèn)為是一個(gè)新的路由分組,反映了網(wǎng)絡(luò)的擁塞程度和路由效率[19].對(duì)于Ad hoc 網(wǎng)絡(luò)中的路由協(xié)議,路由開(kāi)銷越低越好.

3.3 仿真結(jié)果分析

圖5(a)～圖5(d)所示為節(jié)點(diǎn)數(shù)量分別為40、60、80、100 時(shí),不同節(jié)點(diǎn)速度下的端到端時(shí)延.

圖5 中,為了繪圖美觀,將圖中橫坐標(biāo)改為節(jié)點(diǎn)最大移動(dòng)速度.由圖5 可以看出:隨著網(wǎng)絡(luò)平均速度的增加,3種協(xié)議的傳輸時(shí)延總體上呈上升趨勢(shì).AODV 協(xié)議傳輸時(shí)延較高.兩種對(duì)比協(xié)議I-AODV-SE 和ND-AODV 在節(jié)點(diǎn)密集與稀疏、移動(dòng)速度不同時(shí)各有優(yōu)劣:在節(jié)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)速度低且數(shù)目較少時(shí),I-AODV-SE 算法表現(xiàn)出較好的時(shí)延特性;而在節(jié)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)速度高且數(shù)目較多時(shí),ND-AODV 算法有較好的時(shí)延特性.MOD-AODV 變化趨勢(shì)比另外兩種協(xié)議平緩.這是因?yàn)?隨著節(jié)點(diǎn)移動(dòng)速度的增加,網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓饾u加快,MOD-AODV 可通過(guò)節(jié)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)快速獲取網(wǎng)絡(luò)疏密情況以及上級(jí)節(jié)點(diǎn)通信范圍內(nèi)網(wǎng)絡(luò)的疏密度以動(dòng)態(tài)計(jì)算轉(zhuǎn)發(fā)概率,極大地減少了RREQ 的轉(zhuǎn)發(fā),提高了網(wǎng)絡(luò)可利用帶寬,減少了傳輸時(shí)延.同時(shí),在路由建立的初始通過(guò)鏈路權(quán)值來(lái)選擇路由,使得路由路徑在快速變化的拓?fù)洵h(huán)境下相對(duì)穩(wěn)定,減少了路由查找的次數(shù),降低了數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延.

I-AODV-SE 協(xié)議在節(jié)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)中獲取鄰居節(jié)點(diǎn)情況,在轉(zhuǎn)發(fā)RREQ 分組時(shí),根據(jù)節(jié)點(diǎn)計(jì)算得出的概率進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā).該協(xié)議在延時(shí)上相對(duì)經(jīng)典AODV 有所降低,但是隨著節(jié)點(diǎn)速度的不斷增加,它所獲取的網(wǎng)絡(luò)情況是不連續(xù)的,致使網(wǎng)絡(luò)可用帶寬沒(méi)有較大的提升.對(duì)于ND-AODV 路由協(xié)議,建立路由關(guān)系依據(jù)定位信息確定鏈路權(quán)值,因此在低速節(jié)點(diǎn)情況下建立的鏈路選擇范圍較大,增加了網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴的可能性.本文算法MOD-AODV 由路徑選擇時(shí)利用鏈路權(quán)值來(lái)決定當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湎碌淖顑?yōu)路徑,使得在網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓那闆r下路徑相對(duì)穩(wěn)定,在節(jié)點(diǎn)密集和節(jié)點(diǎn)相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度較大時(shí),MOD-AODV 改進(jìn)協(xié)議呈現(xiàn)于端到端時(shí)延的優(yōu)勢(shì)更加明顯.由圖5(a)～圖5(d)可以看出:即使網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的數(shù)量有所增加,改進(jìn)協(xié)議在傳輸時(shí)延上仍然能夠表現(xiàn)出一定的優(yōu)勢(shì),表明改進(jìn)協(xié)議不僅能夠適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞目焖僮兓?在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)量發(fā)生變化的情況下也有良好的表現(xiàn).

