一種減少移動自組織網(wǎng)絡(luò)能量消耗的新方法*

蘇賽語 ，王小平 ，2，林秦穎 ，2，王路通

（1.空軍工程大學(xué)航空航天工程學(xué)院，西安 710038；2.西安交通大學(xué)電信學(xué)院，西安 710045）

0 引言

移動自組織網(wǎng)絡(luò)（Mobile Ad Hoc Networks，MANETs）是由一群移動節(jié)點(diǎn)，通過無線連接組成的臨時(shí)網(wǎng)絡(luò)，并不需要任何基礎(chǔ)設(shè)施［1］。MANETs中的路由協(xié)議可以分為基于拓?fù)涞穆酚珊突谖恢玫穆酚蓛纱箢?，其中基于拓?fù)涞穆酚蓞f(xié)議又可分成主動路由、被動路由和混合路由這3類［2］。MANETs是近年來無線通訊關(guān)注的熱點(diǎn)，與傳統(tǒng)的固定網(wǎng)絡(luò)相比MANETs具有成本低、部署快、配置方便等優(yōu)點(diǎn)，使它被廣泛使用在軍事、災(zāi)難救援、環(huán)境監(jiān)控等場合［3］。

實(shí)際上MANETs中節(jié)點(diǎn)的能量和可用的帶寬是有限的，節(jié)點(diǎn)的移動和節(jié)點(diǎn)有限的能量直接影響數(shù)據(jù)包的傳輸效率，如果傳輸鏈路的質(zhì)量很差，鏈路的生存時(shí)間很短，那么鏈路就會經(jīng)常發(fā)生斷裂。鏈路斷裂會造成數(shù)據(jù)包的丟失，因此，鏈路的穩(wěn)定性決定了路由的性能［4］。

大多數(shù)的路由協(xié)議并沒有考慮節(jié)點(diǎn)能量對網(wǎng)絡(luò)性能的影響，雖然基于能量感知的路由協(xié)議將節(jié)點(diǎn)的剩余能量作為一項(xiàng)評判指標(biāo)，然而這并不能延長整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的生存時(shí)間［5］。許多路由協(xié)議利用減少路由開銷，將節(jié)點(diǎn)處于休眠狀態(tài)，以可變的功率傳輸數(shù)據(jù)包，選擇能量利用率最高的路徑進(jìn)行傳輸?shù)确椒?，減少 MANETs中能量的消耗［6］。

本文提出了一種能量優(yōu)化路由（Energy Optimization Routing，EOR），EOR將鏈路的穩(wěn)定性作為一項(xiàng)路由指標(biāo)，并讓節(jié)點(diǎn)以可變的傳輸功率傳輸數(shù)據(jù)包，同時(shí)盡可能減少節(jié)點(diǎn)的過度利用。從而減少了路由開銷和能量消耗，進(jìn)而延長了網(wǎng)絡(luò)的壽命。

1 相關(guān)研究介紹

陳波提出了基于地理位置信息的功率感知路由協(xié)議（Power-Aware Ad Hoc On-demand Distance VectorRouting Based On Geographic Location，PG-AODV），結(jié)合節(jié)點(diǎn)的位置信息對鏈路的穩(wěn)定性進(jìn)行預(yù)測，并利用功率感知來輔助路由的建立和維護(hù)［7］。

文獻(xiàn)［8］在AODV基礎(chǔ)上，提出了一種鏈路斷裂預(yù)測算法（Link Breakage Prediction，LBP）。該算法使用被接收數(shù)據(jù)包的信號強(qiáng)度，來預(yù)測鏈路的斷裂時(shí)間。若檢測到鏈路即將斷裂，就向源節(jié)點(diǎn)發(fā)送警告，源節(jié)點(diǎn)將選出次優(yōu)路徑來替換將要斷裂的路徑。文獻(xiàn)［9］中建立模型估計(jì)了鏈路的穩(wěn)定性，提出了基于穩(wěn)定性的路由協(xié)議（Stability Based Routing Protocol，SBRP）。SBRP中維持了兩張路由表：單播路由表和多播路由表。多播路由表中包含了路徑穩(wěn)定性的值，該算法選擇穩(wěn)定值最大的鏈路來建立穩(wěn)定的路徑。

