基于改進(jìn)BERS算法的移動自組織網(wǎng)絡(luò)能耗及時(shí)延優(yōu)化

宋國平

（吉林廣播電視大學(xué)遠(yuǎn)程教育技術(shù)中心，吉林 長春 130022）

0 引言

MANET依靠移動節(jié)點(diǎn)的合作來動態(tài)建立通訊路由［1－3］，因?yàn)楣?jié)點(diǎn)一般是由電池供電的，能源和時(shí)效對 MANET 尤為重要［4－5］.

為了節(jié)省MANET的能量消耗及降低時(shí)延，人們提出了許多路由方案，典型的分層架構(gòu)是通過聚類結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的，例如，文獻(xiàn)［6］提出了一種高度聚類啟發(fā)式算法，基于節(jié)點(diǎn)到其他節(jié)點(diǎn)的距離計(jì)算節(jié)點(diǎn)度，該方法存在一個(gè)很大的缺點(diǎn)，它沒有在任何聚類中限制節(jié)點(diǎn)數(shù)目的上限，嚴(yán)重影響了聚類的吞吐量和穩(wěn)定性.文獻(xiàn)［7］提出一個(gè)最低ID聚類啟發(fā)式算法，它為每個(gè)移動節(jié)點(diǎn)安排一個(gè)唯一ID，選擇最低ID的節(jié)點(diǎn)作為聚類頭節(jié)點(diǎn)，該方法的吞吐量比高度聚類方法好，然而，有較小ID的節(jié)點(diǎn)往往反復(fù)選為聚類頭節(jié)點(diǎn)，這可能會很快耗盡電池電量.文獻(xiàn)［8］提出了分布式聚類算法和分布式移動自適應(yīng)聚類算法，也稱為節(jié)點(diǎn)加權(quán)啟發(fā)式算法，啟發(fā)式評估每個(gè)節(jié)點(diǎn)作為聚類頭節(jié)點(diǎn)的適宜性，并安排對應(yīng)的節(jié)點(diǎn)權(quán)重，然而，一個(gè)節(jié)點(diǎn)必須等到它所有鄰居的應(yīng)答才能確定是聚類頭節(jié)點(diǎn)還是聚類成員.文獻(xiàn)［9］中研究了負(fù)載均衡聚類，它相信一個(gè)聚類能處理的移動節(jié)點(diǎn)數(shù)目有個(gè)最優(yōu)值，當(dāng)聚類太大或太小時(shí)將相鄰聚類合并在一起或者分離某個(gè)聚類.文獻(xiàn)［10］提出一種加權(quán)聚類啟發(fā)式算法，合并了聚類的各種指標(biāo)，如連接到聚類頭節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)數(shù)目、發(fā)送功率、移動性和節(jié)點(diǎn)電源能量，遺傳算法和模擬退火算法已經(jīng)改進(jìn)了這個(gè)方法.阻塞擴(kuò)展環(huán)搜索（Blocking Expanding Ring Search，BERS）和加強(qiáng)阻塞擴(kuò)展環(huán)搜索（BERS＊）是近期為MANET 開發(fā)出的2個(gè)路由發(fā)現(xiàn)協(xié)議［11－12］.相比ERS和BERS，BERS＊在能源時(shí)效方面能獲得了更好的整體性能.BERS和BERS＊均使用一個(gè)追包，在BERS中為STOP，在BERS＊中為END，用于發(fā)現(xiàn)路由節(jié)點(diǎn)后終止泛洪［13］.為了討論方便，后續(xù)稱BERS中的STOP或BERS＊中的END為STOP／END指令.STOP／END指令只能由BERS和BERS＊中的源節(jié)點(diǎn)發(fā)出，源節(jié)點(diǎn)直到第一個(gè)路由應(yīng)答（RREP）到達(dá)后才能發(fā)出STOP／END指令，即沒有因等待RREP所引起的延遲就不能發(fā)出STOP／END指令［14］.

