移動Ad hoc網(wǎng)基于鏈路質(zhì)量和局部拓?fù)涞臋C(jī)會路由協(xié)議

汪紅霞

(安徽新華學(xué)院 信息工程學(xué)院, 合肥 230088)

移動自組織網(wǎng)絡(luò)(MANETs)是通過無線鏈路連接組成的一組可移動節(jié)點。在不借助靜態(tài)基礎(chǔ)設(shè)施的情況下，無線自組網(wǎng)中的每個節(jié)點都充當(dāng)路由器，將數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)給其它節(jié)點。在傳統(tǒng)的無線自組網(wǎng)路由協(xié)議(主動式或被動式)中，每個源節(jié)點或中繼節(jié)點維護(hù)一張路由表來保存到達(dá)其它節(jié)點的路徑。在反應(yīng)式路由協(xié)議中，當(dāng)一個節(jié)點想要與另一個節(jié)點通信時，如果連接兩個節(jié)點的路徑在路由表中沒有找到，路由發(fā)現(xiàn)過程就會啟動并在網(wǎng)絡(luò)中廣播一個路由請求包。當(dāng)鏈路斷開時，將啟動一個新的路由發(fā)現(xiàn)。因此，反應(yīng)式路由協(xié)議在路由發(fā)現(xiàn)中可能引起很大的負(fù)載。另一方面，在主動式路由協(xié)議中，節(jié)點通過周期性的交換路由信息包維護(hù)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫畔?。傳統(tǒng)的確定性路由協(xié)議適合靜態(tài)或低動態(tài)環(huán)境。然而，在高速移動場景下，由于節(jié)點的移動拓?fù)漕l繁的改變，造成了每一個移動的節(jié)點很難維護(hù)確定性的路由。頻繁交換拓?fù)涓滦畔⒁矔?dǎo)致資源的浪費。

機(jī)會路由利用廣播的特性，使用某種路由度量來確定轉(zhuǎn)發(fā)優(yōu)先級。數(shù)據(jù)包以單跳廣播的方式被轉(zhuǎn)發(fā)，所以在轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包之前不需要維護(hù)確定的路由。與傳統(tǒng)的路由相比，機(jī)會路由可以很好地適應(yīng)節(jié)點頻繁移動和拓?fù)湫畔㈦y以維護(hù)的場景，克服了不可靠的無線傳輸?shù)谋锥恕?/p>

然而，利用拓?fù)湫畔⒑鸵苿有蕴卣鳛橐苿訄鼍霸O(shè)計路由協(xié)議仍存在挑戰(zhàn)[1]?；谕?fù)涞臋C(jī)會路由協(xié)議,例如ExOR[2]在維護(hù)全局拓?fù)湫畔r存在很大的困難，它需要和相鄰節(jié)點頻繁的交換信息[3]。基于地理信息的機(jī)會路由在解決路由空洞問題上需要花費額外的負(fù)載[4]，這意味著這個節(jié)點除了本身外不能找到離目的節(jié)點更近的節(jié)點。況且，由于節(jié)點的移動性，地理轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制不可能總是較適合的。一方面，機(jī)會路由將廣播作為轉(zhuǎn)發(fā)方法。這樣，當(dāng)一個節(jié)點向鄰居節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包時，它可能會遭受來自其它發(fā)送節(jié)點的干擾，這將影響無線傳輸。另一方面，在移動自組網(wǎng)中，所有節(jié)點不可以預(yù)測地移動導(dǎo)致兩個通信節(jié)點距離的變化。隨著彼此之間移進(jìn)或移出通信半徑，節(jié)點之間的鏈路質(zhì)量發(fā)生變化，這也影響了無線傳輸。

本文為移動自組織網(wǎng)提出一種基于鏈路質(zhì)量和局部拓?fù)錂C(jī)會路由協(xié)議，該協(xié)議綜合考慮移動場景下的拓?fù)湮恢眯畔⒑屠酶蓴_與移動性去優(yōu)化機(jī)會路由的兩個關(guān)鍵過程：候選集的選擇和節(jié)點的優(yōu)先級的評定，從而本文的主要貢獻(xiàn)如下：

