一种改进的海上无线传感网动态源路由算法

引 言

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 1000m1000m范围内随机部署150个节点，节点的运动模型为RWP（RandomWayPoint， RWP），其最大移动速度为10m/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 算法延长了网络生存时间。

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。