基于上述分析，為了更好地降低時(shí)延和節(jié)省能耗，本文提出了基于路由節(jié)點(diǎn)泛洪終止的阻塞擴(kuò)大環(huán)搜索方案，一旦發(fā)現(xiàn)路由節(jié)點(diǎn)就可以發(fā)送STOP／END指令，而不是等待源節(jié)點(diǎn)發(fā)送STOP／END指令，路由節(jié)點(diǎn)也可以參與發(fā)送STOP／END指令終止泛洪，仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了所提方案的有效性及可靠性.

1 相關(guān)工作

1.1 擴(kuò)展環(huán)搜索

ERS是一個(gè)尋找源節(jié)點(diǎn)和路由節(jié)點(diǎn)之間路由的有效方法，路由節(jié)點(diǎn)也稱作目的端或能提供到目的端路由信息的節(jié)點(diǎn).作為一個(gè)受約束的泛洪技術(shù)，ERS頻繁地用在反應(yīng)式路由協(xié)議中，通常從一個(gè)預(yù)定義的小搜索區(qū)域開始，如果沒有發(fā)現(xiàn)路由節(jié)點(diǎn)ERS在一個(gè)每次擴(kuò)大的搜索區(qū)域內(nèi)從源節(jié)點(diǎn)執(zhí)行新搜索，這個(gè)增量式搜索過程一直持續(xù)到發(fā)現(xiàn)路由節(jié)點(diǎn)或達(dá)到最大搜索區(qū)域.ERS中的泛洪搜索涉及在連續(xù)和中繼方式下經(jīng)由中間節(jié)點(diǎn)的重播，就像一個(gè)逐漸擴(kuò)展的搜索區(qū)域，環(huán)到環(huán)、從小環(huán)到大環(huán).

ERS中的源節(jié)點(diǎn)初始化泛洪并控制每個(gè)擴(kuò)展泛洪的搜索區(qū)域及最大搜索區(qū)域，有2個(gè)控制信號用于ERS中有效控制泛洪，RREQ和RREP.為了最小化泛洪，ERS采用生命周期（Time to Live，TTL）機(jī)制，TTL序列決定泛洪搜索的順序，可能會在一個(gè)特定的值上加一個(gè)增量、固定值1或者2、或隨機(jī)值.圖1顯示了泛洪區(qū)域集如何受預(yù)定義TTL序列值1，2，3，…，n控制.

圖1 擴(kuò)展環(huán)搜索

基于TTL的ERS能源效率低下（如圖1所示），如果源節(jié)點(diǎn)收不到RREP，源節(jié)點(diǎn)將會以一個(gè)增加的TTL值重播RREQ，每次源節(jié)點(diǎn)進(jìn)行新RREQ的重播都會引入能源浪費(fèi).先前的覆蓋搜索區(qū)域重疊會造成冗余，發(fā)現(xiàn)路由節(jié)點(diǎn)之前或搜索完整個(gè)網(wǎng)絡(luò)會多次出現(xiàn)這種情況.

1.2 阻塞擴(kuò)展環(huán)搜索（BERS）

BERS可認(rèn)為是能效ERS，BERS采取了一個(gè)策略，即源節(jié)點(diǎn)經(jīng)過重新泛洪的中間節(jié)點(diǎn)右側(cè).BERS的源節(jié)點(diǎn)僅發(fā)送一次RREQ，中間節(jié)點(diǎn)當(dāng)做一個(gè)代理，代表源節(jié)點(diǎn)進(jìn)行重播.為了滿足這個(gè)策略，BERS要實(shí)施一個(gè)擴(kuò)展的2 H個(gè)單位等待時(shí)間，其中H是跳數(shù).然而源節(jié)點(diǎn)仍有義務(wù)終止路由發(fā)現(xiàn)過程，收到RREP時(shí)源節(jié)點(diǎn)發(fā)送STOP指令去終止泛洪，泛洪持續(xù)直到追包，也就是STOP指令，在最后一個(gè)泛洪環(huán)Hr到達(dá)所有結(jié)點(diǎn)，在這個(gè)環(huán)中發(fā)現(xiàn)路由節(jié)點(diǎn).

