WSN中基于区域感知的改进AODV路由协议.pdf

第 49卷 第 8期2023年 8月Computer Engineering 计算机工程WSN中基于区域感知的改进 AODV路由协议杨敏1，张玲华1，2（1.南京邮电大学 通信与信息工程学院，南京 210023；2.南京邮电大学 江苏省通信与网络技术工程研究中心，南京 210023）摘要：AODV 路由协议是无线自组网中的经典协议，适用于无线传感器网络（WSN）。但是该协议在路由发现阶段通过跳数建立路径，导致网络拥塞严重、部分节点过早失效以及活动路由频繁断裂，从而引起传输时延延长、路由开销增大、网络寿命缩短等问题。针对 WSN 中能量分布不均衡以及对邻居节点依赖性强的特点，提出基于区域感知的改进 AODV 路由协议。在路由发现阶段，引入 QoS需求参数中的时延作为路径主权重，并计算区域变化率对路径主权重产生的正负增益，采用最优路径选择算法选取权重最小的路径，并将其作为最优路径。在路由维护阶段，通过计算区域能量和节点距离，丢弃区域中质量较差的节点，减少冗余拓扑和链路故障现象的发生。实验结果表明，相比传统的 AODV 协议，该协议的端到端时延和路由开销分别降低 47.73%和 48.00%，分组转发率和网络生存时间分别提升 6.97%和 14.80%。关键词：无线传感器网络；AODV路由协议；区域感知；邻居节点；最优路径开放科学（资源服务）标志码（OSID）：中文引用格式：杨敏，张玲华.WSN中基于区域感知的改进 AODV路由协议 J.计算机工程，2023，49（8）：130-136.英文引用格式：YANG M，ZHANG L H.Improved AODV routing protocol based on region awareness in WSNJ.Computer Engineering，2023，49（8）：130-136.Improved AODV Routing Protocol Based on Region Awareness in WSNYANG Min1，ZHANG Linghua1，2（1.School of Communications and Information Engineering，Nanjing University of Posts and Telecommunications，Nanjing 210023，China；2.Jiangsu Engineering Research Center of Communication and Network Technology，Nanjing University of Posts and Telecommunications，Nanjing 210023，China）【Abstract】The AODV routing protocol is a classic protocol in wireless ad hoc networks that is suitable for Wireless Sensor Network（WSN）.However，the protocol establishes the path through the number of hops in the routing discovery phase，which leads to serious network congestion，premature failure of some nodes，and frequent breaking of active routes，which causes transmission delay extension，routing overhead increase，network life reduction，and other problems.Aiming at the characteristics of unbalanced energy distribution and strong dependence on neighbor nodes in WSN，an improved AODV routing protocol based on region awareness is proposed.In the routing discovery stage，the delay in the QoS requirement parameter is introduced as the path sovereignty weight，and the region change rate is calculated to perform positive and negative gains on it.The optimal path selection algorithm is used to select the path with the smallest weight and use it as the optimal path.In the routing maintenance phase，by calculating the energy and node distance of the region，the low-quality nodes are discarded，which reduces the occurrence of redundant topology and link failures.The experimental results show that，compared to the traditional AODV protocol，the end-to-end delay and routing overhead of the proposed protocol are reduced by 47.73%and 48.00%，respectively.The packet forwarding rate and network lifetime are improved by 6.97%and 14.80%，respectively.