OLSR路由协议的功率补偿机制研究

1、OLSR路由协议的功率补偿机制研究摘 要：针对物联网无线传感器监测系统，研究了适合稀疏分布传感器节点下的无线路由 OLSF协 议，并对传统OLSR路由协议进行改进。在网络高可 靠性要求和节点分布不均的情况下，引入了功率补偿 机制和自主切换机制，并对改进后的协议通过 NS2进 行了仿真实验。实验结果表明，该协议在可靠性和时 延方面均有所提高，达到了提高稀疏节点无线路由网 络系统性能的目的。关键词：OLSF协议；稀疏路由； 补偿点；功 率补偿； 自主切换机制中图分类号： TN915.04-34； TP393 文献标识码： A文章编号： 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 无线传感网络节点多用于比较恶劣的环境，如战 场或各种地下作业，因此对节能和数据可靠传输的要 求较高，同时由于节点分布不均匀，多为垂直和水平 分布，传统的路由协议如 AODV(Ad Hoc On-DemandDistance Vector Routing),Gear,Leac等缺乏灵活性，且对节点定位要求较高 1。而先应式路由协议OLSR(Optimized L

6、ink State Routing)入了 MPR选择机制，使得其有效减少路由开销和保证节点传输的可靠 性。OLSF是一种先验式路由协议，已经被IETF MANET 工作组正式公布为自组网路由协议的 RFC标准。OLSR 通过获得的拓扑信息，利用Dijkstra算法进行路由计算， 选择到达目的节点的最短路径。虽然OLSR协议具有很多优点，但研究结果表明， 当节点分布稀疏时，使用OLSR协议获得的数据吞吐 量大幅度下降，同时延迟也增大 2。因此本文将对 OLSR协议进行改进，使其在稀疏节点环境中也能取得较好的性能。1 OLSR路由协议的改进本文提出的结合功率进行补偿机制的改进 OLSR 协议，在节

7、点密集处采用传统 OLSF协议，在节点稀 疏处自动切换到改进后的 OLSF协议。1.1 OLSF路由算法的缺陷(1)不适应稀疏节点OLSF协议默认节点信号传播半径足够大，保证源 与目的节点之间存在通信链路使得网络整体连通。但 在节点稀疏或移动分布式无线网络拓扑结构中，网络 拓扑频繁改变，无法确保网络的连通性及节点间始终 存在通信路径。(2)链路结构不均衡OLSF协议只有被选为MPR的节点才产生并转发TC(Topology Control消息，默认情况下的TC只包含了 MPR(MultiPoint Relays选择者的地址信息3。在每个 时刻，网络节点的拓扑集里仅仅存在 MPF 链路信息， 而对

8、其他的对称链路或者单向链路不会反映到网络拓 扑集中。OLSR协议实验可以得到10个节点情况下网 络拓扑图如图 1 所示，完整的拓扑图如图 2 所示。由图 1 可以看出， 节点 3,7,8,9均未被任何节点选 为MPR,它们没有TC消息可以发送，同时节点8只有一条链路可以被广播图1 OLSR网络拓扑图图 2 完整的网络拓扑图 节点 8 到目的节点只有一条可用链路，因此需要 为这些 MPR 节点集中节点数为 1 的节点选择一个备用 的转发节点， 当 MPR 节点出现故障时， 能够及时代替 MPR 节点转发。1.2稀疏OLSR路由补偿节点选择算法 改进协议针对只有一条链路被感知的节点，在Hello消

9、息中增加一个标志位，标志该节点 MPR集中 节点数量。协议开始后，按照传统OLSR协议进行MPR选举，MPR集合中的节点选出后，各个MPR节点检查收到 的节点 Hello 消息中的标志位，当标志位为 1 时，在 网络性能下降到一定程度时就可以采用补偿算法选取 相应的补偿节点，增大补偿节点发射功率，使它的通 信范围覆盖MPR集合中惟一节点所覆盖的范围，这样 就解除了该惟一节点的不可靠性，以保证整个网络的 连通性。补偿节点选择流程如图 3 所示。图 3 补偿节点选择流程图 由图 3 可得到补偿算法如下：BEGINDO 在 Hello 消息中附带子集节点上一次发送消 息后的剩余能量信息 ;IF节点剩

10、余能量 入THENMPR集合中的节点能量将要耗尽或者链路状态 变坏;DO MPR集合中节点惟一的节点发送补偿请求消 息给所有一跳邻居节点 ;IF 该节点做过补偿点 THEN 根据分组内部的发射 /接收功率信息 ;DO计算邻接点与惟一节点的距离，并写入补偿 回应消息中，发送给MPR集合中的节点，同时该节点 作为备用补偿点 ;ELSE IF距离邻居节点N最近THENMPR集合中的惟一节点收到应答消息；DO选择距离最近的邻居节点作为补偿点；ELSE ENDEND IFEND IFELSE ENDEND IFDO选出的补偿节点根据收到的信息来调整发射 功率。补偿节点将自身通信半径增大到补偿节点的 MP

11、R节点的通信半径和该MPR节点与它距离之和；END为了节约能量，补偿节点最大发射功率的工作时 间为一个查找周期，当发现MPR集合中的集合节点不 需要补偿节点时就恢复之前的发射功率。2 自主切换机制 在路由建立阶段，当通过各个节点的 Hello 消息 使整个网络的MPR节点集确定后，MPR子集内部各 个节点利用式 (1)求出平均阈值 Savr：Savr=Sall/Smpr(1)式中:Sall代表整个网络的节点数和；Smpr代表 MPR集合节点个数。MPR节点集合内的各个子节点计 算自己负责转发的节点数 Hello_Count。当Hello_Count 低于平均阈值Savr时，便利用式(2)开始预

