童列高

摘 要：針對海上無線傳感網(wǎng)節(jié)點的移動性和網(wǎng)絡拓撲的動態(tài)特性，引入動態(tài)源路由，改進動態(tài)源路由的發(fā)現(xiàn)機制，提出一種適用于海上無線傳感網(wǎng)的動態(tài)源路由算法。該算法可以提高數(shù)據(jù)傳輸率，并節(jié)省能耗，延長網(wǎng)絡生存時間，保證了網(wǎng)絡的可靠性。仿真結果表明，提出的改進型動態(tài)源路由算法（I-DSR）相比DSR算法以及其他路由算法具有更好的性能。

關鍵詞：海上無線傳感網(wǎng)；鏈路穩(wěn)定性；平均剩余能量；動態(tài)源路由

中圖分類號：TP39 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2018）01-00-02

0 引 言

近年來，研究人員考慮將無線傳感網(wǎng)推廣應用于海事搜救和海洋監(jiān)測領域[1]。但海上無線傳感網(wǎng)路由方案的設計面臨一些嚴峻挑戰(zhàn)，提高惡劣海洋環(huán)境下網(wǎng)絡的性能，設計出一種確保數(shù)據(jù)可靠傳輸?shù)穆酚蓪Ｉ蠎枚跃哂兄匾饬x。由于源路由算法的動態(tài)源路由（DSR）協(xié)議網(wǎng)絡中的節(jié)點緩存多到達目的節(jié)點的源路由，使該協(xié)議對網(wǎng)絡拓撲變化具有較快的反應速度，因此可以提供快速反應式服務，較好地保證了數(shù)據(jù)的有效傳輸[2]。但該路由協(xié)議存在一些缺陷：在高度動態(tài)性的環(huán)境中，頻繁的鏈路斷裂導致數(shù)據(jù)傳輸率較低[3]；效率低下的路由發(fā)現(xiàn)機制造成了較大的傳輸延遲和較高的路由開銷[4]；產(chǎn)生的能耗較大[5]。

現(xiàn)階段，針對動態(tài)源路由協(xié)議提出了很多改進和優(yōu)化。文獻[6，7]針對DSR 路由緩存中失效路由導致協(xié)議性能下降的問題，提出了改進的DSR路由協(xié)議，使節(jié)點能夠及時更新緩存中的失效路由，但該方案無法減少路由開銷。在路由發(fā)現(xiàn)的過程中，文獻[8，9]提出了一些控制數(shù)據(jù)包的洪泛技術以減少路由開銷，但未必能夠找到有效的路徑。

因此，本文提出一種改進型動態(tài)源路由（I-DSR）算法，以提高路由效率。該算法能較好地滿足海上無線傳感網(wǎng)路由的要求，在保證節(jié)省能耗和延長網(wǎng)絡生存時間的同時，實現(xiàn)了較高的數(shù)據(jù)傳輸率，克服了已有路由算法的不足。

1 改進型動態(tài)源路由算法設計

1.1 路由控制包

動態(tài)源路由發(fā)現(xiàn)過程需要兩種控制數(shù)據(jù)包，即路由請求（RREQ）和路由應答（RREP）。本文提出的增強型動態(tài)源路由算法需要修改傳統(tǒng)動態(tài)源路由控制數(shù)據(jù)包格式以適應本算法的路由機制，路由控制包格式見表1所列。

在路由發(fā)現(xiàn)過程中，源節(jié)點發(fā)送路由請求控制數(shù)據(jù)包RREQ，搜索到目的節(jié)點的路徑，并更新控制包的信息。請求控制包包含源節(jié)點和目的節(jié)點地址，跳數(shù)Hc初始設置為0，隨著數(shù)據(jù)包在網(wǎng)絡中傳播，每通過一個中間節(jié)點跳數(shù)便加1，當數(shù)據(jù)包發(fā)送到目的節(jié)點時，該跳數(shù)即為路徑所有跳數(shù)。使用路徑擁塞度度量值Rc衡量整條路徑的擁塞水平，由中間路徑和節(jié)點擁塞度表示。路徑可靠性度量值Rr由每一個中間鏈路的連通性決定，表明整條路徑能維持較長時間的連通性。Er表示路徑剩余能量，其值為路徑中節(jié)點的最小剩余能量。在通過周期性的信息交換后，節(jié)點獲取鄰居節(jié)點的剩余能量信息，保存在自己的緩存中。路由控制包每經(jīng)過一個中間節(jié)點，就會比較節(jié)點的剩余能量，選擇剩余能量較小值更新控制包中的Er。類型表示控制數(shù)據(jù)包的種類，即RREQ為1，RREP為0。中間節(jié)點地址棧INA存儲路由請求數(shù)據(jù)包在網(wǎng)絡中傳輸經(jīng)過的所有中間節(jié)點的地址。

