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🔥 内容介绍
一、背景
（一）无线传感器网络的广泛应用与特点
无线传感器网络（WSN）由大量部署在监测区域内的传感器节点组成，这些节点通过无线通信方式形成自组织网络，共同协作完成对环境参数（如温度、湿度、光照、压力等）的感知、采集和传输任务。WSN 在军事侦察、环境监测、智能交通、工业监控、医疗保健等众多领域有着广泛的应用。例如，在环境监测中，WSN 可以实时监测空气质量、水质、土壤状况等信息，为环境保护和资源管理提供数据支持；在智能交通中，可用于监测车流量、路况，实现智能交通调度。
WSN 具有节点数量多、分布密集、资源受限（如能量、计算能力、存储能力有限）、网络拓扑动态变化等特点。节点通常依靠电池供电，在许多应用场景中难以更换电池，因此能量高效利用对于 WSN 的长期稳定运行至关重要。同时，由于传感器节点可能因环境因素（如自然灾害、物理损坏）或能量耗尽而失效，网络拓扑会不断发生变化，这就要求路由协议能够适应这种动态变化。
（二）路由协议在 WSN 中的关键作用
路由协议负责在传感器节点之间寻找合适的路径，以确保数据能够准确、高效地从源节点传输到目的节点。在 WSN 中，路由协议的设计直接影响网络的性能，如能量消耗、数据传输延迟、网络吞吐量和可靠性等。一个好的路由协议应能够在满足数据传输需求的同时，尽量减少能量消耗，延长网络的生命周期。例如，如果路由协议选择了一条较长或不稳定的路径，可能会导致数据传输延迟增加，同时节点需要消耗更多能量来维持通信，从而缩短网络的整体运行时间。
（三）传统路由协议的局限性
传统的路由协议，如距离向量路由协议（如 RIP）和链路状态路由协议（如 OSPF），主要设计用于有线网络或相对稳定的无线网络环境，并不完全适用于 WSN。这些协议通常需要节点维护大量的路由信息，计算复杂度较高，这对于资源受限的 WSN 节点来说是难以承受的。此外，传统路由协议在应对网络拓扑动态变化时，收敛速度较慢，无法及时适应 WSN 中频繁的节点加入、离开或故障情况，可能导致数据传输中断或路由环路等问题。因此，需要专门为 WSN 设计一种高效、灵活且适应其特点的路由协议，AODV 路由协议就是在这样的背景下应运而生。
二、原理
（一）AODV 路由协议的基本概念
AODV（Ad - hoc On - demand Distance Vector）即按需距离向量路由协议，是一种反应式路由协议。与先验式路由协议（如 DSDV，Destination - Sequenced Distance - Vector）不同，AODV 仅在源节点有数据发送需求且尚未找到到目的节点的路由时，才会发起路由发现过程。这种按需路由的方式可以减少网络中不必要的路由控制信息开销，降低节点的能量消耗。
（二）路由发现过程
- 路由请求（RREQ）广播
：当源节点 S 有数据要发送到目的节点 D，但尚未知道到 D 的路由时，它会向其邻居节点广播一个路由请求分组（RREQ）。RREQ 分组中包含源节点 S 的地址、目的节点 D 的地址、源节点的序列号（用于标识路由的新鲜度）、跳数（初始为 0）等信息。邻居节点接收到 RREQ 后，会检查自己是否为目的节点 D 或是否有到 D 的有效路由。
- 中间节点处理
：如果中间节点 I 既不是目的节点 D，也没有到 D 的有效路由，它会更新 RREQ 中的跳数（加 1），并将自己的地址添加到 RREQ 的路由记录中，然后继续向其邻居节点广播该 RREQ。同时，中间节点会为源节点 S 创建一个反向路由表项，记录下从哪个邻居节点接收到 RREQ，以便后续将路由回复消息沿原路返回给源节点。
- 路由回复（RREP）发送
：当目的节点 D 或拥有到 D 有效路由的中间节点接收到 RREQ 后，会向源节点 S 单播一个路由回复分组（RREP）。RREP 分组中包含目的节点的地址、目的节点的序列号、到目的节点的跳数等信息。回复节点会根据 RREQ 中的路由记录，沿着反向路由将 RREP 发送回源节点 S。
- 正向路由建立
：在 RREP 沿着反向路由返回源节点 S 的过程中，途经的中间节点会根据 RREP 中的信息创建到目的节点 D 的正向路由表项。当源节点 S 接收到 RREP 后，就建立了到目的节点 D 的完整路由，从而可以开始数据传输。
（三）路由维护过程
- 链路中断检测
：在数据传输过程中，节点通过监听邻居节点的信号强度或定期发送 Hello 消息来检测链路状态。如果节点在一定时间内没有收到某个邻居节点的信号或 Hello 消息，就认为与该邻居节点的链路发生中断。
- 局部修复
：当链路中断发生时，首先尝试局部修复。例如，上游节点会查找自己的路由表，看是否有其他邻居节点可以替代中断链路的邻居节点，继续向目的节点转发数据。如果找到替代节点，则更新路由表，继续数据传输。
- 路由重建
：如果局部修复失败，上游节点会向源节点发送路由错误分组（RERR），通知源节点链路中断。源节点收到 RERR 后，会重新发起路由发现过程，寻找新的到目的节点的路由。
（四）AODV 在 WSN 中的优势
- 按需路由
：减少了网络中周期性的路由更新开销，只有在需要时才进行路由发现，从而降低了节点的能量消耗，延长了 WSN 的生命周期。
- 快速收敛
：在网络拓扑发生变化时，能够快速检测到链路中断，并通过局部修复或路由重建机制迅速恢复路由，保证数据传输的连续性，适应 WSN 拓扑动态变化的特点。
- 简单高效
：相对其他复杂的路由协议，AODV 的算法复杂度较低，对传感器节点有限的计算能力和存储能力要求不高，易于在 WSN 中实现。
⛳️ 运行结果
📣 部分代码
function [x,err,k] = StormSpr(prob,opt)
maxiter = opt.maxiter;
xk = opt.x0;
sk = opt.sk;
s0 = opt.s0;
gamma = opt.gamma;
[m,n] = size(prob.A);
delta = opt.delta;
err = Inf;
for k = 1:maxiter
% each iteration, extract a submatrix
ind = sort(randsample(m,floor(gamma*m)));
subA = prob.A(ind,:);
subdata = prob.data(ind);
suby = sign(subA*xk).*subdata;
% solve sparsity-constrained least-squares
myfunc = @(x) myfunc2(x,subA,suby);
pars.tol = 1e-6;
pars.iteron = 0;
pars.maxit = 500;
if err < 0.2
sk = s0;
out = IIHT(prob.d1,sk,myfunc,pars);
else
sk = 2*s0;
out = IIHT(prob.d1,sk,myfunc,pars);
end
xkt = out.x;
% xkt = BIHT(subA,sk,suby,0.01);
diffx = norm(xkt-xk);
% err = min(norm(prob.x0-xk),norm(prob.x0+xk))/norm(prob.x0);
[err, x00] = computerelerror(xk, prob.x0);
f_value = abs(prob.A*x00);
if opt.verbosity
fprintf('Iter %d error--%.3f \n',k, err);
end
if diffx < delta || err < delta || norm(f_value-prob.data)/norm(prob.data) < 1e-3
break;
end
xk = xkt;
end
% x = truncate(xk,s0);
x = truncate(x00,s0);
end
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