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摘 要： 移動無線自組網絡是一種自組織、快速配置而且無需固定設施的動態網絡。網絡節點能夠以任意的速度和移動模式移動，也可以隨時開機和關機，這些因素導致網絡拓撲結構的不斷變化。本文是一篇 綠色科技論文發表 范文，主要論述了移動自組網AODV路由協議的優化與
移動無線自組網絡是一種自組織、快速配置而且無需固定設施的動態網絡。網絡節點能夠以任意的速度和移動模式移動，也可以隨時開機和關機，這些因素導致網絡拓撲結構的不斷變化。本文是一篇綠色科技論文發表范文，主要論述了移動自組網AODV路由協議的優化與仿真。
摘要： 該文通過研究移動自組網AODV路由協議，分析了AODV路由協議在鏈路斷鏈時進行鏈路修復時的缺點，提出了AODV-OPT路由協議;新協議通過一個更加合理的鏈路修復方案提高了網絡的性能。仿真實驗表明AODV-OPT路由協議提高了網絡中數據包的抵達率，同時減小了網絡中傳送數據時端到端的時延。
關鍵詞： 移動自組網,AODV協議,優化,仿真
Improvement and Simulation of AODV Routing Protocol in Mobile Ad Hoc Network
CHEN Yun-hai
(Department of Electronic Information Technology， Shenzhen Institute of Technology， Shenzhen 518116， China)
Abstract： In this paper，the author researched the AODV routing protocol in mobile Ad Hoc network，analyzed the drawback of the AODV routing protocol when it repair the broken link，and proposed AODV-OPT routing protocol to improve the network performance by a more reasonable way to fix the broken link. The simulation results prove that the AODV-OPT routing protocol can increase the Packet delivery ratio and reduce the Average end to end Delay.
Key words ：Ad Hoc network; AODV protocol ; improvement;simulation
1 引言
無線自組網絡的路由協議可以分為表驅動和按需兩大類。在按需路由協議中，只有節點需要進行通信時，才建立路由，以減少路由開銷。目前用得比較多的典型按需路由協議為AODV(Ad Hoc on-demand Distance Vector)。
AODV是一種優秀的按需路由協議。在網絡的拓撲結構發生改變的時候，它能快速收斂，計算量相對較小，占用的存儲資源小，同時能夠自我修復斷路，占用網絡帶寬較小。并且AODV協議在網絡中引入了節點序列號機制，可以有效避免網絡環路和無窮計數問題。但在有效路由發生鏈路中斷的情況下，在選擇源節點修復還是本地修復的選擇上，有可能選擇不恰當的方式，從而引起網絡的整體性能下降。
本文通過研究和分析現有的AODV路由協議的工作過程，在現有的AODV路由協議的基礎上，提出了一個優化后的路由協議AODV-OPT。在AODV-OPT路由協議中，我們根據鏈路中斷節點的上一跳節點的即時地理位置，選擇合適的路由修復方案，減少了網絡中的路由維護開銷。通過仿真表明，這種協議很好地解決了鏈路中斷時原AODV路由協議丟包率過高和數據分組傳送延遲較高的問題。
2 AODV路由協議的工作過程
2.1 AODV路由協議的路由發現