Lifetime Enhancement Routing（LER），LER 根據(jù)非關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的剩余能量來選擇路徑［10］。而節(jié)點(diǎn)的剩余能量又與節(jié)點(diǎn)的傳輸功率有關(guān)，LER中將節(jié)點(diǎn)i與節(jié)點(diǎn)j之間的鏈路生存時(shí)間定義如式（1）：

節(jié)點(diǎn)i，j為路徑P上的兩個(gè)相鄰節(jié)點(diǎn)，Lij為節(jié)點(diǎn)i和節(jié)點(diǎn)j之間鏈路的生存時(shí)間，REi為節(jié)點(diǎn)i的剩余能量，TPij為節(jié)點(diǎn)i與節(jié)點(diǎn)j之間選定的傳送功率。該協(xié)議根據(jù)鏈路生存時(shí)間來選擇路徑，路徑生存定義如式（2）。

在計(jì)算出所有的從源節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)的路徑生存時(shí)間之后，選擇最優(yōu)路徑進(jìn)行傳輸。

上述提及的路由協(xié)議大多存在一個(gè)問題，源節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)的路徑一旦選定之后，源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)對之間的所有流量都會從該路徑傳輸。在流量較大的情況下，節(jié)點(diǎn)的能量和整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的壽命將受到影響，路徑中關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的能量可能耗盡。

本文提出的能量優(yōu)化路由（Energy Optimization Routing，EOR）算法在選擇路徑時(shí)考慮了網(wǎng)絡(luò)當(dāng)前的流量狀況和能量的消耗速率，而且讓節(jié)點(diǎn)使用可變的傳輸功率傳輸數(shù)據(jù)包，同時(shí)限制了節(jié)點(diǎn)可建立的到特定的目的節(jié)點(diǎn)的路徑數(shù)量。

2 路徑選擇

本章主要對EOR的路徑選擇標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行介紹，EOR主要考慮了下列3個(gè)指標(biāo)：一是計(jì)算參與到路徑上的節(jié)點(diǎn)的剩余能量和能量消耗速率；二是節(jié)點(diǎn)以變化的傳輸功率傳輸數(shù)據(jù)包；三是為了減少參與到路徑中的節(jié)點(diǎn)的過度利用，限制了參與到路徑中的節(jié)點(diǎn)建立到目的節(jié)點(diǎn)的路徑數(shù)量。

2.1 參數(shù)計(jì)算

本文所提出的能量優(yōu)化算法基于能量消耗模型，采用文獻(xiàn)［11］提出的方法來計(jì)算單個(gè)節(jié)點(diǎn)i的能量消耗。傳輸數(shù)據(jù)包的能量消耗與傳輸?shù)木嚯x成正比，導(dǎo)出在MANETs中傳送或接收K比特?cái)?shù)據(jù)包所需的能量具體如下：

當(dāng)t等于6時(shí)，節(jié)點(diǎn)的剩余能量與節(jié)點(diǎn)的初始能量相等。用LTi（t）表示節(jié)點(diǎn)i在t時(shí)刻的生存時(shí)間則LTi（t）表示如式（10）：

設(shè)Pi為路徑P上所有節(jié)點(diǎn)的集合，Pi={n1，n2，…，ni，…nd}，其中 n1，nd分別為源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)，ni為中間節(jié)點(diǎn)。用PLi表示路徑P的生存時(shí)間，則PLi表示如式（11）：

路由請求（Route Request，RREQ）包含從源節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)的所有中間節(jié)點(diǎn)的信息，一旦目的節(jié)點(diǎn)接收到RREQ，它就會計(jì)算該路徑的生存時(shí)間。目的節(jié)點(diǎn)計(jì)算出所有的從源節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)的路徑的生存時(shí)間，并根據(jù)式（12）選擇最優(yōu)路徑。

P*為從源節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)的所有路徑的集合，Popt為從源節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)的最優(yōu)路徑。

2.2 減小節(jié)點(diǎn)的過度利用

節(jié)點(diǎn)的過度利用會限制網(wǎng)絡(luò)的生存時(shí)間，當(dāng)大量的流量通過一條路徑傳輸，會使該路徑上關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的能量耗盡從而導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)失效。這就影響了網(wǎng)絡(luò)的連通性，降低了網(wǎng)絡(luò)的生存時(shí)間。

