基于能量有效的Ad hoc路由協(xié)議的研究

張延+李晶+何健

摘 要 Ad hoc網(wǎng)絡(luò)是一種無基礎(chǔ)設(shè)施，由無線移動終端組成的臨時多跳自治網(wǎng)絡(luò)。本文從能量有效的目標(biāo)出發(fā)，對3類不同策略的路由協(xié)議進行比較，評價各個協(xié)議之間的性能優(yōu)劣。

關(guān)鍵詞 Ad hoc；路由協(xié)議；能量有效

中圖分類號：TP393 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-7597（2014）07-0075-01

Ad hoc網(wǎng)絡(luò)是由一組自主的無線節(jié)點或終端組成的，獨立于固定的基礎(chǔ)設(shè)施、采用分布式管理的多跳網(wǎng)絡(luò)。Ad hoc網(wǎng)絡(luò)的靈活性使之適應(yīng)于臨時性、流動性大的場合。通常由于無線設(shè)備的無線電傳輸范圍有限，當(dāng)無線節(jié)點和目的端不能直接通信時，中間節(jié)點同時充當(dāng)終端系統(tǒng)和路由器兩種角色。

根據(jù)獲得路由信息的時機，目前學(xué)者們提出的多種Ad hoc路由協(xié)議歸納起來可以分為兩大類[1]：表驅(qū)動路由協(xié)議與按需路由協(xié)議。表驅(qū)動路由協(xié)議采用傳統(tǒng)的路由策略，如：DSDV、OLSR與TBRPF等。即使當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)中的部分路徑未被使用，先驗式路由協(xié)議中每個節(jié)點也會維護到網(wǎng)絡(luò)中其他所有節(jié)點的路由表。當(dāng)拓撲頻繁發(fā)生變化時，很大程度上增大開銷。由于這個缺點，按需路由協(xié)議（DSR，TORA，AODV等）問世了，他們只需要建立和維護當(dāng)前需要用來發(fā)送數(shù)據(jù)包的路由。通常在Ad hoc網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點設(shè)備都是由電池供能的，一旦設(shè)備電量耗盡，即認為此節(jié)點不再有效，不僅此節(jié)點被排出網(wǎng)絡(luò)，而且會影響到其他有效節(jié)點正常工作[2]?；诖?，研究能量有效的Ad hoc路由協(xié)議非常必要。

1 能量有效的路由協(xié)議分類

與傳統(tǒng)Ad hoc路由協(xié)議不同，基于能量有效的路由協(xié)議的目標(biāo)為最大化網(wǎng)絡(luò)生命周期。網(wǎng)絡(luò)生命周期即網(wǎng)絡(luò)中的一個節(jié)點首次耗盡電量的時間[3]。

近年來涌現(xiàn)出很多基于能量考慮的路由協(xié)議[4]，總體來說，這些路由協(xié)議策略標(biāo)準的主要基于以下幾點：①網(wǎng)絡(luò)中傳輸信息所消耗的總能量；②每個節(jié)點的初始電池電量；③每個節(jié)點的剩余電量；④節(jié)點的生存時間。但是不論選擇哪一種、或者綜合兩種策略，都很難同時兼顧節(jié)點壽命和網(wǎng)絡(luò)路由總能耗兩個目標(biāo)。

1）最小總傳輸能量（MTPR）。MTPR是一種分布式算法，在任意時刻，Ad hoc網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)可以看作一個帶權(quán)有向圖，任一條弧上的權(quán)重即為節(jié)點間的傳輸能量。那么路由的總傳輸能量為，其中、分別為源與目的節(jié)點。則

總傳輸能量最小的路由，其中A為所有可選路由集合。由于節(jié)點之間的距離與傳輸能量成正比，本策略自然會傾向于選擇距離更短的路由。然而，僅僅考慮最短路徑，很有可能使中間節(jié)點過早消耗，使之成為網(wǎng)絡(luò)瓶頸，甚至嚴重影響網(wǎng)絡(luò)性能。

2）剩余能量（MBCR & MMBCR）。如前所述，雖然總傳輸能量可以作為一個非常重要的度量標(biāo)準，但是它有非常明顯的缺陷，關(guān)鍵節(jié)點的早衰會嚴重影響路由。MMBCR即是一種考慮節(jié)點的剩余能量的度量策略。某時刻t的電量開銷為函數(shù)，其中為t時刻電池電