圖6(a)～圖6(d)所示為節(jié)點(diǎn)數(shù)量分別為40、60、80、100 時(shí),不同節(jié)點(diǎn)平均速度下的數(shù)據(jù)分組投遞率.為了繪圖美觀,將圖中橫坐標(biāo)改為節(jié)點(diǎn)最大移動(dòng)速度.

Fig.5 End-to-end delays at different average speeds圖5 不同平均速度下的端到端時(shí)延

Fig.6 Packet delivery rate at different average speeds圖6 不同平均速度下的分組投遞率

由圖6 可以看出:隨著節(jié)點(diǎn)速度的增加,3 種協(xié)議的分組投遞率總體呈下降趨勢(shì).分組投遞率中,MOD-AODV最高,AODV 最低,I-AODV-SE 和ND-AODV 兩種改進(jìn)協(xié)議在不同場(chǎng)景下的投遞率各有不同.

隨著節(jié)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)速度的增加,分組投遞率呈下降趨勢(shì).因?yàn)楣?jié)點(diǎn)速度增大,網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓l繁,鏈路斷裂的幾率變大,網(wǎng)絡(luò)中RREQ 報(bào)文增多,帶寬占用率加大,導(dǎo)致ND-AODV 分組投遞率下降.I-AODV-SE 協(xié)議在網(wǎng)絡(luò)內(nèi)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包數(shù)也在增多,它們均在占用網(wǎng)絡(luò)資源,導(dǎo)致資源出現(xiàn)競(jìng)爭(zhēng).由于MOD-AODV 利用上級(jí)鄰居和本級(jí)鄰居來(lái)計(jì)算轉(zhuǎn)發(fā)概率,因此在節(jié)點(diǎn)相對(duì)速度較快的情況下對(duì)網(wǎng)絡(luò)稠密的判斷影響不大,更有效地抑制了廣播風(fēng)暴,提高了網(wǎng)絡(luò)帶寬以增大分組投遞率.AODV 依據(jù)最短跳數(shù)選擇路由,致使在節(jié)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)速度增加的過(guò)程中鏈路中斷的概率增大,而使路由失效,因此數(shù)據(jù)傳輸不夠穩(wěn)定,分組投遞率降低.同樣地,由圖6(a)～圖6(d)的對(duì)比可以看出,改進(jìn)協(xié)議在分組投遞率上也能適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)量的變化.

圖7(a)～圖7(d)所示為節(jié)點(diǎn)數(shù)量分別為40、60、80、100 時(shí),不同節(jié)點(diǎn)平均速度下的歸一化路由開(kāi)銷.為了繪圖美觀,將圖中橫坐標(biāo)改為節(jié)點(diǎn)最大移動(dòng)速度.由圖7 可以看出:隨著節(jié)點(diǎn)移動(dòng)速度的增加,3 種協(xié)議的路由開(kāi)銷呈上升趨勢(shì),其中,MOD-AODV 在路由開(kāi)銷上只是略低于AODV;總體來(lái)看,兩種協(xié)議的路由開(kāi)銷基本相近.這是因?yàn)?MOD-AODV 在節(jié)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中能夠建立相對(duì)穩(wěn)定的路由,避免了頻繁的路由查找,降低了路由查找數(shù)據(jù)傳遞所需的開(kāi)銷.協(xié)議在路由發(fā)起部分根據(jù)節(jié)點(diǎn)穩(wěn)定度判決結(jié)果決定是否轉(zhuǎn)發(fā),限制了RREQ 消息在網(wǎng)絡(luò)中的洪泛,因此,MOD-AODV 路由協(xié)議的歸一化路由開(kāi)銷低于AODV.

