移动adhoc网络中一种节能路由协议

1、移动移动 AdAd HocHoc 网络中一种节能路由协议网络中一种节能路由协议 移动 Ad Hoc 网络中一种节能路由协议 摘 要： 提出一种可以延长移动 Ad Hoc 网络寿命的节能路由协议路由协议 ESR。它集 成了传输功率控制功率控制和负载均衡负载均衡两种方式的优点来实现节能路由协议。 在通过负载均衡确定路由后，根据传输功率控制来调整链路链路间数据包的传输功率。 仿真结果表明，与 DSR 相比，ESR 协议可以有效地节能并延长 Ad Hoc 网络的寿命。 关键词：Ad Hoc 网络? 路由? 节能? 功率调整 ? 移动 Ad Hoc 网络作为一种即时的无中心、自组织、多跳网络得到了飞速的发展。网络 中的节点一般借助电池供电，因此节点的可用性对于成功传递数据包非常重要。任意一 个节点失效都会影响整个网络的性能。由于节点均由电池提供能量，节点失效的一个重 要原因就是电量耗尽。为了延长节点的生存时间，有必要减少节点在传输数据包时所消 耗的能量。近年来，对于 Ad Hoc 网络如何节能已经作了一系列的研究，这些研究可以 分为两类：传输功率控制和负载均衡。其中，传输功率控制决定了从源端到目

2、的端传输 数据包所需要最小能量的路径。 负载均衡主要通过将负载均匀地分配到各个节点来使网 络耗能均匀。但并没有一种或一系列专门的协议适合所有的场景。文献1提出了从源 端到目的端耗能最小的路由协议。它的缺点：总是选择功率最小的路由，致使这条路径 上的节点过早地消亡。文献2中给出了基于 GPS 信息的传输功率调整，但是 GPS 信息 不包括诸如噪声、干扰和冲突等环境信息。许多学者试图用负载均衡来克服传输功率控 制的缺陷。文献3提到了最小电量消耗路由协议，它以传输所需电量最小为衡量路由 的尺度。文献4中，节点是否转发路由请求包取决于它剩余电量的多少，如果剩余电 量超过门限值，则可以转发；否则，就丢弃该请求包。负载均衡的缺点：假定所有节点 以相同的功率进行传输而不考虑接收端的位置是否会造成能量的浪费。 因为当发送端与 接收端相距较近时，就可以很小的功率进行传输，从而节省很多能量。本文提出的节能 路由协议 ESR 集成了以上两种方法的优点， 在其路由查找阶段， 可以避免节点过早地消 亡。节点的消亡趋势可以通过剩余能量和当前传输功率来描述，称为节点的期望时间。 当路径确定后，即可根据接收端接收到的

3、数据包的信号强度来调整链路间的功率。1 DSR 协议动态源路由协议 DSR5是一种基于源路由的按需路由协议，它使用源路由算 法，发送方知道应该经过哪些中间节点逐跳到达目的地，这些路由存储在一个缓存中。 数据包在包头携带所需的源路由信息。DSR 路由协议主要包括两个过程：路由发现和路 由维持。路由发现：当节点 S 向节点 D 发送数据时，它首先检查缓存是否存在未过期 的到目的节点的路由，如果存在，则直接使用可用的路由，否则启动路由发现过程。具 体过程如下：源节点 S 将使用洪泛法发送路由请求消息（RREQ） ，RREQ 包含源和目的 节点地址以及惟一的标志号，中间节点转发 RREQ，并附上自己的节点标识。当 RREQ 消息到达目的节点 D 或任何一个到目的节点路由的中间节点时（此时，RREQ 中已记录 了从 S 到 D 或该中间节点所经过的节点标识） ，D 或该中间节点将向 S 发送路由应答消 息（RREP） ，该消息中将包含 S 到 D 的路由信息，并反转 S 到 D 的路由供 RREP 消息 使用。源节点将此路由写入自己的缓存中以备今后使用。路由维持：一旦某个节点在发 送数据时发现需