圖2顯示了BERS如何在從一個(gè)環(huán)到下一個(gè)環(huán)傳播搜索，在BERS中，源節(jié)點(diǎn)首先發(fā)送RREQ，等待RREP，如果在第一個(gè)環(huán)中未發(fā)現(xiàn)路由節(jié)點(diǎn)，在第一個(gè)環(huán)中的節(jié)點(diǎn)以一個(gè)增加了的跳數(shù)重播RREQ，這個(gè)過程一直持續(xù)到源節(jié)點(diǎn)接收到RREP，然后源節(jié)點(diǎn)廣播STOP指令去終止搜索.STOP指令只能由源節(jié)點(diǎn)發(fā)送，泛洪中涉及的結(jié)點(diǎn)將接收STOP指令，RREP可以由任意路由節(jié)點(diǎn)發(fā)送到源節(jié)點(diǎn).為了在發(fā)現(xiàn)路由節(jié)點(diǎn)后能有效地終止下一次泛洪，BERS在每一輪泛洪過程中均要求一個(gè)擴(kuò)展的2 H個(gè)單位等待時(shí)間.

圖2 阻塞擴(kuò)展環(huán)搜索

1.3 加強(qiáng)阻塞擴(kuò)展環(huán)搜索（BERS＊）

BERS＊是基于BERS的，旨在減少BERS的延遲，獲得能源時(shí)效方面最佳的整體性能.

BERS＊的工作方式與BERS相似，除了它在每一輪泛洪過程中減少了一半的等待時(shí)間.BERS＊中的中間節(jié)點(diǎn)在源節(jié)點(diǎn)發(fā)送了RREQ后接管后續(xù)環(huán)搜索上的重播任務(wù)，如果這些中間節(jié)點(diǎn)不是路由節(jié)點(diǎn)，在重播RREQ之前需H個(gè)單位等待時(shí)間.

相對于BERS中的2 H單位等待時(shí)間，BERS＊的整體路由發(fā)現(xiàn)過程速度加快近2倍，改進(jìn)了能源時(shí)效方面路由發(fā)現(xiàn)的整體性能.如果在Hr環(huán)為節(jié)點(diǎn)取2 Hr單位時(shí)間來接收END泛洪信號，BERS＊中泛洪可能會在Hr＋1環(huán)終止，比路由節(jié)點(diǎn)發(fā)現(xiàn)環(huán)多出一個(gè)環(huán).

圖3所示為BERS＊的工作流程圖，從圖3中可以看出，在等待和傳播RREP和END指令之間由于節(jié)點(diǎn)動作同時(shí)發(fā)生，所以僅需要一個(gè)額外環(huán).首先，在并發(fā)行動開始之前RREP從路由節(jié)點(diǎn)R到源節(jié)點(diǎn)S（箭頭線）傳輸花費(fèi)Hr單位時(shí)間；其次，在下一個(gè)單位等待時(shí)間內(nèi)，END指令廣播到環(huán)1，而節(jié)點(diǎn)a和b繼續(xù)泛洪從Hr到Hr＋1（紅色箭頭線）；此外，在Hr＋1單位等待期間END包花費(fèi)下一個(gè)Hr單位時(shí)間追上節(jié)點(diǎn)c（在環(huán)1從u開始的虛線箭頭線）.

圖3 加強(qiáng)阻塞擴(kuò)展環(huán)搜索

2 優(yōu)化方案提出

為了減少了延遲而不增加能耗，提出了加強(qiáng)的BERS（tBERS）和加強(qiáng)的BERS＊（tBRES＊），采用追包的名字，代表tBERS的STOP和tBERS＊的END與tBERS／tBERS＊的STOP／END.tBRES的工作方式與BRES相同，tBRES＊與BRES的工作方式相同，除了tBRES和tBRES＊允許路由節(jié)點(diǎn)發(fā)送STOP／END指令.通過發(fā)送終止指令的路由節(jié)點(diǎn)右側(cè)，相比于BERS和BERS＊，tBERS和tBERS＊能分別減少BERS和BERS＊的延遲，減少的延遲量等于Hr，也就是RREP到達(dá)源節(jié)點(diǎn)的傳輸時(shí)間.

