基于能量消耗的Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議的研究

摘 要：在移動自組網(wǎng)Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中，鏈路中的節(jié)點一般都是采用電池供電，一旦電池電量耗盡，節(jié)點就會離開鏈路，造成網(wǎng)絡(luò)中斷，因此降低節(jié)點的能量消耗對保持鏈路的穩(wěn)定至關(guān)重要，本文給出了基于最大能量鄰居節(jié)點的路由發(fā)現(xiàn)算法，提出了基于AODV協(xié)議改進(jìn)的Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議PER-AODV，該協(xié)議能夠確保延長網(wǎng)絡(luò)的生存時間和對低能量節(jié)點的保護以及重構(gòu)次數(shù)的減少。

關(guān)鍵詞：移動Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)；最大能量鄰居節(jié)點；網(wǎng)絡(luò)的生存時間；路由發(fā)現(xiàn)

中圖分類號：TN295

Ad hoc無線自組網(wǎng)是一種為了完成某種特定的任務(wù)而臨時組建的一種網(wǎng)絡(luò)。從組網(wǎng)方面看，無線自組網(wǎng)不需要基本網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施的支持，能快速、方便、靈活地組建網(wǎng)絡(luò)，在網(wǎng)絡(luò)中的每個節(jié)點都是獨立的，能任意地移動，整個網(wǎng)絡(luò)的移動很方便，同時網(wǎng)絡(luò)中的每個節(jié)點是平等的，沒有嚴(yán)格的控制中心，任何節(jié)點的離開都不會影響整個網(wǎng)絡(luò)的運行，具有良好的抗詆毀性，某個節(jié)點要與無線覆蓋范圍之外的節(jié)點進(jìn)行通信，需要其他節(jié)點的轉(zhuǎn)發(fā)。

1 問題的提出

在Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中，由于節(jié)點通信受距離限制，節(jié)點之間的通信需要其他節(jié)點的中繼轉(zhuǎn)發(fā)才能實現(xiàn)，于是形成了多跳的路由。節(jié)點加入和退出的隨機性以及節(jié)點的電量因素是造成鏈路中斷和路由重構(gòu)的主要原因，因此，在路由發(fā)現(xiàn)的過程中如何選擇更加穩(wěn)定的鏈路，將會提高鏈路的穩(wěn)定性，減少路由的重構(gòu)次數(shù)，保證網(wǎng)絡(luò)的生存時間。又由于網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點同時具有路由器和主機的功能，如果節(jié)點的電量受到限制，不僅僅使本節(jié)點不能正常工作，還會影響依靠該節(jié)點進(jìn)行分組轉(zhuǎn)發(fā)的其他節(jié)點，降低網(wǎng)絡(luò)的連通性，從而影響網(wǎng)絡(luò)的生存時間?；谀芰肯牡腁d Hoc網(wǎng)絡(luò)路由發(fā)現(xiàn)算法前提是盡量延長網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的壽命，保證網(wǎng)絡(luò)的連通時間，進(jìn)一步保證網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)質(zhì)量。

2 基于節(jié)點能量消耗的PER-AODV算法

為了解決以上的問題，本文給出了基于功率控制最大能量的鄰居節(jié)點和節(jié)點能耗速率的算法設(shè)計，通過功率控制節(jié)點是為了保護節(jié)點能量較小的節(jié)點，通過節(jié)點能量消耗的速度避免網(wǎng)絡(luò)的擁塞，從而減少路由的重構(gòu)，更加合理地占用共享信道。

2.1 節(jié)點的能量

每一個請求分組RREQ中都包含其所有鄰居節(jié)點的電量信息。節(jié)點中的電量信息通過廣播信息來維護，把最大電量的節(jié)點作為下一跳節(jié)點的度量，是PER-AODV路由協(xié)議的基本思想。

2.2 節(jié)點的能量消耗速率

當(dāng)節(jié)點的使用相對頻繁時，相比較其他的節(jié)點，其能耗速度也相對的加快了，當(dāng)能量的消耗速度小于給定的級別值時，根據(jù)路由算法選擇原來路徑中次大的節(jié)點，當(dāng)大于時，表示節(jié)點的能量充足，可以繼續(xù)使用。

2.3 路由發(fā)現(xiàn)

路由發(fā)現(xiàn)的過程包括：路由請求，路由應(yīng)答，路由維護。

路由請求：（1）每一個節(jié)點中都有一張其所有鄰居節(jié)點電量的信息表，當(dāng)有數(shù)據(jù)分組要發(fā)送時，源節(jié)點N通過比較它所有的鄰居節(jié)點，找到節(jié)點能量最大的節(jié)點N0；（2）源節(jié)點N向N0發(fā)出路由請求分組RREQ；（3）N0收到請求RREQ時，首先更新路由信息，其次檢查自己是不是目的節(jié)點，如果是返回應(yīng)答RREP進(jìn)入到應(yīng)答算法，如果不是，跳到1；（4）將本節(jié)點的信息添加到路由信息中去。

