基于AODV协议的可靠路由研究

摘 要：在无线体域网（WBAN）中，传感器采集到的数据都需要可靠的传递给相关医疗机构，而由于传感器中的电池容量有限。因此，探索随着传感器电量的变化，调整消息在节点中的传输路径，提高系统QoS（服务质量）的方法具有重要意义。为提高系统的可靠性，文中提出了一种改进的按需距离矢量路由算法（AODV）。仿真结果表明，该方法可以有效提高系统的整体服务质量。

关键词：无线体域网；路由；AODV；可靠性

中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2016）03-00-02

0 引 言

无线体域网（WBAN）通过部署在人体不同部位的传感器对用户的身体情况进行监测[1]，虽然节点都分布在一个有限的范围内，但是节点间的多跳传输还是必要的[2]。随着人体姿势变化，无线体域网的拓扑结构会发生变化，之前可以通信的两个节点可能会随着人体的运动而不能直接通信[3]。且信号穿过人体的损耗很高，直接通信可能会影响传输质量。另外，传感器节点的传输功率是有限的，通过多跳传输可能更高效。探索随着传感器电量的变化，寻找更加合适的路由来提高系统QoS（服务质量）的方法具有重要意义。

在文献[4]中，作者提出了一种适用于无线体域网的安全和可靠的路由框架，它可以集成一个特定的路由协议，以提高协议的可靠性并且可以防止数据通信过程中的数据注入攻击。文献[5]提出了一个称作MBStar的实时、高频率、安全、可靠的路由协议。它利用信道跳频以及信道黑名单来减少噪音的干扰，并通过支持公认的传输和重传输来提高可靠性。MBStar在设备接入认证和数据加密中同时采用公钥和私钥机制。文献[6]提出了一种以数据为中心的多目标QoS感知协议用以解决体感网中的可靠性和延时问题[7]。它根据消息的重要性将数据分为不同的优先级，从而提高系统的服务质量。文献[8]提出了一种能量感知路由来提高系统的高效性和可靠性，它由呼叫协议、邻节点构建算法和路由表构建算法三部分组成。实验表明，该方法在节点传输功率更低的情况下提高了传输的可靠性，但是该方案只适用于室内环境。

1 相关工作

1.1 传感器节点组成

在本文提出的方案中，每个传感器节点都有自己的节点id，并且每个传感器节点都包含一个控制器，一个用来存储数据的存储器，以及一个收发器。

这些传感器节点位于第一层，可以感知人体数据，作为消息的发送者，也可以作为中继节点，这些节点都由处于第二层的协调器控制，传感器节点将数据感知并传输给协调器，再由协调器发送至处于第三层的医疗服务器。

1.2 直接模式与间接模式

为了使整个系统更加高效可靠，系统中的传感器节点都有两种模式：直接模式和间接模式，具体如图1所示。

（1）直接模式。直接模式时节点的传输功率更高，但要保证功率低于影响人体健康的限度，这时消息只需最少跳数即可到达目的节点，所有节点都默认为直接模式。

（2）间接模式。当传感器的电池电量不足时，节点会转为间接模式，这时传感器节点只能与相邻节点通信，因此传输一条消息需要更多跳数。

节点的两种模式既可以通过手动转换，也可以通过节点计算电池电量来自动转换。

2 基于AODV协议的可靠路由RelAODV

在使用少量传感器建立的自组网中DSDV （Destination Sequenced Distance Vector Routing）[9]目的序列距离矢量路由协议是十分有效的，但需要结点周期性的广播路由更新分组来维护路由表。AODV （Adhoc On-Demand Distance Vector Routing）[10]按需距离矢量路由协议在DSDV及其他类似协议的自组网的建立和维护方面做出了改进。文中所有的传感器节点都会在剩余电量的基础上选择直接模式或者间接模式，从而决定下一条节点。通常情况下，由于直接模式时节点传输功率大，且无线体域网中节点的相对移动是在某一范围内，故节点处于直接模式时可靠性更高。

2.1 路由的建立

源节点广播RREQ（路由请求）报文，所有的相邻节点都能收到，并且一个节点可以收到多个RREQ报文。收到的节点先查看报文中的目的地址是否为自身，如果不是自身且路由表中没有到达目的节点的路径，再检查节点的模式，如果是中继模式，在跳数中加上一个中继损耗值，再将RREQ报文发送出去；如果自身路由表中有到达的路径，并且路由项中的目的序列号大于或等于RREQ中的目的序列号，节点检查自身的模式，如果是中继模式，节点将跳数加一，再向源节点发送RREP （路由回应），并将所有中间节点路由表更新。

