基于可靠性的自由空間光網(wǎng)絡(luò)路由算法①

尹榮榮 劉 蕾 楊綢綢 王 靜

(*燕山大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院 秦皇島 066004)(**燕山大學(xué)河北省特種光纖與光纖傳感器重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 秦皇島 066004)

0 引 言

自由空間光通信(free space optics communication，F(xiàn)SOC)是指利用紅外至紫外波段的光載波，在無(wú)波導(dǎo)傳輸媒介中傳輸信息的技術(shù)。FSOC系統(tǒng)具有通信速率高、保密性好、非授權(quán)頻譜等優(yōu)點(diǎn)[1，2]。但是，大氣湍流、大氣損耗以及發(fā)射機(jī)接收機(jī)之間的對(duì)準(zhǔn)誤差均會(huì)影響接收的光信號(hào)，進(jìn)而大幅降低了FSOC系統(tǒng)的通信性能。

為了提高FSOC系統(tǒng)的通信性能，文獻(xiàn)[3]分析了實(shí)際發(fā)射功率和信號(hào)衰減對(duì)接收光功率的影響。文獻(xiàn)[4]研究了在大氣湍流及瞄準(zhǔn)誤差聯(lián)合效應(yīng)下，改變通信系統(tǒng)參數(shù)，通信性能的變化情況。文獻(xiàn)[5]考慮接收光功率、相應(yīng)的電能、質(zhì)量因數(shù)等參數(shù)，對(duì)降雨環(huán)境下自由空間光學(xué)鏈路的性能進(jìn)行了分析。文獻(xiàn)[6]將多輸入多輸出方式與全光中繼方式結(jié)合，提出了一種全光協(xié)作的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。文獻(xiàn)[7]將多增益組合器方法引入到分集組合中，在不需要先驗(yàn)信道信息和自適應(yīng)增益調(diào)整的方式下，能保證提供接近最優(yōu)的性能。文獻(xiàn)[8]也通過(guò)中繼方式將長(zhǎng)鏈路分成短鏈路，提出了最優(yōu)中繼節(jié)點(diǎn)位置。文獻(xiàn)[9]則對(duì)三跳中繼的全光自由空間光鏈路進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了較高信噪比下湍流變強(qiáng)時(shí)三跳中繼能夠提高系統(tǒng)性能。上述FSOC系統(tǒng)和鏈路傳輸方式的研究成果可以有效提高通信鏈路的性能，但組網(wǎng)時(shí)除了考慮通信鏈路的性能，還需要兼顧網(wǎng)絡(luò)整體的性能。

目前對(duì)無(wú)線光網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)研究，主要針對(duì)節(jié)點(diǎn)間連接和網(wǎng)絡(luò)能量方面。文獻(xiàn)[10]提出了增大各節(jié)點(diǎn)相鄰鏈路之間的最小角度的方法，為自由空間光(free space optics，F(xiàn)SO)網(wǎng)絡(luò)提供了更高的連通性。文獻(xiàn)[11]統(tǒng)一了每個(gè)節(jié)點(diǎn)度的邊界，創(chuàng)建了一個(gè)具有強(qiáng)連接性和短直徑的拓?fù)?。文獻(xiàn)[12]對(duì)光通信系統(tǒng)中的衰減系數(shù)進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)估計(jì)鏈路衰減，提出了一種啟發(fā)式的路由集生成算法。文獻(xiàn)[13]通過(guò)最短路徑多跳方式與基站(base station，BS)通信，尋求傳感器間更均勻的能量負(fù)載分布。文獻(xiàn)[14]考慮了網(wǎng)絡(luò)能量因素，為了提高節(jié)點(diǎn)生存時(shí)間，改進(jìn)了分層網(wǎng)絡(luò)路由，提出了光學(xué)高效能量多路徑路由算法。然而文獻(xiàn)[10-14]均單一考慮節(jié)點(diǎn)間連通或網(wǎng)絡(luò)能量，不能保證網(wǎng)絡(luò)長(zhǎng)時(shí)間的可靠工作。

