劉玉軍，王一博，蔡猛

(陸軍裝甲兵學(xué)院，北京 100072)

0 引 言

移動(dòng)自組網(wǎng)絡(luò)(Mobile Ad hoc Network, MANET)在無通信基礎(chǔ)設(shè)施支持環(huán)境下有著廣闊的應(yīng)用前景，如軍事、野外探險(xiǎn)、自然災(zāi)害救援通信等領(lǐng)域。便攜型的自組網(wǎng)節(jié)點(diǎn)一般采用電池供電，一旦自身攜帶的電池能量耗盡，不僅節(jié)點(diǎn)本身無法通信，還將影響網(wǎng)絡(luò)整體的連通性、服務(wù)質(zhì)量和生存時(shí)間。

MANET協(xié)議棧的大部分協(xié)議由傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議修改而來，特別是路由協(xié)議，主要依據(jù)最小代價(jià)盡力交付的原則在維系網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌@導(dǎo)致無線環(huán)境下協(xié)議開銷較大，必然引起能耗加劇，而且多數(shù)協(xié)議忽略了無線通信功率、節(jié)點(diǎn)能耗對(duì)網(wǎng)絡(luò)通信質(zhì)量和網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間[1,2]的影響。因此，在路由協(xié)議中加入能耗因素，對(duì)提升無線移動(dòng)自組網(wǎng)性能具有重要的研究意義。

1 相關(guān)研究

目前，移動(dòng)自組網(wǎng)中針對(duì)能量限制的路由協(xié)議改進(jìn)主要有負(fù)載均衡和能量感知兩類方案。文獻(xiàn)[1]提出了一種能量有效負(fù)載均衡的多徑路由算法，該算法考慮了節(jié)點(diǎn)的能量、路由跳數(shù)、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，以及控制關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)過載等情況，但是沒有考慮傳輸中節(jié)點(diǎn)的能量消耗。文獻(xiàn)[2]和文獻(xiàn)[3]提出了能量?jī)?yōu)化的按需路由協(xié)議，該協(xié)議引入能量感知概念，根據(jù)剩余能量信息選擇路由路徑，均衡了節(jié)點(diǎn)的能量使用情況，但該協(xié)議沒有考慮均衡節(jié)點(diǎn)的負(fù)載情況，增加了網(wǎng)絡(luò)延時(shí)。文獻(xiàn)[4]提出了一種能量感知強(qiáng)制協(xié)作路由協(xié)議，協(xié)議通過檢測(cè)節(jié)點(diǎn)的剩余電量，強(qiáng)制剩余電量較多的節(jié)點(diǎn)承擔(dān)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)任務(wù)，該協(xié)議均衡使用了節(jié)點(diǎn)能量。但加劇了部分節(jié)點(diǎn)的能量消耗。文獻(xiàn)[5]在按需路由的基礎(chǔ)上提出了基于剩余能量感知的多策略路由協(xié)議，該協(xié)議對(duì)節(jié)點(diǎn)能量設(shè)置多個(gè)閾值，根據(jù)剩余能量對(duì)應(yīng)的閾值區(qū)間，均衡節(jié)點(diǎn)的負(fù)載，降低節(jié)點(diǎn)能量消耗，延長(zhǎng)了網(wǎng)絡(luò)的生存時(shí)間，但是當(dāng)節(jié)點(diǎn)能量均處于較低水平時(shí)，該協(xié)議的連通率較低。文獻(xiàn)[6]提出了基于網(wǎng)絡(luò)負(fù)載與能量均衡的多徑路由協(xié)議，融合了能量感知和負(fù)載均衡兩方面技術(shù)，均衡負(fù)載的同時(shí)降低節(jié)點(diǎn)的能量消耗，但該協(xié)議通過節(jié)點(diǎn)負(fù)載和剩余能量各占一半的方式融合，存在一定局限性。文獻(xiàn)[7] 研究了能量節(jié)約型路由協(xié)議，但協(xié)議需要對(duì)網(wǎng)絡(luò)條件進(jìn)行諸多限制，影響了研究成果的適用范圍。