2.2 路由的维护

当消息通过节点路由表中的路由表成功送达后，说明这个路径是活跃的。当活跃路径中的某一节点模式发生变化或者路径断开时，节点会向源节点发送一个RERR（路由错误）信息，告知源节点该路径不可用，需要建立新的路由。

中继节点选择下一跳不仅仅依据下一节点是出于何种模式，这是因为通过间接模式可能跳数更少，但是加上中继损耗值时跳数可能比直接模式多，这时可能会造成网络拥塞，影响系统服务质量。知道节点处于哪一种模式有利于提高系统的可靠性。加入中继损耗是为了有利于选择间接模式的节点为下一节点，且中继损耗值的选取很重要，如果太高，系统会一直选择处于直接模式的节点，太低又会使选择直接模式或者中间模式没有太大意义。

通常情况下，链路断开是由于节点电量耗尽。因此，本文提出的方案中，通过模式的转化，不会使系统产生大量的RERR（路由错误）信息。

可靠AODV路由协议中路径的选择如图2所示，节点X为源节点，节点Y为目的节点。当节点X广播RREQ（路由请求）报文到达间接模式的节点b时，在跳数中加上中继损耗值1，所以当通过节点b到达节点e时跳数值为3。因此系统会选择更优的通过节点c的路径。尽管路径xbey与路径xcey的中间节点数目相同，但后者因为路径中所有节点都是直接模式而被选取。

3 性能分析

图3与图4分别是暂停时间以及节点数量与数据包投递率的关系。数据包分组投递率是成功接受数据包数量与发送数据包数量的比值，当暂停时间较小时，RelAODV的分组投递率比C-AODV以及AODV都高，即 RelAODV在节点随人体姿势变化运动时表现得更好。图4说明RelAODV在节点数量较少时，可靠性更高，分组投递率随着节点数量的增加而降低，但是都比其他两种表现的更好。总之，经过仿真对比，RelAODV的表现良好。

4 结 语

在体域网中，数据总是由感知传感器传送至协调器，目的地址不变，但是传感器节点会随着人体的运动而变换相对位置，造成传输路径的变化。并且随着节点电量的消耗，会造成传输功率的变化从而影响系统服务质量。文中所提到的方案在这两方面均有良好表现，使得系统在可靠性、高效性方面表现的更为优越。

由于无线体域网中的信息种类可能不止一种，重要性也不尽相同，所以在未来的研究中，笔者将对消息的分类与系统中节点模式的转化机制进行更加深入的研究，在该系统的基础上提出新的数据安全高效传输方法。

参考文献

[1] Ming Li， Wenjing Lou， Kui Ren. Data Security and privacy in wireless body area networks[J]. Wireless Communications， IEEE， 2010， 17（1）：51-58.

[2] Min Chen， Sergio Gonzalez， Athanasios Vasilakos，et al.Body Area Networks： A Survey[J]. Mobile Networks and Applications， 2011， 16（2）：171-193.

[3]刘艳丽.基于人体环境的无线体域网网络结构研究[D].上海：上海交通大学，2008.

[4] X Liang ，X Li ，Q Shen ，et al. Exploiting prediction to enable secure and reliable routing in wireless body area networks [J].In INFOCOM， Proceedings IEEE， 2012（5）：388C396.

[5] X Zhu， S Han， PC Huang ，et al. Mbstar： A real-time communication protocol for wireless body area networks [J]. Euromicro Conference on Real-time Systems， 2011（29）：57-66.

[6] MA Razzaque， CS Hong， S Lee. Data-centric multiobjective QoS-aware routing protocol for body sensor networks[J]. Sensors， 2011，11（1）， 917C937.

[7] 宫继兵，王睿，崔莉.无线体域网WBSN的研究进展及面临的挑战[J].计算机研究与发展，2010，47（5）：737-753.

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[9] CE Perkins，P Bhagwat. Highly dynamic destination-sequenced distance-vector routing （DSDV） for mobile computers [J]. Acm Sigcomm Computer Communication Review， 1999， 24（4）：234-244.

[10] C Perkins.RFC 3561-ad hoc on-demand distance vector （AODV） routing [J]. Wmcsa， 2003， 6（7）：90.