為了減少最優(yōu)路徑上中間節(jié)點(diǎn)的過度利用，在最優(yōu)路徑選定后，限定了最優(yōu)路徑上中間節(jié)點(diǎn)到當(dāng)前目的節(jié)點(diǎn)的可連接路徑數(shù)。如果中間節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)的可連接路徑數(shù)達(dá)到了極限，就會丟棄RREQ報(bào)文。中間節(jié)點(diǎn)丟棄RREQ后，將到目的節(jié)點(diǎn)的可連接路徑數(shù)加一。因?yàn)閬G棄RREQ的中間節(jié)點(diǎn)，可能是到當(dāng)前目的節(jié)點(diǎn)路徑上的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)。將限制數(shù)加一后，中間節(jié)點(diǎn)就會轉(zhuǎn)發(fā)后續(xù)的RREQ，便能建立一條新的路徑。

通過設(shè)定中間節(jié)點(diǎn)的連接限制，盡可能地減少中間節(jié)點(diǎn)的過度利用。而且起到了負(fù)載均衡的效果，同時(shí)也減少了網(wǎng)絡(luò)中RREQ報(bào)文的數(shù)量。

2.3 傳輸功率估計(jì)

功率控制是設(shè)計(jì)MANETs路由協(xié)議的一項(xiàng)關(guān)鍵問題，傳統(tǒng)的按需路由協(xié)議都以恒定的功率傳輸數(shù)據(jù)包。文獻(xiàn)［13］指出基于功率控制技術(shù)，以可變的功率傳輸數(shù)據(jù)將節(jié)省大量的能量。文獻(xiàn)［13］中根據(jù)傳輸范圍的變化改變傳輸功率，以此來達(dá)到節(jié)約能量的目的。

根據(jù)節(jié)點(diǎn)的移動和節(jié)點(diǎn)的位置信息，讓最優(yōu)路徑上的中間節(jié)點(diǎn)，能以足夠大的傳輸功率將數(shù)據(jù)包傳輸?shù)剿南乱惶?jié)點(diǎn)。中間節(jié)點(diǎn)根據(jù)下一跳節(jié)點(diǎn)的地理位置和移動特性，估計(jì)所需的傳輸功率。中間節(jié)點(diǎn)i估計(jì)到下一跳節(jié)點(diǎn)j的傳輸功率TP如式（13）：

D表示節(jié)點(diǎn)i，j之間的幾何距離，考慮到節(jié)點(diǎn)的移動，Δ為節(jié)點(diǎn)之間預(yù)計(jì)的距離變化，α為路徑損耗指數(shù)，它的取值為［2，4］，A為常數(shù)?，F(xiàn)將Δ的值表示如式（14）：

根據(jù)式（13）、式（14）節(jié)點(diǎn)自動估算出傳輸功率，并根據(jù)估算的傳輸功率進(jìn)行傳輸，從而節(jié)省了節(jié)點(diǎn)的能量，延長了網(wǎng)絡(luò)壽命。

3 路由過程

3.1 路由請求過程

源節(jié)點(diǎn)發(fā)送RREQ報(bào)文，開啟路徑發(fā)現(xiàn)過程。RREQ報(bào)文中包含一些特殊的信息，如源節(jié)點(diǎn)ID（Source-id）、目的節(jié)點(diǎn) ID（Destination-id）、序列號（Sequence number）、生存時(shí)間（Lifetime，LT）。

用下頁圖1來說明路由請求過程，節(jié)點(diǎn)S、D分別為源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)。S計(jì)算出自己的生存時(shí)間，并將自己的生存時(shí)間添加到RREQ報(bào)文中，再將報(bào)文廣播出去。中間節(jié)點(diǎn)一旦接收到RREQ報(bào)文，它首先計(jì)算自己的生存時(shí)間。若中間節(jié)點(diǎn)計(jì)算出自己的生存時(shí)間比RREQ報(bào)文中的小，則更新RREQ報(bào)文中的生存時(shí)間。若計(jì)算出的生存時(shí)間與RREQ報(bào)文中的相等或比它大，則保持報(bào)文中的生存時(shí)間不變。假設(shè)計(jì)算出的節(jié)點(diǎn) S、D、A、B、C、E、F、G 的生存時(shí)間分別為 40、33、32、11、14、27、35、26。如圖 1 所示，節(jié)點(diǎn)A的生存時(shí)間為32，它小于接收到的來自S的RREQ報(bào)文中S的生存時(shí)間40，因此，節(jié)點(diǎn)A將RREQ報(bào)文中的生存時(shí)間更新為自己的生存時(shí)間32，然后再將RREQ報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)出去。同理如圖1所示，節(jié)點(diǎn)C、E也做了同樣的處理，該過程一直持續(xù)到RREQ到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)。