目前，能量均衡路由協(xié)議多數(shù)以AODV、DSV等按需路由為基礎(chǔ)改進(jìn)，這類方案雖然延長(zhǎng)了自組網(wǎng)的生存時(shí)間，但是存在較高延時(shí)和大型網(wǎng)絡(luò)適應(yīng)性差等問題。

為了克服上述問題，本文擬采用傳輸延遲小、支持較大網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的優(yōu)化鏈路狀態(tài)路由(Optimized Link State Routing，OLSR)協(xié)議進(jìn)行改進(jìn)。但是OLSR協(xié)議在路由建立與維護(hù)中消耗了大量的計(jì)算、存儲(chǔ)和能量等資源，縮短了網(wǎng)絡(luò)的生存時(shí)間。為此，本文引入剩余能量和負(fù)載均衡相結(jié)合的改進(jìn)方案，控制節(jié)點(diǎn)的能量消耗；改進(jìn)拓?fù)淇刂?Topology Control，TC)消息，引入次優(yōu)多跳路由的思想，有效降低路由OSLR協(xié)議開銷，提高節(jié)點(diǎn)的能量利用效率。

2 改進(jìn)型OLSR協(xié)議設(shè)計(jì)方案

OLSR協(xié)議與其他協(xié)議的顯著區(qū)別是引入多點(diǎn)中繼[8](Multi-Point Relay，MPR)，通過算法選擇合適的中繼節(jié)點(diǎn)，可以降低拓?fù)渚S護(hù)的開銷，但算法造成了MPR節(jié)點(diǎn)業(yè)務(wù)和信令負(fù)載過重，加速M(fèi)PR節(jié)點(diǎn)的能量消耗，降低了這些節(jié)點(diǎn)的生存時(shí)間。為此本文從能量均衡消耗的角度出發(fā)，在傳統(tǒng)OLSR協(xié)議的MPR節(jié)點(diǎn)決策算法中引入能量代價(jià)函數(shù)，將網(wǎng)絡(luò)路由維護(hù)任務(wù)更均勻分散在所有網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)中，實(shí)現(xiàn)路由層的能量均衡消耗。

2.1 能量代價(jià)函數(shù)設(shè)計(jì)

在傳統(tǒng)OLSR協(xié)議的基礎(chǔ)上，基于網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的剩余能量建立一個(gè)函數(shù)，對(duì)網(wǎng)絡(luò)中每一個(gè)節(jié)點(diǎn)的信號(hào)傳輸進(jìn)行可量化的能量投遞代價(jià)[9]度量，記為C，并將該概念引入到MPR節(jié)點(diǎn)的決策環(huán)節(jié)中。函數(shù)定義如下：

(1)

從表達(dá)式(1)可以看出，隨著節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)后時(shí)間的推移，節(jié)點(diǎn)的剩余電量不斷減少，節(jié)點(diǎn)的能量投遞代價(jià)數(shù)C將不斷增大。

OLSR協(xié)議的一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)是網(wǎng)絡(luò)中的MPR節(jié)點(diǎn)的選擇。傳統(tǒng)協(xié)議的決策算法主要是基于網(wǎng)絡(luò)最小連通拓?fù)錁?。在?jié)點(diǎn)能量受限場(chǎng)景下，這種機(jī)制將導(dǎo)致部分關(guān)鍵位置的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)承擔(dān)了網(wǎng)絡(luò)中大部分的拓?fù)渚S護(hù)和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的中繼任務(wù)，從而導(dǎo)致能量消耗速度明顯高于其他節(jié)點(diǎn)，過快出現(xiàn)“死亡”節(jié)點(diǎn)，影響了網(wǎng)絡(luò)的整體連通性和通信性能。