(1)為發(fā)送節(jié)點確定候選節(jié)點集合。本文提出的協(xié)議綜合考慮了MAC層引入的干擾以及節(jié)點移動性導(dǎo)致的鏈路剩余生存期的變化，通過更準(zhǔn)確的評定節(jié)點間的鏈路質(zhì)量確定更合適的候選節(jié)點集合。

(2)為候選節(jié)點評定優(yōu)先級。本文提出的協(xié)議綜合考慮了兩跳范圍內(nèi)的位置信息、局部拓?fù)湫畔⒁约肮?jié)點移動的自適應(yīng)性，選出合適的轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點，降低路由空洞的出現(xiàn)次數(shù)。

1 相關(guān)工作

機(jī)會路由可以歸結(jié)為三大類：基于拓?fù)涞?、地理位置的和混合的機(jī)會路由。Biswas[2]等提出一種基于拓?fù)涞臋C(jī)會路由稱ExOR。ExOR首先在候選集中通過節(jié)點序列轉(zhuǎn)發(fā)每個數(shù)據(jù)包，然后確定根據(jù)期望傳輸次數(shù)(ETX)選擇哪個節(jié)點作為轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點，ETX即所有節(jié)點成功接收數(shù)據(jù)包數(shù)。然而，在移動自組織網(wǎng)中，每個節(jié)點可能隨機(jī)頻繁地移動。估計一條不穩(wěn)定路徑上的ETX是很困難的，而且鏈路相關(guān)也影響ETX的準(zhǔn)確性[5]。Wang等人[6]提出一種局部協(xié)作中繼方法以擴(kuò)展ExOR，這樣可以進(jìn)一步探索廣播特性和橋梁失效鏈接。它利用多個不在候選集中的節(jié)點進(jìn)行機(jī)會數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)來維持一個健壯的拓?fù)洹ang等人[7]提出一種基于節(jié)點地理位置的機(jī)會路由。前一跳根據(jù)本地位置信息確定預(yù)定義的順序。預(yù)定義的順序插入節(jié)點IP報頭中以通知候選集中的節(jié)點。Seada等人[8]研究了基于鏈路損耗模型的多中轉(zhuǎn)發(fā)策略性能，分析了距離和跳數(shù)之間的權(quán)衡關(guān)系。他們發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)包接受率(PRR)和距離目的地距離相乘(PRR*D),是一個非常適合無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的地理轉(zhuǎn)發(fā)度量。然而，PRR*D度量可以被推薦用于靜態(tài)或低動態(tài)環(huán)境中，如環(huán)境監(jiān)測。在高動態(tài)環(huán)境下，整個時間鏈路質(zhì)量可能變化很大，PRR的穩(wěn)定估計可能無法獲得。Zhao等人[9]提出混合式協(xié)議CAOR，其中候選集每個節(jié)點利用采用多跨層信息，如地理進(jìn)程、能量、鏈路質(zhì)量和移動來決定自己的優(yōu)先級。具有最高優(yōu)先級的節(jié)點具有轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包的權(quán)限，CAOR也能調(diào)整在運行時上下文信息的權(quán)重。

2 基于鏈路質(zhì)量和局部拓?fù)涞臋C(jī)會路由

當(dāng)源節(jié)點需要發(fā)送數(shù)據(jù)包到目的節(jié)點時，OR-LqT首先會選擇候選集中具有優(yōu)先權(quán)的節(jié)點作為下一跳，然后再到候選集中所有節(jié)點。每一個收到數(shù)據(jù)包的節(jié)點發(fā)送一個ACK應(yīng)答源節(jié)點。然后根據(jù)ACK源節(jié)點為候選集所有節(jié)點分配優(yōu)先級。具有最高優(yōu)先級的節(jié)點將數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)給鄰居并繼續(xù)該過程，直到數(shù)據(jù)包到達(dá)目的節(jié)點為止。