量。路由j的電量開銷為。則最大剩余電量路由為

。相較MTPR而言MBCR有效防止某些節(jié)點被過度使用，增加網(wǎng)絡(luò)生命周期。

由于MBCR考慮的是某路由Rj中所有節(jié)點的剩余電量之和，所以MBCR仍然會選擇某些具有極少電量的節(jié)點來路由，造成這些節(jié)點提前衰竭。MMBCR在MBCR的基礎(chǔ)上做出如下改進：路由j的電量開銷定義為。則MMBCR中

。MMBCR可以有效規(guī)避剩余電量最小的節(jié)點，延長單個節(jié)點壽命。但是很多情況下為了保證節(jié)點使用的均衡性，卻選擇了較長的路徑，增加了能量消耗。

3）剩余能量受限（CMMBCR）。CMMBCR既考慮MTPR的總傳輸能量，又考慮MMBCR中的節(jié)點剩余電量。在路由發(fā)現(xiàn)的過程中，首先尋找?guī)讞l所有節(jié)點都有足夠的剩余電量（大于閾值γ）作為路由集合A，然后在此集合中挑選出一條總傳輸能量最小的路由。其中γ是電量閾值（0―100），可看作保護此節(jié)點電量消耗的臨界值。如果γ=0，與MTPR相同；如果γ=100，CMMBCR與MMBCR相同。γ的選取可以很有效的保護最小能量節(jié)點。

2 性能比較與分析

基于能量有效的路由協(xié)議的宗旨在于最大化網(wǎng)絡(luò)生命周期。利用NS建立50個節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)，它們隨機分布在500 m*500 m的區(qū)域內(nèi)，節(jié)點移動速度10 m/s。網(wǎng)絡(luò)性能仿真結(jié)果如下表所示。

MTPR沒有考慮單個節(jié)點的生存時間，網(wǎng)絡(luò)能量消耗最小。但是中繼節(jié)點剩余能量會小于其他普通節(jié)點，致使網(wǎng)絡(luò)嚴重失衡，因此生命周期最短。MBCR忽略了單個節(jié)點的壽命換來較小的總傳輸能量，網(wǎng)絡(luò)生命周期小于MMBCR。CMMBCR主要性能影響因子為閾值γ。當(dāng)γ=0，CMMBCR的性能與MTPR相同。隨著閾值γ的增大，CMMBCR為了保護剩余電量較少的節(jié)點，會選擇較長路徑路由，犧牲了網(wǎng)絡(luò)總體性能。所以，各個基于能量優(yōu)化的路由協(xié)議在考慮單個節(jié)點壽命、整個網(wǎng)絡(luò)生命周期兩個目標(biāo)時很難達到均衡，路由協(xié)議的選擇應(yīng)該視具體情況而定。

3 結(jié)論

本文介紹了3類基于能量有效的Ad hoc無線網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議的性能特點。為了延長網(wǎng)絡(luò)生命周期，MTPR一類是從全局出發(fā)，減少總體能耗，增加整個網(wǎng)絡(luò)的生命周期，卻犧牲了個別節(jié)點；MBCR與MMBCR類盡量避免路由剩余電量較少的關(guān)鍵節(jié)點，均衡整個網(wǎng)絡(luò)，卻降低了網(wǎng)絡(luò)性能。CMMBCR結(jié)合了前兩類策略，但是從性能上來說也未達到最優(yōu)，今后可以在此做出更多的研究工作。

參考文獻

[1]Jae-Hwan Chang & Leandros Tassiulas.（2000）. Energy Conserving Routing in Wireless Ad-hoc Networks. IEEE INFOCOM00， March.

[2]Singh， S.， Woo， M.， and Raghavendra，C.S.， “Power-Aware Routing in Mobile in Mobile Ad Hoc Networks”，Proceedings of MobiCom98， Dallas， Texas， Oct. 1998.

[3]Qun Li， Javed Aslam， and Daniela Rus， Online power-aware routing in wireless ad-hoc networks. MOBICOM， pages 97-107，Rome， July 2001.

[4]Konstantinos Oikonomou & Ioannis Stavrakakis.（2006）.Energy Considerations for Topology -unaware TDMA MAC Protocols. Ad Hoc Networks，（4）：359-379.endprint