本文提出一種基于能量投遞代價(jià)C和網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)總能量消耗之和Eall的MPR集合綜合選擇機(jī)制，去掉部分非功率高效和剩余電量較小的鄰居節(jié)點(diǎn)，增大節(jié)能路由和能量均衡路由的選擇概率，從而達(dá)到網(wǎng)絡(luò)節(jié)能和能量消耗均衡的目的。令Ni表示具備發(fā)射功率控制能力的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)i的信令兩跳擴(kuò)散的目的節(jié)點(diǎn)集合，則從網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)總能量消耗之和Eall角度出發(fā)，MPR集合選擇的優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)具體為：

(2)

從表達(dá)式(2)的優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)可以看出，節(jié)點(diǎn)的剩余電量越小，其能量投遞代價(jià)越大，則該節(jié)點(diǎn)被選為MPR節(jié)點(diǎn)的概率就越小。另外該函數(shù)也一定程度考慮了節(jié)點(diǎn)能量的利用率因素，這就使得剩余電量較多和節(jié)點(diǎn)能量利用率更高的節(jié)點(diǎn)更主動(dòng)承擔(dān)更多的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渚S護(hù)和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的中繼傳輸任務(wù)，從而在保障能量利用率的基礎(chǔ)上，盡可能均衡使用各網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)能量，有效延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的生存時(shí)間。

2.2 控制協(xié)議改進(jìn)

OLSR的控制協(xié)議主要體現(xiàn)在HELLO和TC消息。結(jié)合上述的MPR節(jié)點(diǎn)選擇機(jī)制，本文對(duì)這兩類消息的協(xié)議內(nèi)容改進(jìn)如下：

(1)節(jié)點(diǎn)將根據(jù)自己的剩余電量來自適應(yīng)決定向鄰居節(jié)點(diǎn)發(fā)送 HELLO 消息的周期。剩余能量投遞代價(jià)小于預(yù)設(shè)的閾值C0時(shí)(這里設(shè)定為能量消耗一半后)，按正常頻度f0發(fā)送HELLO消息；大于該閾值時(shí)，則逐漸降低HELLO消息發(fā)送的頻度f，算法見表達(dá)式(3)為:

(3)

根據(jù)HELLO信息，節(jié)點(diǎn)可以獲得：

·鄰居節(jié)點(diǎn)感知(Neighbor sensing)；

·節(jié)點(diǎn)鏈路狀態(tài)檢測(cè)：?jiǎn)蜗蜴溌贰㈦p向鏈路或者未確定；

·加入能量字段，檢測(cè)節(jié)點(diǎn)剩余能量的投遞代價(jià)；

·基于HELLO信息攜帶的鄰居節(jié)點(diǎn)的能量投遞代價(jià)C進(jìn)行MPR 節(jié)點(diǎn)計(jì)算。

(2)為進(jìn)一步降低路由維護(hù)的能量消耗，本文引入自適應(yīng)路由機(jī)制，即維護(hù)近端節(jié)點(diǎn)之間的高精度路由信息(2跳之內(nèi))，而中遠(yuǎn)端節(jié)點(diǎn)之間僅維護(hù)次優(yōu)的路由信息，設(shè)計(jì)思路如下：

設(shè)置兩類TC消息并添加信令類型字段便于識(shí)別，第一類TC消息用于近端區(qū)域的精準(zhǔn)路由，增加TTL字段以設(shè)置節(jié)點(diǎn)的精準(zhǔn)路由范圍，在范圍內(nèi)發(fā)送一類無失真TC消息，建立精準(zhǔn)路由拓?fù)潢P(guān)系；第二類TC消息用于中遠(yuǎn)端路由拓?fù)潢P(guān)系建立，采用次優(yōu)多跳路由思想，僅記錄節(jié)點(diǎn)的一跳范圍拓?fù)潢P(guān)系，并降低全網(wǎng)范圍內(nèi)的廣播頻度。

3 協(xié)議實(shí)現(xiàn)

