基于能量感知的最小能量動態(tài)源路由*

張繼鋒，周繼鵬

(暨南大學(xué) 信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院，廣東 廣州 510632)

移動Ad hoc網(wǎng)絡(luò)MANET(Mobile Ad hoc Networks)是由一組具有路由功能的移動節(jié)點自組織成的無線多跳系統(tǒng)。由于網(wǎng)絡(luò)規(guī)模小、無基礎(chǔ)設(shè)施和構(gòu)建快速等特點，MANET廣泛應(yīng)用于野外考察、作戰(zhàn)現(xiàn)場、災(zāi)難救助等場合。MANET中的節(jié)點一般通過電池供電，而目前電池容量有限。另一方面，隨著網(wǎng)絡(luò)終端性能的提升、功能的不斷加強(qiáng)，產(chǎn)生的能耗會越來越大，對能源的要求也會越來越高，能量問題可能成為Ad hoc網(wǎng)絡(luò)廣泛應(yīng)用的瓶頸，從而使得節(jié)能策略成為當(dāng)前一個研究熱點。

傳統(tǒng)路由協(xié)議都使用一組度量指標(biāo)來尋找維護(hù)最佳路徑，最常用的度量指標(biāo)是最少跳數(shù)。然而這個指標(biāo)沒有考慮節(jié)點和網(wǎng)絡(luò)的耗能和壽命問題，可能導(dǎo)致節(jié)點能源的浪費和過度使用等問題，最終使得節(jié)點和網(wǎng)絡(luò)的壽命嚴(yán)重下降。

動態(tài)源路由(DSR)[1]協(xié)議在轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)時，使用最少跳數(shù)的路徑進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。在發(fā)射器以固定能量水平發(fā)送的Ad hoc網(wǎng)絡(luò)中，DSR協(xié)議并沒有考慮路徑的剩余能量。由于DSR協(xié)議始終選擇最少跳數(shù)的路徑進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，因此在最少跳數(shù)路徑上的節(jié)點被過度使用的可能性很大。節(jié)點的過度使用極易使節(jié)點死亡造成網(wǎng)絡(luò)發(fā)生分割，縮短網(wǎng)絡(luò)的使用壽命。

最小能量動態(tài)源路由MEDSR(Minimum Energy Dynamic Source Routing)[2]協(xié)議除了發(fā)射器的能量水平可調(diào)整外，其余的都與DSR協(xié)議相同，所以MEDSR協(xié)議也有DSR協(xié)議所面臨的問題。

本文針對DSR協(xié)議和MEDSR協(xié)議在節(jié)能策略方面存在的缺陷，以減少節(jié)點的過度使用和延長網(wǎng)絡(luò)生存時間為設(shè)計目標(biāo)，以MEDSR路由協(xié)議為基礎(chǔ)，提出了一種基于能量感知的最小能量動態(tài)源路由協(xié)議。引入能量感知策略就是使路徑的剩余能量成為主要的度量指標(biāo)來選取最佳路徑。通過在路由發(fā)現(xiàn)過程中動態(tài)地進(jìn)行路徑剩余能量的計算，選擇剩余能量最大的路徑轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，與傳統(tǒng)的按需路由協(xié)議相比，大大減少了節(jié)點的過度使用，延長了網(wǎng)絡(luò)的生存時間。

1 相關(guān)算法

最小最大鏈路功率路由協(xié)議(MLRP)算法旨在尋找一條低功率的路由，其中每個節(jié)點都能根據(jù)自己要進(jìn)行通信的鄰近節(jié)點自適應(yīng)地調(diào)整發(fā)射功率。在此算法中，路由尋找的發(fā)起者決定轉(zhuǎn)發(fā)RREQ請求的中間節(jié)點的統(tǒng)一發(fā)射功率，當(dāng)路由建立嘗試失敗時，能相應(yīng)地減小此功率值。因此，此路由進(jìn)程主要考慮最小化每個參與節(jié)點消耗的能量，以及減小所選路徑消耗的能量。最小電池開銷路由(MBCR)[3]算法中定義了節(jié)點電池開銷函數(shù)，從而計算出包含n個節(jié)點的路徑m的總電池開銷，而最大剩余電池能量的路徑即是擁有最小電池開銷的那條路徑。有條件最大最小電池容量路由(CMMBCR)算法[4]也是對MBCR的改進(jìn)，設(shè)計CMMBCR的出發(fā)點是能夠使整個網(wǎng)絡(luò)的生命周期最大，同時又公平地使用每個節(jié)點。其基本思想是首先找出從源節(jié)點到目的節(jié)點的所有電量充足的路徑(即路徑上的所有節(jié)點都具有大于某個閾值(0～100)的剩余電量)，然后從中選擇出總傳輸能量最小的那條路徑作為路由選擇的最終結(jié)果。

