顧斌，陸杰，張策

（1.南京郵電大學(xué)通信與信息工程學(xué)院，江蘇 南京 210003；2.中國電科新一代移動通信創(chuàng)新中心，江蘇 南京 210019）

0 引言

移動自組網(wǎng)（MANET,Mobile Ad hoc Network）是由無線鏈路連接的移動節(jié)點組成的網(wǎng)絡(luò)[1-4]。在這種網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點的位置和連接狀態(tài)都會頻繁變化，因此需要具備適應(yīng)快速變化環(huán)境的路由協(xié)議。目前，針對MANET 已經(jīng)開發(fā)了許多路由協(xié)議，如AODV（Ad hoc On-Demand Distance Vector Routing，無線自組網(wǎng)按需平面距離向量路由協(xié)議）、DSR（Dynamic Source Routing，動態(tài)源路由協(xié)議）、OLSR（Optimized Link State Routing，優(yōu)化鏈路狀態(tài)路由協(xié)議）等，然而，這些協(xié)議都著眼于找到從源到目的地的可行路徑，它們未能很好地適應(yīng)多種網(wǎng)絡(luò)流量和QoS（Quality of Service，服務(wù)質(zhì)量）需求，而當(dāng)今眾多應(yīng)用程序正需要高質(zhì)量的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。因此，對路由協(xié)議進(jìn)行QoS 保障成為必要之舉。

合理的QoS 路由協(xié)議能夠為業(yè)務(wù)提供滿足一系列服務(wù)要求的路徑[5-8]，這些服務(wù)要求是通過帶寬、延遲、抖動、丟包率等多個可量化的指標(biāo)來度量的。

近年來，研究者們從負(fù)載均衡、帶寬預(yù)留等角度提出許多QoS 路由協(xié)議，擴(kuò)展了傳統(tǒng)路由協(xié)議，根據(jù)路由發(fā)現(xiàn)和維護(hù)策略這些協(xié)議可以劃分為兩類：主動式路由協(xié)議和反應(yīng)式路由協(xié)議[9]。主動式路由協(xié)議維護(hù)節(jié)點的完整路由信息，以便在需要轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)時迅速找到合適路由，這類協(xié)議需要持續(xù)更新和交換路由信息以應(yīng)對網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓渎酚砷_銷較大。而反應(yīng)式協(xié)議則僅在節(jié)點需要傳輸信息時才尋找路由，避免了周期性的路由信息交換，從而減小了路由開銷。文獻(xiàn)[10] 應(yīng)用多路徑路由策略提高了分組投遞率和吞吐量，但是開銷很大，并且無法應(yīng)對快速移動場景下的QoS 路由問題。文獻(xiàn)[11] 在傳統(tǒng)AODV 基礎(chǔ)上引入跨層路由以解決QoS 路由問題，卻沒有考慮業(yè)務(wù)對時延的要求。

由于多約束QoS 問題在文獻(xiàn)[12] 中已經(jīng)被證實是一個NP-C（Nondeterministic Polynomial Time Complete，非確定性多項式時間完全）問題，并且針對NP-C 問題人們大多采用啟發(fā)式算法解決，使得蟻群優(yōu)化算法、遺傳算法等智能算法得到廣泛應(yīng)用。而蟻群優(yōu)化（ACO,Ant Colony Optimization）通過模擬螞蟻尋找食物的行為，具有一些獨特的特性，包括分布式計算、正反饋機(jī)制、貪婪啟發(fā)式和靈活性等。首先，ACO 算法的分布式計算特點與傳統(tǒng)的集中式算法不同，其將問題分解為多個螞蟻個體，每只螞蟻根據(jù)局部信息素和問題相關(guān)的啟發(fā)式信息獨立地選擇路徑和做出決策，再將其經(jīng)驗貢獻(xiàn)到全局信息素中，使它們在分布式環(huán)境中協(xié)作解決問題，在處理網(wǎng)絡(luò)模型問題時具有出色的拓展性和并行性。其次，正反饋意味著螞蟻更有可能選擇已知信息素濃度高的路線，有助于加速全局最優(yōu)路徑的搜索。最后，螞蟻在路徑選擇時不僅考慮信息素濃度，還考慮基于需求設(shè)計的啟發(fā)式信息，可以幫助螞蟻更有針對性選擇路徑，提高路徑質(zhì)量?；谙伻簝?yōu)化的這些特性，使得本文選擇它處理路由多約束QoS 問題。文獻(xiàn)[13] 基于AntNet 蟻群算法引入QoS約束機(jī)制，考慮負(fù)載均衡來選擇節(jié)點。文獻(xiàn)[14] 基于蟻群算法綜合考慮帶寬、跳數(shù)、端到端時延三種QoS 參數(shù)來計算路徑優(yōu)先的概率，以選擇合適的路徑來傳輸數(shù)據(jù)。文獻(xiàn)[15] 引入獎勵函數(shù)，信息素更新時獎勵優(yōu)秀螞蟻，提高了算法的收斂能力。文獻(xiàn)[16] 提出基于蟻群算法的混合路由，其在路由建立時考慮端到端延遲指標(biāo)和節(jié)點位置信息。文獻(xiàn)[17] 提出基于區(qū)域的混合路由協(xié)議HRP，綜合DSDV 和DSR 協(xié)議的優(yōu)勢，具有從主動性切換到反應(yīng)性的功能。

