一种改进的海上无线传感网动态源路由算法

童列高

摘 要：针对海上无线传感网节点的移动性和网络拓扑的动态特性，引入动态源路由，改进动态源路由的发现机制，提出一种适用于海上无线传感网的动态源路由算法。该算法可以提高数据传输率，并节省能耗，延长网络生存时间，保证了网络的可靠性。仿真结果表明，提出的改进型动态源路由算法（I-DSR）相比DSR算法以及其他路由算法具有更好的性能。

关键词：海上无线传感网；链路稳定性；平均剩余能量；动态源路由

中图分类号：TP39 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2018）01-00-02

0 引 言

近年来，研究人员考虑将无线传感网推广应用于海事搜救和海洋监测领域[1]。但海上无线传感网路由方案的设计面临一些严峻挑战，提高恶劣海洋环境下网络的性能，设计出一种确保数据可靠传输的路由对海上应用而言具有重要意义。由于源路由算法的动态源路由（DSR）协议网络中的节点缓存多到达目的节点的源路由，使该协议对网络拓扑变化具有较快的反应速度，因此可以提供快速反应式服务，较好地保证了数据的有效传输[2]。但该路由协议存在一些缺陷：在高度动态性的环境中，频繁的链路断裂导致数据传输率较低[3]；效率低下的路由发现机制造成了较大的传输延迟和较高的路由开销[4]；产生的能耗较大[5]。

现阶段，针对动态源路由协议提出了很多改进和优化。文献[6，7]针对DSR 路由缓存中失效路由导致协议性能下降的问题，提出了改进的DSR路由协议，使节点能够及时更新缓存中的失效路由，但该方案无法减少路由开销。在路由发现的过程中，文献[8，9]提出了一些控制数据包的洪泛技术以减少路由开销，但未必能够找到有效的路径。

因此，本文提出一种改进型动态源路由（I-DSR）算法，以提高路由效率。该算法能较好地满足海上无线传感网路由的要求，在保证节省能耗和延长网络生存时间的同时，实现了较高的数据传输率，克服了已有路由算法的不足。

1 改进型动态源路由算法设计

1.1 路由控制包

动态源路由发现过程需要两种控制数据包，即路由请求（RREQ）和路由应答（RREP）。本文提出的增强型动态源路由算法需要修改传统动态源路由控制数据包格式以适应本算法的路由机制，路由控制包格式见表1所列。

在路由发现过程中，源节点发送路由请求控制数据包RREQ，搜索到目的节点的路径，并更新控制包的信息。请求控制包包含源节点和目的节点地址，跳数Hc初始设置为0，随着数据包在网络中传播，每通过一个中间节点跳数便加1，当数据包发送到目的节点时，该跳数即为路径所有跳数。使用路径拥塞度度量值Rc衡量整条路径的拥塞水平，由中间路径和节点拥塞度表示。路径可靠性度量值Rr由每一个中间链路的连通性决定，表明整条路径能维持较长时间的连通性。Er表示路径剩余能量，其值为路径中节点的最小剩余能量。在通过周期性的信息交换后，节点获取邻居节点的剩余能量信息，保存在自己的缓存中。路由控制包每经过一个中间节点，就会比较节点的剩余能量，选择剩余能量较小值更新控制包中的Er。类型表示控制数据包的种类，即RREQ为1，RREP为0。中间节点地址栈INA存储路由请求数据包在网络中传输经过的所有中间节点的地址。

1.2 路由发现

当源节点需要发送数据包时，就会启动路由发现过程寻找一条到达目的节点的路由，并向网络广播路由请求控制包。路由请求控制包在选择下一跳节点时，会综合考虑路径的可靠性、拥塞度、剩余能量以及跳数，从而找到具有较高可靠性、较低拥塞度、较少跳数和剩余能量较高的路径，在保证路由效率的同时，降低能量消耗，均衡网络负载，延长网络的生存时间。路由发现过程如图1所示。

目的节点收到请求控制包后向源节点返回一个应答控制包RREP，源节点接收到RREP控制包后便完成了路由发现过程，产生了一条到达目的节点的源路由。在路由选择时，第一个RREP控制包到达，产生一条路径，发送节点使用该路径发送数据分组。当发送节点再次收到一个应答数据包后，便产生另外一条路由，根据跳数、路径可靠性度量值、拥塞度量值和剩余能量，比较两者路径性能值的大小，选择较好的一条路径发送数据分组。直到收到最后一个路由应答控制包，路由选择过程结束。

2 仿真结果与分析

本文使用Linux系统下的网络仿真工具NS2模拟所需的网络环境，对提出的I-DSR算法进行仿真，并与DSR[10]算法进行比较。仿真场景为在1 000 m×1 000 m范围内随机部署150个节点，节点的运动模型为RWP（Random Way Point，RWP），其最大移动速度为10 m/s。本文从数据传输率、能耗和网络生存时间三个方面对两种算法进行比较，发现网络生存时间为死亡节点数量达到节点总数的20%时网络运行的时间。

图2所示为本文算法与DSR算法数据传输率的比较。

从图中可以看出，本文提出的算法有较高的传输率，原因在于本文算法有效地预测了路径的可靠性和拥塞度，从而发现了比较可靠的路径，减少了数据丢失和传输延时，提高了数据传输率。

图3所示为能耗的比较。从图中可以看出I-DSR算法比DSR算法更节能，原因在于DSR在网络中盲目泛洪路由请求控制包，而本文算法选择了相对可靠的路径发送路由请求，减少了路由开销，节省了能量。

图4所示为网络生存时间的比较。从图中可以看出，死亡节点数为30（达到总结点数的20%）时，对应的时间分别为235和280，因此本文算法较DSR方法延长了网络生存时间。本文算法不仅能够节省节点能量，更在选择路径时，考虑了路径的剩余能量，具有较多剩余能量的路径被使用的可能性更大，这在一定程度上均衡了网络负载，避免了节点因负载过大，能量耗尽而过早死亡，从而减少了死亡节点的数量，相比DSR算法延長了网络生存时间。

3 结 语

本文针对海上无线传感网路由方案存在的问题和挑战，引入了动态源路由机制，提出了一种改进型动态源路由算法。该路由方案通过发现并选择具有较低拥塞度、较高可靠性、较少跳数和剩余能量较高的路径传输数据分组，实现了较高的数据传输率，节省了能量，并延长了网络生存时间。若将本文算法应用到海上无线传感网，将大大提高海上搜救和海洋监测效率。

参考文献

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