在BERS和BERS＊中僅由源節(jié)點(diǎn)發(fā)送STOP／END指令終止泛洪，在tBERS和tBERS＊中，一旦接收到RREP，正如BERS和BERS＊，源節(jié)點(diǎn)也發(fā)送STOP／END指令，然而，這樣的目的是終止先前由路由節(jié)點(diǎn)發(fā)送的STOP／END未覆蓋的剩余泛洪，這部分泛洪由環(huán)Hr上的那些節(jié)點(diǎn)引起，但是由于他們的地理位置不能到達(dá)，在RREP單播傳送時(shí)未從路由節(jié)點(diǎn)接收到STOP／END.此外，在tBERS和tBERS＊中，源節(jié)點(diǎn)接收到RREP之后不久就已經(jīng)準(zhǔn)備好發(fā)送數(shù)據(jù)包了.

tBERS和tBERS＊都吸取了并發(fā)活動的優(yōu)點(diǎn)，第一類并發(fā)活動發(fā)生在RREP單播傳送和從路由節(jié)點(diǎn)多播傳送STOP／END之間，盡管由路由節(jié)點(diǎn)發(fā)送的STOP／END可能追不上環(huán)Hr中的所有節(jié)點(diǎn)去終止泛洪，但tBERS和tBERS＊中的這個(gè)方法旨在停止環(huán)Hr中進(jìn)一步泛洪的一些節(jié)點(diǎn)，更早一些執(zhí)行這個(gè)動作，否則會在BERS和BERS＊中執(zhí)行.第二類并發(fā)活動發(fā)生在源節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)包和STOP／END指令之間，這允許數(shù)據(jù)包比在BERS和BERS＊中更早傳輸.

可以證明tBERS的能耗級別與BERS相同，然而，tBERS＊能節(jié)省能源.在BERS＊中，Hr＋1環(huán)終止泛洪，超過發(fā)現(xiàn)路由節(jié)點(diǎn)一個(gè)環(huán)，相反，tBERS＊中僅有一部分泛洪在這個(gè)額外環(huán)上終止，而剩余的泛洪較早的在Hr環(huán)上終止了，也就是發(fā)現(xiàn)路由節(jié)點(diǎn)的環(huán).這是因?yàn)樵诃h(huán)Hr中的一些節(jié)點(diǎn)會在它們的Hr單位等待時(shí)間內(nèi)接收到END指令.

圖4顯示了tBERS＊的一個(gè)實(shí)例，其中節(jié)點(diǎn)d停止泛洪早，盡管它比路由節(jié)點(diǎn)R多一跳.這里節(jié)點(diǎn)d在環(huán)Hr上，但是與路由節(jié)點(diǎn)R超過了一跳距離，然而，節(jié)點(diǎn)d將從路由節(jié)點(diǎn)R接收一個(gè)END信號途經(jīng)節(jié)點(diǎn)b和c.相反，如果是在BERS＊中，節(jié)點(diǎn)d將在Hr單位等待時(shí)間之后多廣播一個(gè)環(huán)，泛洪將不會終止直到環(huán)Hr＋1.

圖4 tBERS＊示例

節(jié)點(diǎn)均勻分布的情況下，在環(huán)Hr中約1／3的節(jié)點(diǎn)可能在它們的等待時(shí)間內(nèi)接收END消息，如圖5所示，其中淺色標(biāo)記的節(jié)點(diǎn)涉及RREPs到達(dá)源節(jié)點(diǎn)S之前泛洪終止.

上述的均勻分布是tBERS＊的最佳情況，在最差情況下，可能因其地理位置而環(huán)Hr中沒有非路由節(jié)點(diǎn)從路由節(jié)點(diǎn)接收到END指令，在這種情況下，tBERS＊的工作方式與BERS＊完全相同，即在第2個(gè)Hr周期內(nèi)接收源節(jié)點(diǎn)的END指令.

圖5 tBERS＊均勻分布節(jié)點(diǎn)

在tBERS或tBERS＊中的路由節(jié)點(diǎn)有義務(wù)發(fā)送RREP和STOP／END指令，有2種方式可以實(shí)現(xiàn)同時(shí)發(fā)送RREP和STOP／END指令，其一是合并RREP和STOP／END到一起，其二是先發(fā)送RREP指令，接下來再發(fā)送STOP／END指令.注意，RREP以單播方式發(fā)送，而STOP／END是廣播.作為一個(gè)示例，為了在算法中強(qiáng)調(diào)本文研究的思想，本文tBERS＊取第2種方法.

