吳麗杰, 張璐璐, 唐 珊

(安徽糧食工程職業(yè)學(xué)院 信息技術(shù)系，安徽 合肥 230011)

移動(dòng)自組網(wǎng)(MANET)是一種自治的、分布式的動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)，其中節(jié)點(diǎn)可充當(dāng)路由器并可自由移動(dòng)。MANET可以在短時(shí)間內(nèi)形成可靠的網(wǎng)絡(luò)，特別適合在通信基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)不可用或不可訪問(wèn)的情況下使用，如在自然災(zāi)害后用作救援信息系統(tǒng)。由于此類(lèi)網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)在沒(méi)有集中控制的情況下隨時(shí)可以自由移動(dòng)，所以MANET的動(dòng)態(tài)拓?fù)涮匦越o路由協(xié)議的設(shè)計(jì)帶來(lái)了一定的挑戰(zhàn)。MANET中廣泛使用的幾種路由協(xié)議包括按需距離矢量協(xié)議(AODV)、動(dòng)態(tài)源路由(DSR)、位置輔助路由(LAR)和區(qū)域路由協(xié)議(ZRP)等[1-2]。

由于AODV路由協(xié)議的良好性能，其在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN)中得到了廣泛應(yīng)用，如ZigBee網(wǎng)絡(luò)默認(rèn)使用AODV作為其路由協(xié)議[3-4]。MANET同WSN一樣，節(jié)點(diǎn)由電池供電，都面臨著能量和帶寬有限的問(wèn)題，學(xué)術(shù)界已針對(duì)AODV進(jìn)行了多方面的研究[5-6]。在此基礎(chǔ)上，本研究提出了一種適用于MANET的帶寬及能量感知路由協(xié)議。

1 AODV路由協(xié)議

1.1 AODV簡(jiǎn)介

AODV是用于MANET的反應(yīng)性路由協(xié)議，它包括兩個(gè)階段：路由發(fā)現(xiàn)和路由維護(hù)。AODV協(xié)議利用路由請(qǐng)求(RREQ)、路由應(yīng)答(RREP)、路由錯(cuò)誤(RERR)和問(wèn)候(HELLO)這4種消息類(lèi)型來(lái)發(fā)現(xiàn)和維護(hù)路由，僅當(dāng)源節(jié)點(diǎn)希望將數(shù)據(jù)發(fā)送到路由表中沒(méi)有條目的目標(biāo)節(jié)點(diǎn)時(shí)，才啟動(dòng)路由發(fā)現(xiàn)過(guò)程。該過(guò)程中，主要執(zhí)行4個(gè)步驟：①源節(jié)點(diǎn)向鄰居節(jié)點(diǎn)發(fā)送RREQ；②中間節(jié)點(diǎn)建立反向路由并更新接收到的RREQ消息后向其下一跳鄰居廣播RREQ；③目的節(jié)點(diǎn)通過(guò)建立的反向路由發(fā)送RREP至源節(jié)點(diǎn)；④源節(jié)點(diǎn)選擇跳數(shù)最短的路由發(fā)送數(shù)據(jù)包[7]。

1.2 AODV的局限性

(1)AODV同傳統(tǒng)的MANET路由協(xié)議一樣，路由選擇時(shí)采用了最小跳路徑。在所有鏈路都相等的單速率網(wǎng)絡(luò)中，最小跳數(shù)是一個(gè)很好的準(zhǔn)則，但在多速率無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中，選擇最小跳路徑通常會(huì)導(dǎo)致鏈路低速率運(yùn)行，導(dǎo)致吞吐量降低。因此，選擇最小跳路徑通常會(huì)導(dǎo)致有效吞吐量較低，并且增加總的網(wǎng)絡(luò)擁塞[8]。

(2)MANET包含大量移動(dòng)無(wú)線節(jié)點(diǎn)，這些節(jié)點(diǎn)可以以隨機(jī)方式移動(dòng)，而且會(huì)隨時(shí)加入或離開(kāi)。由于物聯(lián)網(wǎng)(IoT)上設(shè)備的快速增長(zhǎng)，在密集區(qū)域中的信息交換會(huì)傳輸大量消息，可能導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)擁塞，從而導(dǎo)致傳輸延遲或丟包量增大。在大流量和高動(dòng)態(tài)性的大型網(wǎng)絡(luò)中，這類(lèi)問(wèn)題會(huì)更加嚴(yán)重。

