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OLSR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：OLSRSR协议；稀疏路由；补偿点；功率补偿；自主切换机制

0 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-Demand Distance Vector Routing)，Gear，Leach等缺乏灵活性，且对节点定位要求较高。而先应式路由协议OLSR(Optimized Link state Routing)引入了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。
    OLSR是一种先验式路由协议，已经被IETFMANET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。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，在节点密集处采用传统OLSR协议，在节点稀疏处自动切换到改进后的OLSR协议。
1．1 OLSR路由算法的缺陷
   (1)不适应稀疏节点
    OLSR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问始终存在通信路径。
    (2)链路结构不均衡
    OLSR协议只有被选为MPR的节点才产生并转发TC(TopologyControl)消息，默认情况下的TC只包含了MPR(MultiPoint Relays)选择者的地址信息。在每个时刻，网络节点的拓扑集里仅仅存在MPR链路信息，而埘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。
    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消息中增加一个标志位，标志该节点MPR集中节点数量。[!--empirenews.page--]
    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。

    由图3可得到补偿算法如下：
    BEGIN
      DO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节点剩余能量>λ THEN
        MPR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；
        ELSF IF距离邻居节点N最近THEN
          MPR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 END
          END IF
     END IF
     ELSE END
     END IF
     DO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MPR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_Cou nt。当Hello_Count低于平均阈值Savr时，便利用式(2)开始预测本轮信号强度：
   
    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；是权重，取值范围是[0，1]，越小，预测信号强度受该时刻信号强度的影响越大。
    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。[!--empirenews.page--]
    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的关系如下：
   
    式中：λ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)：
   
    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。

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控制芯片进行编程，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500m×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，25m／s，30m／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。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销，因此，需要对剩余能量也进行仿真实验。
    (1)投递率
    OLSR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，OLSR协议性能下降越快，而改进的OLSR协议性能下降得到控制。[!--empirenews.page--]
    (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OLSR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MPR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OLSR协议有明显降低。
    (3)剩余能量
    对100个节点进行仿真，速度固定为5m／s，假定节点初始能量在[20，60]间随机分配。仿真时间为400s，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。

    在400s处，使用传统路由协议在剩余能量60 J处有3个，而改进的协议在此处为1个。但是存剩余能量为10 J的节点中，传统OLSR有15个，而改进的OLSR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OLSR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OLSR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埘其进行改进．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。