1、OLSR路由協議的功率補償機制研究摘 要：針對物聯網無線傳感器監測系統，研究了適合稀疏分布傳感器節點下的無線路由 OLSF協 議，并對傳統OLSR路由協議進行改進。在網絡高可 靠性要求和節點分布不均的情況下，引入了功率補償 機制和自主切換機制，并對改進后的協議通過 NS2進 行了仿真實驗。實驗結果表明，該協議在可靠性和時 延方面均有所提高，達到了提高稀疏節點無線路由網 絡系統性能的目的。關鍵詞：OLSF協議；稀疏路由； 補償點；功 率補償； 自主切換機制中圖分類號： TN915.04-34； TP393 文獻標識碼： A文章編號： 1004-373X(2012)01-0045-04Resear

2、ch on power compensation mechanism ofOLSR protocolLIAO Shu-hong1， ZHANG Yong，1 WU Yin2， HUANG Tong-xin1(1.College of Computer Science and Technology, Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Nanjing 210016, China；2.College of Automation, Nanjing University of Aeronautics and Astronautics,

3、 Nanjing 210016, China)?才?Abstract：The optimized link state routing protocol (OLSR) in a sparse routing condition for the Internet of things(IOT) wireless sensor monitoring system is studied, and the traditional OLSR protocol is improved. In order to get better performance under sparse nodes conditi

4、on, both power compensated mechanism and self-switching mechanism are added, then, the implementation is simulated by NS2. The results show that the protocol has higher performance and shorter delay after it has been improved, and achieves the purpose of optimal route protocol for the system.Keyword

5、s： OLSR protocol; sparse routing; compensation point; power compensation; self-switching mechanism收稿日期： 2011-08-160 引言 無線傳感網絡節點多用于比較惡劣的環境，如戰 場或各種地下作業，因此對節能和數據可靠傳輸的要 求較高，同時由于節點分布不均勻，多為垂直和水平 分布，傳統的路由協議如 AODV(Ad Hoc On-DemandDistance Vector Routing),Gear,Leac等缺乏靈活性，且對節點定位要求較高 1。而先應式路由協議OLSR(Optimized L

6、ink State Routing)入了 MPR選擇機制，使得其有效減少路由開銷和保證節點傳輸的可靠 性。OLSF是一種先驗式路由協議，已經被IETF MANET 工作組正式公布為自組網路由協議的 RFC標準。OLSR 通過獲得的拓撲信息，利用Dijkstra算法進行路由計算， 選擇到達目的節點的最短路徑。雖然OLSR協議具有很多優點，但研究結果表明， 當節點分布稀疏時，使用OLSR協議獲得的數據吞吐 量大幅度下降，同時延遲也增大 2。因此本文將對 OLSR協議進行改進，使其在稀疏節點環境中也能取得較好的性能。1 OLSR路由協議的改進本文提出的結合功率進行補償機制的改進 OLSR 協議，在節

7、點密集處采用傳統 OLSF協議，在節點稀 疏處自動切換到改進后的 OLSF協議。1.1 OLSF路由算法的缺陷(1)不適應稀疏節點OLSF協議默認節點信號傳播半徑足夠大，保證源 與目的節點之間存在通信鏈路使得網絡整體連通。但 在節點稀疏或移動分布式無線網絡拓撲結構中，網絡 拓撲頻繁改變，無法確保網絡的連通性及節點間始終 存在通信路徑。(2)鏈路結構不均衡OLSF協議只有被選為MPR的節點才產生并轉發TC(Topology Control消息，默認情況下的TC只包含了 MPR(MultiPoint Relays選擇者的地址信息3。在每個 時刻，網絡節點的拓撲集里僅僅存在 MPF 鏈路信息， 而對

8、其他的對稱鏈路或者單向鏈路不會反映到網絡拓 撲集中。OLSR協議實驗可以得到10個節點情況下網 絡拓撲圖如圖 1 所示，完整的拓撲圖如圖 2 所示。由圖 1 可以看出， 節點 3,7,8,9均未被任何節點選 為MPR,它們沒有TC消息可以發送，同時節點8只有一條鏈路可以被廣播圖1 OLSR網絡拓撲圖圖 2 完整的網絡拓撲圖 節點 8 到目的節點只有一條可用鏈路，因此需要 為這些 MPR 節點集中節點數為 1 的節點選擇一個備用 的轉發節點， 當 MPR 節點出現故障時， 能夠及時代替 MPR 節點轉發。1.2稀疏OLSR路由補償節點選擇算法 改進協議針對只有一條鏈路被感知的節點，在Hello消