地理信息可以引導(dǎo)機(jī)會路由協(xié)議向正確的方向轉(zhuǎn)發(fā)，并加速協(xié)議的收斂性。然而，它也可能會導(dǎo)致路由空洞。這種邊界轉(zhuǎn)發(fā)方案產(chǎn)生了數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)死角區(qū)。雖然一些機(jī)制被提出用來解決這個問題，但需要花費額外的時延和跳數(shù)。拓?fù)湫畔⒖梢栽谝欢ǔ潭壬戏从尘W(wǎng)絡(luò)的全局連接，可以引導(dǎo)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包朝正確的方向轉(zhuǎn)發(fā)，然而，由于無線自組網(wǎng)的維護(hù)成本高，拓?fù)湫畔⒑茈y獲得。一個好的機(jī)會路由在無線自組網(wǎng)應(yīng)具有快速收斂和低成本轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包。更重要的是，它應(yīng)該適應(yīng)節(jié)點移動帶來的頻繁變化的拓?fù)洹?/p>

本文將分別討論機(jī)會路由中候選集和優(yōu)先級這兩個處理過程，以及它們的決定因素。

2.1 候選集的影響因素

候選集的選擇是控制機(jī)會路由負(fù)載的一個重要程序。只有侯選集里的節(jié)點才有權(quán)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包。如果集合太大，有限的能量就會被浪費很多。因為有些節(jié)點可能收到冗余包，這會給其他的發(fā)送節(jié)點造成大量的干擾。如果集合太小，它可能轉(zhuǎn)發(fā)失敗。本案確定候選集的決定性因素是傳輸時的鏈路質(zhì)量，這是由機(jī)會路由的特征決定的。機(jī)會路由利用廣播特性，每次轉(zhuǎn)發(fā)都是一個新的程序，與上一次轉(zhuǎn)發(fā)毫無聯(lián)系。如果鏈路質(zhì)量好就足以完成轉(zhuǎn)發(fā)。節(jié)點可能被選做發(fā)送節(jié)點集。當(dāng)發(fā)送節(jié)點需要轉(zhuǎn)下一次數(shù)據(jù)包時，需要開啟一個新的廣播。

與無線網(wǎng)絡(luò)不同，在移動Ad hoc網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點隨意地獨立移動，這個節(jié)點的移動可能引起鏈路質(zhì)量的變化。因此，解決變化的鏈路質(zhì)量問題需精確的鏈路質(zhì)量測量。精確的鏈路質(zhì)量測量可以降低發(fā)現(xiàn)成本、減少未知鏈路質(zhì)量引起的數(shù)據(jù)重發(fā)；同時，還需要具備高效、靈活、低成本等特性。

2.2 哪些候選節(jié)點應(yīng)獲得更高的優(yōu)先級

為所有候選做優(yōu)化是機(jī)會路由中的一個重要過程，它決定了不同候選的轉(zhuǎn)發(fā)概率。一個好的優(yōu)化方案，可以提高轉(zhuǎn)發(fā)效率和避免重復(fù)轉(zhuǎn)發(fā)。在無線自組織網(wǎng)絡(luò)中，優(yōu)先級由兩個因素決定，一個是地理位置，另一個是移動適應(yīng)性。位置意味著下一個節(jié)點應(yīng)該有一個更接近目標(biāo)的的節(jié)點。移動適應(yīng)性有兩層含義：一是下一個節(jié)點應(yīng)該有一個正確移動趨勢。當(dāng)節(jié)點朝目標(biāo)節(jié)點相反方向移動時，它不是很好的下一跳選擇，即使它有一個更近目標(biāo)的位置，它也可能將數(shù)據(jù)包傳送到一個不必要的區(qū)域，所以，這個數(shù)據(jù)包可能被轉(zhuǎn)發(fā)遠(yuǎn)離目的地。移動趨勢的另一層含義是，下一個節(jié)點還應(yīng)該有它的下一跳選擇。當(dāng)發(fā)送節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包到下一個節(jié)點時，需要考慮下一個節(jié)點的下一跳選擇。這是一個重要的概念,因為，雖然對于下一個節(jié)點來說是一跳的信息，但對于發(fā)送節(jié)點來說是一個兩跳的信息，更多了解候選集的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)能夠有效降低路由空洞產(chǎn)生的概率。