2 最小能量動態(tài)源路由(MEDSR)

2.1 最小能量路由協(xié)議的背景

傳統(tǒng)的路由協(xié)議都是采用固定的發(fā)射功率進(jìn)行數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā)，由于節(jié)點發(fā)射功率的大小直接影響到鄰近節(jié)點的通信，發(fā)射功率太小雖然可以相對減少能量消耗，但是有可能使得兩個節(jié)點的通信無法進(jìn)行；發(fā)射功率太大雖然可以保證兩個節(jié)點之間的通信，但是有可能會影響其他節(jié)點的通信。

發(fā)射功率水平過高或者過低都會嚴(yán)重影響網(wǎng)絡(luò)的連通性，在保證節(jié)點通信成功的情況下，采用最小發(fā)射功率水平不僅可以保證網(wǎng)絡(luò)的連通性，而且還減少節(jié)點的能量消耗。

2.2 最小能量動態(tài)源路由簡介(MEDSR)

MEDSR協(xié)議是在DSR協(xié)議的基礎(chǔ)上，采用可調(diào)整的發(fā)射功率，并且在DSR協(xié)議的路由發(fā)現(xiàn)過程當(dāng)中改進(jìn)而得來的。最小能量體現(xiàn)在保持通信質(zhì)量的情況下，使得節(jié)點的發(fā)射功率水平達(dá)到最低。

MEDSR協(xié)議的路由發(fā)現(xiàn)過程當(dāng)中包含兩個機(jī)制：

(1)多功率水平路由發(fā)現(xiàn)機(jī)制

源節(jié)點首先使用低功率水平發(fā)送RREQ，RREQ中包含功率水平信息。如果使用低功率水平發(fā)送失敗，則選擇高功率水平發(fā)送。下一跳節(jié)點也選擇可調(diào)整的功率水平將RREQ轉(zhuǎn)發(fā)，并且將自己的功率水平信息加到RREQ中。此過程一直操作下去，直到RREQ到達(dá)目標(biāo)節(jié)點。此時，目標(biāo)節(jié)點發(fā)送RREP，RREP中同樣包含能量水平信息。功率水平的調(diào)整過程就是通過轉(zhuǎn)發(fā)RREP進(jìn)行的。此過程一直進(jìn)行，直到RREP到達(dá)源節(jié)點。

(2)逐段功率水平調(diào)整機(jī)制

圖1(a)中節(jié)點C接收到目標(biāo)節(jié)點D發(fā)送過來的RREP，測量節(jié)點C接收到的能量水平Precv。因為RREP中包含目的節(jié)點的發(fā)送功率水平信息Pt。節(jié)點C計算到達(dá)目標(biāo)節(jié)點 D所需最少的傳送能量：Pmin=Pt-Precv，然后節(jié)點C將所需的最少傳送能量存儲在自己的能量表中。節(jié)點C再將RREP轉(zhuǎn)發(fā)給節(jié)點B，重復(fù)同樣的工作，直到RREP到達(dá)源節(jié)點S。

圖1 路由發(fā)現(xiàn)

3 協(xié)議描述

3.1 能量感知

3.1.1 路由請求包(RREQ)的結(jié)構(gòu)

為了實現(xiàn)MEDSR協(xié)議中功率調(diào)整，需要在RREQ中增添功率值列表字段Power list，如表1所示。

表1 路由請求包(RREQ)的結(jié)構(gòu)