4、要使用的邻接链路断开，它立即发送一个路由错误（RERR）包给源节 点 S，源节点 S 收到这一错误包后在缓存中删除所有使用到这条链路的路由，并在必要 时再启动路由发现过程。 而沿途转发这一错误包的节点也从自己的路由表中删除该断开 链路的所有路由。DSR 协议以最小跳数为路由衡量尺度。路由确定以后，源端以默认的 最大功率传输数据包，但没有考虑节能问题。2 ESR 协议在 ESR 协议的路由查找阶段， 可以避免节点过早地消亡。在确定路由时，综合考虑了节点的剩余能量和传输功率。剩 余能量与传输功率之比显示了节点的耗能趋势。源端在时间 t 发现路由，并选择具有最 大值的那条路由。 其中，Rj(t)为路径 j 的能量与传输功率比的最小值;Ei 为这条路径上节 点 i 的剩余能量;Pti 为节点 i 的传输功率。 ?ESR 协议中的路由查询机制。 节点 1 为源端， 节点 5 为目的端。假定所有节点的缓存都为空,t 时刻，当源端发起路由查询时，各节点 的能量和传输功率。源端通过广播一个路由请求包来启动路由查询机制。节点 2 和节点 4 都在节点 1 的传输范围内。因为中间节点 2 和 4 都非目的

5、节点，这两个节点必须把 自己的 ID 写入路由请求包中，继续广播该路由包。当目的节点 5 接收到该路由请求包 时，通过反转节点 1 到节点 5 的路由，立即向节点 1 发送一个路由回复包。 ? 假定目的节点 5 通过路由 5-3-2-1 回复到节点 1。 当中间节点 3 收到该路由回复包时， 它通过来估计自己的“生存时间” 。假定这个值为 0.2，节点 3 在路由回复包里记录这 个值，然后转发该路由回复包到节点 2。节点 2 用同样的公式来估计其“生存时间” ， 假定为 0.1。同时，节点 2 读取路由回复包里记录的上一个节点的“生存时间”值（此 时这个值为 0.2） 。由于节点 2 的生存时间相对节点 3 的生存时间要小，因此，它将取 代路由回复包中节点 3 的“生存时间” 。此时，路径 1-2-3-5 的路由回复包中携带的 “生存时间”为 0.1。源节点 1 将在路由缓存中记录这一路由。假定此时源节点 1 也发 现了另一条路径 1-4-5，这条路径的“生存时间”为 0.005。在这两条路径中，源节 点 1 将选择 1-2-3-5，因为这条路径的“生存时间”高于路径 1-4-5。但是

6、以最小跳 数为衡量尺度的 DSR 协议将会选择路径 1-4-5。当源节点查询完路径并按照上述方法 选择完路径后，开始在这条路径上发送数据。此时，链路间的功率调整根据以下的步骤 来完成： 每一个节点都在数据包中记录自己的发送功率， 然后将数据发送到下一跳节点。 当下一跳节点以功率 Precv 接收到数据包时，同时读取数据包内上一节点的传输功率 Ptx，然后为上一跳节点重新计算发送功率。 Pmin=Ptx-Precv+Pthreshold? ? (3)其中，所有单位都为 dbW。 Pthreshold 为接收节点所能成功接收该数据包所要求的功率门限。 在 LAN 802.11 中， Pthreshold 为 3.65210-10 W。为了克服由于信道波动带来的链路不稳定性，在等 式3中加入一个差值Pmargin。 Pmin=Ptx-Precv+Pthreshold+Pmargin? (4)重新计算得到的传输功 率记录在功率表功率表中。每一个节点都包含一个功率表，用来记录目标节点的 ID 和 到目标节点的传输功率。重新计算的传输功率记录在 ACK 包中。当 ACK 包被发送节点 接收到时，在