針對(duì)上述問(wèn)題，本文考慮中斷概率和接收光信號(hào)強(qiáng)度這2種性能指標(biāo)建立鏈路可靠性模型，對(duì)直傳鏈路和中繼鏈路2種方式進(jìn)行對(duì)比分析，確定選擇直傳或中繼通信方式的距離閾值。在此基礎(chǔ)上，選擇全向天線提高網(wǎng)絡(luò)連通性，同時(shí)考慮網(wǎng)絡(luò)能耗提出基于光學(xué)中繼的能耗均衡路由算法(a routing algorithm with balanced energy consumption by optical relay mode，BEC-ORM)。通過(guò)與其他算法仿真對(duì)比可知，該算法提升了網(wǎng)絡(luò)可靠性和能耗均衡性，驗(yàn)證了BEC-ORM算法的有效性。

1 鏈路可靠性建模

FSOC系統(tǒng)的可靠性與自由空間光在大氣中傳播特性緊密相關(guān)。因此從復(fù)合信道模型入手，求取鏈路接收的光信號(hào)強(qiáng)度和中斷概率，進(jìn)而考慮鏈路的接收光信號(hào)強(qiáng)度和中斷概率建立鏈路可靠性模型，得出網(wǎng)絡(luò)選擇直傳和中繼方式的通信依據(jù)。

1.1 信道模型

因?yàn)榇髿庖蛩貙?duì)FSOC影響嚴(yán)重，同時(shí)光發(fā)射機(jī)和光接收機(jī)的對(duì)準(zhǔn)也影響接收光信號(hào)強(qiáng)度，所以考慮大氣湍流、大氣損耗和瞄準(zhǔn)誤差這3種因素計(jì)算FSOC的通信損耗，建立包含大氣湍流、大氣損耗和瞄準(zhǔn)誤差的復(fù)合衰落信道模型，信道衰弱h可以表示為[5]

h=hlhahp

(1)

式(1)中，hl代表大氣損耗，ha代表大氣湍流造成的損耗，hp代表瞄準(zhǔn)誤差造成的損耗。

大氣損耗hl主要包含大氣的吸收和散射，表達(dá)式為

hl(z)=exp(-σ(λ)z)

(2)

式(2)中，z為通信距離，σ為大氣衰落系數(shù)，λ為波長(zhǎng)。

對(duì)于大氣湍流造成的損耗ha，根據(jù)Gamma-Gamma湍流模型，ha概率密度函數(shù)為[5]

(3)

瞄準(zhǔn)誤差損耗hp，其概率密度函數(shù)為

(4)

由式(1)～式(4)知，h概率密度函數(shù)式如下[1]：

(5)

將式(2)、式(3)和式(4)代入式(5)可得：

(6)

fh(h)=C1hC2

(7)

式中，

分析式(7)可知，C1是關(guān)于鏈路通信距離z有關(guān)的函數(shù)，因此隨著距離z的變化，信道衰弱h概率密度發(fā)生變化。

1.2 可靠性模型

通過(guò)上述獲得的信道衰弱概率密度函數(shù)(式(7))，首先計(jì)算通信鏈路的中斷概率和接收光信號(hào)強(qiáng)度，然后根據(jù)接收光信號(hào)和中斷概率建立鏈路的可靠性模型，在此基礎(chǔ)上分析隨著距離z的變化，直傳和中繼的鏈路可靠性變化情況，以獲取選擇直傳或中繼方式的距離閾值z(mì)th。

1.2.1 鏈路接收端接收的光信號(hào)

在FSOC系統(tǒng)中，設(shè)發(fā)射光信號(hào)為ys，平均值為m1，若2節(jié)點(diǎn)直接通信，直傳鏈路接收的光信號(hào)yD為

yD=h×ys+n0

(8)

其中n0為節(jié)點(diǎn)噪聲。

若2節(jié)點(diǎn)通過(guò)中繼方式進(jìn)行通信，設(shè)中繼節(jié)點(diǎn)在源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)連線的中點(diǎn)處，那么中繼節(jié)點(diǎn)接收的光信號(hào)為yR，平均值為mR。

yR=h×ys+n0

(9)