3.1.2 路由回復(fù)包(RREP)的結(jié)構(gòu)

路徑的剩余能量是指該路徑中的節(jié)點剩余能量的最小值。

能量感知的目的就是在返回的眾多路徑中選擇剩余能量最大的路徑。

按需路由協(xié)議并不像表驅(qū)動路由協(xié)議那樣預(yù)先知道網(wǎng)絡(luò)全局的拓?fù)湫畔ⅲ葱杪酚蓞f(xié)議是根據(jù)發(fā)送數(shù)據(jù)分組的需要按需進(jìn)行路由發(fā)現(xiàn)過程，所以MEDSR協(xié)議中路徑的剩余能量只能通過路由發(fā)現(xiàn)過程動態(tài)地獲得。因此，需要在RREP中增添路徑剩余能量字段Path energy，如表 2所示。

表2 路由回復(fù)包(RREP)的結(jié)構(gòu)

3.1.3 節(jié)點本地cache表的結(jié)構(gòu)

為了滿足能量感知的目標(biāo)，需要在MEDSR協(xié)議的基礎(chǔ)上，對網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的cache表中再增加剩余能量值字段Residual energy和臨時剩余能量字段Temporary energy，以及發(fā)射功率值字段Power level，如表 3所示。

表3 節(jié)點剩余能量值和功率水平

Residual energy字段記錄節(jié)點當(dāng)前的剩余能量值，Temporary energy字段記錄Residual energy字段與Power level字段的差值，用于和RREP中的Path energy字段比較，Power level字段記錄經(jīng)調(diào)整的發(fā)射功率值。

采用Temporary energy字段是因為MEDSR協(xié)議的發(fā)射功率是可調(diào)整的，即不同路徑上節(jié)點的發(fā)射功率大小不同，如果此時簡單地使用Residual energy值作為比較對象，有可能使Residual energy最大的節(jié)點由于Power level過大而造成節(jié)點能量的過快消耗。此時采用Temporary energy可預(yù)先考慮節(jié)點能量的消耗速率，這樣對路徑剩余能量的比較更公平準(zhǔn)確。

3.1.4 能量感知過程說明

變量說明：R代表 cache中的 Residual energy字段記錄的值；P代表 cache中的 Power level字段記錄的值；T代表cache中的Temporary energy字段記錄的值(用于和RREP中的 E比較)；E代表RREP的Path energy字段記錄的值。

(1)節(jié)點剩余能量的計算過程

每個節(jié)點都保存著自己剩余能量的數(shù)值R，同時，保存著臨時的發(fā)射功率水平數(shù)值P(P是MEDSR協(xié)議經(jīng)過能量水平調(diào)整而暫時存儲在本地cache表當(dāng)中的)。每轉(zhuǎn)發(fā)一個數(shù)據(jù)包，節(jié)點就進(jìn)行操作：R：=R-P。

(2)路徑剩余能量的計算過程

在MEDSR協(xié)議路由應(yīng)答過程中，目的節(jié)點的下一跳鄰居節(jié)點進(jìn)行能量水平調(diào)整以及相應(yīng)的臨時剩余能量T計算。首先進(jìn)行計算 T：=R-P，然后將自己的T賦值到RREP中的Path energy字段。當(dāng)RREP到達(dá)目的節(jié)點的次下一跳鄰居節(jié)點時，該節(jié)點也進(jìn)行能量水平調(diào)整和臨時剩余能量T計算，然后將自己的T值和RREP中的 E 值進(jìn)行比較：如果 T＜E，則 E：=T；如果 T＞=E，則 E不做任何改變。

將RREP繼續(xù)往源節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)，RREP中只儲存唯一的一個E值。根據(jù)上面分析可知，E儲存的是該路徑的剩余能量。

當(dāng)源節(jié)點接收到經(jīng)過多個RREP后，比較它們當(dāng)中的E值，源節(jié)點首先選擇E最大的的路徑進(jìn)行數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā)，即選擇剩余能量最大的路徑進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。