1.2 路由發(fā)現(xiàn)

當源節(jié)點需要發(fā)送數(shù)據(jù)包時，就會啟動路由發(fā)現(xiàn)過程尋找一條到達目的節(jié)點的路由，并向網(wǎng)絡廣播路由請求控制包。路由請求控制包在選擇下一跳節(jié)點時，會綜合考慮路徑的可靠性、擁塞度、剩余能量以及跳數(shù)，從而找到具有較高可靠性、較低擁塞度、較少跳數(shù)和剩余能量較高的路徑，在保證路由效率的同時，降低能量消耗，均衡網(wǎng)絡負載，延長網(wǎng)絡的生存時間。路由發(fā)現(xiàn)過程如圖1所示。

目的節(jié)點收到請求控制包后向源節(jié)點返回一個應答控制包RREP，源節(jié)點接收到RREP控制包后便完成了路由發(fā)現(xiàn)過程，產(chǎn)生了一條到達目的節(jié)點的源路由。在路由選擇時，第一個RREP控制包到達，產(chǎn)生一條路徑，發(fā)送節(jié)點使用該路徑發(fā)送數(shù)據(jù)分組。當發(fā)送節(jié)點再次收到一個應答數(shù)據(jù)包后，便產(chǎn)生另外一條路由，根據(jù)跳數(shù)、路徑可靠性度量值、擁塞度量值和剩余能量，比較兩者路徑性能值的大小，選擇較好的一條路徑發(fā)送數(shù)據(jù)分組。直到收到最后一個路由應答控制包，路由選擇過程結束。

2 仿真結果與分析

本文使用Linux系統(tǒng)下的網(wǎng)絡仿真工具NS2模擬所需的網(wǎng)絡環(huán)境，對提出的I-DSR算法進行仿真，并與DSR[10]算法進行比較。仿真場景為在1 000 m×1 000 m范圍內(nèi)隨機部署150個節(jié)點，節(jié)點的運動模型為RWP（Random Way Point，RWP），其最大移動速度為10 m/s。本文從數(shù)據(jù)傳輸率、能耗和網(wǎng)絡生存時間三個方面對兩種算法進行比較，發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡生存時間為死亡節(jié)點數(shù)量達到節(jié)點總數(shù)的20%時網(wǎng)絡運行的時間。

圖2所示為本文算法與DSR算法數(shù)據(jù)傳輸率的比較。

從圖中可以看出，本文提出的算法有較高的傳輸率，原因在于本文算法有效地預測了路徑的可靠性和擁塞度，從而發(fā)現(xiàn)了比較可靠的路徑，減少了數(shù)據(jù)丟失和傳輸延時，提高了數(shù)據(jù)傳輸率。

圖3所示為能耗的比較。從圖中可以看出I-DSR算法比DSR算法更節(jié)能，原因在于DSR在網(wǎng)絡中盲目泛洪路由請求控制包，而本文算法選擇了相對可靠的路徑發(fā)送路由請求，減少了路由開銷，節(jié)省了能量。

圖4所示為網(wǎng)絡生存時間的比較。從圖中可以看出，死亡節(jié)點數(shù)為30（達到總結點數(shù)的20%）時，對應的時間分別為235和280，因此本文算法較DSR方法延長了網(wǎng)絡生存時間。本文算法不僅能夠節(jié)省節(jié)點能量，更在選擇路徑時，考慮了路徑的剩余能量，具有較多剩余能量的路徑被使用的可能性更大，這在一定程度上均衡了網(wǎng)絡負載，避免了節(jié)點因負載過大，能量耗盡而過早死亡，從而減少了死亡節(jié)點的數(shù)量，相比DSR算法延長了網(wǎng)絡生存時間。

3 結 語

本文針對海上無線傳感網(wǎng)路由方案存在的問題和挑戰(zhàn)，引入了動態(tài)源路由機制，提出了一種改進型動態(tài)源路由算法。該路由方案通過發(fā)現(xiàn)并選擇具有較低擁塞度、較高可靠性、較少跳數(shù)和剩余能量較高的路徑傳輸數(shù)據(jù)分組，實現(xiàn)了較高的數(shù)據(jù)傳輸率，節(jié)省了能量，并延長了網(wǎng)絡生存時間。若將本文算法應用到海上無線傳感網(wǎng)，將大大提高海上搜救和海洋監(jiān)測效率。

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