其中繼鏈路接收的光信號(hào)為

yDR=h×(G×yR+nA)+n0

(10)

1.2.2 中斷概率

在FSOC系統(tǒng)中，當(dāng)鏈路的容量不能滿足要求的傳輸速度時(shí)，鏈路就會(huì)發(fā)生中斷。而鏈路的容量和信噪比成正比關(guān)系，若給定信噪比閾值，當(dāng)鏈路的信噪比低于該閾值時(shí)，鏈路發(fā)生中斷，即每一條鏈路的中斷概率可以記為

po=pr(γ≤γth)

(11)

直傳鏈路時(shí)，信噪比和中斷概率分別為

γ=h×m1

(12)

(13)

中繼鏈路時(shí)，2條短鏈路的信噪比和鏈路中斷概率分別為

γ1=m1h,γ2=m2h

(14)

prout=Pr(γ1≤γth)+Pr(γ2≤γth)

(15)

從式(8)～式(15)可以看出，直傳鏈路和中繼鏈路的接收光信號(hào)和鏈路中斷概率都和信道衰弱h有關(guān)，由于信道衰弱h隨著距離z的變化而變化(式(7))，可知直傳鏈路和中繼鏈路的接收光信號(hào)和中斷概率均隨著距離z的變化而變化。

1.2.3 可靠性模型

在發(fā)射光信號(hào)不變的情況下，鏈路接收的光信號(hào)越多，代表鏈路通信越好，而中斷概率越小，則代表鏈路存在的可能性越大。為此，接收光信號(hào)越多，中斷概率越小，鏈路的通信可靠性就越高。根據(jù)上述中斷概率和接收光信號(hào)，建立網(wǎng)絡(luò)可靠性模型F，即為鏈路接收光信號(hào)和中斷概率的比值，那么直傳鏈路的可靠性FD可直接表示為

(16)

其中，信道衰弱h和大氣損耗hl都是關(guān)于距離z的函數(shù)。直傳鏈路時(shí)，隨著距離z變大，接收光信號(hào)越來(lái)越少，中斷概率變大，所以距離z越大，直傳鏈路可靠性越小，最終不再滿足通信要求。此時(shí)，需要加入中繼節(jié)點(diǎn)，把長(zhǎng)鏈路變?yōu)槎替溌?，中繼鏈路的可靠性則可以表示為

(17)

當(dāng)加入中繼節(jié)點(diǎn)時(shí)，在短距離通信時(shí)，鏈路中斷概率變化小，因?yàn)橹欣^節(jié)點(diǎn)放大轉(zhuǎn)發(fā)噪聲的影響，接收光信號(hào)受影響大，所以中繼鏈路可靠性小，而當(dāng)距離一定大時(shí)，中繼節(jié)點(diǎn)放大引入的噪聲影響對(duì)鏈路影響較小，并且中繼節(jié)點(diǎn)補(bǔ)償了信道衰減，增大了鏈路接收光信號(hào)強(qiáng)度并且降低了中斷概率，提高了鏈路可靠性。

1.2.4 距離閾值確定

從上述網(wǎng)絡(luò)可靠性模型分析中可知，直傳鏈路和中繼鏈路的可靠性均隨著通信距離的變化而變化，為此，根據(jù)通信距離d選擇合適的通信方式(直傳或中繼)，可達(dá)到提升網(wǎng)絡(luò)可靠性的目的，結(jié)合式(16)和式(17)可得鏈路可靠性模型：

F=max(FD，F(xiàn)R)

(18)

距離變化時(shí)，由直傳鏈路和中繼鏈路可靠性的分析可得，當(dāng)距離z較小時(shí)，F(xiàn)D大于FR，隨著距離z增大，F(xiàn)D與FR差距逐漸減小，并逐漸小于FR。所以，網(wǎng)絡(luò)存在距離閾值z(mì)th：當(dāng)2節(jié)點(diǎn)距離小于距離閾值z(mì)th時(shí)，F(xiàn)D≥FR，選擇直傳鏈路的方式通信；2節(jié)點(diǎn)距離大于距離閾值z(mì)th時(shí)，F(xiàn)D