3.2 路由回復(fù)過程

當(dāng)目的節(jié)點(diǎn)接收到來自每條路徑上的第一個(gè)RREQ報(bào)文時(shí)開始計(jì)時(shí)，計(jì)時(shí)結(jié)束后根據(jù)第2節(jié)描述的路徑選擇過程選擇最優(yōu)路徑。目的節(jié)點(diǎn)計(jì)算出每條路徑的生存時(shí)間，根據(jù)圖1可知，路徑S-A-BD，S-C-B-D，S-C-G-D，S-E-F-D 的路徑生存時(shí)間分別為 11、11、14、27。因此，路徑 S-E-F-D 的生存時(shí)間最大，所以目的節(jié)點(diǎn)選擇路徑S-E-F-D為最優(yōu)路徑。

目的節(jié)點(diǎn)選定最優(yōu)路徑之后，通過最優(yōu)路徑發(fā)送路由回復(fù)報(bào)文（Route Reply，RREP）。RREP 報(bào)文除了包含源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)的信息外，還包含節(jié)點(diǎn)的位置信息。RREP報(bào)文中也記錄了，中間節(jié)點(diǎn)接收到來自它的下一跳節(jié)點(diǎn)的RREP報(bào)文時(shí)的時(shí)間。

如圖2所示，目的節(jié)點(diǎn)D發(fā)送RREP報(bào)文給節(jié)點(diǎn)F，F(xiàn)接收到RREP以后更新自己路由表中的信息。表1表示了F路由表中的信息，路由表的下一跳記錄了最優(yōu)路徑上節(jié)點(diǎn)的下一跳信息，位置信息表示下一跳節(jié)點(diǎn)的位置。每個(gè)節(jié)點(diǎn)接收到RREP，更新自己的路由表，并將自己的位置信息加入到RREP中，然后再將RREP發(fā)送給下一節(jié)點(diǎn)。上述過程，一直持續(xù)到RREP報(bào)文到達(dá)源節(jié)點(diǎn)。

3.3 減少節(jié)點(diǎn)過度利用

為了減少最優(yōu)路徑上節(jié)點(diǎn)的過度利用，當(dāng)最優(yōu)路徑上的節(jié)點(diǎn)收到來自目的節(jié)點(diǎn)的RREP時(shí)，將不再接收其他節(jié)點(diǎn)到當(dāng)前目的節(jié)點(diǎn)的RREQ，此時(shí)節(jié)點(diǎn)將到當(dāng)前目的節(jié)點(diǎn)的可連接路徑數(shù)設(shè)為0。若最優(yōu)路徑上的中間節(jié)點(diǎn)，第一次接收到來自其他節(jié)點(diǎn)到當(dāng)前目的節(jié)點(diǎn)的RREQ，那么中間節(jié)點(diǎn)丟棄RREQ，同時(shí)將到當(dāng)前目的節(jié)點(diǎn)的可連接數(shù)設(shè)為1。若中間節(jié)點(diǎn)第二次接收到上次丟棄的其他節(jié)點(diǎn)到當(dāng)前目的RREQ，將轉(zhuǎn)發(fā)該RREQ。

減少節(jié)點(diǎn)過度利用的過程如圖3所示，此時(shí)目的節(jié)點(diǎn)已經(jīng)選擇最優(yōu)路徑S-E-F-D。中間節(jié)點(diǎn)E、F將到當(dāng)前目的節(jié)點(diǎn)D的可連接路徑數(shù)設(shè)為0，假設(shè)節(jié)點(diǎn)H此時(shí)想要和節(jié)點(diǎn)D通訊。節(jié)點(diǎn)E收到來自節(jié)點(diǎn)H的RREQ報(bào)文時(shí)，丟棄該報(bào)文。

表1 F節(jié)點(diǎn)路由表

當(dāng)節(jié)點(diǎn)E丟棄來自節(jié)點(diǎn)H的RREQ報(bào)文后，將到目的節(jié)點(diǎn)D的可連接路徑數(shù)設(shè)置為1。若節(jié)點(diǎn)H、D之間的連接建立了，則節(jié)點(diǎn)E不在該路徑上，因此，節(jié)點(diǎn)E沒有被過度利用。如果節(jié)點(diǎn)H、D之間沒有建立連接，說明節(jié)點(diǎn)E是建立節(jié)點(diǎn)H到節(jié)點(diǎn)D路徑上的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)。此時(shí)節(jié)點(diǎn)H再次發(fā)送RREQ報(bào)文，節(jié)點(diǎn)E收到之后，將自己的生存時(shí)間與RREQ報(bào)文中的進(jìn)行比較。然后再將RREQ報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)出去，該過程如圖4所示。