2.3 詳細(xì)設(shè)計

一個精確的鏈路質(zhì)量測量可以幫助節(jié)點在一個更穩(wěn)定的環(huán)境中通信，可以減少沖突概率和重傳次數(shù)。自組織網(wǎng)中，兩個節(jié)點之間通信受節(jié)點移動性和沖突的影響。節(jié)點的移動性引起兩個節(jié)點之間距離的變化，從而導(dǎo)致變化的鏈路質(zhì)量。當(dāng)一個節(jié)點發(fā)送一個數(shù)據(jù)包給另一個節(jié)點時，數(shù)據(jù)包可能會遇到從其它同步數(shù)據(jù)包傳輸?shù)臎_突。本文同時考慮節(jié)點的移動性和沖突。

關(guān)于沖突的影響。當(dāng)一個節(jié)點s想要發(fā)送數(shù)據(jù)包，節(jié)點s成功傳輸數(shù)據(jù)包給節(jié)點r的概率為：

Psucc=1-(PaPc)N,

(1)

其中，Pa為結(jié)點s，是在一個虛擬時間槽內(nèi)試圖傳輸?shù)母怕?，Pc為假定傳輸條件下的沖突概率，N為有限的重傳次數(shù)。

Pc=1-(1-pa)|CS∩INr|,

(2)

其中|CS∩INr|是在載波偵聽范圍(CS)和干擾區(qū)(INr)干擾結(jié)點次數(shù)。從文獻(xiàn)[10]獲知：

(3)

至于移動性影響，使用一個簡單而有效的方案估計兩個節(jié)點移出彼此通信范圍的概率，文獻(xiàn)[11]假設(shè)D0、D1和D2是節(jié)點s和節(jié)點r在T0、T1和T2時刻之間的距離。在t時刻的距離可以表示為D(t)2=At2+Bt+C，能夠得出：

(4)

其中，t1=T1-T0，t2=T2-T0。

RLL(t)=Tb-t=tb+T0-t

(5)

則節(jié)點s和節(jié)點r之間的鏈路穩(wěn)定性可以表示為：

(6)

由公式(1)和(6)，可以得出節(jié)點之間的鏈路質(zhì)量為：

Pq=Psucc*Ps,

(7)

本文使用Pq來選擇候選集。當(dāng)節(jié)點i和發(fā)送節(jié)點s之間的鏈路質(zhì)量Pq滿足Pq>ε時，節(jié)點i可以被選作為候選節(jié)點集中的候選，ε是一個域值。

在候選集中要選擇一個最佳的轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點，需要把兩跳相關(guān)的位置信息、局部拓?fù)浜鸵苿舆m應(yīng)都考慮在內(nèi)。離目的地較近的位置，可以減少傳輸期間的跳數(shù)，從而降低路由協(xié)議的成本。然而，一味的求近也會讓路由空洞產(chǎn)生更多無用的邊界轉(zhuǎn)發(fā)。移動適應(yīng)性矯正優(yōu)化傳輸方向。在網(wǎng)絡(luò)中這點很重要，因為一個朝目的節(jié)點相反方向移動的節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)有負(fù)面的影響，應(yīng)該消除這種節(jié)點。此外，這樣的節(jié)點可能會導(dǎo)致路由空洞，也應(yīng)該被淘汰。

綜上所述，當(dāng)節(jié)點s轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包時，下一個節(jié)點應(yīng)該位于節(jié)點s和目標(biāo)節(jié)點組成的矩形區(qū)域內(nèi)。當(dāng)一個節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)包給鄰居時，會插入自己當(dāng)前位置的信息。鄰居接收到數(shù)據(jù)后，會重新計算發(fā)送節(jié)點的位置，更新自己的鄰居集。節(jié)點i的優(yōu)先級定義為：

(8)