2 光學(xué)中繼的能耗均衡路由算法BEC-ORM

在上述鏈路的可靠性模型的基礎(chǔ)上，同時(shí)考慮網(wǎng)絡(luò)能量，提出基于光學(xué)中繼的能耗均衡路由算法(BEC-ORM)，該算法包含簇頭選舉、簇建立和簇頭間通信3個(gè)部分。

2.1 簇頭選舉

為了使網(wǎng)絡(luò)所有節(jié)點(diǎn)的能耗更均衡，簇頭選舉考慮節(jié)點(diǎn)的剩余能量，此過(guò)程主要包含光通信能量模型建立、節(jié)點(diǎn)能耗分析和簇頭選舉。

2.1.1 能量模型

FSOC系統(tǒng)中，節(jié)點(diǎn)間采用FSO進(jìn)行通信，此時(shí)能量的消耗不僅與節(jié)點(diǎn)之間的距離有關(guān)，同時(shí)還與光學(xué)天線的激光掃描角度有關(guān)，如式(19)所示：

ETX(l,z,φ)=EPX(l,z,φ)+ETX_PE(l)

(19)

其中，EPX(l,z,φ)表示選用全向智能天線發(fā)送lbit數(shù)據(jù)所需要消耗的能量，ETX_PE(l) 表示對(duì)lbit數(shù)據(jù)的光信號(hào)進(jìn)行處理元器件所消耗的能量。EPX(l,z,φ)和ETX_PE(l)的具體表達(dá)式分別如下：

EPX(l,z,φ)=lεφz2

(20)

ETX_PE(l)=lETX_PE

(21)

其中，ε表示自由空間光波的能量系數(shù)，ETX_PE表示傳輸單位比特?cái)?shù)據(jù)光電子元器件消耗的能量。將式(20)和式(21)代入式(19)可得：

ETX(l,z,φ)=lεφz2+lETX_PE

(22)

而在光學(xué)接收端，接收單位比特?cái)?shù)據(jù)所需要消耗的能量是ERX，則接收l(shuí)bit數(shù)據(jù)需要消耗的能量為

ER=lERX

(23)

2.1.2 節(jié)點(diǎn)能耗

結(jié)合式(22)和式(23)，可以計(jì)算出每一輪數(shù)據(jù)傳輸完成時(shí)節(jié)點(diǎn)的總能量消耗，每一輪數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，設(shè)簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)均發(fā)送1 bit數(shù)據(jù)且節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)為n’，簇頭節(jié)點(diǎn)接收其簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)，需將數(shù)據(jù)融合后發(fā)送給基站或其他節(jié)點(diǎn)，當(dāng)簇頭和其他節(jié)點(diǎn)通信距離適合中繼通信時(shí)，尋找簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)充當(dāng)中繼節(jié)點(diǎn)，由上述可知每一輪的節(jié)點(diǎn)能量消耗ECH可表示為

ECH=

(24)

其中EDA為融合單位比特?cái)?shù)據(jù)消耗的能量。節(jié)點(diǎn)的初始能量為Etotal，每一輪數(shù)據(jù)傳輸后，根據(jù)節(jié)點(diǎn)能耗節(jié)點(diǎn)ECH，計(jì)算剩余能量Eresidual。

2.1.3 簇頭選舉

為了防止網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)因?yàn)橥ㄐ啪嚯x過(guò)長(zhǎng)而過(guò)早死亡，簇頭選舉時(shí)需考慮節(jié)點(diǎn)剩余能量[15]。通過(guò)上述節(jié)點(diǎn)能量消耗模型，得出每一輪各個(gè)節(jié)點(diǎn)的剩余能量，則選舉公式如下：

(25)

其中，r代表當(dāng)前輪數(shù)，P為簇頭百分比，G是在r前1 /P輪中沒(méi)有擔(dān)任過(guò)簇頭的節(jié)點(diǎn)的集合，Eresidual為節(jié)點(diǎn)的剩余能量，Etotal為節(jié)點(diǎn)的初始能量。