本節(jié)從實(shí)現(xiàn)層面進(jìn)一步描述對(duì)OLSR協(xié)議的改進(jìn)內(nèi)容。

3.1 MPR節(jié)點(diǎn)選擇算法實(shí)現(xiàn)

令集合N1表示節(jié)點(diǎn)的1跳鄰居節(jié)點(diǎn)集合，N2表示節(jié)點(diǎn)的2跳鄰居節(jié)點(diǎn)集合。標(biāo)準(zhǔn)OLSR協(xié)議的MPR節(jié)點(diǎn)選擇流程具體如圖1所示。

圖1 標(biāo)準(zhǔn)OLSR協(xié)議MPR節(jié)點(diǎn)選擇

對(duì)圖2所示的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涠?，如果根?jù)標(biāo)準(zhǔn)OLSR算法，網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)7、節(jié)點(diǎn)10和節(jié)點(diǎn)11處于網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞闹行奈恢?，這些節(jié)點(diǎn)充當(dāng)其它節(jié)點(diǎn)的MPR節(jié)點(diǎn)以及數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)中繼節(jié)點(diǎn)的概率很大，因此將很快耗盡能量而成為死亡節(jié)點(diǎn)，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)連接出現(xiàn)中斷。

圖2 基于標(biāo)準(zhǔn)OLSR協(xié)議選擇的MPR節(jié)點(diǎn)集合

而表達(dá)式(2)的優(yōu)化函數(shù)的改進(jìn)型MPR節(jié)點(diǎn)選擇流程如圖3所示：

圖3 改進(jìn)型MPR節(jié)點(diǎn)選擇

基于圖3的流程可以看出，采用基于能量的改進(jìn)型OLSR協(xié)議后，在網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行初期，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的能量基本相同，則節(jié)點(diǎn)7、節(jié)點(diǎn)10和節(jié)點(diǎn)11仍將充當(dāng)MPR節(jié)點(diǎn)，但隨著這些節(jié)點(diǎn)的剩余能量降低，相應(yīng)的剩余能量投遞代價(jià)將提高。MPR節(jié)點(diǎn)的選擇結(jié)果將隨著網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行而不斷發(fā)生變化，其它剩余電量較多的節(jié)點(diǎn)也將逐漸承擔(dān)更多比例的網(wǎng)絡(luò)管理和數(shù)據(jù)中繼任務(wù)，如圖4所示，從而滿足均衡使用各網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)能量的要求，提升網(wǎng)絡(luò)整體的生存時(shí)間。

圖4 改進(jìn)型OLSR選擇的MPR節(jié)點(diǎn)集合

3.2 OLSR路由控制消息改進(jìn)

OLSR協(xié)議采用周期性的路由控制信息交換機(jī)制來實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞木S護(hù)。這個(gè)過程在能量受限的網(wǎng)絡(luò)中也需要進(jìn)行必要的改進(jìn)以節(jié)約能量。改進(jìn)如下：

3.2.1 HELLO消息改進(jìn)

在HELLO消息的保留字段(即Reserved字段)中加入節(jié)點(diǎn)計(jì)算好的剩余能量投遞代價(jià)C。節(jié)點(diǎn)通過改進(jìn)的HELLO信息交換鏈路信息和剩余能量投遞代價(jià)，根據(jù)交換的HELLO信息建立新的鄰居節(jié)點(diǎn)信息庫，并加入鄰居節(jié)點(diǎn)的剩余能量投遞代價(jià)。更改后的HELLO消息格式如表1所示：

表1 HELLO消息格式

3.2.2 TC消息改進(jìn)

為降低信令開銷和能量消耗，TC消息設(shè)置兩類信令類型并設(shè)置信令類型字段，第一類信令分組將在信令分組中設(shè)置TTL 字段來控制信令的擴(kuò)散范圍，主要進(jìn)行局部擴(kuò)散，建立精準(zhǔn)路由，默認(rèn)TTL的值為128(可根據(jù)實(shí)際應(yīng)用調(diào)整)。其信令分組格式如表2所示：