3.1.5 能量感知形式化說明

圖2(a)和圖 2(b)分別用無向圖和有向圖表示同一個網(wǎng)絡(luò)[5]。圖2(a)中節(jié)點旁邊的數(shù)字代表節(jié)點的剩余能量R，節(jié)點之間的數(shù)字代表經(jīng)過調(diào)整發(fā)射能量水平數(shù)值P。圖2(b)中節(jié)點旁邊的數(shù)字代表節(jié)點的剩余能量R，節(jié)點之間的數(shù)字代表臨時剩余能量T。

如圖 2(b)，節(jié)點 d和節(jié)點 b進(jìn)行通信，d、b之間有兩條路徑，分別是d-a-b和d-c-b，路徑d-a-b的剩余能量 E是 60；路徑 d-c-b的剩余能量 E是 55，所以節(jié)點d和節(jié)點b進(jìn)行通信時，會優(yōu)先選擇剩余能量值較大的d-a-b路徑。再如，節(jié)點 a和節(jié)點 c進(jìn)行通信，a、c之間有兩條路徑，分別是a-b-c和 a-d-c，路徑 a-b-c的剩余能量 E是 35；路徑 a-d-c的剩余能量 E是 55，所以節(jié)點a和節(jié)點c進(jìn)行通信時，會優(yōu)先選擇剩余能量值較大的a-d-c路徑。

圖2 能量感知

3.2 路由算法

3.2.1 路由請求

(1)源節(jié)點S在本地路由緩存中檢查是否存在到達(dá)目的節(jié)點D的路由。如果存在，則轉(zhuǎn)(2)，否則開始路由請求過程：節(jié)點選擇可調(diào)整的功率水平轉(zhuǎn)發(fā)RREQ。首先，源節(jié)點S使用低功率水平發(fā)送路由請求數(shù)據(jù)包RREQ，如果發(fā)送成功，則將功率水平信息存放到RREQ發(fā)射功率值列表字段Power list中；否則，選擇高功率水平發(fā)送路由請求數(shù)據(jù)包RREQ，如果發(fā)射成功，進(jìn)行如上述功率水平信息同樣的操作，并轉(zhuǎn)(3)。否則，路由請求失敗。

(2)使用該路由發(fā)送數(shù)據(jù)分組。

(3)下一跳鄰居節(jié)點接收到RREQ后，首先檢查路由請求表中是否有對應(yīng)的表項，如果有，直接丟棄該RREQ；否則，檢查路由請求分組的路由記錄是否已含有該節(jié)點，如果有，丟棄該分組。然后，如果路由請求分組的目的節(jié)點為節(jié)點本身，即將自己的地址信息加到RREQ中，并將功率水平信息加到RREQ中發(fā)射功率值列表字段Power list中，該節(jié)點同時反向轉(zhuǎn)發(fā)RREP，RREP中保存RREQ中功率水平信息；如果不是節(jié)點本身，也將自己的地址信息加到RREQ中，該節(jié)點同樣選擇可調(diào)整的功率水平轉(zhuǎn)發(fā)RREQ，并且將自己的功率水平信息加到RREQ功率值列表字段Power list中，并轉(zhuǎn)發(fā)RREQ。

(4)次下一跳鄰居節(jié)點接收到RREQ后，重復(fù)操作(3)。

(5)所有中間節(jié)點按照步驟(3)操作，直到所有RREQ到達(dá)目的節(jié)點D。

3.2.2 路由應(yīng)答

(1)目的節(jié)點D將自己的地址信息和功率水平信息加到 RREP中，并反向轉(zhuǎn)發(fā) RREP，并轉(zhuǎn)（2），同時進(jìn)行路徑剩余能量的計算。

(2)下一跳鄰居節(jié)點接收到RREP后，首先根據(jù)MEDSR協(xié)議中的功率水平調(diào)整機(jī)制進(jìn)行功率的調(diào)整，并將計算得到的Pmin存放到本地cache中的 Power level字段。然后進(jìn)行臨時剩余能量的計算T：=R-P，將自己的T賦值到RREP中的Path energy字段。最后繼續(xù)轉(zhuǎn)發(fā)RREP。