2.1 算法

下面僅給出tBERS＊的4個(gè)算法，tBERS的算法是類似的.注意算法中使用END指令終止泛洪，算法1是針對源節(jié)點(diǎn)，算法2，3和4是針對中間節(jié)點(diǎn)和路由節(jié)點(diǎn).

算法1覆蓋了路由發(fā)現(xiàn)過程中源節(jié)點(diǎn)的動作，這包括用第一次發(fā)送RREQ（行1）來初始化路由發(fā)現(xiàn)過程、處理RREPs中的路由信息（行4，5）.為了避免END指令和數(shù)據(jù)包之間的沖突，本文為數(shù)據(jù)包引入一個(gè)單位時(shí)間的滯后，即調(diào)用procedure＿data＿packets（行6）之前等待一個(gè)單位時(shí)間.

類似的，算法2總結(jié)了中間節(jié)點(diǎn)的行動，根據(jù)接收的3個(gè)消息（RREQ，RREP和END）.

算法3和4是2個(gè)描述中間節(jié)點(diǎn)分別接收到RREQ和END時(shí)動作的程序，如果是路由節(jié)點(diǎn)，它將初始化并廣播END指令（算法3行8）.

算法3中，當(dāng)識別出路由節(jié)點(diǎn)，將以當(dāng)前跳數(shù)發(fā)送RREP（即 Hr）到源節(jié)點(diǎn)（行5～8），其他中間節(jié)點(diǎn)需要等待H 個(gè)單位時(shí)間（行10），如果沒有收到END指令則開啟泛洪（行18～19），在等待期間，中間節(jié)點(diǎn)需要發(fā)送一個(gè)END（行12～13，在算法4中調(diào)用procedure＿end）或 RREP（行15），因?yàn)榭赡茉垂?jié)點(diǎn)有第2個(gè)RREP作為備份.

2.2 能耗和時(shí)延計(jì)算

本章比較了ERS，BERS，tBERS，BERS＊和tBERS＊的能耗和延遲，結(jié)果如表1所示，各個(gè)符號說明如表2所示，這里已經(jīng)消除了量化能耗和發(fā)現(xiàn)延遲的數(shù)學(xué)細(xì)節(jié)，可以從文獻(xiàn)［11－12］中找到為ERS，BERS和BERS＊進(jìn)行的詳細(xì)計(jì)算，而tBERS和tBERS＊的能耗和延遲計(jì)算分別遵循BERS和BERS＊.

表1 各算法的能耗和時(shí)延計(jì)算

從表1可以看出，tBERS的延遲是Hr＋，tBERS＊的延遲是1＋1.5 Hr＋0.5 H2r，而BERS和tBERS的能耗是相同的，tBRES＊的能耗量低于BERS＊，依賴于節(jié)點(diǎn)分布.

表2 術(shù)語和符號說明

3 仿真

本文基于上述分析結(jié)果執(zhí)行了一系列的仿真，在IDL6.0系統(tǒng)（研究系統(tǒng)、Boulder、CO、USA）上實(shí)現(xiàn)，主要目標(biāo)是調(diào)查新策略應(yīng)用到BERS和BERS＊的路由發(fā)現(xiàn)協(xié)議產(chǎn)生的改進(jìn)，為了得到新方案的性能特征，在如下均勻節(jié)點(diǎn)分布下對ERS，BERS，tBERS，BERS＊和tBERS＊進(jìn)行了一系列的實(shí)驗(yàn).假設(shè)共有1000個(gè)節(jié)點(diǎn)均勻的置于覆蓋Hr為10區(qū)域的地理區(qū)域內(nèi)，在上述假設(shè)的節(jié)點(diǎn)分布下，在時(shí)效、能效和能源時(shí)效方面比較這些協(xié)議性能之間的差異.