12、测本轮信号 强度：S n ew= S o ld+（1 ） S n ew-m easu re(2)式中:Snew-measure表示新测得的信号强度；Sold 表示上一次预测的信号强度;Snew表示预测的下一段 时间的信号强度 ；?凳侨兀 ?取值范围是0,1,?翟叫。 预测信号强度受该时刻信号强度的影响越大 4。当预测的下次信号强度低于预先规定的一定强度 时，可以确定此处为稀疏节点分布区且信号强度较低， 则该MPR集合中节点分组内实行改进后的OLSR协议， 否则继续使用OLSR协议。OLSR协议和改进OLSR协议的自主切换机制流程 如图 4 所示。3 功率控制算法依据 补偿机制中，需要增大节点的

13、发射功率，当源节 点向目的节点发送分组时，发送功率 Pt 与接收功率Pr的关系5如下：Pr=PtX 4 n d B GtGr(3)式中：入为载波波长;d为源节点和目的节点间的 距离;Gt为发射机天线增益；Gr为接收机天线增益。 设接收功率的门限为Prt，当信号的功率不小于Prt时 才能被正确接收，可推出式 (4)和式(5)：Pt=Tfd4(4)Tf=(4n )4PrtGtGr 入 4(5)由式(4)可知，当传输距离增大 1 倍，发射功率成 幂级数增加，才能被正确接收。图4 OLSF切换机制4 实验结果本文实验环境是在 Linux 操作平台下移植了TinyOS操作系统，利用CC2430空制芯片进

14、行编程， 并在ns2.34环境下进行仿真实验。4.1 仿真实验环境仿真的网络范围为500 mx 1 000 m,节点数量为 20和100个，传输范围为250 m,物理信道的带宽为 2 Mb/s, MAC层使用802.11a协议。建立12个CBR 业务连接，分组长度为512 B仿真时间为200 s,发包 率为4个/s，节点的速度分别为 0 m/s,1 m/s,5 m/s,10 m/s,20 m/s,25 m/s,30 m/s。4.2 性能指标协议改进主要针对网络的可靠传输,因此仿真实 验的性能指标有节点投递率和网络传输平均延时 7 。 由于改进后的协议运用了自主切换机制，必然会增大 部分能量的开

15、销，因此，需要对剩余能量也进行仿真 实验6。(1) 投递率OLSF协议适用于节点密集型的网络，从图5可以 看出，两个协议在 100个节点的网络整体比 20 个节点 的稀疏网络的投递率高。在节点固定或者移动较小的 情况下，性能已经很好，则改进后的协议性能并未得 到良好的体现。当节点移动速度超过 10 m/s 后，网络 性能明显下降，这时运用自主切换机制，网络的投递 率得到显著改善。速度越大，OLSF协议性能下降越快， 而改进的OLSR协议性能下降得到控制。(2) 平均时延 在节点固定或者移动速度较低的情况下，改进的 OLSF协议并未表现出特别的优势，这是由于监测网络 的性能耗费一定的时延，之前采

16、用自主切换提高的时 延并不明显。端到端时延统计如图 6 所示。由图可看出，当节 点移动速度超过15 m/s后，改进的OLSR协议能够在 网络剩余能量很低或部分 MPF 节点失效的情况下， 使 数据通过补偿节点得到及时的转发，因而它的网络传播时延相比OLSF协议有明显降低图 5 节点的投递率 图 6 节点的端到端时延(3) 剩余能量对 100 个节点进行仿真， 速度固定为 5 m/s ，假定节点初始能量在 20,60间随机分配。仿真时间为 400 s, x轴表示剩余能量，y轴表示处于该能量的节点数， 如图 7 所示图 7 节点的剩余能量在400 s处，使用传统路由协议在剩余能量 60 J 处有

17、3 个，而改进的协议在此处为 1 个。但是在剩余 能量为10 J的节点中，传统OLSF有15个，而改进的 OLSF只有11个，两个协议的大多数节点都集中在:20,50的能量区。由此可见，使用改进的 OLSF协议 并没有造成过多的能量耗费，同时有效地平衡了能量 的均衡使用，从而延长了部分节点的寿命。5 结论本文分析了 OLSF协议不适合节点分布稀疏的网 络拓扑结构情况，通过加入特定节点补偿机制和自主 切换机制对其进行改进，并对改进后的 OLSR协议进 行了仿真。实验结果表明，改进后的协议能够取得更 高的投递率，提高了网络传输的可靠性。在节点移动 速度较大时，在降低时延方面效果显著。同时也有利 地

18、均衡了各个节点的能量， 从而延长整个网络的寿命。选取出的补偿节点进行合适的功率放大后，增大 了节点的传输覆盖范围，必然会对周围的节点传输信 号有所影响，本文假定是在忽略功率增大的幅度对周 围节点信号强度影响的情况下进行的研究，下一步对 增加这种补偿和切换机制后的网络与节点信号强度之 间的关系和影响进行研究， 找到一种均衡的度量关系， 使改进的协议性能可以得到最好的发挥。参考文献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 严雯 ,郭伟,刘军一种基于信号强度的 OLSR 路由协议改进算法J.电讯技术,2008,48(5):40-45.:5谭学治 王则鸣，李鹏.基于OLSF的Ad Hoc网 络功率意识路由协议J.通信技术学 报,2008,41(11):103-105.6TADDIA C, GIOVANARDI A, MAZZINI G, et al. Energy efficiency in OLSR protocol