(3)次下一跳鄰居節(jié)點接收到RREP后，首先根據(jù)MEDSR協(xié)議中的功率水平調(diào)整機(jī)制進(jìn)行功率的調(diào)整，并將計算得到的Pmin存放到本地cache中的Power level字段。然后進(jìn)行臨時剩余能量的計算T：=R-P，將自己的T值和RREP中的E值進(jìn)行比較：

如果 T＜E，則 E：=T；如果 T＞=E，則 E 不做任何改變。最后繼續(xù)轉(zhuǎn)發(fā)RREP。

(4)所有中間節(jié)點按照步驟(3)操作后，向下一鄰居節(jié)點繼續(xù)轉(zhuǎn)發(fā)RREP，直到RREP到達(dá)源節(jié)點S。

(5)源節(jié)點 S選取 Path energy值最大的 RREP提供的路由信息進(jìn)行數(shù)據(jù)分組的轉(zhuǎn)發(fā)。

3.3 路由過程

3.3.1 路由請求過程

(1)從如圖3可以看到源節(jié)點S在路由緩存中并沒有發(fā)現(xiàn)到達(dá)目的節(jié)點D的緩存路由。源節(jié)點S開始路由請求過程：節(jié)點S使用可調(diào)整的功率水平發(fā)送路由請求數(shù)據(jù)包RREQ，將功率水平信息存放到RREQ功率值列表字段 Power list中，并轉(zhuǎn)發(fā) RREQ。圖 3中(S，B)的功率水平值為 20，(S，E)的功率水平值為 15。

(2)下一跳鄰居節(jié)點B和E接收到RREQ后，首先，節(jié)點B和E檢查路由請求表并沒有發(fā)現(xiàn)對應(yīng)的表項；同時檢查路由請求分組的路由記錄也沒有發(fā)現(xiàn)含有該節(jié)點，則不丟棄RREQ。然后，節(jié)點B和E檢查路由請求分組的目的節(jié)點不是節(jié)點B和E本身，同時將自己的地址信息加到RREQ中，該節(jié)點同樣選擇可調(diào)整的功率水平轉(zhuǎn)發(fā)RREQ，將自己的功率水平信息加到RREQ功率值列表字段中，并轉(zhuǎn)發(fā)RREQ。圖3中(E，F(xiàn))的功率水平值為 15，(B，C)的功率水平值為 20。

(3)次下一跳鄰居節(jié)點 F和 C接收到 RREQ后，首先，節(jié)點F和C檢查路由請求表并沒有發(fā)現(xiàn)對應(yīng)的表項；同時檢查路由請求分組的路由記錄也沒有發(fā)現(xiàn)含有該節(jié)點，則不丟棄RREQ。然后，節(jié)點F和C檢查路由請求分組的目的節(jié)點不是節(jié)點F和C本身，同時將自己的地址信息加到RREQ中，該節(jié)點同樣選擇可調(diào)整的功率水平轉(zhuǎn)發(fā)RREQ，將自己的功率水平信息加到RREQ功率值列表字段中，并轉(zhuǎn)發(fā)RREQ。圖3中(F，G)的功率水平值為 15。

但是，次下一跳鄰居節(jié)點H接收到節(jié)點B和E轉(zhuǎn)發(fā)過來的RREQ，如圖3中節(jié)點H先接收到節(jié)點B轉(zhuǎn)發(fā)過來的RREQ，并且不丟棄，節(jié)點H檢查路由請求分組的目的節(jié)點不是節(jié)點H本身，同時將自己的地址信息加到RREQ中，該節(jié)點同樣選擇可調(diào)整的功率水平轉(zhuǎn)發(fā)RREQ，將自己的功率水平信息加到RREQ功率值列表字段中，并轉(zhuǎn)發(fā)該RREQ。此后，節(jié)點H接收節(jié)點E轉(zhuǎn)發(fā)過來的RREQ，發(fā)現(xiàn)路由請求表中有對應(yīng)的表項，丟棄掉該RREQ。