雖然以上QoS 路由協(xié)議具有一些優(yōu)勢，但是這些協(xié)議存在一些局限：

（1）缺乏考慮不同種類業(yè)務(wù)問題，不同應(yīng)用可能對QoS 參數(shù)有不同的要求，沒有充分考慮帶寬、時延、丟包率、鏈路擁塞、費(fèi)用要求。

（2）傳統(tǒng)蟻群算法會存在收斂速度慢，易于陷入局部最優(yōu)解問題。

（3）大多協(xié)議沒有兼顧路由建立和維護(hù)兩個關(guān)鍵階段，使得協(xié)議在動態(tài)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下十分脆弱。

針對以上局限性，本文提出了一種基于蟻群優(yōu)化的混合多路徑QoS 路由協(xié)議。首先，HMQ-ACO（Hybrid Multipath QoS Routing Protocol Based on Ant Colony Optimization）引入多約束QoS 指標(biāo)，充分考慮多種業(yè)務(wù)需求，如會話和交互類業(yè)務(wù)。其次，協(xié)議中蟻群優(yōu)化算法改進(jìn)了傳統(tǒng)蟻群算法，先是加入新的啟發(fā)式信息來建立路徑選擇模型，并采用多路徑并行搜索以避免陷入局部最優(yōu)解，然后重新設(shè)計局部和全局信息素更新規(guī)則，引導(dǎo)螞蟻選擇較優(yōu)的路徑，來加快蟻群算法收斂速度。最后，HMQ-ACO 結(jié)合主動式和反應(yīng)式路由協(xié)議的優(yōu)點，設(shè)計反應(yīng)式螞蟻和主動式螞蟻來建立和維護(hù)最佳路徑。

1 系統(tǒng)模型與問題分析

1.1 系統(tǒng)模型

移動自組網(wǎng)QoS 路由是一種實現(xiàn)端到端滿足QoS 參數(shù)需求的路由機(jī)制，考慮所有移動節(jié)點間的鏈路具有相同的信道環(huán)境，系統(tǒng)模型可用一個無向加權(quán)圖G(V,E)來表示[18]，其中V表示節(jié)點集合，E表示所有節(jié)點之間鏈路的集合。對于任意鏈路e∈E，可以定義以下鏈路的QoS 參數(shù)[19]：時延函數(shù)D(e)、帶寬函數(shù)B(e)，費(fèi)用函數(shù)C(e)。同樣地，對于每個節(jié)點n∈V，可以定義節(jié)點的QoS 參數(shù)：時延函數(shù)D(n)、丟包率函數(shù)L(n)、擁塞函數(shù)G(n)，費(fèi)用函數(shù)C(n)。

對于一條從源節(jié)點s到目的節(jié)點d的路徑p(s,d)，該路徑的QoS 參數(shù)表示如(1)～(5)：

1.2 問題分析

MANET 中QoS 路由選擇問題就是在網(wǎng)絡(luò)中找到一條路徑p(s,d) 使得K(p(s,d)) 最大，費(fèi)用C(p(s,d)) 和擁塞度G(p(s,d)) 較小且滿足以下約束：

