劉桂蘭，余本功

(1.合肥工業(yè)大學(xué) 管理學(xué)院,安徽 合肥 230009；2.過(guò)程優(yōu)化與智能決策教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 合肥 230009)

一種基于能量消耗策略的AOMDV改進(jìn)協(xié)議

劉桂蘭1,2，余本功1,2

(1.合肥工業(yè)大學(xué) 管理學(xué)院,安徽 合肥 230009；2.過(guò)程優(yōu)化與智能決策教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 合肥 230009)

針對(duì)AOMDV路由協(xié)議沒(méi)有考慮節(jié)點(diǎn)能量消耗的問(wèn)題，提出一種基于能量消耗策略的AOMDV_EC路由協(xié)議，旨在均衡消耗網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)節(jié)點(diǎn)的能量，達(dá)到延長(zhǎng)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間的目的。通過(guò)NS2網(wǎng)絡(luò)仿真平臺(tái)對(duì)AOMDV和AOMDV_EC兩種路由協(xié)議的性能進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)測(cè)試，分別從網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間、網(wǎng)絡(luò)端到端的傳輸時(shí)延、路由開(kāi)銷三個(gè)維度對(duì)改進(jìn)路由協(xié)議的性能進(jìn)行對(duì)比分析。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，添加能量策略的AOMDV_EC協(xié)議能夠有效延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間，降低端到端的傳輸時(shí)延，并且有效控制了網(wǎng)絡(luò)中的路由開(kāi)銷。AOMDV_EC路由協(xié)議能夠均衡整個(gè)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中各節(jié)點(diǎn)的能耗，達(dá)到改善整個(gè)網(wǎng)絡(luò)通信性能的目的。

AOMDV；能量消耗；網(wǎng)絡(luò)仿真；性能測(cè)試

0 引 言

無(wú)線AdHoc網(wǎng)絡(luò)是一種多跳、無(wú)中心的自組織網(wǎng)絡(luò)，組網(wǎng)簡(jiǎn)單靈活，成本低，生存能力強(qiáng)，正逐漸成為軍事、傳感器等領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。由于AdHoc網(wǎng)絡(luò)不需要依賴任何固定基礎(chǔ)設(shè)施，在其大規(guī)模組網(wǎng)的應(yīng)用環(huán)境中，必須依靠可攜帶的電池供電，因而能量非常受限[1-2]，同時(shí)移動(dòng)終端數(shù)目比較龐大且電池更換不方便。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)流量分布不均勻時(shí)，一些節(jié)點(diǎn)可能會(huì)承擔(dān)比較大的業(yè)務(wù)量，轉(zhuǎn)發(fā)報(bào)文的次數(shù)將會(huì)增多，節(jié)點(diǎn)能量消耗的速度將會(huì)迅速增加，一旦節(jié)點(diǎn)電池能量耗盡，將無(wú)法進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸工作，直接退出網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)也會(huì)導(dǎo)致該節(jié)點(diǎn)所在的整條鏈路的中斷和數(shù)據(jù)傳輸?shù)难舆t，造成數(shù)據(jù)分組投遞率的下降。當(dāng)這種失效的節(jié)點(diǎn)數(shù)量不斷增多會(huì)導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)被分割，最終網(wǎng)絡(luò)將不再能夠互聯(lián)，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的通信效率迅速下降，嚴(yán)重影響網(wǎng)絡(luò)的性能、通信質(zhì)量和生命周期。因此，需要研究一種基于節(jié)點(diǎn)電池容量的路由協(xié)議，能夠均衡消耗網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)節(jié)點(diǎn)的有限能量，改善網(wǎng)絡(luò)的通信質(zhì)量。

為了延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)的壽命，文獻(xiàn)[3-6]從節(jié)點(diǎn)的剩余能量出發(fā)，采用最小電池消耗路由和最小最大電池消耗路由的策略，將路由協(xié)議與能量均衡理論相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)流量均衡，延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)的整體壽命。文獻(xiàn)[7]提出高能量節(jié)點(diǎn)驅(qū)動(dòng)的路由協(xié)議(HN-AODV)將高能量節(jié)點(diǎn)驅(qū)動(dòng)的策略應(yīng)用于按需路由發(fā)現(xiàn)過(guò)程，力求使路由的建立避開(kāi)低能量節(jié)點(diǎn)，盡量選擇能量較高的節(jié)點(diǎn)來(lái)承擔(dān)轉(zhuǎn)發(fā)任務(wù)，以此來(lái)平衡網(wǎng)絡(luò)的能耗，提高網(wǎng)絡(luò)的生命周期。

文獻(xiàn)[8]將節(jié)點(diǎn)的剩余能量狀態(tài)分為不同等級(jí)，針對(duì)路徑狀態(tài)的差異設(shè)置不同的響應(yīng)機(jī)制，均衡網(wǎng)絡(luò)能耗、改善網(wǎng)絡(luò)流量的不均勻性，提高了網(wǎng)絡(luò)的性能。通過(guò)引用文獻(xiàn)中提到的節(jié)點(diǎn)能量等級(jí)制度，文中設(shè)計(jì)了一種改進(jìn)型的基于能量消耗策略的AOMDV路由協(xié)議(AOMDV based on Energy Consumption，AOMDV_EC)，從而延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)的生存時(shí)間。