路由應(yīng)答：（1）目的節(jié)點延時T時間得到符合條件的路由；（2）判斷節(jié)點的能量和給定的級別值的大小，如果大于了給定的級別值，表示節(jié)點的能量還可以繼續(xù)使用，如果小于了給定的級別值，轉(zhuǎn)到3；（3）結(jié)合節(jié)點的剩余電量和消耗速度，從檢測到該節(jié)點能量消耗速度變化的上一個鄰居節(jié)點的節(jié)點信息維護表中找出一次能量僅次于該節(jié)點的節(jié)點；（4）將本節(jié)點添加到路由表中，給源節(jié)點發(fā)送應(yīng)答RREP。

在路由的維護中，當(dāng)節(jié)點檢測到異常信息時，將信息通知給上游的節(jié)點，上游的節(jié)點通過路由發(fā)現(xiàn)的過程找到適合的節(jié)點，從而保持鏈路的連通性。

3 仿真分析

通過NS-2仿真平臺，對AODV和PER-AODV協(xié)議進(jìn)行了仿真與比較驗證，實驗的仿真環(huán)境如下：由GT-ITM生成網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，選定的區(qū)域大小為1*1km，隨機分布50個節(jié)點，節(jié)點信道帶寬設(shè)置為2Mbps，最大傳輸半徑設(shè)置為200米，MAC層使用IEEE802.11DCF機制，信道類型為Wireless Channel，數(shù)據(jù)傳輸模型采用TwoRay Ground Reflection模型。

評估參數(shù)包括：（1）網(wǎng)絡(luò)的生存時間。（2）失效節(jié)點的個數(shù)。（3）路由的重構(gòu)次數(shù)。

仿真結(jié)果表明，失效節(jié)點的數(shù)目越多如圖1所示，表明網(wǎng)絡(luò)中某一個節(jié)點的使用相對的頻繁，或者節(jié)點的負(fù)載過重導(dǎo)致能量過渡的消耗，通過節(jié)點能量消耗速率來控制節(jié)點的使用在一定程度上減少了鏈路中失效的節(jié)點，增強了網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性。通過基于節(jié)點的最大鄰居節(jié)點下一跳轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點作為路由發(fā)現(xiàn)的基礎(chǔ)，圖2所示，隨著時間的推移，改進(jìn)協(xié)議PER-AODV中的存活節(jié)點數(shù)相比較原協(xié)議有所增加，在一定程度上延長了網(wǎng)絡(luò)的生存時間。通過功率控制和節(jié)點能量消耗的速率相結(jié)合使得路由的重構(gòu)次數(shù)相相比較原路由明顯的減少，圖3所示。PER-AODV協(xié)議的性能相對于原始的AODV協(xié)議變動很少，在實現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)生存時間的延長、低節(jié)點保護的同時沒有破壞網(wǎng)絡(luò)的連通性，體現(xiàn)了該協(xié)議在節(jié)能方面的優(yōu)越性。

4 結(jié)束語

本文利用最大能量的鄰居節(jié)點作為出發(fā)點，提出了基于節(jié)點能量消耗的PER-AODV路由協(xié)議，仿真結(jié)果表明并沒有損傷原始協(xié)議的AODV的性能，同時減少了節(jié)點的能量消耗，顯示出了高效的節(jié)能效率和在延長網(wǎng)絡(luò)壽命方面的優(yōu)勢。

節(jié)能路由協(xié)議作為Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中研究的熱點，本文提出的PER-AODV仍存在不足之處需要改進(jìn)：（1）PER-AODV協(xié)議中主要以網(wǎng)絡(luò)的生存時間、節(jié)點的能量消耗作為選擇路由的標(biāo)準(zhǔn)，而在端到端的時延、節(jié)點的移動速率對分組投遞率的影響考慮欠缺，因此在后續(xù)的工作中需要將時延和節(jié)點移動速率引入到路由選擇的表中去；（2）在節(jié)點能量消耗速率中給出的級別值還有待于依據(jù)更多的具體實驗觀測而設(shè)定，從而使得該協(xié)議在路由重構(gòu)次數(shù)等相關(guān)性能方面達(dá)到更好的效果。

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作者單位：西北民族大學(xué) 中國民族信息技術(shù)研究院，蘭州 730030