鏈路穩(wěn)定的Ａｄ?。龋铮憔W(wǎng)絡(luò)組播路由協(xié)議

劉　琳

摘 要：Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中，組播路由協(xié)議具有廣泛的應(yīng)用前景。但由于網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞淖兓?，設(shè)計(jì)具有可靠數(shù)據(jù)傳輸能力的組播路由協(xié)議比較困難。綜合考慮Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)性和節(jié)點(diǎn)能量對(duì)路由穩(wěn)定性的影響，選取具有較高性能的鏈路，使得路由具有較好的穩(wěn)定性。仿真結(jié)果證明，與MAODV協(xié)議相比，設(shè)計(jì)的路由協(xié)議明顯提高了數(shù)據(jù)投遞率，并大大降低了丟包數(shù)。

關(guān)鍵詞：Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)；組播路由協(xié)議；穩(wěn)定性；生存時(shí)間

中圖分類號(hào)：TP393文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1004-373X(2009)03-007-04

Stable Link Multicast Routing Protocol for Ad Hoc Network

LIU Lin

(School of Electronic Information Engineering,Beijing University of Science and Technology,Beijing,100083,China)

Abstract：In Ad Hoc network,multicast has a wide range of applications.But it is hard to design a reliable routing protocol for the change of topology.On considering the mobility and energy of nodes in Ad Hoc network,this paper proposes a new stable routing protocol,which selects better performance link to make routes stable.The simulation results indicate that it has a higher packet delivery ratio,lower dropped packets than MAODV.

Keywords：Ad Hoc network；multicast routing protocol；stability；life time

0 引 言

Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)終端具有路由功能,是由一組帶有無(wú)線收發(fā)裝置的可移動(dòng)節(jié)點(diǎn)組成的一個(gè)多跳的臨時(shí)性自治系統(tǒng)。Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)不依賴于任何基礎(chǔ)固定設(shè)施，不相鄰的節(jié)點(diǎn)間進(jìn)行通信需要中間節(jié)點(diǎn)中繼。由于網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)可以任意移動(dòng)，所以網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涫莿?dòng)態(tài)變化的。Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)具有獨(dú)立組網(wǎng)能力，以及自組織性、無(wú)中心、動(dòng)態(tài)性、易于鋪設(shè)等特點(diǎn)，因而被廣泛應(yīng)用于緊急救援、道路交通、軍事戰(zhàn)場(chǎng)、偏遠(yuǎn)野外和探險(xiǎn)等臨時(shí)信息系統(tǒng)的建設(shè)［1-3］，成為當(dāng)今的一個(gè)研究熱點(diǎn)。

路由協(xié)議的設(shè)計(jì)大多著眼于最小跳數(shù)路由的研究，即需要通信的源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)在選擇路由時(shí)，選擇利用最少數(shù)量的中間節(jié)點(diǎn)中繼就可以到達(dá)的路徑。由于Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)采用無(wú)線通信，并且網(wǎng)絡(luò)中的通信終端可以自由移動(dòng)，因此通信能力受到節(jié)點(diǎn)移動(dòng)性、節(jié)點(diǎn)能量和通信范圍等的影響較大。這就造成了無(wú)線鏈路頻繁斷裂的可能。當(dāng)一條路徑上的任何一個(gè)鏈路斷裂時(shí)，這一路徑就必須找到另一條可用的鏈路來(lái)恢復(fù)連接，或者斷裂路徑被新發(fā)現(xiàn)的另一路徑所代替［4］。這些重路由操作大大消耗了有限的網(wǎng)絡(luò)資源和節(jié)點(diǎn)能量，從而極大地降低了網(wǎng)絡(luò)的通信性能。因此設(shè)計(jì)一個(gè)選擇穩(wěn)定路徑的路由協(xié)議，盡量減少重路由操作，具有非常重要的意義。

目前也出現(xiàn)了一些對(duì)穩(wěn)定路由的研究,文獻(xiàn)［5］利用一種權(quán)重的思想進(jìn)行穩(wěn)定路由的選擇，文獻(xiàn)［6］利用GPS定位獲得節(jié)點(diǎn)位置的思想進(jìn)行穩(wěn)定路由的選擇，文獻(xiàn)［7］利用預(yù)測(cè)路由生存時(shí)間的方法來(lái)選擇穩(wěn)定路由。這些都只考慮到節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)對(duì)路由穩(wěn)定性的影響，并沒(méi)有考慮節(jié)點(diǎn)能量對(duì)穩(wěn)定性的影響。由于Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點(diǎn)能量是有限的，一旦能量耗盡，節(jié)點(diǎn)將無(wú)法工作，使得兩節(jié)點(diǎn)間的鏈路斷裂，整條路由就會(huì)失效。因此考慮路由的穩(wěn)定性必須考慮能量的影響。