1 AOMDV路由協(xié)議

AOMDV[9](AdHoc On Demand Multipath Distance Vector)協(xié)議是一種典型的基于AODV[10]的按需多徑路由，它是在AODV的基礎(chǔ)上通過(guò)增加少量的控制開(kāi)銷來(lái)保證獲取多條無(wú)環(huán)、鏈路不相交路徑，包括路由發(fā)現(xiàn)和路由維護(hù)兩個(gè)過(guò)程。

1.1 路由發(fā)現(xiàn)

AOMDV協(xié)議在路由發(fā)現(xiàn)過(guò)程中繼續(xù)使用AODV的目的序列號(hào)機(jī)制來(lái)表明路由的更新情況、確保路徑無(wú)環(huán)，并且在路由表結(jié)構(gòu)中用廣告跳數(shù)[11]代替了原來(lái)AODV中的跳數(shù)項(xiàng)，用來(lái)表明到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)的最大跳數(shù)。除此之外，通過(guò)建立鏈表表示存儲(chǔ)多條路徑信息。為了發(fā)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)不相交的路由，節(jié)點(diǎn)收到重復(fù)的RREQ后不會(huì)立即丟棄，而是將不同鄰居節(jié)點(diǎn)發(fā)送的RREQ中的信息保留下來(lái)，建立反向路由，AOMDV協(xié)議會(huì)在路由發(fā)現(xiàn)時(shí)建立多條路徑，選擇其中一條作為主路徑，其他作為備份路徑。

1.2 路由維護(hù)

同AODV協(xié)議一樣，由RERR路由錯(cuò)誤分組消息進(jìn)行路由維護(hù)。由于AOMDV是多徑路由協(xié)議，當(dāng)主路徑失效時(shí)會(huì)啟用備份路徑來(lái)進(jìn)行通信，只有當(dāng)所有鏈路全都斷開(kāi)時(shí)才會(huì)發(fā)送RRER消息給源節(jié)點(diǎn)，重新發(fā)起一個(gè)新的路由查找過(guò)程。這樣可以減少路由查找的次數(shù)，降低網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延。但是AOMDV協(xié)議在路徑選擇的過(guò)程中并沒(méi)有考慮節(jié)點(diǎn)的能量消耗因素，網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)能量受限，一旦能量不足就會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸失敗，降低網(wǎng)絡(luò)的通信效率。

2 AOMDV_EC路由協(xié)議的改進(jìn)

針對(duì)AOMDV協(xié)議的不足，將節(jié)點(diǎn)的能量模型引入到AOMDV協(xié)議的尋路機(jī)制中，旨在保護(hù)網(wǎng)絡(luò)中能量較低的節(jié)點(diǎn)，均衡消耗網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)節(jié)點(diǎn)的有限能量，達(dá)到延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)生命周期的目的。

2.1 改進(jìn)思路

為了解決AOMDV協(xié)議因能量耗盡導(dǎo)致路徑斷開(kāi)、頻繁地發(fā)起路由查找所引起的路由消耗問(wèn)題，研究AOMDV路由協(xié)議的具體工作流程，將節(jié)點(diǎn)的能量模型應(yīng)用到AOMDV協(xié)議的路徑選擇過(guò)程中，根據(jù)節(jié)點(diǎn)能量水平的不同設(shè)定相應(yīng)的操作流程，設(shè)計(jì)一種新型的基于能量消耗的路由協(xié)議(AOMDV_EC)。AOMDV_EC路由協(xié)議的設(shè)計(jì)思想主要在于對(duì)RREQ消息的處理機(jī)制上。網(wǎng)絡(luò)中的中間節(jié)點(diǎn)在收到RREQ消息后首先判定自身的剩余能量是否充足，如果能量不足直接丟包，不做任何處理，如果能量足夠轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，才會(huì)根據(jù)自身路由表中是否有到目的節(jié)點(diǎn)的路徑而選擇轉(zhuǎn)發(fā)RREQ或者回復(fù)RREP消息。AOMDV_EC路由協(xié)議的設(shè)計(jì)思路如圖1所示。

2.2 改進(jìn)方案

在AODV路由協(xié)議的基礎(chǔ)上，將節(jié)點(diǎn)的剩余能量值依據(jù)所占初始能量值的百分比排序，并分為三個(gè)等級(jí)，分別是high(剩余能量值大于等于初始能量值的20%)、normal(剩余能量值介于初始能量值的10%與20%之間)、danger(剩余能量值小于初始能量值的10%)。在節(jié)點(diǎn)收到RREQ消息之后，依據(jù)剩余能量水平的差異分別設(shè)計(jì)節(jié)點(diǎn)的響應(yīng)函數(shù)：當(dāng)源節(jié)點(diǎn)發(fā)起路由查找時(shí)，中間節(jié)點(diǎn)接收到RREQ消息，如果當(dāng)前節(jié)點(diǎn)沒(méi)有收到過(guò)同樣的RREQ也不是目的節(jié)點(diǎn)，那么首先根據(jù)自己的能量水平進(jìn)行判斷：如果能量級(jí)別為high，就立即轉(zhuǎn)發(fā)RREQ消息，如果有到目的節(jié)點(diǎn)的路徑則回復(fù)RREP消息；如果能量級(jí)別為danger，不足以維持RREQ消息的轉(zhuǎn)發(fā)，則丟棄數(shù)據(jù)包；如果能量級(jí)別為normal，設(shè)定節(jié)點(diǎn)隨機(jī)等待一段時(shí)間后進(jìn)行數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā)。具體的源碼實(shí)現(xiàn)過(guò)程如下：

if((node N receives RREQ)&&(N is not the source)&&( N is not the destination))