其中Dq為最大允許延遲，Bq為最小帶寬，Lq為最大允許丟包率。

K(p(s,d))是QoS 路由目標(biāo)函數(shù)，基于延遲D(p(s,d))、帶寬B(p(s,d))和丟包率L(p(s,d))。表示為式(9)：

式(9) 中函數(shù)fD、fB、fL分別是基于延遲、帶寬和丟包的懲罰函數(shù)，分別定義為：

λD、λB、λL分別是fD、fB和fL的正向權(quán)重，用于表示在目標(biāo)函數(shù)中時延、帶寬和丟包率的相對重要性,且λD+λB+λL=1。fD、fB和fL分別是時延、帶寬和丟包率參數(shù)的懲罰函數(shù)。路徑滿足要求的時延、帶寬和丟包率時不懲罰，否則懲罰值為rD(0＜rD＜1)。類似地，rB和rL的值也在相同的范圍內(nèi)。

為了確保各種類型應(yīng)用所需的服務(wù)質(zhì)量。對于延遲敏感的流量（如會話業(yè)務(wù)），可以將λD分配更高的值，以減少λB和λL代價。對丟包率敏感的流量（如交互類業(yè)務(wù)），賦予λL更高的值。通過這種靈活的參數(shù)設(shè)置為各種流量類型提供了定制化的服務(wù)以滿足多樣化的用戶需求[20]。

根據(jù)系統(tǒng)模型定義，本文的QoS 路由協(xié)議即為在滿足式(6)～(8)QoS 約束條件下，尋找K(p(s,d))最大的路徑，同時最大程度使費(fèi)用和節(jié)點擁塞度小。這是一個多約束條件下的目標(biāo)優(yōu)化問題，傳統(tǒng)的求解算法如窮舉搜索、貪婪算法、遺傳算法等，在面對此種問題往往表現(xiàn)出效率低下、易陷入局部最優(yōu)、解權(quán)衡困難等問題。而蟻群優(yōu)化算法以其信息素引導(dǎo)機(jī)制、全局搜索等特性，有助于平衡多個目標(biāo)的權(quán)衡，避免陷入局部最優(yōu)解，而且具備一定的靈活性，可以通過調(diào)整信息素更新以及其他參數(shù)適應(yīng)不同約束條件和目標(biāo)函數(shù)需求。所以本文采用蟻群優(yōu)化算法對QoS路由問題進(jìn)行求解。

2 基于蟻群優(yōu)化的混合QoS路由協(xié)議

2.1 蟻群優(yōu)化算法

（1）路徑選擇概率模型

蟻群算法出色的全局搜索能力源于它在選擇下一跳時的靈活性。在螞蟻移動過程中，信息素濃度和啟發(fā)式函數(shù)會不斷更新，從而影響螞蟻選擇路徑的決策。為了充分發(fā)揮啟發(fā)式因子的作用，螞蟻k由節(jié)點i轉(zhuǎn)移到j(luò)的路徑選擇概率表示為公式(13)：

式(13) 中τij(t) 表示當(dāng)前鏈路(i,j) 上的信息素值；α是信息素的影響因子，β是節(jié)點擁塞度的啟發(fā)式因子。γ和σ是控制時延和丟包率的啟發(fā)式因子，Ni是節(jié)點i的鄰居節(jié)點集，j是節(jié)點i的鄰居節(jié)點且其不在禁忌表中。

ηij啟發(fā)值考慮費(fèi)用和節(jié)點擁塞度，盡量避免選擇擁塞度高和費(fèi)用高的節(jié)點作為下一跳。ηij與Cij、Gij定義為式(14)。擁塞度取決于位于節(jié)點i處等待在發(fā)送隊列上數(shù)據(jù)包的個數(shù)qij，費(fèi)用主要考慮跳數(shù)。

γ和σ是相對取值，對于會話類業(yè)務(wù)的數(shù)據(jù)流[21]，γ＞σ，如話音數(shù)據(jù)要求低延遲。對于交互類業(yè)務(wù)，如遠(yuǎn)程操作要求低丟包率，γ＜σ。