(4)同理，中間節(jié)點C接收到節(jié)點B和H轉(zhuǎn)發(fā)過來的RREQ，圖3中節(jié)點C先接收到節(jié)點B轉(zhuǎn)發(fā)過來的RREQ，并且不丟棄，節(jié)點C檢查路由請求分組的目的節(jié)點不是節(jié)點C本身，同時將自己的地址信息加到RREQ中，該節(jié)點同樣選擇可調(diào)整的功率水平轉(zhuǎn)發(fā)RREQ，將自己的功率水平信息加到RREQ功率值列表字段中，并轉(zhuǎn)發(fā)該RREQ。此后，節(jié)點C接收節(jié)點H轉(zhuǎn)發(fā)過來的RREQ，發(fā)現(xiàn)路由請求表中有對應(yīng)的表項，丟棄掉該RREQ。圖3中(C，D)的功率水平值為 15。

(5)最后，直到所有RREQ到達(dá)目的節(jié)點D。如圖 3中(S，E，F(xiàn)，G)和(S，B，C)到達(dá)目的節(jié)點 D。

圖3 路由請求示意圖

3.3.2 路由應(yīng)答過程

(1)目的節(jié)點D將自己的功率水平信息加到RREP中，并反向轉(zhuǎn)發(fā)RREP，如圖4所示。

(2)下一跳鄰居節(jié)點 C和 G接收到 RREP后，首先根據(jù)MEDSR協(xié)議中的功率水平調(diào)整機(jī)制進(jìn)行功率的調(diào)整，并將計算Pmin存放到cache中的Power level字段。圖4中C和G的Pmin都是15。然后進(jìn)行臨時剩余能量的計算 T：=R-P，C的剩余能量 R是 85，因此，C的 T值為70。同理，G的 T值為75，然后將自己的 T賦值到RREP 中的 Path energy 字段。 (S，B，C，D)中，M：=70；(S，E，F(xiàn)，G，D)中，M：=75。 最后繼續(xù)轉(zhuǎn)發(fā) RREP。

圖4 路由應(yīng)答示意圖

(3)次下一跳節(jié)點 B和 F接收到 RREP后，首先根據(jù)MEDSR協(xié)議中的功率水平調(diào)整機(jī)制進(jìn)行功率的調(diào)整，并將計算Pmin存放到cache中的Power level字段。如圖4，B和F的Pmin都是15。然后進(jìn)行臨時剩余能量的計算 T：=R-P，B的剩余能量 R是 70,因此 B的 T值為55。同理，F(xiàn)的 T值為 65，然后將自己的 T值和 RREP中的M值進(jìn)行比較：

(S，B，C，D)中，55＜70 則 E：=55；

(S，E，F(xiàn)，G，D)中，65＜75 則 E：=65。

(4)所有中間節(jié)點進(jìn)行臨時剩余能量計算以及路徑剩余能量計算操作后，向下一節(jié)點繼續(xù)轉(zhuǎn)發(fā)RREP，直到RREP到達(dá)源節(jié)點S。

(5)源節(jié)點S選取 Path energy最大的 RREP提供的路由信息進(jìn)行數(shù)據(jù)分組的轉(zhuǎn)發(fā)。

(S，B，C，D)中，E=55；

(S，E，F(xiàn)，G，D)中，E=65。

所以源節(jié)點 S 選取(S，E，F(xiàn)，G，D)進(jìn)行數(shù)據(jù)分組的轉(zhuǎn)發(fā)，并不是選擇跳數(shù)較少的(S，B，C，D)進(jìn)行數(shù)據(jù)分組的轉(zhuǎn)發(fā)。

本文針對MEDSR協(xié)議中存在的問題對路由發(fā)現(xiàn)過程進(jìn)行改進(jìn)，加入能量感知策略，能量感知可使數(shù)據(jù)流平均地分布在網(wǎng)絡(luò)的各個節(jié)點中，減少網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的過度使用，使網(wǎng)絡(luò)分割的可能性減小，延長網(wǎng)絡(luò)的使用壽命。減少了路徑上中間節(jié)點的能量消耗，從而降低了由于能量消耗殆盡導(dǎo)致的網(wǎng)絡(luò)分割或拓?fù)渥兓l(fā)生的概率。

下一步工作是深入模擬和分析該協(xié)議的性能，并與DSR協(xié)議和MEDSR協(xié)議進(jìn)行比較。

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