在AODV協議中，當一個源節點希望發送一個數據到目標節點時，這時候才需要建立一個源節點到目標節點的路徑。為了找到通往目的節點的路徑，源節點就發起一個路徑發現程序，它廣播一個路由請求信息RREQ到鄰居節點，鄰居節點再轉發這個RREQ到下一跳鄰居節點，直到到達目標節點或一個擁有達到目標節點的有效路徑的中間節點。
同時，收到RREQ的中間節點根據RREQ中的信息，建立到源節點的路由---在路由表中增加一個路由條目---稱為“反向路由”。反向路由條目的目的節點是廣播RREQ的源節點，下一跳節點是將RREQ發送給本節點的鄰居節點。
如果到達目標節點或一個擁有達到目標節點的有效路徑的中間節點時，這時候，此節點回復路由應答消息(RREP)到源節點，向源節點傳送是沿著之前建立的方向路由進行單播傳送。在傳送的過程中，收到RREP的節點建立到目標節點的路由---在路由表中增加一條“正向路由”的路由條目。正向路由條目的目的節點是發送RREP的源節點，下一跳是將RREP發送給本節點的鄰居節點。
2.2 AODV路由保持過程
路由建立后，為維護已建立的路由，每個節點周期性地廣播發送Hello消息，以提供與相鄰節點的相互連接信息，該消息的傳播僅限于發送節點和相鄰節點之間。收到Hello消息的節點將建立或更新一條至發送節點的路由。在AODV中，任何時候節點收到任何控制報文，也具有和收到顯性的Hello消息一樣的意義，從而隨時保證節點的有效連接性。
如果在路由有效的時間沒有被使用而引發路由過期，或者節點在確定的有效路由的下一跳無法到達(如節點移動或鏈路故障等)時，該路由無效。當節點檢測到某一路由無效時，它在路由表中將該路由表項設置成無效，且經過一段時間后才將其刪除。
如果在傳送數據的過程中，有效路由發生鏈路中斷，AODV協議中有兩種處理方式：本地修復和源節點重建路由。如果斷鏈處的上一個節點距離目標節點在MAX_REPAIR_TTL跳以內，則該節點就會進行本地修復，本地修復是發生斷鏈的上一個節點發起路由發現，為了修復鏈路，節點將關于目標節點的序列號增加1，然后廣播關于目的節點的RREQ;發起修復的節點等待路由發現周期來獲得對RREQ進行訪問的RREP。如果斷鏈處的上一個節點距離目標節點大于MAX_REPAIR_TTL，則進行源節點修復，源節點修復是發生斷鏈處的上一個節點向源節點發送RERR消息，源節點收到RERR消息后，由源節點發起路由發現，源節點將目標節點的序列號增加1，然后廣播關于目標節點的RREQ。 如圖1，假定MAX_REPAIR_TTL=4;發生節點6與7之間的斷鏈時，由于節點6到D的距離為2<4，所以發起本地修復，只要修復6到D之間的路徑即可。如圖2，同樣假定MAX_REPAIR_TTL=4;發生節點3與4之間的斷鏈時，此時，節點3與D的距離為5>4，所以發起源節點修復。
2.3 AODV路由協議的路由修復過程的缺陷
我們知道，無線自組網的每個節點是不斷移動的，如圖3所示，如果節點6到7之間斷鏈，目標節點D移動到距離源節點S一跳的位置，這時節點6發起本地修復將會引起整個網絡系統性能的下降。這時反而采用源節點修復比較合理。
同樣的，如果節點3到4之間斷鏈，目標節點D移動到距離源節點附近幾跳的節點3位置，如圖4所示;這時通過源節點發起重建路由將會引起整個網絡系統性能的下降。這時反而采用本地節點修復比較合理。
3 AODV路由協議的優化
3.1 AODV路由協議的改進思想
為了避免無線自組網在發生斷鏈時在鏈路修復上浪費過多的時間，必須根據節點的移動狀況來判定選用合適的路由修復方案。無線自組網發生斷鏈時，很多情況下是由于節點的移動造成的，所以，我們要隨時跟蹤目標節點的地理位置情況。我們設目標節點離斷鏈處的上一個節點的距離為hop1，源節點離斷鏈處的上一個節點的距離為hop2;當hop1< hop2 時，采用本地節點修復;否則，采用源節點修復。為了準確捕捉目標節點的地理位置，需要在發起修復時，探測目標節點和源節點的相對位置，根據探測結果來采取相應的修復方案。我們稱這種新的路由協議為AODV-OPT路由協議。
3.2 AODV-OPT路由協議的實現