表2 第一類TC消息格式

此外，第二類信令并不設(shè)置TTL字段，主要用于中遠(yuǎn)端節(jié)點(diǎn)的次優(yōu)路由維護(hù)，其分組格式如表3所示：

表3 第二類TC消息格式

節(jié)點(diǎn)接受TC消息后，首先判斷信令類型，若第一類則記錄源節(jié)點(diǎn)到本節(jié)點(diǎn)的精準(zhǔn)路由拓?fù)潢P(guān)系；若第二類則僅記錄TC消息的源地址和上一跳節(jié)點(diǎn)地址，后轉(zhuǎn)發(fā)該TC分組。

圖5給出了基于上述路由機(jī)制的維護(hù)結(jié)果。

圖5 近端和中遠(yuǎn)端拓?fù)潢P(guān)系圖

由于節(jié)點(diǎn)可能從多個(gè)節(jié)點(diǎn)重復(fù)接收到同一消息，為避免同一消息重復(fù)處理的能量消耗，每個(gè)節(jié)點(diǎn)將設(shè)置一個(gè)基于時(shí)間有效性的復(fù)制集合，該集合可以避免消息的重復(fù)處理和轉(zhuǎn)發(fā)。改進(jìn)如下：

(1)如果第一類消息的 TTL 小于等于 0 或消息是接收節(jié)點(diǎn)自身發(fā)送的，該消息必須立刻丟棄；

(2)如果節(jié)點(diǎn)接收到?jīng)]有消息的分組信令數(shù)據(jù)(如分組長(zhǎng)度小于分組包頭長(zhǎng)度)，則這個(gè)分組數(shù)據(jù)必須立刻丟棄；

(3)如果分組信令數(shù)據(jù)在復(fù)制集合中已經(jīng)存在一個(gè)記錄，表明該消息已經(jīng)進(jìn)行處理，則這個(gè)數(shù)據(jù)必須立刻丟棄；

(4)如果信令數(shù)據(jù)為有效信令，則根據(jù)信令類型進(jìn)行相應(yīng)的處理。

4 仿真實(shí)驗(yàn)

為驗(yàn)證本文提出的改進(jìn)型協(xié)議性能，對(duì)改進(jìn)型協(xié)議和傳統(tǒng)OLSR協(xié)議進(jìn)行仿真和分析。

4.1 仿真場(chǎng)景描述

為減少仿真結(jié)果的偶然性，設(shè)置了3個(gè)仿真場(chǎng)景。場(chǎng)景一：16節(jié)點(diǎn)的4跳網(wǎng)絡(luò)；場(chǎng)景二：16節(jié)點(diǎn)的8跳網(wǎng)絡(luò)；場(chǎng)景三：32節(jié)點(diǎn)的4跳網(wǎng)絡(luò)。場(chǎng)景的用戶分布模型依次如圖6-圖8所示：

圖6 16節(jié)點(diǎn)4跳

圖7 16節(jié)點(diǎn)8跳

圖8 32節(jié)點(diǎn)4跳

4.2 仿真結(jié)果與分析

三個(gè)仿真場(chǎng)景下傳統(tǒng)OLSR協(xié)議和本協(xié)議在網(wǎng)絡(luò)建網(wǎng)時(shí)間、全網(wǎng)轉(zhuǎn)發(fā)吞吐量的性能仿真結(jié)果如下：