3.1 時(shí)延比較

時(shí)效的比較結(jié)果見圖6.圖6a表明了5個(gè)方案對Hr的時(shí)間延遲，5個(gè)方案的延遲隨著Hr的增加而增加，然而，tBRES和tBRES＊的延遲比BERS和BERS＊中對應(yīng)的值小，tBERS＊的時(shí)間延遲最小，這表明tBERS＊是5個(gè)方案中時(shí)間效率最高的方案.

圖6b強(qiáng)調(diào)了當(dāng)Hr＝10時(shí)5個(gè)方案的延遲，從圖6b中可以看到，tBERS優(yōu)于BERS，tBERS＊優(yōu)于BERS＊，時(shí)間效率最高的方案是tBERS＊，然后依次是BERS＊，tBERS和ERS，最后是BERS.當(dāng)Hr為10時(shí)，tBERS＊比BERS＊的時(shí)間效率提高約12%.

類似的，當(dāng)Hr為10時(shí)，tBERS比BERS的延遲減少約7.5%.

圖6 5個(gè)方案的時(shí)延比較

3.2 能耗比較

能耗比較的結(jié)果見圖7.

圖7 5個(gè)方案的能耗比較

圖7a是5個(gè)方案對Hr的能耗圖，能耗隨著Hr的增加而增加，BERS和tBERS產(chǎn)生相同的能耗，這2個(gè)方案是能源效率最高的方案，tBERS＊的能耗級別低于BERS＊，相比于BERS＊，當(dāng)Hr為10時(shí)，tBERS＊可節(jié)能約6%.

圖7b強(qiáng)調(diào)了Hr為10時(shí)5個(gè)方案的能耗，表明BERS和tBERS是能源效率最高的方案，相比于BERS＊，tBERS＊消耗的能源略低.

3.3 成本比較

為了比較各算法的整體性能，本文使用文獻(xiàn)［15］提出的產(chǎn)品模型，將全部成本定義為產(chǎn)品的能耗量乘以延遲量，即C＝E＊T，各算法的全部成本比較結(jié)果如圖8所示，圖8a顯示了5種方案中每個(gè)方案對Hr的能源時(shí)效.

圖8 5種方案的能源時(shí)效

從圖8a可以看出，tBERS＊是5個(gè)方案中能源時(shí)效最高的方案，其次是BERS＊.這意味著本文提出的新策略tBERS和tBERS＊分別改進(jìn)了現(xiàn)有協(xié)議BERS和BERS＊，tBERS的整體成本低于BERS對應(yīng)的成本.

圖8b強(qiáng)調(diào)了Hr為10時(shí)的成本比較，可以看出，tBERS＊比BERS＊的能源時(shí)效提高了近19%.

4 結(jié)束語

本文提出了一種基于路由節(jié)點(diǎn)泛洪終止的擴(kuò)展環(huán)形搜索改進(jìn)算法，最初旨在進(jìn)一步減少2個(gè)現(xiàn)存能源或能源時(shí)效協(xié)議BERS和BERS＊的延遲，對tBERS和tBERS＊的研究結(jié)果表明，tBERS和tBERS＊是時(shí)間和能源時(shí)效更有效的2個(gè)路由協(xié)議.首先，在tBERS和tBERS＊中通過轉(zhuǎn)換終止從源節(jié)點(diǎn)到路由節(jié)點(diǎn)的泛洪義務(wù)，分別得到了比BERS更高的時(shí)效，比BERS＊更高的時(shí)間效率和能源效率，這表明在集體環(huán)境中重新分布工作負(fù)載可能會有潛在的收益.其次，本文研究中的并發(fā)對提高時(shí)間效率是有用的，而延遲和能耗有權(quán)衡的本質(zhì)，所以并發(fā)既能改善時(shí)間效率，也能改善能源效率.此外，既考慮時(shí)間效率也考慮能源消耗時(shí)效是調(diào)查整體性能的一個(gè)有用度量，單獨(dú)在時(shí)間效率或者能源效率上的結(jié)果可能是片面的、不完整的，有時(shí)還會產(chǎn)生誤導(dǎo)，同時(shí)考慮時(shí)間和能耗是有益的.

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