7、功率表中更新传输功率，并且以更新后的传输功率来传送数据包。在本次 试验中，假定差值为 1dB，通常差值为 3dB6。因为在本次试验中，传输功率的监视 是通过数据包来实现的，所以差值采用 1dB。数据包监视的目的是:当数据包传输过程 中信道状况发生改变时，传输功率也能随之改变。同时，因为本试验的功率采用了一个 很小的差值，因此相比文献6中提到的协议能节省很多的能量。当节点接收到来自邻 居节点的数据包时，功率表将随之更新。当一个节点需要发送数据包到另一个节点时， 它就会查找功率表中到该节点的发送功率，若查询到，就以该功率发送数据包。若没有 查询到相应的功率值， 则以默认的功率传输(默认功率为 280mW，传输范围为 250m)。 为了体现 DSR 协议的查询功能，所有路由包（路由请求包、路由回复包）都以默认的 功率传输。另外，为了维持 MAC 层操作的一般性，所有 MAC 层的包（TRS、CTS、 ACK）都以默认的功率传输。为了观察功率调整对能量消耗的影响，应用了文献6中 的模型。在给定链路上，每 D 字节数据包消耗的能量为：? E(D，Pt)=K1PtD+K2? (5)在数据传输速率为

8、 2Mbps 的 802.11MAC 环境中，K1、K2 分别为。3 仿真模型因为接收功率是一个常 数，当节点接收数据包时会有一部分固定的能量被消耗，故令接收功率为 0。媒体接入 控制(MAC)协议为 IEEE802.11，信道速率为 2Mbps。802.11 分布式协调功能利用请 求发送（RTS）和清除发送(CTS)来控制数据包的发送。利用虚拟载波监听和信道预留 来减少隐藏终端带来的影响。无线传输模型为双向路径损耗。在仿真中，不考虑信道的 衰落。业务源为固定比特率(CBR)，数据包长为 512B,发送速度为 4 包/秒。每个节点都 包含一个功率表。包头结构增加传输功率域和接收功率门限域。在一个静态场景中，40 个节点随机分布在正方形的仿真区域内。仿真区域为 200m200m、300m300m、 400m400m 和 500m500m；源节点和目的节点随机组合。仿真周期为 250s； 计算所有节点消耗的能量和仿真结束前节点的消亡数。每个节点的初始化能量为 1.0J。 为了与 DSR 协议的性能作比较，需关注以下性能参数：成功投递的数据包数：在仿真 结束时，成功到达目的端的所有数据包的总

9、和。每个数据包的耗能：网络中消耗的总能 量与成功到达目的端的数据包的数目之比。消亡的节点数：在仿真结束时，由于能量耗 尽而过早消亡的节点数总和。4 仿真结果分析图 2 显示了成功投递的数据包数。ESR 协议中成功投递的数据包数明显大于 DSR 协议。原因是：DSR 协议在仿真阶段有一些 节点电量过早地耗尽而消亡，因此，它们不能发送和转发数据包。但在 ESR 协议中，节 点的生存时间却很长，所有节点都有能力发送和转发数据包。每个数据包的能量消耗。 当网络范围是 200m200m 时， 每个数据包的耗能约在 0.75mJ。 但在同样的场景下， DSR 协议中每个数据包却消耗约 1.25mJ。当扩大网络范围时，每个数据包的耗能也在 增加。因为在大的网络范围内，数据要经过多跳才能到达目的节点，所以每个数据包的 耗能就会增加。当网络范围为 500m500m 时，ESR 与 DSR 中数据包耗能基本相同。 ESR 中节能百分比，ESR 与 DSR 相比可以节能 37%。仿真结束时，节点消亡的个数， 当 ESR 中有一个节点消亡时，DSR 中就有 5 个节点消亡。但当网络范围扩大为 200m 200m 时，节点消亡个数趋于相等。这是因为网络范围变大时，ESR 中的传输功率与 DSR 中的传输功率基本相等，所以 ESR 与 DSR 有相同的消亡节点数。 ? ? ? ? 文章提出了一个节能路由协议（ESR） 。仿真结果表明：与 DSR 相比，ESR 协议可以有 效地节能、延长 Ad Hoc 网络的寿命。同时 ESR 协议也带来开销：数据包头部附加的信 息改变了数据包的结构，增加了数据包的长度。传输功率控制的引进将会导致无线设备 的硬件改动。 由于数据包不是通过最小跳数传送的， 所以平均跳数就会增加， 因此， ESR 中的延迟将会大于 DSR。

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