Fig.7 Normalized route overhead at different average speeds圖7 不同平均速度下的歸一化路由開(kāi)銷

但是,在路由建立的過(guò)程中,因?yàn)樯婕暗焦?jié)點(diǎn)相關(guān)信息的傳遞,所以相對(duì)于AODV 來(lái)說(shuō),額外增加了在路由查找階段所需的分組數(shù)量,節(jié)省的路由查找次數(shù)的分組用在路由查找階段額外增加的分組上,因此整體路由開(kāi)銷并沒(méi)有降低很多.而I-AODV-S 在路由查找階段也涉及到要獲取信息,只需要額外增加路由分組數(shù)量而沒(méi)有在其他地方來(lái)平衡這種額外的增加.同時(shí),I-AODV-SE 協(xié)議通過(guò)優(yōu)化路徑,在估計(jì)路徑權(quán)重時(shí)也加大了能量消耗,即增加了路由成本,因此路由開(kāi)銷較另外3 種協(xié)議要高,尤其是在節(jié)點(diǎn)相對(duì)速度較大時(shí),開(kāi)銷對(duì)比更明顯.結(jié)合圖6 所示MOD-AODV 在不增加額外路由開(kāi)銷的前提下,有效地提高了數(shù)據(jù)的分組投遞率,降低了端到端時(shí)延,間接表明MOD-AODV 協(xié)議在性能上的優(yōu)勢(shì).

圖8(a)～圖8(c)給出了節(jié)點(diǎn)最大移動(dòng)速度分別為30m/s、40m/s、50m/s 時(shí),不同節(jié)點(diǎn)數(shù)目下的端到端時(shí)延.由圖8 可以看出:當(dāng)節(jié)點(diǎn)數(shù)量為20 時(shí),4 種協(xié)議的延時(shí)都相對(duì)較高;之后,隨著節(jié)點(diǎn)數(shù)量的增加,端到端延時(shí)整體呈上升趨勢(shì).其中,AODV 延時(shí)最高,MOD-AODV 延時(shí)相對(duì)較低.這是因?yàn)?當(dāng)節(jié)點(diǎn)數(shù)量較少(數(shù)量為20)時(shí),網(wǎng)絡(luò)處于較稀疏(相對(duì)于1000m×1000m 的場(chǎng)景)狀態(tài),4 種協(xié)議均會(huì)因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)彼此距離太遠(yuǎn)導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸不穩(wěn)定,此時(shí),傳輸時(shí)延較大.在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)量增加的過(guò)程中,AODV 因?yàn)椴捎昧藦V播機(jī)制,致使路由請(qǐng)求時(shí)間過(guò)長(zhǎng)而增大了數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延.

Fig.8 End-to-end delay with different number of nodes圖8 不同節(jié)點(diǎn)數(shù)量下的端到端延時(shí)

ND-AODV 通過(guò)計(jì)算鄰居節(jié)點(diǎn)的數(shù)量來(lái)選擇概率轉(zhuǎn)發(fā),能夠縮短路由請(qǐng)求的時(shí)間,降低了數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)延;但沒(méi)有考慮到當(dāng)前節(jié)點(diǎn)與上級(jí)節(jié)點(diǎn)的密度關(guān)系,使得計(jì)算的轉(zhuǎn)發(fā)概率過(guò)大,在轉(zhuǎn)發(fā)過(guò)程中仍存在很多不必要的重傳數(shù)據(jù).兩種協(xié)議依據(jù)跳數(shù)選擇路由,降低了該路由的時(shí)效性,需要再次查找路由而增大傳輸時(shí)延.I-AODV-SE協(xié)議考慮了網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞姆€(wěn)定性以及節(jié)點(diǎn)能量信息,并計(jì)算了基于路徑穩(wěn)定和路徑能量的路徑權(quán)重值,選擇權(quán)重小的路徑傳輸數(shù)據(jù)包,因此,節(jié)點(diǎn)數(shù)目對(duì)端到端時(shí)延影響相對(duì)較小.MOD-AODV 在計(jì)算轉(zhuǎn)發(fā)概率中,能夠結(jié)合當(dāng)前節(jié)點(diǎn)和目前所在區(qū)域的節(jié)點(diǎn)密度以及上級(jí)節(jié)點(diǎn)所在區(qū)域的節(jié)點(diǎn)密度,能夠更全面地表示局部網(wǎng)絡(luò)的稠密,相比ND-AODV,可更大程度地降低不必要的重傳,縮短了路由查找的時(shí)間,且建立的路由鏈路較為穩(wěn)定,因此,端到端延時(shí)比另外兩種改進(jìn)協(xié)議要低.圖8(a)～圖8(c)的對(duì)比也表明,MOD-AODV 在不同移動(dòng)速度場(chǎng)景下的傳輸時(shí)延也優(yōu)于其他3 種協(xié)議.