圖1 節(jié)點i的優(yōu)先級的示例

本文修改了ACKs、hello和數(shù)據(jù)包的格式。在ACK包中插入移動自適應(yīng)信息、“更好的鄰居”集和位置，使發(fā)送節(jié)點能夠作優(yōu)先級的評估。在hello包和數(shù)據(jù)包中插入發(fā)送節(jié)點的位置和鄰居信息，使接收者能夠更新其“更好的鄰居”集。

圖1闡述了節(jié)點i的優(yōu)化，算法1描述了OR-LqT協(xié)議。

算法1基于鏈路質(zhì)量與局部拓?fù)湫畔⒌臋C(jī)會路由協(xié)議定義：Ns()：節(jié)點s的鄰居集.Nbs()：離節(jié)點s到目的地更近的一組鄰居集.Lqs，a()：節(jié)點s與節(jié)點a之間的鏈路質(zhì)量.Cs()：節(jié)點s的候選集.ds，D：節(jié)點S與節(jié)點D之間的距離.ifnodesreceivesadatapacketfromnodeathen{replyanACKwithNbs()Ns()andmovingdirectionmd}endififnodeshasadatapackettoforward：then{determinethecandidatesetCs()basedonlinkqualityLqs，a()}{broadcastthepackettoallthenodesinCs()；}endififnodesreceivesanACKfromnodekthen{computethepriority；}foreverynodeiinCs()doifmd>0&&Nbi()！=0thenPr=1-di，Dds，D?è???÷×Nbi()Ni()endifendforendif

3 協(xié)議實現(xiàn)和性能評價

本文利用NS-2，將PRR*d[8]、貪婪地理路由協(xié)議GPSR[4]、反應(yīng)式路由協(xié)議AODV協(xié)議[12]和OR-LqT進(jìn)行對比仿真。設(shè)置網(wǎng)絡(luò)45,80,125,180個節(jié)點的傳輸范圍250米和每12500平方一個節(jié)點的密度。移動模型采用隨機(jī)移動模型(RWP)[13]暫停時間為0秒。仿真參數(shù)如表1所示。

表1 仿真參數(shù)

對比不同的移動速度與鏈路質(zhì)量參數(shù)，使用空洞數(shù)、丟包率、時延和路由負(fù)載度量反映這些協(xié)議性能實驗結(jié)果如下：

空洞數(shù)：空洞節(jié)點意味著除了自己不能找到一個更接近目的地的節(jié)點。圖2顯示了傳統(tǒng)的GPSP、PRR*d和OR_LqT空洞的數(shù)量。在GPSR和PRR*d中貪婪轉(zhuǎn)發(fā)可能產(chǎn)生一個局部最大值，這意味著一個節(jié)點不能找到比它自己更好的下一跳。在本文的OR_LqT協(xié)議里，拓?fù)浜偷乩硇畔⒍急豢紤]，其中包含移動自適應(yīng)性和位置。移動自適應(yīng)性，指示移動方向和一個更好下一次選擇，矯正轉(zhuǎn)發(fā)到最佳區(qū)域并減少空洞數(shù)。與GPSR協(xié)議相比，減少了41.5%的空洞數(shù)目，而與PRR*d相比，OR_LqT減少了大約33.5%。

圖2 空洞數(shù)與節(jié)點數(shù)的關(guān)系圖

圖3 丟包率與節(jié)點數(shù)的關(guān)系圖

丟包率：比較OR_LqT與其他協(xié)議的丟包率。圖3顯示，在GPSR中采用貪婪轉(zhuǎn)發(fā)，而在PRR*d候選集選擇地理距離和鏈路成功接收率乘積的最大值。在AODV中，節(jié)點的移動性導(dǎo)致拓?fù)漕l繁變化和鏈路故障的發(fā)生。因此，它增加了丟包率。在OR_LqT協(xié)議中可以獲得更精確的鏈路質(zhì)量測量，這種測量考慮了干擾和移動性，使用了MAC層成功傳輸概率的信息和路由層的移動模型。因此,避免了不穩(wěn)定的傳輸。平均而言，OR_LqT與AODV相比丟包率減少大約62%，與PRR*d相比，丟包率減少大約21%。