根據(jù)式(25)，節(jié)點(diǎn)首先生成隨機(jī)數(shù)，如果小于預(yù)先設(shè)置的閾值T(n)，則成為臨時(shí)簇頭,節(jié)點(diǎn)成為臨時(shí)簇頭后，以R為半徑廣播Be-Head消息(簇頭廣播半徑R的選擇和簇頭比例有關(guān))。臨時(shí)簇頭如果沒(méi)有收到其他簇頭的Be-Head消息，則作為簇頭進(jìn)行通信；如果收到其他簇頭的Be-Head消息，比較剩余能量，若剩余能量高于其他簇頭節(jié)點(diǎn)，則成為簇頭，否則為普通節(jié)點(diǎn)。

2.2 簇建立

在簇頭選舉完成后，簇頭廣播Be-Head消息，普通節(jié)點(diǎn)選擇最近的簇頭，并發(fā)送Join-Cluster消息，與該簇頭進(jìn)行通信。

2.3 簇頭間通信

(1) 簇頭向基站發(fā)送Route Request(RREQ)消息，RREQ包含簇頭節(jié)點(diǎn)地址、基站地址、首跳節(jié)點(diǎn)地址、跳數(shù)和路由記錄。

(2) RREQ消息經(jīng)中間簇頭節(jié)點(diǎn)多次轉(zhuǎn)發(fā)到達(dá)基站，中間節(jié)點(diǎn)收到RREQ包時(shí)，讀取RREQ包的路由信息，建立到簇頭節(jié)點(diǎn)的反向路由，并產(chǎn)生應(yīng)答包Route Reply(RREP)，RREQ對(duì)應(yīng)的RREP包經(jīng)多次轉(zhuǎn)發(fā)更新也到達(dá)基站。

(3) 基站收到簇頭節(jié)點(diǎn)經(jīng)過(guò)多條路徑傳送的RREQ包，根據(jù)RREQ中的全路由信息，選擇總跳數(shù)最小的RREQ包，沿著反向路由返回其RREP包(如果有多個(gè)跳數(shù)最小RREQ包,則選擇最先到達(dá)的RREQ包)。

(4) 簇頭節(jié)點(diǎn)根據(jù)收到基站返回的RREP包，建立正向路由，并插入路由表。簇頭節(jié)點(diǎn)計(jì)算其路由表第一跳的距離z，并比較距離z與距離閾值z(mì)th。

1) 若z≤zth時(shí)，簇頭間通信路徑不變，采取直傳通信；

2) 若z>zth時(shí)，簇頭根據(jù)與其一跳通信簇頭的ID，計(jì)算2點(diǎn)中點(diǎn)坐標(biāo)，以中點(diǎn)為圓心，尋找距離圓心距離最短的簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)，設(shè)為oi，將oi加入路由表，2通信簇頭經(jīng)過(guò)節(jié)點(diǎn)oi，采取中繼通信。

算法流程如圖1所示。

圖1 算法流程圖

BEC-ORM算法依據(jù)剩余能量選取簇頭，有利于均衡自由空間光網(wǎng)絡(luò)的能耗；利用接收光信號(hào)和中斷概率建立的可靠性模型控制簇頭之間以及簇頭和基站之間的通信距離，有利于提高自由空間光網(wǎng)絡(luò)的可靠性。