NS3網絡模擬器是一個優秀的網絡模擬器，本身集成了對一些通用網絡實體的建模，并且自帶了對于AODV路由協議的仿真源程序。本文以AODV協議的源代碼為基礎框架，對改進后的路由協議進行編程改進，得到了改進后的AODV-OPT協議仿真源碼。然后分別運行改進前后的源代碼程序，并設定一定的場景。運行后，得出跟蹤信息，然后收集跟蹤信息進行對比分析。
4 AODV-OPT路由協議的性能仿真與分析
為了對AODV-OPT路由協議的性能進行分析，我們采用比較優秀的網絡模擬器NS3，分別對AODV、AODV-OPT路由協議進行了分析，通過仿真分別得到了它們的數據包傳送率、端對端的平均延遲，用來衡量比較兩種路由協議的性能。
4.1 模擬場景設計
我們知道，在移動無線自組網中，影響移動無線自組網的性能指標的節點因素有：節點運動拓撲區域的大小范圍、網絡中節點的個數、有多少節點在發送數據(即數據鏈路數)、節點發包速率、節點的移動速度、節點傳輸能量等。我們取80個節點隨機分布在300m*1500m的平坦區域內，節點采用Random Waypoint隨機運動模型，節點發包速率為2048bit/s，節點的傳輸能量為7.5 dBm。我們分別記錄節點的最大移動速度為10m/s、20m/s、30m/s、40m/s、50m/s、60m/s、70m/s、80m/s、90m/s、100m/s的數據發送和接收情況，端到端的傳送延遲情況，然后再進行統計分析。
4.2 數據包抵達率的統計和分析
數據包抵達率(Packet delivery ratio)是源節點產生的數據包與目的節點收到的數據包的比值。該指標反映了網絡的吞吐量，表明路由協議的有效性和適應網絡變化的性能。我們可以利用下面這個計算機公式來進行求解數據包抵達率：
數據包抵達率=目的節點接收到的數據包個數/源節點發送的數據包個數
我們根據仿真過程中產生的數據，得出了兩種路由協議數據包抵達率的變化情況，如圖5所示。我們可以看出，在節點移動速度變大時，對于兩種路由協議，數據包抵達率都有下降的趨勢。但總體上看，AODV-OPT路由協議的數據包抵達率明顯高于AODV路由協議，優化造成了網絡性能的明顯提高。
4.3 平均端到端時延的統計和分析
平均端到端時延反映了在實際網絡應用中的時間特性，特別是對于按需路由協議來說顯得更為重要。它包括了節點進行路由查找和在端口排隊時，數據分組在緩沖區中的延遲，同時也包括了MAC層進行重組以及分組傳播的時間。平均端到端時延即為所有成功傳送數據分組時延的平均數。我們可以用下面的公式來計算：
平均端到端時延 = ∑(接收到數據包的時間 - 發送包數據包的時間)/發送的數據包個數
我們根據仿真過程中產生的數據，得出了兩種路由協議數據包平均延時的變化情況，如圖6所示。我們可以看出，AODV-OPT路由協議的數據包平均延時明顯小于AODV路由協議。端到端延時越小，說明網絡傳送數據越順暢，表明網絡的性能越好。因此，通過仿真實驗證明，優化路由協議明顯提高了無線自組網的性能。
5 結束語
本文主要對無線自組網中的AODV路由協議進行了研究和改進。首先介紹了無線自組網AODV路由協議的工作過程，然后指出了AODV在路由修復中存在的缺點和不足，并提出了一種改進的AODV路由協議。最后利用NS3網絡模擬器進行編程仿真，運行仿真程序，收集仿真過程中的數據進行統計和分析;并通過對比分析，從而證明了改進的路由協議AODV-OPT在性能上是優越的。
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相關期刊簡介：《綠色科技》是中國核心期刊（遴選）數據庫、萬方數字化期刊群、中國學術期刊網絡出版總庫、中國知識資源總庫、維普期刊網、龍源期刊網、臺灣華藝數據庫等全文收錄期刊。本刊創辦于1963年，月刊，國內統一刊號：CN42-1808/S，國際標準刊號：ISSN 1674-9944，國際大16開本精美印刷，全國公開發行。是全國從事農業、林業、園林、生態、環保、旅游、自然資源、綠色產業與經濟、綠色建筑等行業科研、教學、經營、管理工作者的重要參考刊物和論文發表臺。 趙鵬大院士任本刊編委會名譽主任委員，湖北省林業廳廳長劉新池、中國地質大學（武漢）黨委書記郝翔教授任編委會主任委員。