9、息中增加一個標志位，標志該節點 MPR集中 節點數量。協議開始后，按照傳統OLSR協議進行MPR選舉，MPR集合中的節點選出后，各個MPR節點檢查收到 的節點 Hello 消息中的標志位，當標志位為 1 時，在 網絡性能下降到一定程度時就可以采用補償算法選取 相應的補償節點，增大補償節點發射功率，使它的通 信范圍覆蓋MPR集合中惟一節點所覆蓋的范圍，這樣 就解除了該惟一節點的不可靠性，以保證整個網絡的 連通性。補償節點選擇流程如圖 3 所示。圖 3 補償節點選擇流程圖 由圖 3 可得到補償算法如下：BEGINDO 在 Hello 消息中附帶子集節點上一次發送消 息后的剩余能量信息 ;IF節點剩

10、余能量 入THENMPR集合中的節點能量將要耗盡或者鏈路狀態 變壞;DO MPR集合中節點惟一的節點發送補償請求消 息給所有一跳鄰居節點 ;IF 該節點做過補償點 THEN 根據分組內部的發射 /接收功率信息 ;DO計算鄰接點與惟一節點的距離，并寫入補償 回應消息中，發送給MPR集合中的節點，同時該節點 作為備用補償點 ;ELSE IF距離鄰居節點N最近THENMPR集合中的惟一節點收到應答消息；DO選擇距離最近的鄰居節點作為補償點；ELSE ENDEND IFEND IFELSE ENDEND IFDO選出的補償節點根據收到的信息來調整發射 功率。補償節點將自身通信半徑增大到補償節點的 MP

11、R節點的通信半徑和該MPR節點與它距離之和；END為了節約能量，補償節點最大發射功率的工作時 間為一個查找周期，當發現MPR集合中的集合節點不 需要補償節點時就恢復之前的發射功率。2 自主切換機制 在路由建立階段，當通過各個節點的 Hello 消息 使整個網絡的MPR節點集確定后，MPR子集內部各 個節點利用式 (1)求出平均閾值 Savr：Savr=Sall/Smpr(1)式中:Sall代表整個網絡的節點數和；Smpr代表 MPR集合節點個數。MPR節點集合內的各個子節點計 算自己負責轉發的節點數 Hello_Count。當Hello_Count 低于平均閾值Savr時，便利用式(2)開始預

12、測本輪信號 強度：S n ew= S o ld+（1 ） S n ew-m easu re(2)式中:Snew-measure表示新測得的信號強度；Sold 表示上一次預測的信號強度;Snew表示預測的下一段 時間的信號強度 ；?凳僑兀 ?取值范圍是0,1,?翟叫。 預測信號強度受該時刻信號強度的影響越大 4。當預測的下次信號強度低于預先規定的一定強度 時，可以確定此處為稀疏節點分布區且信號強度較低， 則該MPR集合中節點分組內實行改進后的OLSR協議， 否則繼續使用OLSR協議。OLSR協議和改進OLSR協議的自主切換機制流程 如圖 4 所示。3 功率控制算法依據 補償機制中，需要增大節點的

13、發射功率，當源節 點向目的節點發送分組時，發送功率 Pt 與接收功率Pr的關系5如下：Pr=PtX 4 n d B GtGr(3)式中：入為載波波長;d為源節點和目的節點間的 距離;Gt為發射機天線增益；Gr為接收機天線增益。 設接收功率的門限為Prt，當信號的功率不小于Prt時 才能被正確接收，可推出式 (4)和式(5)：Pt=Tfd4(4)Tf=(4n )4PrtGtGr 入 4(5)由式(4)可知，當傳輸距離增大 1 倍，發射功率成 冪級數增加，才能被正確接收。圖4 OLSF切換機制4 實驗結果本文實驗環境是在 Linux 操作平臺下移植了TinyOS操作系統，利用CC2430空制芯片進

14、行編程， 并在ns2.34環境下進行仿真實驗。4.1 仿真實驗環境仿真的網絡范圍為500 mx 1 000 m,節點數量為 20和100個，傳輸范圍為250 m,物理信道的帶寬為 2 Mb/s, MAC層使用802.11a協議。建立12個CBR 業務連接，分組長度為512 B仿真時間為200 s,發包 率為4個/s，節點的速度分別為 0 m/s,1 m/s,5 m/s,10 m/s,20 m/s,25 m/s,30 m/s。4.2 性能指標協議改進主要針對網絡的可靠傳輸,因此仿真實 驗的性能指標有節點投遞率和網絡傳輸平均延時 7 。 由于改進后的協議運用了自主切換機制，必然會增大 部分能量的開