（2）信息素的局部更新規(guī)則

當(dāng)螞蟻經(jīng)過鏈路(i,j)時，信息素濃度τij(t)會按照下式進(jìn)行局部信息素更新，其目的是實現(xiàn)信息素局部調(diào)整，由于此規(guī)則會使鏈路上的信息素濃度有所減少，所以會減小已選擇過的路徑再次被選擇的概率，避免陷入局部最優(yōu)。

式(15) 中ρ∈(0,1) 為信息素?fù)]發(fā)因子；τ0為初始信息素濃度。

（3）信息素的全局更新規(guī)則

當(dāng)所有螞蟻完成了一次迭代后，按式(9) 計算其目標(biāo)函數(shù)值K，K值較大的M(M≤3) 條路徑上的信息素按式(16) 進(jìn)行全局信息素更新。

通過全局更新規(guī)則，螞蟻將逐漸聚集在滿足QoS 約束且K值較大的M條路徑上，K值最大的為最優(yōu)路徑，其他作為備用路徑。

式中，ρ為信息素?fù)]發(fā)因子，0＜ρ＜1。Q為獎勵信息素常量。

2.2 HMQ-ACO路由協(xié)議流程

HMQ-ACO 是混合式路由協(xié)議，綜合了反應(yīng)式路由建立和主動式路由維護(hù)的策略，以達(dá)到有效的路徑選擇和優(yōu)化目的。反應(yīng)性表現(xiàn)在節(jié)點在會話開始時才建立到目的地的路由，而主動性則表現(xiàn)在會話期間，協(xié)議嘗試維護(hù)和改進(jìn)已建立的路由信息。HMQ-ACO 通過創(chuàng)建多條路徑來連接源節(jié)點和目的節(jié)點，從而提高網(wǎng)絡(luò)的可靠性和魯棒性。

(1) 反應(yīng)式QoS 路由建立流程

當(dāng)源節(jié)點(標(biāo)記為s) 與目的節(jié)點(標(biāo)記為d) 需要建立會話時，且當(dāng)前的路由表中不存在滿足會話QoS 要求的s到d的路徑時，開始進(jìn)行反應(yīng)式路由建立。此過程包括兩種控制包：反應(yīng)式前向螞蟻（RFA，Reactive Forward Ant）和反應(yīng)式后向螞蟻（RBA，Reactive Backward Ant）。反應(yīng)式路由建立步驟如下：

步驟1.反應(yīng)式前向螞蟻RFA 從源節(jié)點廣播出發(fā)，其結(jié)構(gòu)如圖1 所示。RFA 攜帶源節(jié)點地址、目的節(jié)點地址、螞蟻代數(shù)編號、QoS 約束指標(biāo)值、路徑上的QoS 度量值以及禁忌表P，記錄從源節(jié)點s 到目的節(jié)點d 經(jīng)過的節(jié)點；

步驟2.當(dāng)中間節(jié)點i收到RFA 時，先根據(jù)RFA 中的源節(jié)點地址和代數(shù)編號判斷是否處理過此報文，如果是，直接丟棄；然后檢查自身地址是否在禁忌表P 中出現(xiàn)，如果是，直接丟棄，以避免環(huán)路；否則進(jìn)入步驟3；

步驟3.節(jié)點i收到RFA 時，檢查是否為目標(biāo)節(jié)點。若是，進(jìn)入步驟4；否則執(zhí)行以下操作：

①提取RFA 的時延值D，判斷D 與本節(jié)點的處理時延之和是否滿足時延約束。若不滿足，則丟棄RFA；否則，繼續(xù)執(zhí)行②。

②判斷節(jié)點i的剩余帶寬是否滿足RFA 的帶寬約束。若不滿足，表明自身帶寬資源不滿足QoS 要求，丟棄RFA；否則，繼續(xù)執(zhí)行③。

③檢查節(jié)點的丟包率是否滿足RFA 的丟包率約束。若不滿足，丟棄RFA；否則，繼續(xù)執(zhí)行④。

④將RFA 攜帶的代數(shù)編號和源節(jié)點地址添加到本地識別列表，對于從源節(jié)點到當(dāng)前節(jié)點的路徑，進(jìn)行本地路由表的添加或更新操作，以反映出反向路由的信息。路由表包括了源地址、目的地址、下一跳節(jié)點地址和跳數(shù)，同時還有與業(yè)務(wù)相關(guān)的QoS 約束，包括業(yè)務(wù)帶寬約束、時延約束和丟包率約束，以及當(dāng)前節(jié)點擁塞度。