4 仿真分析

為了測試所提出算法的性能，將本文提出的算法在NS2［14］上仿真。并將本文提出的算法EOR與AODV［15］和LER進(jìn)行了比較，仿真主要參數(shù)設(shè)置如表2所示。仿真主要測量網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間（Network Lifetime）、能量消耗（Energy Consumption）、數(shù)據(jù)包傳輸效率（Packet Delivery Ratio）、端到端延時(shí)（End-to-End Delay）以及網(wǎng)絡(luò)中RREQ報(bào)文的數(shù)量（RREQ Packet Number）。仿真中將節(jié)點(diǎn)的初始能量設(shè)為 300 mAH，采用 CBR（Constant Bit Rate）數(shù)據(jù)源。仿真的節(jié)點(diǎn)數(shù)為60個(gè)節(jié)點(diǎn)，CBR的取值分別為5、10、15、20、25、30，節(jié)點(diǎn)移動模型采用隨機(jī)移動模型［16］。

表2 仿真參數(shù)設(shè)置

網(wǎng)絡(luò)的生存時(shí)間：是指網(wǎng)絡(luò)中第一次有節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)能量耗盡的時(shí)間。能量消耗是指：網(wǎng)絡(luò)中接收和傳輸數(shù)據(jù)包所消耗的能量。數(shù)據(jù)包傳輸效率是指：總的被接收到的數(shù)據(jù)包與總的傳送的數(shù)據(jù)包之比。端到端延時(shí)是指：數(shù)據(jù)包從離開源節(jié)點(diǎn)到抵達(dá)目的節(jié)點(diǎn)一共經(jīng)歷了多長時(shí)間的延時(shí)。網(wǎng)絡(luò)中RREQ報(bào)文的數(shù)量是指：網(wǎng)絡(luò)中轉(zhuǎn)發(fā)的RREQ報(bào)文的數(shù)量。

從圖5可知，EOR的網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間要高于AODV和LER，這是因?yàn)镋OR通過計(jì)算節(jié)點(diǎn)的能量消耗速率來選擇路徑。而AODV選擇路徑時(shí)沒有考慮能量因素，LER把非關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的剩余能量作為選路指標(biāo)。而且EOR減少了節(jié)點(diǎn)的過度利用，并以可變的傳輸功率傳輸數(shù)據(jù)包，有助于提高網(wǎng)絡(luò)的生存時(shí)間。

圖6結(jié)果顯示EOR與AODV、LER相比能量消耗更低，因?yàn)镋OR選擇了最優(yōu)路徑、控制了傳輸功率、減少RREQ報(bào)文的數(shù)量，所以能量消耗更少。由圖7、下頁圖8可知，隨著CBR連接增大，數(shù)據(jù)包傳輸效率降低，端到端延時(shí)增加。這是因?yàn)殡S著CBR的增大，網(wǎng)絡(luò)中的流量增大，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)性能下降。在圖9中，與AODV、LER相比，EOR中的RREQ數(shù)要低很多。因?yàn)橄拗屏斯?jié)點(diǎn)的可連接路徑數(shù)，因而降低了網(wǎng)絡(luò)中RREQ的數(shù)量。

5 結(jié)論

本文提出了一種新的能量優(yōu)化路由EOR，在選擇最優(yōu)路徑時(shí)考慮了節(jié)點(diǎn)的剩余能量，在最優(yōu)路徑選定之后限制了節(jié)點(diǎn)的可連接數(shù)，并使用可變的傳輸功率傳輸數(shù)據(jù)。通過仿真可以看出，本文提出的算法在能量消耗、網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間、網(wǎng)絡(luò)中RREQ的數(shù)量等方面均優(yōu)于AODV和LER。因此，本文提出的算法減少了網(wǎng)絡(luò)中的能量消耗、延長了網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間、控制了網(wǎng)絡(luò)中RREQ包的數(shù)量，從而優(yōu)化了MANETs的性能。

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