圖9(a)～圖9(c)給出了節(jié)點(diǎn)最大移動(dòng)速度分別為30m/s、40m/s、50m/s 時(shí),不同節(jié)點(diǎn)數(shù)目下的分組投遞率.由圖9 可以看出,3 種協(xié)議的分組投遞率隨著節(jié)點(diǎn)數(shù)量的增加呈上升趨勢(shì).AODV 協(xié)議分組投遞率最低,這是因?yàn)?隨著節(jié)點(diǎn)的數(shù)量的增加,路由網(wǎng)絡(luò)變得稠密,節(jié)點(diǎn)間鏈路之間的信號(hào)質(zhì)量增加,傳輸路徑更加穩(wěn)定,使得網(wǎng)絡(luò)分組投遞率有所增長(zhǎng).而ND-AODV 雖然利用網(wǎng)絡(luò)鄰居計(jì)算了轉(zhuǎn)發(fā)概率,一定程度上減少了RREQ 分組的轉(zhuǎn)發(fā),釋放了部分可利用帶寬,但是隨著網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)量的增加,網(wǎng)絡(luò)稠密度更高且節(jié)點(diǎn)處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài),導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)獲取的網(wǎng)絡(luò)鄰居頻繁地發(fā)生變化,使得轉(zhuǎn)發(fā)概率的計(jì)算不夠準(zhǔn)確以及在節(jié)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)相對(duì)速度大時(shí)導(dǎo)致計(jì)算失敗,從而降低了數(shù)據(jù)分組投遞率.

I-AODV-SE 擇優(yōu)選擇權(quán)重小的路徑傳輸數(shù)據(jù)包,提高了網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間,能夠有效地提高數(shù)據(jù)包傳輸率,避免了因節(jié)點(diǎn)能量問(wèn)題而降低了數(shù)據(jù)包的丟包率,相對(duì)于AODV 協(xié)議,投遞率提高了不少.而MOD-AODV 利用上級(jí)的鄰居節(jié)點(diǎn)和本級(jí)節(jié)點(diǎn)動(dòng)態(tài)地計(jì)算轉(zhuǎn)發(fā)概率,能夠連續(xù)、動(dòng)態(tài)地獲取網(wǎng)絡(luò)的實(shí)際情況以調(diào)整轉(zhuǎn)發(fā)概率,盡管節(jié)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)鄰居頻繁發(fā)生變化,但是考慮到MOD-AODV 利用局部連續(xù)的思想,獲得的鄰居信息不是孤立的,因此不會(huì)出現(xiàn)突變的情況,路由的時(shí)效性也較高,使得網(wǎng)絡(luò)的稠密度變化對(duì)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸和路由查找不會(huì)帶來(lái)明顯的影響,因此分組投遞率較另外兩種協(xié)議要高.同樣地,圖9(a)～圖9(c)也表明,MOD-AODV 在不同運(yùn)動(dòng)場(chǎng)景下對(duì)數(shù)據(jù)分組投遞率有一定的改善.

Fig.9 Packet delivery rate at different number of nodes圖9 不同節(jié)點(diǎn)數(shù)量下的分組投遞率