3 仿真分析

為了驗(yàn)證BEC-ORM算法的有效性，將OBE-ORM算法與光學(xué)高效能量多路徑路由算法(optical efficient energy multi-path routing protocol，OEEMRP)[14]和簇頭半徑自適應(yīng)層次型路由算法(cluster-head range adaptive adjustment clustering routing，CRACR)[16]進(jìn)行仿真比較。仿真實(shí)驗(yàn)主要包括2個(gè)方面：一方面對(duì)OBE-ORM算法中直傳鏈路和中繼鏈路的可靠性變化進(jìn)行分析，驗(yàn)證并求解距離閾值z(mì)th，并分析該算法在不同簇頭比例下的網(wǎng)絡(luò)能耗，確定算法的最佳簇頭比例；另一方面對(duì)比分析OBE-ORM算法、CRACR算法和OEEMRP算法在網(wǎng)絡(luò)可靠性、能耗均衡性能的變化情況。仿真實(shí)驗(yàn)中節(jié)點(diǎn)隨機(jī)分布在100m×100m的方形監(jiān)測(cè)區(qū)域，sink節(jié)點(diǎn)能量不限且位于監(jiān)測(cè)區(qū)域外(50m,125m)，每一次仿真結(jié)果均為50次實(shí)驗(yàn)的平均效果圖，具體實(shí)驗(yàn)環(huán)境參數(shù)如表1所示。

表1 仿真參數(shù)

3.1 距離閾值

BEC-ORM算法的簇頭間通信存在直傳和中繼2種方式。根據(jù)直傳鏈路和中繼鏈路可靠性的理論分析可知，存在距離閾值z(mì)th，在2簇頭間距離小于距離閾值z(mì)th時(shí)，直傳鏈路優(yōu)于中繼鏈路；在2簇頭間距離大于距離閾值z(mì)th時(shí)，中繼鏈路優(yōu)于直傳鏈路。根據(jù)式(16)和式(17)，對(duì)直傳和中繼鏈路隨著距離變化，可靠性變化情況進(jìn)行仿真驗(yàn)證，得出距離閾值z(mì)th。圖2給出了隨著距離z的變化，直傳鏈路和中繼鏈路的可靠性變化情況。

從圖2中可以看出，直傳鏈路和中繼鏈路的可靠性都是隨著距離變大先增大后減小，直傳鏈路的可靠性最高值大于中繼鏈路，并且它們?cè)趜=0.3 km處相交。在小于0.3 km距離時(shí)，直傳鏈路可靠性要好于中繼鏈路，在大于0.3 km距離時(shí)，中繼鏈路可靠性則好于直傳鏈路。這是因?yàn)橥ㄐ沛溌肥艽髿獾扔绊?，隨著距離的增大，鏈路中斷概率會(huì)逐漸增大，同時(shí)接收光信號(hào)也會(huì)減少。當(dāng)傳輸距離較小時(shí)，加入中繼節(jié)點(diǎn)，會(huì)引入背景噪聲和放大自發(fā)輻射噪聲，這些噪聲對(duì)鏈路的影響較大；當(dāng)傳輸距離較大時(shí)，加入中繼節(jié)點(diǎn)，長(zhǎng)鏈路變短鏈路，接收光信號(hào)經(jīng)放大轉(zhuǎn)發(fā)變多，同時(shí)中繼節(jié)點(diǎn)引入的這些噪聲對(duì)性能的影響被抵消。故根據(jù)仿真結(jié)果可知，存在距離閾值z(mì)th=0.3 km，當(dāng)距離z在(0,zth)范圍內(nèi)采取直傳鏈路進(jìn)行通信，而在(zth,z)范圍內(nèi)采取中繼鏈路進(jìn)行通信。由圖2還可以看出，直傳鏈路的可靠性在zth之后依然快速下降且在0.4 km后衰減變緩，為此設(shè)定節(jié)點(diǎn)最大通信范圍zmax=0.4 km，同時(shí)在100 m×100 m的仿真區(qū)域內(nèi)，為了較好地驗(yàn)證直傳與中繼傳輸差異，本文將節(jié)點(diǎn)距離閾值z(mì)th和最大通信范圍zmax均進(jìn)行了縮小處理，即zth=30 m，zmax=40 m。

