移動自組網(wǎng)絡(luò)效率實證評估

陳 曄，楊 華

（常州紡織服裝職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 常州 213164）

1 移動自組網(wǎng)絡(luò)的模擬環(huán)境

移動自組網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)一般分為兩種：平面式體系和分級式體系。平面式體系可擴展性較差，適合中小規(guī)模網(wǎng)絡(luò)；分級式體系結(jié)構(gòu)可以減小那些由于拓撲變化對路由產(chǎn)生的影響，具有很好的可擴充性。

移動自組網(wǎng)絡(luò)有單點跳躍路由與多點跳躍路由兩種路由方式。單點跳躍路由是指來源端到目的端只需要跳躍1次就可將封包送至目的端。多點跳躍路由是封包從來源端到目的端，需要經(jīng)過多個節(jié)點路由［1］。一般而言，多點跳躍路由比較常用，因為節(jié)點的傳輸范圍有限，若來源端與目的端距離過遠，彼此不在對方的傳輸范圍內(nèi)，那么勢必要經(jīng)由其他的節(jié)點轉(zhuǎn)送。

目前，在移動自組網(wǎng)絡(luò)中，大部分分層路由以距離當作選擇路徑的依據(jù)。雖然距離也是能量消耗的一個參考依據(jù)，但是對于在無線網(wǎng)絡(luò)的傳輸媒介下，能量的耗損受到氣候、地形、距離等的影響，所以只是將距離當作選擇路徑的依據(jù)，不足以反映一個最佳路徑［2］。以能量的消耗總和作為一個路徑選擇時的參考依據(jù)，可以準確地評估路徑所需要花費的功率。同時，將功率作為選擇路徑的基準，建立一個以功率為基礎(chǔ)的網(wǎng)絡(luò)模型。

模擬環(huán)境可分為網(wǎng)絡(luò)平臺的建立、移動式主機特性的定義以及路由算法3個部分。

1.1 網(wǎng)絡(luò)平臺

本文設(shè)計1個50×50矩陣來作為網(wǎng)絡(luò)平臺。該平臺一共有2 500個點，每個點均可有1個移動終端。另外，本文假設(shè)泛洪時所需要的功率遠比傳送數(shù)據(jù)所需要的功率小得多，主要是因為泛洪時的數(shù)據(jù)包大小很小，而且量也不多，在此可以忽略。

1.2 主機特性

在本文模擬環(huán)境里，每一個移動式主機的坐標(x，y）為隨機，每個移動式主機具有移動特性，如圖1所示，每次移動后的新位置為(x＋△x，y＋△y），-2≤△x≤2，-2≤△y≤2。另外，本文假設(shè)主機每5秒移動1次，也就是說網(wǎng)絡(luò)拓撲每5秒會改變1次。另外，每個主機分為5個功率位階。假設(shè)傳輸?shù)哪芰颗c傳輸?shù)木嚯x平方成正比，功率位階1到位階5所需消耗的功率分別為1，4，9，16，25單位，每個主機電池的功率為隨機。另外，本文假設(shè)主機能量單位小于1 000時，則主機功率位階5將會被關(guān)閉；能量單位小于800時，主機功率位階4將會被關(guān)閉，以此類推。當主機功率單位小于200時，本文則定義該主機不可再使用。假設(shè)主機擁有2個數(shù)據(jù)封包需要傳送，1個使用功率位階2，1個使用功率位階3，則在1秒后，主機一共消耗4＋9＝13個功率單位。

圖1 主機移動特性及功率位階示意

1.3 路由算法

本文模擬6種不同的路由算法，分別為不包含Power Control機制的Shortest Path(SP）路由算法，以及包含Power Control機制的Shortest Path(SPPC），Energy Based(EB），Energy Based with Route-Based Reroute(EBRB），Energy Based with Local-Based Reroute(EBLR）以及Energy Based with Route-Based and Local-Based Reroute(EBRBLR）等6種路由算法。

2 不同路由算法的模擬結(jié)果

本文模擬以上6種路由算法在不同的主機密度環(huán)境下所表現(xiàn)的效率并進行分析。

在100，200，300，400，500等不同個數(shù)的主機環(huán)境下來模擬6種路由算法的效率［12］。不同主機密度的模擬環(huán)境，會有50%的主機需要傳送數(shù)據(jù)給其他主機，而數(shù)據(jù)傳送的起始時間為1到30秒內(nèi)，數(shù)據(jù)傳送的時間會大于180秒，并且在模擬過程中，不會有新的數(shù)據(jù)被傳送。本文分別就路徑功率總消耗、重新尋找路徑次數(shù)及所有傳送路徑的長度來做本文比較的依據(jù)。