圖4 平均端到端時延與節(jié)點數(shù)的關(guān)系圖

圖5 標(biāo)準(zhǔn)化路由負(fù)載與節(jié)點數(shù)的關(guān)系圖

平均端到端時延：圖4顯示所提出的OR_LqT，PRR*d，GPSR和AODV的平均時延。在AODV協(xié)議中，每個節(jié)點保持一個確定的路由。頻繁的鏈路故障引起了很多的改變，從而增加路由發(fā)現(xiàn)的次數(shù)。也增加了平均時延。因為GPSR僅考慮地理轉(zhuǎn)發(fā)，所以可能會導(dǎo)致路由空洞。邊界轉(zhuǎn)發(fā)為了擺脫空洞需要采取額外的跳數(shù)和時延，而提出的OR_LqT考慮了位置和移動適應(yīng)性。如圖2所示?？斩吹臄?shù)目隨著周邊轉(zhuǎn)發(fā)次數(shù)的減少而減少。此外，精確的鏈路質(zhì)量測量帶來一個更穩(wěn)定的傳輸環(huán)境，減少數(shù)據(jù)包的沖突概率和重傳次數(shù)。由于上述原因，平均時延降低。相比AODV協(xié)議，提出的OR_LqT降低了約61%的平均時延，而與PRR*d相比，平均時延降低約22%。

圖6 標(biāo)準(zhǔn)化路由負(fù)載與速度的關(guān)系圖

標(biāo)準(zhǔn)化路由負(fù)載：圖5顯示了OR_LqT、PRR*d、GPSR和AODV的負(fù)載。機(jī)會路由負(fù)載計數(shù)了hello包和ACK的數(shù)量，而路由控制分組的數(shù)量，像RREQ、RREP和hello包都算在AODV路由協(xié)議中。當(dāng)路由失敗時，一個新的路由發(fā)現(xiàn)開啟。因此，在AODV中增加了路由控制包的數(shù)量和路由負(fù)載。然而，機(jī)會路由數(shù)據(jù)包被廣播轉(zhuǎn)發(fā)，在AODV協(xié)議中較少的路由控制包產(chǎn)生，包的大小如ACK也比RREQ、RREP、RRER包小。如上圖所示。OR_lqT降低了丟包率和空洞數(shù)，以至于重傳和去除空洞的額外轉(zhuǎn)發(fā)次數(shù)也減少，因此，降低了負(fù)載。平均而言，與PRR * D相比，負(fù)載減少了約21%，與GPSR相比，負(fù)載減少約32%。

OR_lqT針對高速動態(tài)環(huán)境，本文也驗證了其在不同場景下的性能。仿真了四個不同的協(xié)議在網(wǎng)絡(luò)大小為1250*1250平方米和125個節(jié)點，速度從0m/s到20m/s。圖6顯示變化速度的標(biāo)準(zhǔn)化路由負(fù)載。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)是靜態(tài)或者接近靜態(tài)時，通過路由發(fā)現(xiàn)獲得的路由信息可以維持很長一段時間。因此，AODV比機(jī)會路由性能更好，但在AODV中，隨著節(jié)點速度的增加，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的變化更頻繁，路由發(fā)現(xiàn)次數(shù)增多，導(dǎo)致更多的負(fù)載。

5 結(jié)語

本文為移動Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)提出了一種基于鏈路質(zhì)量和局部拓?fù)涞臋C(jī)會路由協(xié)議。該協(xié)議通過鏈路質(zhì)量選擇候選集，并通過優(yōu)先級選擇下一個轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點，增加直接轉(zhuǎn)發(fā)概率，減少路由空洞數(shù)。其中鏈路質(zhì)量同時考慮了干擾和節(jié)點的移動性，而候選集的優(yōu)先級則根據(jù)它們的位置、局部拓?fù)浜鸵苿舆m應(yīng)性來決定。仿真結(jié)果表明，同樣的移動環(huán)境下，本文提出的OR_LqT在空洞數(shù)量、平均時延、丟包率和負(fù)載方面比其它路由協(xié)議具有更好的性能。

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