2 帶寬及能量感知路由協(xié)議

2.1 設(shè)計(jì)思路

本研究提出了一種適用于MANET的帶寬及能量感知路由協(xié)議(BE-AODV)。BE-AODV通過(guò)使用HELLO消息來(lái)檢查隊(duì)列大小，從而獲取剩余帶寬的最新值并預(yù)測(cè)鏈路上的剩余帶寬，評(píng)估每個(gè)節(jié)點(diǎn)可以支持的最大帶寬，源節(jié)點(diǎn)根據(jù)剩余帶寬來(lái)調(diào)整數(shù)據(jù)包的速率；通過(guò)接收信號(hào)功率和變化率推算出兩節(jié)點(diǎn)間的可用鏈路時(shí)間，路由發(fā)現(xiàn)過(guò)程中選擇滿(mǎn)足可用鏈路時(shí)間約束的節(jié)點(diǎn)，計(jì)算整個(gè)MANET節(jié)點(diǎn)的能量均值，并根據(jù)自身能量與整個(gè)MANET節(jié)點(diǎn)能量均值的比較來(lái)設(shè)置不同的RREQ延遲。使用上述方法，使每個(gè)節(jié)點(diǎn)都能感知自身剩余帶寬及能量，平衡了節(jié)點(diǎn)的負(fù)載，減少了死亡節(jié)點(diǎn)的個(gè)數(shù)，避免了擁塞，延長(zhǎng)了MANET的生存時(shí)間。

2.2 算法處理

圖1 RREQ分組格式Fig.1 RREQ grouping format

2.2.1RREQ及RREP分組格式設(shè)計(jì)

(1)RREQ分組格式如圖1所示。能量累積值為從源節(jié)點(diǎn)到目標(biāo)節(jié)點(diǎn)積累的能量值，所需的最小帶寬為源節(jié)點(diǎn)發(fā)送到目標(biāo)節(jié)點(diǎn)所需最小帶寬，其余字段同AODV路由協(xié)議的RREQ分組。

(2)RREP分組格式如圖2所示。能量均值為節(jié)點(diǎn)的平均能量值，剩余帶寬為鏈路中剩余帶寬的加權(quán)平均值，其余字段同AODV路由協(xié)議的RREP分組。

2.2.2剩余帶寬計(jì)算及分配

圖2 RREP分組格式Fig.2 RREP grouping format

剩余帶寬計(jì)算及分配主要分為2個(gè)階段：

(1)網(wǎng)絡(luò)中任意節(jié)點(diǎn)通過(guò)HELLO數(shù)據(jù)包向每個(gè)鄰居節(jié)點(diǎn)發(fā)送剩余帶寬請(qǐng)求，鄰居節(jié)點(diǎn)通過(guò)HELLOACK數(shù)據(jù)包反饋剩余帶寬，發(fā)送節(jié)點(diǎn)在本地計(jì)算剩余帶寬。計(jì)算先前剩余帶寬的加權(quán)平均值，以便向源節(jié)點(diǎn)通知網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)鏈路上可用的最新剩余帶寬。使用此信息源節(jié)點(diǎn)可以調(diào)整其發(fā)送數(shù)據(jù)速率，以避免擁塞。源節(jié)點(diǎn)Ni與鄰近節(jié)點(diǎn)Nj的剩余帶寬計(jì)算過(guò)程如圖3所示。

圖3 兩節(jié)點(diǎn)間的剩余帶寬計(jì)算Fig.3 Calculation of residual bandwidth between two nodes

(2)源節(jié)點(diǎn)通過(guò)RREQ數(shù)據(jù)包發(fā)送最小所需帶寬請(qǐng)求，目的節(jié)點(diǎn)通過(guò)RREP數(shù)據(jù)包重新傳回源節(jié)點(diǎn)，以創(chuàng)建反向路由。僅當(dāng)請(qǐng)求的帶寬小于鏈路上的剩余帶寬時(shí)，鄰居節(jié)點(diǎn)才發(fā)送數(shù)據(jù)包，即基于可用帶寬創(chuàng)建適當(dāng)?shù)穆酚蓙?lái)傳輸分組，從而避免了擁塞。

剩余帶寬計(jì)算及分配的主要流程如圖4所示。

圖4 剩余帶寬計(jì)算及分配的主要流程Fig.4 Main processes of residual bandwidth calculation and distribution

2.3 理論分析

分析文獻(xiàn)[5]可知，需要設(shè)置閾值H對(duì)可用鏈路時(shí)間(ALT)進(jìn)行約束。為了尋找穩(wěn)定路由，需要保證路由發(fā)現(xiàn)階段所尋找的路徑上的任何兩個(gè)節(jié)點(diǎn)間的ALT≥H。節(jié)點(diǎn)i、j在時(shí)刻t的可用鏈路時(shí)間為

式中：TR表示節(jié)點(diǎn)的傳輸范圍；Di， j(t)表示節(jié)點(diǎn)i、j在時(shí)刻t的距離；Vi， j(t)表示節(jié)點(diǎn)i、j在時(shí)刻t的相對(duì)速度；ΔRSPi， j(t1，t2)表示從t1到t2接收信號(hào)的功率變化率。