圖10(a)～圖10(c)給出了節(jié)點(diǎn)最大移動(dòng)速度分別為30m/s、40m/s、50m/s 時(shí),不同節(jié)點(diǎn)數(shù)目下的歸一化路由開(kāi)銷.由圖10 可以看出:4 種協(xié)議的路由開(kāi)銷隨著節(jié)點(diǎn)數(shù)量的增加而增加.這是因?yàn)?隨著節(jié)點(diǎn)數(shù)量的增加,網(wǎng)絡(luò)建立的從源節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)的路由會(huì)增多,傳輸?shù)穆酚煞纸M也就更多,因此增大了網(wǎng)絡(luò)的路由開(kāi)銷.由圖10 還可以看出:ND-AODV 和AODV 在整體上路由開(kāi)銷很相近,MOD-AODV 則低于這兩種協(xié)議.這是因?yàn)?隨著節(jié)點(diǎn)數(shù)量的增加,ND-AODV 利用概率轉(zhuǎn)發(fā)減少的RREQ 分組相對(duì)就會(huì)增加,雖然額外增加了每次查找中的分組數(shù)量,但兩者隨著網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)量的不斷增大而趨于平衡,因此兩者路由開(kāi)銷接近.從文獻(xiàn)[8]可以看出,I-AODV-SE協(xié)議生存時(shí)間提高得并不多:一方面,I-AODV-SE 協(xié)議通過(guò)優(yōu)化路徑,避免了能量空洞問(wèn)題,降低了能量消耗率;另一方面,I-AODV-SE 在估計(jì)路徑權(quán)重時(shí)也加大了能量消耗,即增加了路由成本,并且在節(jié)點(diǎn)稠密和節(jié)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)速度大時(shí)更加明顯.

MOD-AODV 在轉(zhuǎn)發(fā)RREQ 分組過(guò)程中因?yàn)槔镁植苦従庸?jié)點(diǎn),使得計(jì)算的轉(zhuǎn)發(fā)概率連續(xù)且相對(duì)NDAODV 更準(zhǔn)確,更大程度地降低了RREQ 的重復(fù)轉(zhuǎn)發(fā),降低了路由開(kāi)銷.同時(shí),相比于AODV 協(xié)議,建立的路由更穩(wěn)定,也減少了路由查找的次數(shù),降低了路由開(kāi)銷.對(duì)比圖8、圖9 可以看出:MOD-AODV 在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)平均移動(dòng)速度基本不變的情況下,可在提高分組投遞率、降低傳輸時(shí)延的同時(shí),有效地降低路由的開(kāi)銷,也間接表明了MOD-AODV 在性能上優(yōu)于AODV 和另外兩種改進(jìn)算法.

Fig.10 Normalized routing overhead for different number of nodes圖10 不同節(jié)點(diǎn)數(shù)量下的歸一化路由開(kāi)銷

4 總結(jié)

在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)密度較大的情況下,AODV 協(xié)議在路由發(fā)現(xiàn)階段易導(dǎo)致廣播風(fēng)暴,影響網(wǎng)絡(luò)性能,增大數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延.另一方面,在網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涮幱趧?dòng)態(tài)變化、節(jié)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)速度不一致的網(wǎng)絡(luò)中,AODV 協(xié)議的路由選擇方法導(dǎo)致鏈路的時(shí)效性較低,使得節(jié)點(diǎn)需要頻繁地進(jìn)行路由的重新查找與建立,極大地增加了數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延和丟包率.針對(duì)上述問(wèn)題,本文提出了上級(jí)鄰居節(jié)點(diǎn)和本節(jié)點(diǎn)鄰居節(jié)點(diǎn)的概念,基于局部鄰居節(jié)點(diǎn)數(shù)量來(lái)計(jì)算轉(zhuǎn)發(fā)概率;并且,在路由建立階段利用跨層設(shè)計(jì)思想,結(jié)合物理層和MAC 層的LQI 值與網(wǎng)絡(luò)層節(jié)點(diǎn)速度提出了鏈路權(quán)值概念,依據(jù)鏈路權(quán)值選擇最佳路由,從而提高路由鏈路的時(shí)效性.仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:改進(jìn)協(xié)議能夠更好地適應(yīng)動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò),并且提高了網(wǎng)絡(luò)性能,增大了路由鏈路的時(shí)效性,降低了數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延和丟包率.雖然仿真結(jié)果表明:改進(jìn)后的協(xié)議在平均端到端時(shí)延和丟包率的指標(biāo)上均優(yōu)于AODV 路由協(xié)議,但在路由開(kāi)銷上還未見(jiàn)明顯改善.后續(xù)工作將在保證網(wǎng)絡(luò)路由鏈路穩(wěn)定性的同時(shí),針對(duì)降低路由開(kāi)銷等問(wèn)題繼續(xù)展開(kāi)深入的研究.