1 鏈路穩(wěn)定性模型

在Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中，整條路由是由兩個(gè)節(jié)點(diǎn)間的鏈路組成的，因此考慮路由的穩(wěn)定性，需要選擇具有穩(wěn)定性的鏈路。兩個(gè)節(jié)點(diǎn)間鏈路的穩(wěn)定性主要由兩個(gè)因素來(lái)決定：節(jié)點(diǎn)間的距離和節(jié)點(diǎn)的能量。信號(hào)的強(qiáng)度與信號(hào)的傳輸距離有關(guān)，所以鏈路連接需要兩個(gè)節(jié)點(diǎn)間的距離小于節(jié)點(diǎn)信號(hào)的有效傳輸距離。節(jié)點(diǎn)的可利用能量越多，在數(shù)據(jù)發(fā)送過(guò)程中才能保證路由不會(huì)因能量的消耗而失效。

1.1 節(jié)點(diǎn)間距離

假設(shè)在Ad Hoc網(wǎng)中所有節(jié)點(diǎn)的有效傳輸距離相同，均為R，節(jié)點(diǎn)的信號(hào)傳輸能力一致，信號(hào)的強(qiáng)度僅與信號(hào)的傳輸距離有關(guān)。所以在某一時(shí)刻，鏈路保持連接只需要兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之問(wèn)的距離小于節(jié)點(diǎn)信號(hào)的有效傳輸距離R。在移動(dòng)自組織網(wǎng)中，節(jié)點(diǎn)不是固定的，而是可以自由移動(dòng)的。兩節(jié)點(diǎn)在這一時(shí)刻處在有效傳輸距離內(nèi)，在下一時(shí)刻可能已經(jīng)移出這一距離范圍。因此，不能用某一時(shí)刻的節(jié)點(diǎn)間距作為衡量指標(biāo)。鏈路保持連接的時(shí)間越長(zhǎng)，這條鏈路才能越穩(wěn)定。

文獻(xiàn)［8］提出通過(guò)GPS獲得移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的位置、運(yùn)動(dòng)速度和運(yùn)動(dòng)方向?qū)︽溌房赡鼙３诌B接的時(shí)間LET(Link Expiration Time)進(jìn)行了預(yù)測(cè)。設(shè)某時(shí)刻節(jié)點(diǎn)i，j可以直接通信，(xi,yi)，(xj,yj)分別為它們的位置坐標(biāo)，用vi，vj分別表示兩節(jié)點(diǎn)的速度，用θi，θj分別表示兩節(jié)點(diǎn)的方向，則節(jié)點(diǎn)i，j保持連接的時(shí)間預(yù)測(cè)公式為：

Tij=(a2+c2)R2－(ad－bc)2－(ab+cd)a2+c2

(1)

其中:a=vicos θi－vjcos θj，b=xi－xj，c=visin θi－vjsin θj，d=yi－yj。

1.2 節(jié)點(diǎn)能耗

Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)不僅能看作數(shù)據(jù)傳輸?shù)慕K端，而且可作為路由器來(lái)幫助超出傳輸范圍的終端交換數(shù)據(jù)時(shí)進(jìn)行中繼。Ad Hoc網(wǎng)的一個(gè)重要問(wèn)題是活動(dòng)的節(jié)點(diǎn)是能量受限的。目前考慮到能量問(wèn)題的路由協(xié)議并不多。MTPR(The Minimum Total Transmission Power Routing)［9］提出最小化傳輸中需用的能量，但是它并沒(méi)有考慮到剩余節(jié)點(diǎn)的能量，不能延長(zhǎng)每個(gè)節(jié)點(diǎn)的生存時(shí)間。MMBCR(The Min-Max Battery Cost Routing)［10］考慮到了剩余節(jié)點(diǎn)的能量問(wèn)題，它比較每條路由剩余能量最小的節(jié)點(diǎn)，選擇這些節(jié)點(diǎn)中具有最大能量的節(jié)點(diǎn)所在路由，但是它卻沒(méi)有考慮到整體的能量消耗問(wèn)題。