假設(shè)某個(gè)節(jié)點(diǎn)需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量為D(Byte)、可用帶寬為B(b/s)，可計(jì)算出數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間為D×8/B(s)。至此，在BE-AODV路由協(xié)議中，通過(guò)設(shè)置ALT約束，可發(fā)現(xiàn)一條滿(mǎn)足約束的最小跳路由。下面的仿真分析中閾值H設(shè)為經(jīng)驗(yàn)值0.4。

3 仿真結(jié)果及分析

利用網(wǎng)絡(luò)模擬器NS2將前面提出的BE-AODV與文獻(xiàn)[6]提出的BARS在平均端到端時(shí)延、平均吞吐量、丟包率等方面進(jìn)行性能分析。網(wǎng)絡(luò)仿真場(chǎng)景設(shè)置如下：仿真時(shí)間設(shè)為1 000 s，50個(gè)節(jié)點(diǎn)隨機(jī)分布在1 000 m×1 000 m的區(qū)域，節(jié)點(diǎn)傳輸距離設(shè)為250 m，包長(zhǎng)度設(shè)為1 024 Byte，節(jié)點(diǎn)移動(dòng)模型設(shè)為Random way point，節(jié)點(diǎn)最大移動(dòng)速度設(shè)為2～10 m/s，流量類(lèi)型設(shè)為CBR，MAC層協(xié)議采用IEEE 802.11。

3.1 平均端到端時(shí)延

BE-AODV與BARS在不同節(jié)點(diǎn)移動(dòng)速度下的平均端到端時(shí)延比較見(jiàn)圖5。由于ER-AODV需要感知節(jié)點(diǎn)的能量，在路由發(fā)現(xiàn)過(guò)程中增加了較多開(kāi)銷(xiāo)，故同BARS相比端到端時(shí)延有所增加，但仍在可控范圍。

3.2 平均吞吐量

BE-AODV與BARS在不同節(jié)點(diǎn)移動(dòng)速度下的平均吞吐量比較見(jiàn)圖6。BE-AODV在BARS的基礎(chǔ)上，根據(jù)節(jié)點(diǎn)自身能量和網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)能量均值的不同來(lái)調(diào)節(jié)節(jié)點(diǎn)的RREQ分組延遲，從而平衡了節(jié)點(diǎn)的負(fù)載，減少了死亡節(jié)點(diǎn)的個(gè)數(shù)，與BARS相比，提高了平均吞吐量。

圖5 平均端到端時(shí)延比較Fig.5 Comparison of average end-to-end delays

圖6 平均吞吐量比較Fig.6 Average throughput comparison

3.3 丟包率

圖7 丟包率比較Fig.7 Comparison of packet loss rates

BE-AODV與BARS在不同的節(jié)點(diǎn)移動(dòng)速度下的丟包率比較見(jiàn)圖7。BE-AODV在BARS的基礎(chǔ)上，將鏈路帶寬作為參數(shù)以避免發(fā)生擁塞，在節(jié)點(diǎn)移動(dòng)速度高達(dá)10 m/s的情況下，丟包率仍低于20%。相較于BARS，BE-AODV由于設(shè)置了閾值H，對(duì)可用鏈路時(shí)間(ALT)進(jìn)行了約束，減少了鏈路中斷的數(shù)目，從而降低了丟包率。

4 結(jié)語(yǔ)

本研究提出了一種適用于MANET的帶寬及能量感知路由協(xié)議(BE-AODV)，路由選擇過(guò)程中選擇滿(mǎn)足可用鏈路時(shí)間約束的節(jié)點(diǎn)，通過(guò)計(jì)算整個(gè)MANET節(jié)點(diǎn)的能量均值并根據(jù)自身能量與整個(gè)MANET節(jié)點(diǎn)能量均值的比較來(lái)設(shè)置不同的RREQ延遲；通過(guò)獲取剩余帶寬的最新值并預(yù)測(cè)鏈路上的剩余帶寬，評(píng)估每個(gè)節(jié)點(diǎn)可以支持的最大帶寬且源節(jié)點(diǎn)根據(jù)剩余帶寬來(lái)調(diào)整數(shù)據(jù)包的速率。仿真實(shí)驗(yàn)表明，BE-AODV通過(guò)使每個(gè)節(jié)點(diǎn)都能感知自身剩余帶寬及能量，避免了堵塞，平衡了節(jié)點(diǎn)的負(fù)載，相較于BARS協(xié)議，雖然平均端到端時(shí)延有所增加，但提高了平均吞吐量并降低了丟包率。