⑤將RFA 的代數(shù)編號k提取，則當(dāng)螞蟻k在中繼節(jié)點i發(fā)現(xiàn)到目的節(jié)點d有多條可用的路由時，根據(jù)式(13)的概率Pijk選擇下一跳節(jié)點j。

⑥當(dāng)前向螞蟻k完成一次路徑選擇后，RFA 在轉(zhuǎn)發(fā)到下一跳的過程中，鏈路(i,j) 的信息素按照式(15) 進(jìn)行局部信息素更新。

步驟4.所有反應(yīng)式前向螞蟻從s到d的旅程結(jié)束，即當(dāng)所有螞蟻完成一次迭代，根據(jù)式(9) 計算每只螞蟻的目標(biāo)函數(shù)K。

通過評估每次迭代后不同螞蟻所經(jīng)過路徑的目標(biāo)函數(shù)值，選擇K值較大的M只反應(yīng)性前向螞蟻，對它們進(jìn)行信息，然后銷毀這些螞蟻。隨后，構(gòu)造反應(yīng)式后向螞蟻RBA，其結(jié)構(gòu)如圖2 所示，將來自RFA 的相關(guān)信息填充到RBA 相關(guān)字段，具體包括跳數(shù)值和信息素獎勵值。此外，還將之前禁忌表P反過來添加到RBA 中。最終它將沿著RFA 的路徑單播返回到源節(jié)點s。

圖2 反應(yīng)式后向螞蟻結(jié)構(gòu)圖

步驟5.反應(yīng)式后向螞蟻不被廣播，每經(jīng)過一個中間節(jié)點i，會進(jìn)行以下操作：

①螞蟻k每到一個節(jié)點按式(17) 更新本地路由表的跳數(shù)信息：

式(17) 中hij表示節(jié)點i經(jīng)節(jié)點j到達(dá)目的節(jié)點d的平均跳數(shù)歷史記錄；hijk表示螞蟻k由當(dāng)前節(jié)點i經(jīng)j到達(dá)d的跳數(shù)；α∈[0,1] 表示對新信息的采納程度。

②根據(jù)式(16) 的全局信息素更新規(guī)則更新本地信息素表。

步驟6.RBA 回到源節(jié)點s，該螞蟻被丟棄，此時建立了源節(jié)點到目的節(jié)點的正向路由。

根據(jù)步驟1 至步驟3 畫出反應(yīng)式前向路由建立過程如圖3 所示，根據(jù)步驟4 至步驟6 畫出反應(yīng)式后向路由建立過程如圖4 所示。

圖4 反應(yīng)式后向路由建立過程

在建立了到目的節(jié)點路徑之后，會通知業(yè)務(wù)進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送，數(shù)據(jù)包根據(jù)路由表中的信息進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。如果節(jié)點存在多條到目標(biāo)的路徑，則盡可能選最優(yōu)路徑。

（2）主動式QoS 路由維護(hù)

主動式路由維護(hù)旨在通過更新信息素值來保證路徑選擇的準(zhǔn)確性和時效性，從而有效維護(hù)網(wǎng)絡(luò)的路由狀態(tài)。

源節(jié)點周期性地派發(fā)主動式前向螞蟻（PFA，Proactive Forward Ant），以維護(hù)已構(gòu)建路徑的完整性并尋求更優(yōu)或替代性的路徑。PFA 結(jié)構(gòu)與RFA 相同，并且都是由源節(jié)點廣播，中間節(jié)點單播轉(zhuǎn)發(fā),其派發(fā)速率會根據(jù)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載情況和流量變化動態(tài)調(diào)整，與主動數(shù)據(jù)發(fā)送速率相協(xié)調(diào)。

PFA 在傳播過程中收集與已建立路徑有關(guān)的最新信息，并通過轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的主動式后向螞蟻（PBA，Proactive Backword Ant），更新路徑上節(jié)點的路由表中的信息素值。