在實(shí)際應(yīng)用中，自組織網(wǎng)中節(jié)點(diǎn)通信能量的開(kāi)銷要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于數(shù)據(jù)計(jì)算的能量開(kāi)銷，因此可以主要考慮節(jié)點(diǎn)在通信時(shí)的能量消耗。根據(jù)文獻(xiàn)［11］提出的模型：

Ec=a?size+ΔE

(2)

其中：Ec表示節(jié)點(diǎn)消耗的能量;a為發(fā)送單位數(shù)據(jù)所需消耗的能量;size為數(shù)據(jù)包的大小;ΔE為節(jié)點(diǎn)其他情況下的能量消耗。

從(2)式可以看出能量的消耗與數(shù)據(jù)傳輸?shù)拇笮〕删€性關(guān)系。數(shù)據(jù)的傳輸存在發(fā)送和接收兩種狀態(tài)，在這兩種狀態(tài)下所消耗的能量不同，設(shè)節(jié)點(diǎn)初始能量為E0，由(2)式可得節(jié)點(diǎn)i的剩余能量：

Ei =E0-Eci=

E0-(ri ? sizeri+si?sizesi +ΔEi)

(3)

其中：Eci表示節(jié)點(diǎn)已消耗的能量，ri表示節(jié)點(diǎn)i接收單位數(shù)據(jù)消耗的能量，sizeri是節(jié)點(diǎn)i接收數(shù)據(jù)包的大小，si表示節(jié)點(diǎn)i發(fā)送單位數(shù)據(jù)消耗的能量，sizesi是節(jié)點(diǎn)i發(fā)送數(shù)據(jù)包的大小。

可以看出，每個(gè)節(jié)點(diǎn)根據(jù)自己的數(shù)據(jù)包的發(fā)送和接收就可以得到自己的剩余能量，這樣可以節(jié)省網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)能量信息的傳遞，節(jié)省了開(kāi)銷。

1.3 組播路由穩(wěn)定性指標(biāo)設(shè)計(jì)

由于節(jié)點(diǎn)間距和節(jié)點(diǎn)能量均對(duì)路由穩(wěn)定性產(chǎn)生影響，因此可以采用通用加權(quán)的思想將兩者結(jié)合起來(lái)。設(shè)節(jié)點(diǎn)i為節(jié)點(diǎn)j的下游節(jié)點(diǎn)，它們之間的鏈路為L(zhǎng)ij，將由式(1)和式(3)得到的鏈路生存時(shí)間Tij及下游節(jié)點(diǎn)i的能量作為鏈路Lij的穩(wěn)定性指標(biāo)，設(shè)為Wij，將兩個(gè)指標(biāo)的權(quán)值分別設(shè)為aij和bij，其中aij+bij=1，則該指標(biāo)為：

Wij=aijTij+bijEi

(4)

Wij值越大，說(shuō)明Lij穩(wěn)定性越好。當(dāng)Tij很小，而Ei很大時(shí)，由式(4)得出的結(jié)果可能也會(huì)符合要求，為避免這樣的結(jié)果，將上式的權(quán)值公式用相乘的形式來(lái)寫(xiě)：

Wij = TijaijEibij

(5)

由式(5)得到的Wij只要有一項(xiàng)指標(biāo)為零，不論其余的指標(biāo)有多大，得到的總指標(biāo)都將為零，這樣可以避免由式(4)帶來(lái)的極端情況。將式(5)兩端取對(duì)數(shù)，得到：

lg Wij=Tijlg aij+Eilg bij

此式又成為通用加權(quán)公式的形式。因此鏈路Lij的穩(wěn)定性指標(biāo)Wij可用式(5)得到的公式表示。

2 LSMRP路由協(xié)議

路由是由兩個(gè)節(jié)點(diǎn)間的鏈路組成的，將上面得到的鏈路穩(wěn)定性指標(biāo)設(shè)計(jì)到組播路由協(xié)議中，該協(xié)議稱為L(zhǎng)SMRP(Link Stability for Multicast Routing Protocol)。LSMRP是按需驅(qū)動(dòng)的組播樹(shù)路由協(xié)議。

