摘要：重點研究基于節能要求兼低延時效應的AODV路由協議的改進。節能以延長無線傳感器網絡的工作時間，降低延時效應來保證數據傳輸的實時性，這是評價一個無線傳感器網絡的兩個重要指標。在總結國內外研究成果的基礎上，提出了更適用于低速運動的Ad Hoc網絡的低延時節能的路由改進策略，包括在低于能量閾值時的動態功率調整、能量意識的路由選擇、廣播控制、被動路由更新和CMMBCR的引入。節能策略更是引入了位置信息和網絡平均能量的概念，而且更適用于項目的實際情況(低速運動網絡)。在用NS-2工具對該低延時節能策略進行仿真測試后，得出在最佳情況下網絡傳輸延時和網路壽命兩項指標都能得到大幅度的改進。
關鍵詞：無線傳感器網絡；Ad Hoc；AODV；ZigBee CMMBCR；CC2420

0 引言
隨著移動計算平臺和小型無線設備的普及，Ad Hoc無線網絡因其無物理位置限制而且能隨時隨地自組網絡而得到越來越多的關注。智能雷場作為此項研究的應用平臺，Ad Hoc更是顯示出其特有的優勢。實際戰爭環境中的雷場因其地理環境的多變性和不確定性，所以對無線數據通信網絡的自組性提出了很高的要求，又由于無線通信結點自身攜帶的電池供電能力有限，因此，在保證結點間數據通信及時性和可靠性的基礎上，高效地管理能量，延長結點及整個網絡的工作時間。
AODV是在Ad Hoc網絡中較常用的一種通信傳輸協議。在硬件或軟件設計上，前人已經提出了很多適用于AODV的節能方法，像AODVjr，AOD Vsimpli-fied，自適應AODV，適用于低速運動網絡的低功耗AODV協議等，但是這里發現前人的這些改進算法在智能雷場環境中，表現效果并不是很理想，因為低能耗往往是以犧牲網絡的數據傳輸率和提高數據傳輸延時為代價的，雖然延長了整個智能雷場的網絡工作時間，但是數據傳輸延時過久，在實際工作中是非常危險的。
在本文中，提出了一種新的自動調節的能量控制協議。為了在保持結點響應速度的基礎上，延長智能雷場網絡的工作時間，根據結點電池的剩余能量，結點會根據具體情況調節自身的傳輸協議。在能量充足時，會以減小數據傳輸延時為重點，保證雷場工作的高反應性；在低能量狀態時，會轉換到能量保護狀態，用蟻群節能算法來延長網絡的工作時間。

1 低速運動Ad Hoc網絡的AODV改進協議
1．1 網絡環境
在假定的網絡環境中，50 m×50 m的正方形場地內有20～30個結點，結點間的普遍距離是10～20m。由于網絡環境空間的可擴展性，用IEEE 802．15．4標準作為物理層和MAC層協議。IEEE 802．15．4的信號發射的能量模型采用了Chipeon CC2420，其默認發射頻率為2．4 GHz。在NS-2的Two-ray-ground傳播模型中，CC2420最大的傳輸距離為17 m。網絡中的每個結點都知道自己的位置和剩余能量。
AODV是最基本的路由協議架構，即適合低速運動網絡的按需分配路由協議。在此基礎上，加入了CMMBCR(條件性電池能量大小調節協議)算法來實現網絡的智能調節，在網絡結點擁有充足能量時，提高網絡的處理速度以減小數據傳輸時延，保證數據傳輸的高效性；在網絡結點的能量不足時，啟用能量保護方案，通過修改廣播控制和路由選擇算法以延長網絡的工作壽命。
1．2 網絡平均能量的估計和自適應路由
這里AODV算法旨在延長網絡的工作時間，即網絡中第一個因為電池能量耗盡而停止工作的結點的時間。為了達到這個目的，提出了兩種改進措施：首先，應該不選擇那些剩余能量遠小于網絡平均能量的結點，其次，在新的路由代價評價函數中，把跳數、剩余能量還有能量消耗等三個因素都考慮進去，這樣有助于選擇一條能耗相對最小的路由。
1．2．1 新的路由代價評價函數

式中Pt_consumei是結點i到它的下一跳結點傳送信息所需要消耗的能量；Ei是結點i的剩余能量；E是網絡的平均剩余能量；α是調節剩余能量的權重系數；ηi是結點熱噪聲；G是整條路由代價評價。式(1)是計算結點i到它的下一跳結點的連接功率消耗，整條路由的消耗如式(2)所示，源結點會選擇G值較小的路由。需要特別注意的是，Pt_consumei不同于Pt。它表示的是收發模塊內部實際能量的消耗，而Pt是發射出去的電磁波的能量。在式(2)中，考慮了三個因素：傳輸所需能量、結點剩余能量、跳數。
1．2．2 RREQ廣播控制和被動路由更新
RREQ的廣播控制和被動路由更新則是進一步平衡網絡結點間的能量消耗，從而延長網絡壽命。
當一個結點接收到一個RREQ時，它不是判斷這個是不是重復的RREQ，而是計算自己剩余能量和網絡平均剩余能量的比值，如果該值小于某一預設值A，結點不再將RREQ廣播出去，它也將不參于此次路由發現。這個策略和文獻中提出的結點能量小于初始值的10％時便繞過有所不同，舉例說，如果一個網絡中絕大多數的結點能量都小于初始值的10％，本文的策略仍然可以選擇有相對高剩余能量的路由，而文獻中的策略將使網絡陷入癱瘓。
當一個路由建立后，一個名為established_energy的域會在相應路由表項中建立，用來記錄當前結點建立路由時的剩余能量。隨著時間過去，結點不斷地收發數據包，如果當前剩余能量和established_energy的比值小于一個預設值B，比如B=0．7，該路由項會宣布為不活動狀態，并啟動RERR來觸發該路由的源結點啟動路由重新更新，這稱為被動路由更新。相比AODV中的主動路由更新，它是使用剩余能量而不是時間來觸發路由更新，更有利于路由更新隨著能量消耗的多少來調節。如果某條路由上的數據包很少，它可以有效減少不必要的路由更新(也是對于低速運動的網絡而言)，如果某條路由上的數據包太多，它可以及時切換到能量更多的路由上去。