【Key words】Wireless Sensor Network（WSN）；AODV routing protocol；region awareness；neighbor node；optimal pathDOI：10.19678/j.issn.1000-3428.00660620概述无线传感器网络（Wireless Sensor Network，WSN）是通过无线方式通信的多跳自组织网络1-2，已广泛应用在安全3、医疗4、生态5、工业和军事6等领域。由于现实环境的复杂性、节点能量的有限性以及人们 对 服 务 质 量（Quality of Service，QoS）的 更 高 需求7-8，因此 WSN 面临更快适应动态拓扑、延长网络基金项目：国家自然科学基金（61771258）。作者简介：杨 敏（1998），女，硕士研究生，主研方向为无线传感器网络；张玲华，教授、博士、博士生导师。收稿日期：2022-10-21 修回日期：2022-11-21 Email：移动互联与通信技术文章编号：1000-3428（2023）08-0130-07 文献标志码：A 中图分类号：TP393第 49卷 第 8期杨敏，张玲华：WSN中基于区域感知的改进 AODV路由协议生存时间、提升网络 QoS等挑战。无 线 自 组 网 按 需 平 面 距 离 向 量（Ad hoc On-demand Distance Vector，AODV）路由协议9-11是 1 种适应动态拓扑并且支持 QoS 路由的路由协议，适用于 WSN，但是仅依据单一跳数建立路由使得边缘链路易断裂，同时导致寻路开销增大、传输时延增长、网络寿命缩短。针对上述不足，研究人员提出一些改进方法。文献 12 在路由发现时基于邻居节点数量计算转发请求概率，同时根据节点速度计算提出链路权值来选择路由，该协议虽然提高了包投递率，但是在低速拓扑中效果不佳。文献 13 将遗传算法与 AODV 协议相结合，寻找从源到目的地的最短路径，提升了网络吞吐量和网络寿命，但是在实际应用中存在计算量过大的问题。文献 14 提出 1 种基于链路寿命和能量消耗预测的移动边缘计算协议，该协议降低了节点能耗和端到端延迟，但是节点间信号强度受实际环境的影响较大，因此预测的链路寿命准确性有待提高。文献 15 提出 1 种以带宽和时延作为主要度量参数的协议，以支持 QoS路由，但是算法没有考虑节点能量消耗。文献 16-17 提出在路径发现阶段将节点拥塞程度和能量损耗划分等级并引入跳数，结合实际跳数组成新的路径选择因子，该协议有效减少网络延迟和路由开销，但是当网络拥塞严重时容易选取通信边缘的节点，造成边缘问题。文献 18 在路由发现时计算邻居节点变化率来估计路径稳定性，并统筹考虑路径能量来选择最优路径，该协议提升了包投递率和网络寿命，但是在稠密节点网络中容易消耗多余的路由成本。本文提出 1种基于区域感知的改进 AODV 路由协议 I-AODV-RA。在路由发现阶段，优化路径选择算法，结合路径时延和区域稳定性以选择最优路径，提高网络稳定性和数据传输效率。在路由维护阶段，结合区域能量和节点距离以维护邻居生存信息，能够有效降低因链路断裂产生额外的路径修复开销。1传统 AODV路由协议AODV 路由协议是在目的节点序列距离矢量（Destination-Sequenced Distance Vector，DSDV）协议19-20和 动 态 源 路 由（Dynamic Source Routing，DSR）21-22协议的基础上实现路由协议，在多个可通信节点中建立维护 1个动态、多跳的网络，实现路由的单播和组播。AODV 协议通过路由发现和路由维护 2 个阶段构成整个网络，并在每个节点动态维护1张路由表。1.1路由发现当源节点向目的节点发送数据包时，若源节点没有目的节点的路由，则进入路由发现阶段。源节点向周围的邻居节点广播路由请求报文（RREQ），邻居节点收到 RREQ后先建立反向路由，再判断自己是否是目的节点。如果邻居节点是目的节点，就返回路由应答报文（RREP）并沿着返回路径建立正向路由；如果不是，则继续向邻居节点广播 RREQ，直到找到目的节点。当源节点收到 RREP时，则说明本次路由发现已经完成。路由发现过程如图 1 所示。源节点 S 向邻居节点 A、B、C广播 RREQ，A、B、C判断自己不是目的节点就继续广播 RREQ，其中，B 的下一跳节点是 C，但 C已经接收过相同的 RREQ，于是直接丢弃来自 B的请求。因此，最终到达目的节点 D 的路径是：SAFD 和 SAED。由 于 路 径 SAED 的RREQ首先到达目的节点，因此最终选取该路径建立路由。1.2路由维护路由维护的方式分为主动维护和被动维护。主动维护是通过周期性地向邻居节点发送活跃路由链路检测报文 HELLO，收到 HELLO 的邻居节点会在当前节点的路由表中更新对应源节点的生存时间，超过生存时间的节点将会被定时清除，同时将下一跳为失效节点的目的节点信息打包为路由错误报文（RRER）并广播发送。被动维护是在转发数据报文的过程中发现目的节点的路由失效或者收到链路层的不可达报文时构建 RRER 并广播发送，同时进入本地恢复或者重新路由发现。路由维护过程如图 2所示。当 E发现 ED之间的链路断裂时，会向邻居节点转发 RRER，A 收到RRER 后会将路由表中的所有与损坏路径相关的路由信息添加到 RRER 中，并继续向邻居节点转发，直到所有与断裂路径相关的节点都被通知到。由于F、C、B 没有与断裂链路相关的路由，因此 C 收到 E转 发 的 RRER 后 会 直 接 丢 弃，而 F、B 不 会 收 到RRER。S会收到 A的 RRER信息，若 S仍要向 D发送数据包则再次进入路由