2.1 組播樹(shù)的創(chuàng)建

組播樹(shù)的創(chuàng)建過(guò)程如下：

(1) 每個(gè)組播組有一個(gè)組長(zhǎng)，負(fù)責(zé)維護(hù)和更新本組的序列號(hào)，并定期用Group Hello包向全網(wǎng)廣播該組序列號(hào)。節(jié)點(diǎn)通過(guò)發(fā)送RREQ-J發(fā)起加入組播組請(qǐng)求。如果該節(jié)點(diǎn)的組長(zhǎng)表中有該組的項(xiàng)目，RREQ-J以單播發(fā)送給該組的組長(zhǎng)；否則，RREQ-J以廣播發(fā)送。接收到RREQ-J的節(jié)點(diǎn)在組長(zhǎng)列表中檢查是否有該組的項(xiàng)目，如果沒(méi)有，節(jié)點(diǎn)將RREQ-J的組地址以及RREQ的源地址記錄入組長(zhǎng)列表。每個(gè)RREQ-J包都包含發(fā)送該包節(jié)點(diǎn)的位置信息，每個(gè)接收到RREQ-J包的節(jié)點(diǎn)通過(guò)計(jì)算W值，對(duì)鏈路進(jìn)行穩(wěn)定性判斷。將W與預(yù)先設(shè)定好的門限值V進(jìn)行比較，若W≥V就認(rèn)為該條鏈路是穩(wěn)定的，建立到源節(jié)點(diǎn)的反向鏈路，并將RREQ-J重新廣播，否則就認(rèn)為該條鏈路不穩(wěn)定，丟棄該包。

(2) 收到RREQ-J的組播樹(shù)成員向源節(jié)點(diǎn)單播發(fā)送RREP-J以回復(fù)加入請(qǐng)求。 RREP-J沿RREQ-J傳輸時(shí)建立的反向路徑傳送。RREP-J傳輸時(shí)，沿途節(jié)點(diǎn)在組播路由表中創(chuàng)建對(duì)應(yīng)該組的項(xiàng)目，并把上游節(jié)點(diǎn)設(shè)置成將RREP-J轉(zhuǎn)發(fā)給它的鄰居節(jié)點(diǎn)。

(3) 源節(jié)點(diǎn)在發(fā)送完RREQ-J等待一段時(shí)間后，通常會(huì)接收到多個(gè)RREP-J。源節(jié)點(diǎn)選擇具有最大序列號(hào)和最小跳數(shù)的路徑，并向下游節(jié)點(diǎn)單播發(fā)送MACT-J。MACT-J沿RREP-J傳播時(shí)建立的正向路徑傳輸。所有接收到MACT-J的節(jié)點(diǎn)在組播路由表中設(shè)置下游節(jié)點(diǎn)，這樣一個(gè)更新的組播樹(shù)就建立好了。

如果源節(jié)點(diǎn)在重試若干次加入請(qǐng)求后仍然沒(méi)有接收到回復(fù)，說(shuō)明該組播組在網(wǎng)絡(luò)上不存在或者不可達(dá)。源節(jié)點(diǎn)成為新組的組長(zhǎng)，并負(fù)責(zé)維護(hù)該組的信息。

2.2 組播樹(shù)的維護(hù)

(1) 若非葉節(jié)點(diǎn)想離開(kāi)組播組，則需要作為樹(shù)成員保留。若葉節(jié)點(diǎn)要離開(kāi)組播組，它首先將組播路由表中對(duì)應(yīng)該組的路由項(xiàng)刪除，并向上游鏈路發(fā)送MACT-P通知上游節(jié)點(diǎn)它要離開(kāi)組播樹(shù)。接收到MACT-P的上游節(jié)點(diǎn)將退出組播樹(shù)的下游節(jié)點(diǎn)從組播路由表中刪除。如果上游節(jié)點(diǎn)刪除自己的下游節(jié)點(diǎn)后成為葉節(jié)點(diǎn)且不是組成員，該節(jié)點(diǎn)也向上游節(jié)點(diǎn)發(fā)送MACT-P退出組播組。上述的過(guò)程會(huì)重復(fù)進(jìn)行直到達(dá)到一個(gè)組成員或者非葉節(jié)點(diǎn)。

(2) 由于節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)以及能量的消耗，每條鏈路的W是變化的。因此每隔一段時(shí)間，鏈路的下游節(jié)點(diǎn)就對(duì)鏈路穩(wěn)定性進(jìn)行重新判斷，若發(fā)現(xiàn)W

由于多次局部重建，會(huì)導(dǎo)致組播樹(shù)是一個(gè)非最優(yōu)樹(shù)，因此每隔一段時(shí)間要由源節(jié)點(diǎn)重新發(fā)起一個(gè)路由發(fā)現(xiàn)過(guò)程，以連接到組播樹(shù)上。