2.1 路徑功率總消耗

路徑功率總和代表的是在t秒時，所有路徑所花費的功率總和。在模擬結(jié)果圖中的X軸均以秒為單位，而0～30秒為一個Cold Start，可省略；Y軸則代表主機電池消耗的功率。另外，EBRB、EBRBLR兩個路由算法的β值為0.8。圖2至圖4為非功率和功率為基礎(chǔ)的路由算法分別在100，300，500個主機環(huán)境下執(zhí)行路徑的功率［3］。就算法而言，沒有Power Control機制的Shortest Path路由算法所需要花費的功率為最大，其次為有Power Control機制的Shortest Path路由算法，而以功率為基礎(chǔ)的路由算法EB有最佳的效率。

圖2 有100Mobile Hosts時，功率和非功率算法路徑所消耗的功率

圖4 有500Mobile Hosts時，功率和非功率算法路徑所消耗的功率

圖5至圖7為以能量為基礎(chǔ)的路由算法EB，EBRB，EBLR以及EBRBLR路徑所消耗的功率比較圖。由這3個圖，本文可以看出以EBRBLR算法所節(jié)省的功率量多。

圖3 有300Mobile Hosts時，功率和非功率算法路徑所消耗的功率

圖5 有100個主機時，以功率為基礎(chǔ)路由算法路徑所消耗的功率

圖6 有300個主機時，以功率為基礎(chǔ)路由算法路徑所消耗的功率

圖7 有500個主機時，以功率為基礎(chǔ)路由算法路徑所消耗的功率

另外，當有100個主機時，以功率為基礎(chǔ)的路由算法所消耗的路徑功率總和差不多，主要是因為主機數(shù)目少的時候，主機可以尋找的路徑就會減少，即使重新繞送的路徑，其路徑所需能量也只能節(jié)省少量的能量。因此，以功率為基礎(chǔ)的路由算法所能節(jié)省的功率有限。反之，當有500個主機時，節(jié)點密度大，節(jié)點間的連接功率位階也變小，使路徑消耗的功率也變小。

2.2 重新尋找路徑次數(shù)

重新尋找替代路徑對于網(wǎng)絡(luò)的負擔有著很大的影響。重新尋找路徑機制啟動過渡頻繁將會造成網(wǎng)絡(luò)的負擔過重［4］。當主機數(shù)少時，每一種路由算法路徑重新尋找的平均次數(shù)較為接近，依次數(shù)多到少依序為SP，SPPC，EBRBLR，EBRB，EB，EBLR。在主機數(shù)目變多時，可以發(fā)現(xiàn)非功率和功率為基礎(chǔ)的路由算法路徑重新尋找的次數(shù)差距較大，由多到少的順序和主機數(shù)目小時相同。這個模擬結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)以功率為基礎(chǔ)的路由算法有較高的路徑穩(wěn)定性，可以降低路徑重新尋找的次數(shù)，間接降低網(wǎng)絡(luò)的負擔。另外，EBRBLR以及EBRB兩種算法的路徑重新尋找的次數(shù)之所以會較EB，EBLR多，是因為EBRBLR，EBRB的一個路徑變動率過高時，會啟動路徑重新尋找機制。雖然路徑重新尋找的次數(shù)較高，EBRBLR，EBRB可找到較節(jié)省功率的路徑。EBLR路由算法路徑重新尋找的次數(shù)為6種算法中最少，是因為EBLR包含一個Local Based Reroute機制，可以延長一條路徑傳送的時間。因此，路徑重新尋找機制較少被啟動，但相對的其路徑所消耗的功率較EB，EBRB，EBRBLR高［5-6］。

3 結(jié)語

影響一個網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性有許多的因素，其中包含網(wǎng)絡(luò)是否分裂、路徑中斷的頻率過高等，都會影響到網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性。造成路徑中斷的原因有2個：一個是因終端跨網(wǎng)移動所造成的路徑中斷，這種中斷是無可避免的；另一個原因是因為某些主機因功率消耗過快而無法再傳送數(shù)據(jù)，導(dǎo)致路徑中斷。本研究認為，模擬環(huán)境可以由節(jié)省主機功率的消耗來適當減少路徑中斷。因為有相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議支撐，移動自組網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)從實驗室理論逐步走向現(xiàn)實環(huán)境。在傳輸數(shù)據(jù)時，路徑因為主機移動而中斷的故障會時有發(fā)生。因此，路徑維護機制將成為后期研究的難點。