圖2 直傳鏈路和中繼鏈路可靠性對(duì)比圖

3.2 最優(yōu)簇頭比例

分簇結(jié)構(gòu)中簇頭個(gè)數(shù)的多少，會(huì)影響網(wǎng)絡(luò)的能耗，從而影響網(wǎng)絡(luò)生命周期。根據(jù)BEC-ORM算法的節(jié)點(diǎn)能量消耗模型(式(24))計(jì)算節(jié)點(diǎn)的剩余能量，將每個(gè)節(jié)點(diǎn)剩余能量相加得出網(wǎng)絡(luò)的總剩余能量，網(wǎng)絡(luò)總剩余能量在一定程度上能夠反映網(wǎng)絡(luò)的生命周期。鑒于分簇算法中，簇頭比例p最優(yōu)為3%～6%[17]，但BEC-ORM算法在3%的簇頭比例下，簇頭個(gè)數(shù)太少，構(gòu)建的網(wǎng)絡(luò)會(huì)尋找很多的簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行中繼，使得網(wǎng)絡(luò)能耗過(guò)大，所以下面仿真分析在4%、5%和6% 3種簇頭比例下，BEC-ORM算法在20輪內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)總剩余能量情況，結(jié)果如圖3所示。

圖3 網(wǎng)絡(luò)剩余能量對(duì)比圖

從圖3中可以看出，隨著輪數(shù)的增加，在4%、5%和6% 3種簇頭比例下，網(wǎng)絡(luò)總剩余能量均減少，并且簇頭比例越大，網(wǎng)絡(luò)總剩余能量越多。這是因?yàn)榇仡^比例較小時(shí)，BEC-ORM算法為了保證可靠性，引入較多中繼節(jié)點(diǎn)，增大了網(wǎng)絡(luò)能耗，隨著簇頭比例的增多，該算法簇頭間通信距離在較遠(yuǎn)時(shí)加入中繼節(jié)點(diǎn)減小通信距離，并且引入較少中繼，這樣就很大地減少了網(wǎng)絡(luò)能耗。所以BEC-ORM算法簇頭比例選擇p=6%時(shí)網(wǎng)絡(luò)總剩余能量達(dá)到最優(yōu)。

3.3 可靠性

下面對(duì)BEC-ORM算法、CRACR算法和OEEMRP算法進(jìn)行可靠性對(duì)比。圖4給出了3種算法構(gòu)建的網(wǎng)絡(luò)中簇頭間和簇頭到基站的通信鏈路的平均可靠性情況。

由圖4可知，BEC-ORM算法的網(wǎng)絡(luò)可靠性最優(yōu)，OEEMRP算法次之，CRACR算法最低。這是因?yàn)樽杂煽臻g光通信受大氣、對(duì)準(zhǔn)誤差等影響，隨著距離變大，通信鏈路很容易中斷，并且接收的光信號(hào)減弱，鏈路的可靠性從而降低。而OEEMRP算法和BEC-ORM算法都引入了中繼方式將長(zhǎng)鏈路變?yōu)槎替溌吠ㄐ?，削弱了大氣等因素的影響；但CRACR算法采用基站直接通信，受大氣等影響嚴(yán)重。對(duì)比OEEMRP算法，BEC-ORM算法考慮了中斷概率和接收光信號(hào)2個(gè)方面，控制簇頭間和基站通信距離，進(jìn)一步提高了網(wǎng)絡(luò)可靠性。

圖4 可靠性對(duì)比圖

3.4 能耗均衡

對(duì)BEC-ORM算法、CRACR算法和OEEMRP算法進(jìn)行能耗均衡性對(duì)比，通過(guò)對(duì)比死亡節(jié)點(diǎn)分布和運(yùn)行時(shí)間增加時(shí)每輪能耗變化情況，驗(yàn)證BEC-ORM算法能耗均衡性。

3.4.1 死亡節(jié)點(diǎn)分布

死亡節(jié)點(diǎn)的分布越均勻，網(wǎng)絡(luò)能耗則越均衡。因此對(duì)BEC-ORM算法、CRACR算法和OEEMRP算法死亡節(jié)點(diǎn)數(shù)約為總節(jié)點(diǎn)數(shù)50%時(shí)的分布進(jìn)行對(duì)比，圖5給出了3種算法構(gòu)建的網(wǎng)絡(luò)中死亡節(jié)點(diǎn)分布情況。這里死亡節(jié)點(diǎn)是節(jié)點(diǎn)剩余能量為0的節(jié)點(diǎn)，其中o代表正常工作節(jié)點(diǎn)，×代表死亡節(jié)點(diǎn)。