3 仿真分析

為了評(píng)測(cè)LSMRP協(xié)議的性能，使用NS-2［12,13］仿真工具對(duì)其性能進(jìn)行模擬研究，并與Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中典型的組播路由協(xié)議MAODV［14］進(jìn)行比較。

3.1 仿真環(huán)境設(shè)置

在800×800單位的平面區(qū)域，隨機(jī)布置50個(gè)節(jié)點(diǎn)，仿真時(shí)間為100 s，數(shù)據(jù)包大小為512 B，節(jié)點(diǎn)平均移動(dòng)速度分別為1 m/s，5 m/s，10 m/s，15 m/s，20 m/s和25 m/s，研究節(jié)點(diǎn)不同的移動(dòng)速度下丟包數(shù)和投遞率的變化。為了防止仿真中極端環(huán)境的影響，每個(gè)不同速度，產(chǎn)生多個(gè)場(chǎng)景環(huán)境，記錄所得數(shù)據(jù)的平均值。

3.2 仿真結(jié)果及其分析

圖1為丟包數(shù)隨節(jié)點(diǎn)移動(dòng)速度的變化?？梢钥吹?，隨著節(jié)點(diǎn)移動(dòng)速度的增大，MAODV和LSMRP的丟包數(shù)均增大。這是因?yàn)楣?jié)點(diǎn)速度變大,網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)渥兓布涌炝?。在相同移?dòng)速度下，LSMRP明顯比MAODV的丟包數(shù)少，而且速度越大，丟包數(shù)差值越大。這是因?yàn)椋琇SMRP在建立路由前對(duì)鏈路的性能進(jìn)行比較，選出具有較高連接性的鏈路，可大大降低丟包數(shù)。

圖1 丟包數(shù)的比較結(jié)果

圖2為投遞率隨節(jié)點(diǎn)移動(dòng)速度的變化?？梢钥吹剑?dāng)節(jié)點(diǎn)移動(dòng)速度低于5 m/s時(shí)，兩種協(xié)議的投遞率都保持在80%以上，但當(dāng)移動(dòng)速度加快時(shí)，MAODV的投遞率急速下降，當(dāng)移動(dòng)速度高于15 m/s時(shí)，它的投遞率不能達(dá)到70%。而LSMRP協(xié)議在節(jié)點(diǎn)移動(dòng)速度為25 m/s時(shí)，投遞率仍能高于70%。這是因?yàn)長(zhǎng)SMRP在路由選擇上對(duì)鏈路生存時(shí)間和節(jié)點(diǎn)能量進(jìn)行了綜合考慮，并且及時(shí)的鏈路修復(fù)保證了它較高的投遞率。

4 結(jié) 語(yǔ)

LSMRP是一種考慮路由穩(wěn)定性的組播路由協(xié)議。它綜合考慮了節(jié)點(diǎn)移動(dòng)以及節(jié)點(diǎn)能量對(duì)路由穩(wěn)定性的影響，所選路徑能夠維持較長(zhǎng)時(shí)間的連接以及傳輸數(shù)據(jù)的節(jié)點(diǎn)具有較高的能量，并且采用在鏈路斷裂前進(jìn)行修復(fù)的機(jī)制。仿真結(jié)果證明，LSMRP能夠降低網(wǎng)絡(luò)丟包數(shù)，并且提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?。每條鏈路選擇了具有較優(yōu)性能的穩(wěn)定鏈路，因此延長(zhǎng)了路由生存時(shí)間，從而延長(zhǎng)了網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間。

圖2 投遞率的比較結(jié)果

該協(xié)議在路由建立時(shí)，會(huì)對(duì)鏈路性能進(jìn)行比較，會(huì)增加網(wǎng)絡(luò)時(shí)延，對(duì)于有快速數(shù)據(jù)傳輸要求的網(wǎng)絡(luò)不適應(yīng)。另外，在鏈路未斷而即將斷裂時(shí)就會(huì)進(jìn)行路由修復(fù)，會(huì)對(duì)資源和節(jié)點(diǎn)能量造成浪費(fèi)。因此還需在路由修復(fù)上進(jìn)行改進(jìn)。

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作者簡(jiǎn)介 劉 琳 女,1981年出生,碩士研究生。主要研究方向?yàn)锳d Hoc網(wǎng)絡(luò)中基于組播的穩(wěn)定性路由。

注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請(qǐng)以PDF格式閱讀原文。