15、銷，因此，需要對剩余能量也進行仿真 實驗6。(1) 投遞率OLSF協議適用于節點密集型的網絡，從圖5可以 看出，兩個協議在 100個節點的網絡整體比 20 個節點 的稀疏網絡的投遞率高。在節點固定或者移動較小的 情況下，性能已經很好，則改進后的協議性能并未得 到良好的體現。當節點移動速度超過 10 m/s 后，網絡 性能明顯下降，這時運用自主切換機制，網絡的投遞 率得到顯著改善。速度越大，OLSF協議性能下降越快， 而改進的OLSR協議性能下降得到控制。(2) 平均時延 在節點固定或者移動速度較低的情況下，改進的 OLSF協議并未表現出特別的優勢，這是由于監測網絡 的性能耗費一定的時延，之前采

16、用自主切換提高的時 延并不明顯。端到端時延統計如圖 6 所示。由圖可看出，當節 點移動速度超過15 m/s后，改進的OLSR協議能夠在 網絡剩余能量很低或部分 MPF 節點失效的情況下， 使 數據通過補償節點得到及時的轉發，因而它的網絡傳播時延相比OLSF協議有明顯降低圖 5 節點的投遞率 圖 6 節點的端到端時延(3) 剩余能量對 100 個節點進行仿真， 速度固定為 5 m/s ，假定節點初始能量在 20,60間隨機分配。仿真時間為 400 s, x軸表示剩余能量，y軸表示處于該能量的節點數， 如圖 7 所示圖 7 節點的剩余能量在400 s處，使用傳統路由協議在剩余能量 60 J 處有

17、3 個，而改進的協議在此處為 1 個。但是在剩余 能量為10 J的節點中，傳統OLSF有15個，而改進的 OLSF只有11個，兩個協議的大多數節點都集中在:20,50的能量區。由此可見，使用改進的 OLSF協議 并沒有造成過多的能量耗費，同時有效地平衡了能量 的均衡使用，從而延長了部分節點的壽命。5 結論本文分析了 OLSF協議不適合節點分布稀疏的網 絡拓撲結構情況，通過加入特定節點補償機制和自主 切換機制對其進行改進，并對改進后的 OLSR協議進 行了仿真。實驗結果表明，改進后的協議能夠取得更 高的投遞率，提高了網絡傳輸的可靠性。在節點移動 速度較大時，在降低時延方面效果顯著。同時也有利 地

18、均衡了各個節點的能量， 從而延長整個網絡的壽命。選取出的補償節點進行合適的功率放大后，增大 了節點的傳輸覆蓋范圍，必然會對周圍的節點傳輸信 號有所影響，本文假定是在忽略功率增大的幅度對周 圍節點信號強度影響的情況下進行的研究，下一步對 增加這種補償和切換機制后的網絡與節點信號強度之 間的關系和影響進行研究， 找到一種均衡的度量關系， 使改進的協議性能可以得到最好的發揮。參考文獻1 SUN Yan-jing, LIU Xue. Wireless multi-hop ad hoc networks based on OLSR for underground coal mine C/Wireless

19、 Communications and Signal Processing. Suzhou: IEEE, 2010: 1-4.2WISITPONGPHAN N, FAN Bai, MUDALIG, EetPal.Routing in sparse vehicular ad hoc wireless networks J.Selected Areas in Communications, 2007,25(8):1538-1556.3 DE RANGO Floriano, FOTINO Marco, MARANO S, et al. Energy efficient OLSR routing pr

20、otocol for mobile ad-hoc networks C/ Military Communications Conference. San Diego, CA: IEEE, 2008: 1-7.4 嚴雯 ,郭偉,劉軍一種基于信號強度的 OLSR 路由協議改進算法J.電訊技術,2008,48(5):40-45.:5譚學治 王則鳴，李鵬.基于OLSF的Ad Hoc網 絡功率意識路由協議J.通信技術學 報,2008,41(11):103-105.6TADDIA C, GIOVANARDI A, MAZZINI G, et al. Energy efficiency in OLSR protocol