(1)場(chǎng)景一的仿真結(jié)果

圖9a 傳統(tǒng)OLSR建網(wǎng)時(shí)間

圖9b 改進(jìn)型協(xié)議建網(wǎng)時(shí)間

圖10a 傳統(tǒng)OLSR全網(wǎng)轉(zhuǎn)發(fā)吞吐率

圖10b 改進(jìn)型協(xié)議全網(wǎng)轉(zhuǎn)發(fā)吞吐率

(2)場(chǎng)景二的仿真結(jié)果

圖11a 傳統(tǒng)OLSR建網(wǎng)時(shí)間

圖11b 改進(jìn)型協(xié)議建網(wǎng)時(shí)間

圖12a 傳統(tǒng)OLSR全網(wǎng)轉(zhuǎn)發(fā)吞吐率

圖12b 改進(jìn)型協(xié)議全網(wǎng)轉(zhuǎn)發(fā)吞吐率

(3)場(chǎng)景三的性能仿真結(jié)果

圖13a 傳統(tǒng)OLSR建網(wǎng)時(shí)間

圖13b 改進(jìn)型協(xié)議建網(wǎng)時(shí)間

圖14a 傳統(tǒng)OLSR全網(wǎng)轉(zhuǎn)發(fā)吞吐率

圖14b 改進(jìn)型協(xié)議全網(wǎng)轉(zhuǎn)發(fā)吞吐率

圖15a 傳統(tǒng)OLSR網(wǎng)絡(luò)中心區(qū)和邊緣節(jié)點(diǎn)的電量消耗曲線

圖15b 改進(jìn)型協(xié)議網(wǎng)絡(luò)中心區(qū)和邊緣節(jié)點(diǎn)的電量消耗曲線

比較3個(gè)場(chǎng)景的仿真結(jié)果(圖9a至圖14b)可以看出，本文提出的混合路由協(xié)議，在建網(wǎng)時(shí)間和網(wǎng)絡(luò)吞吐率上獲得了與傳統(tǒng)路由協(xié)議相當(dāng)?shù)男阅?。在?jié)點(diǎn)電量消耗效果方面，圖15a和圖15b則分別給出了使用傳統(tǒng)OLSR協(xié)議和本文改進(jìn)型協(xié)議，在相同的業(yè)務(wù)負(fù)荷時(shí)，場(chǎng)景1中一個(gè)網(wǎng)絡(luò)中心區(qū)節(jié)點(diǎn)和一個(gè)邊緣節(jié)點(diǎn)在同時(shí)滿電量(歸一化為1)入網(wǎng)后，隨著仿真時(shí)間的推移各自的剩余電量情況。可以看出傳統(tǒng)協(xié)議中網(wǎng)絡(luò)中心區(qū)的節(jié)點(diǎn)一直充當(dāng)MPR節(jié)點(diǎn)，能量消耗速率明顯快于邊緣節(jié)點(diǎn)，很快電量耗盡導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)死亡；協(xié)議改進(jìn)后，雖然入網(wǎng)初期中心區(qū)節(jié)點(diǎn)的電量消耗速率還是明顯高于邊緣節(jié)點(diǎn)，但隨著時(shí)間推移，邊緣節(jié)點(diǎn)將逐漸取代中心節(jié)點(diǎn)來承擔(dān)更多網(wǎng)絡(luò)責(zé)任，從而導(dǎo)致雙方能量消耗速率出現(xiàn)轉(zhuǎn)變，實(shí)現(xiàn)了節(jié)點(diǎn)能量的均勻消耗，比起傳統(tǒng)協(xié)議，相同入網(wǎng)電量和相同業(yè)務(wù)負(fù)荷場(chǎng)景下，節(jié)點(diǎn)的生存周期增加了一倍。

5 結(jié) 語

本文針對(duì)能量受限網(wǎng)絡(luò)，完成了基于能量均衡Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的混合路由協(xié)議設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。對(duì)傳統(tǒng)的OLSR路由協(xié)議算法進(jìn)行了深入的分析與改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)了表驅(qū)動(dòng)路由協(xié)議與能量感知和負(fù)載均衡的結(jié)合，并引入次優(yōu)多跳路由的思想，改善了OLSR路由協(xié)議路由開銷較大和各節(jié)點(diǎn)能量消耗不均衡的問題，延長(zhǎng)了網(wǎng)絡(luò)的生存周期。

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