從圖5可知，BEC-ORM算法的死亡節(jié)點(diǎn)分布最均勻，OEEMRP算法死亡節(jié)點(diǎn)分布均勻程度次之，CRACR算法死亡節(jié)點(diǎn)分布最不均勻。這是因?yàn)镺EEMRP算法和BEC-ORM算法都引入了多跳通信，但CRACR算法采用直接基站通信，距離基站遠(yuǎn)的節(jié)點(diǎn)能耗過(guò)大，節(jié)點(diǎn)過(guò)快死亡，從而死亡節(jié)點(diǎn)分布最不均勻。對(duì)比OEEMRP算法，BEC-ORM算法考慮中斷概率和接收光信號(hào)2個(gè)方面，控制簇頭間和基站通信距離，并且簇頭選舉時(shí)考慮節(jié)點(diǎn)剩余能量，能耗更均衡，進(jìn)而死亡節(jié)點(diǎn)分布最均勻。

(a) OEEMRP算法

(b) CRACR算法

(c) OBE-ORM算法

3.4.2 網(wǎng)絡(luò)每輪能量總消耗

對(duì)BEC-ORM算法、CRACR算法和OEEMRP算法進(jìn)行每輪能耗變化對(duì)比，網(wǎng)絡(luò)能耗越小越均衡，網(wǎng)絡(luò)生命周期則越長(zhǎng)。圖6給出了3種算法構(gòu)建的網(wǎng)絡(luò)中在20輪內(nèi)每輪能耗的變化情況。

圖6 每輪能量消耗對(duì)比圖

從圖6可知，隨著輪數(shù)的增加，3種算法每輪的能耗都有增大趨勢(shì)。在0～7輪，BEC-ORM算法算法和OEEMRP算法能耗相近，CRACR算法能耗變化較大，從第8輪開(kāi)始，BEC-ORM算法每輪能耗變化最小，OEEMRP算法次之，CRACR算法每輪能耗變化最大。這主要是因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)拓?fù)溆绊懢W(wǎng)絡(luò)的每輪能耗及能耗均衡性，BEC-ORM算法和OEEMRP算法的簇頭都通過(guò)中繼方式，經(jīng)多跳傳輸數(shù)據(jù)給基站，對(duì)于離基站遠(yuǎn)的簇頭，縮短了通信距離，減少了它們的能耗，與距離基站近的簇的能耗差距變小，進(jìn)而平衡了全網(wǎng)的能量，而CRACR算法采用簇頭直接與基站通信的方式，距離基站較遠(yuǎn)的簇頭消耗過(guò)大，增加了每輪網(wǎng)絡(luò)能耗，同時(shí)網(wǎng)絡(luò)能耗均衡也越差。對(duì)比OEEMRP算法，BEC-ORM算法簇頭選舉考慮了節(jié)點(diǎn)能量和簇頭間距，控制了簇頭個(gè)數(shù)變化和分布，根據(jù)可靠性模型，控制了通信距離，進(jìn)一步減少了網(wǎng)絡(luò)能耗，提高了網(wǎng)絡(luò)能耗均衡性。

4 結(jié) 論

對(duì)于自由空間光網(wǎng)絡(luò)，鏈路可靠性和網(wǎng)絡(luò)能耗均衡性是其工作的重要前提。本文通過(guò)中斷概率和接收光信號(hào)強(qiáng)度2個(gè)方面構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)可靠性模型，再結(jié)合多跳通信和簇頭選舉方式減少和均衡網(wǎng)絡(luò)能耗，提出光學(xué)中繼的能耗均衡路由算法(BEC-ORM)。通過(guò)與其他算法的可靠性、死亡節(jié)點(diǎn)分布和每輪能量消耗的對(duì)比仿真，驗(yàn)證了BEC-ORM算法構(gòu)建的自由空間光網(wǎng)絡(luò)具有可靠性高、能耗少且能耗更均衡的特點(diǎn)。