（3）鏈路斷裂檢測和路由修復(fù)

移動自組網(wǎng)中的鏈路斷裂是一個重要的問題[22]，因為移動節(jié)點之間的鏈路不穩(wěn)定，容易導(dǎo)致通信中斷。為了檢測鏈路斷裂，協(xié)議中采用Hello 消息螞蟻（Hant，Hello Ant）檢測機(jī)制和數(shù)據(jù)包傳輸失敗檢測機(jī)制兩種。Hant 結(jié)構(gòu)包含源節(jié)點地址、螞蟻代數(shù)編號、檢測標(biāo)志位。

每個節(jié)點定期發(fā)送Hant 管理鄰居節(jié)點，Hant 只在一跳內(nèi)轉(zhuǎn)發(fā)，不能廣播。若某節(jié)點在一定時間內(nèi)未收到來自鄰居的Hant，則是為檢測到鄰居鏈路斷裂，會采取以下措施：本地節(jié)點將該鄰居節(jié)點從鄰居列表刪除，并會向其他鄰居節(jié)點廣播鏈路斷裂的消息，所有接收到此消息的鄰居也會更新路由表。

如果源節(jié)點檢測到數(shù)據(jù)包傳輸失敗，并且不存在其他可用路徑，則將數(shù)據(jù)包放入緩沖區(qū)并啟動路由修復(fù)過程。

路由修復(fù)過程是由路由修復(fù)前向螞蟻（RFFA，Route Fixing Forward Ant）和路由修復(fù)后向螞蟻（RFBA，Route Fixing Backward Ant）完成，主要是為了盡快尋找到到達(dá)目的點的路徑，RFFA 和RFBA 結(jié)構(gòu)相同，包括目的節(jié)點地址、源地址、代數(shù)編號、失敗鏈路信息。RFFA 沿著反應(yīng)式前向螞蟻所采取的路徑前進(jìn)到指定目的地（在該節(jié)點廣播，在后續(xù)節(jié)點單播），然后轉(zhuǎn)化成為RFBA 返回源節(jié)點。如果RFBA 返回到源節(jié)點，則繼續(xù)發(fā)送存在緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)包。如果在一定時間內(nèi)沒有收到RFBA，則節(jié)點會認(rèn)為路徑修復(fù)失敗。然后，它會廣播丟失目標(biāo)的鏈路故障通知并丟棄所有臨時緩沖的數(shù)據(jù)包。

3 仿真設(shè)置與結(jié)果分析

3.1 仿真設(shè)置

本節(jié)對提出的HMQ-ACO 路由協(xié)議進(jìn)行仿真驗證，并選擇AODV、文獻(xiàn)[13]AntNet-QoS 協(xié)議以及文獻(xiàn)[16]中的路由協(xié)議作對比分析，選擇它們的理由是為了充分評估HMQ-ACO 在MANET 中的性能和優(yōu)越性。首先，AODV 代表傳統(tǒng)的反應(yīng)式路由協(xié)議，其優(yōu)勢在于快速路由建立，與其對比，旨在評估HMQ-ACO 在網(wǎng)絡(luò)動態(tài)性較高時路由建立和數(shù)據(jù)傳輸表現(xiàn)以及能否有效降低時延。其次，文獻(xiàn)[13] 中AntNet-QoS 基于蟻群算法并考慮了帶寬、時延等QoS 約束，與其對比，來衡量HMQ-ACO在QoS 支持方面的性能。最后，文獻(xiàn)[16] 路由協(xié)議基于蟻群優(yōu)化算法并采用混合路由方法，與之對比，考察HMQ-ACO 在復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中的QoS 保障性能，以及是否能夠建立并維護(hù)好路由，保證較高分組傳遞率。

仿真中節(jié)點按照RWP（RandomWaypoint，隨機(jī)路徑點）移動模型來移動，并會有停頓時間。采用兩徑衰落信號傳播模型模擬無線電傳播，物理層采用IEEE 802.11協(xié)議，鏈路帶寬為2 Mbps。MAC 層使用802.11b 協(xié)議?？紤]通信業(yè)務(wù)主要為話音數(shù)據(jù)流。仿真場景參數(shù)配置如表1 所示，協(xié)議參數(shù)配置如表2 所示。

表1 仿真場景參數(shù)配置

3.2 結(jié)果分析

本節(jié)考慮了數(shù)據(jù)包的端到端延遲和傳遞率這2 個性能指標(biāo)。

首先，在第1 組實驗中，改變節(jié)點速度從5 m/s 變化到30 m/s。仿真結(jié)果如圖5 和圖6。

圖5 端到端時延與節(jié)點速度

圖6 分組投遞率與節(jié)點速度

圖5 為不同協(xié)議隨節(jié)點速度變化時的端到端時延。顯然AODV 的時延性能較差，由于它只能尋找從源到目的地的最短路由，而且其所構(gòu)建的路徑不符合QoS概率也很高，當(dāng)其在QoS 業(yè)務(wù)不能滿足要求時，它會重復(fù)構(gòu)建路徑，從而造成了平均端到端時延隨速率的較大幅度上升。而其他的3 類ACO 協(xié)議均采用QoS，盡管時隨著速率提高端到端時延也會有所增加，但受到平均端到端時延的制約，其平均端到端時間延遲的增加幅度相對較小。

圖6 為不同協(xié)議隨節(jié)點速度變化時的分組投遞率。對于所有協(xié)議，分組投遞率都隨著節(jié)點速度的增加而降低。值的注意的是3 種基于蟻群優(yōu)化思想的協(xié)議在分組投遞率方面表現(xiàn)明顯均優(yōu)于AODV，這種優(yōu)勢歸因于AODV在建立路由時未考慮QoS 支持，因此在傳輸QoS 敏感的業(yè)務(wù)時，其傳輸失敗率相對較高。在這些ACO 類協(xié)議中，HMQ-ACO 達(dá)到了最高分組投遞率,這一成就可以歸功于在路由建立過程中盡量避免了擁塞節(jié)點，因此在這一方面勝過了AntNet-QoS 和文獻(xiàn)[16] 的協(xié)議。

接下來，第2 組實驗中逐步增加節(jié)點數(shù)量，從100增加到800，同時按比例增加網(wǎng)絡(luò)面積以保持節(jié)點密度穩(wěn)定。圖7 和圖8 展示了相應(yīng)結(jié)果。

圖7 端到端時延與節(jié)點數(shù)量

圖8 分組投遞率與節(jié)點數(shù)量

圖7 為不同協(xié)議隨節(jié)點數(shù)量變化時的端到端時延。HMQ-ACO 表現(xiàn)很好，但是AODV 落后很多，而且隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的增加，差距越來越大。AntNet-QoS 和文獻(xiàn)[16]協(xié)議時延表現(xiàn)相近。

圖8 為不同協(xié)議隨節(jié)點數(shù)量變化時的分組投遞率。4種協(xié)議的分組投遞率都會隨著節(jié)點數(shù)量的增加而下降。但HMQ-ACO 能夠比其他協(xié)議正確的傳送更多的數(shù)據(jù)包。此外，性能的差距隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的增加而增加。對于最大的網(wǎng)絡(luò)規(guī)模，HMQ-ACO 仍能提供80% 的投遞率,這是由于HMQ-ACO 可以搜索多條路徑，有很多替代方案，因此在鏈路故障后重建路由相對容易。而AntNet-QoS 和文獻(xiàn)[16] 協(xié)議時延表現(xiàn)相近。

4 結(jié)束語

本文針對MANET 中傳統(tǒng)蟻群優(yōu)化QoS 的路由協(xié)議的局限性，改進(jìn)了蟻群算法的路徑選擇模型和信息素更新策略，并采用特殊的混合路由協(xié)議設(shè)計思想，綜合考慮多種QoS 約束指標(biāo)以及鏈路擁塞度、費(fèi)用，提出基于蟻群優(yōu)化的混合多路徑QoS 路由協(xié)議HMQ-ACO。仿真結(jié)果表明，HMQ-ACO 在端到端延遲、數(shù)據(jù)包傳遞率方面表現(xiàn)較好。在未來的研究工作中，會考慮更多業(yè)務(wù)種類，并優(yōu)化路由協(xié)議的開銷。