{if(node N has a fresh route entry for RREQ destination)

{if(energy>=20%*initialenergy)

{N sends RREP with NO_DELAY;}

else if(10%*initialenergy

{

N sends RREP with DELAY*Random::random();

}else{N discards RREQ;}

}

else if(node N has no fresh route entry for RREQ destination)

{if(energy>=20%*initialenergy)

{N forwards RREQ with NO_DELAY;}

else if(10%*initialenergy

{

N forwards RREQ with DELAY*Random::random();

}else{N discards RREQ;} }

}

3 仿真實(shí)驗(yàn)及分析

為了驗(yàn)證AOMDV_EC路由協(xié)議的性能優(yōu)劣，在NS2仿真平臺(tái)上搭建相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)模擬環(huán)境，為AOMDV和基于能量消耗的AOMDV_EC協(xié)議進(jìn)行仿真，對(duì)比分析兩者的實(shí)驗(yàn)結(jié)果及其性能。

3.1 仿真實(shí)驗(yàn)

通過(guò)NS2網(wǎng)絡(luò)仿真平臺(tái)，在設(shè)定1 000 m*1 000 m的仿真區(qū)域內(nèi)，采用20條CBR比特流來(lái)模擬產(chǎn)生網(wǎng)絡(luò)通信流量，每隔0.1 s發(fā)送大小為512字節(jié)的分組報(bào)文，仿真時(shí)間是500 s。設(shè)定節(jié)點(diǎn)初始能量值為50 J，模擬節(jié)點(diǎn)在5 m/s、10 m/s、15 m/s、20 m/s、25 m/s和30 m/s六種不同的移動(dòng)速度下，分別對(duì)AOMDV和AOMDV_EC兩種協(xié)議進(jìn)行仿真，其對(duì)應(yīng)的仿真實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景搭建主要配置參數(shù)如表1所示。

3.2 結(jié)果分析

為了分析AOMDV改進(jìn)前后的工作效率，選擇網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間、端到端時(shí)延和路由開(kāi)銷[12-14]三個(gè)指標(biāo)來(lái)度量AOMDV_EC的性能，如圖2～4所示。

(1)網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間：定義為整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中三分之一的節(jié)點(diǎn)電池能量耗盡的時(shí)間，可反映網(wǎng)絡(luò)的連通性，網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間越長(zhǎng)，提供的網(wǎng)絡(luò)通信性能越好。

圖2顯示，采用AOMDV_EC的網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間有明顯提高。因?yàn)锳OMDV_EC在路由洪泛和路由應(yīng)答過(guò)程中通過(guò)對(duì)節(jié)點(diǎn)剩余能量進(jìn)行保護(hù)，會(huì)盡量避開(kāi)使用能量相對(duì)較低的節(jié)點(diǎn)來(lái)建立路由，同時(shí)對(duì)于能量消耗較快的節(jié)點(diǎn)也有考慮，使得網(wǎng)絡(luò)中建立起來(lái)的路由能有效繞過(guò)網(wǎng)絡(luò)中的瓶頸，實(shí)現(xiàn)路由分流，很好地均衡了網(wǎng)絡(luò)中的能量消耗，有效避免了網(wǎng)絡(luò)中因過(guò)度使用某些節(jié)點(diǎn)而導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)分裂的現(xiàn)象，從而延長(zhǎng)了網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間。

圖2 網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間對(duì)比圖

(2)平均端到端時(shí)延：在仿真時(shí)間內(nèi)，從源節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)包到目的節(jié)點(diǎn)接收所花費(fèi)的平均時(shí)間。反映了網(wǎng)絡(luò)的暢通情況，其值越小，暢通性越好。

平均端到端時(shí)延=∑(接收到數(shù)據(jù)包的時(shí)間-發(fā)送數(shù)據(jù)包的時(shí)間)/發(fā)送數(shù)據(jù)包的個(gè)數(shù)

由圖3可知，在整個(gè)仿真過(guò)程中，AOMDV_EC在時(shí)延方面優(yōu)于AOMDV。因?yàn)锳OMDV_EC采用了能量等級(jí)制度，使得能量較低的節(jié)點(diǎn)避免參與路由查找和轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)分組，有效均衡了網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的能量消耗，所以AOMDV_EC從整體上降低了路由的端到端時(shí)延，提高了網(wǎng)絡(luò)的傳輸速率。

圖3 平均端到端時(shí)延性能比較圖

(3)路由開(kāi)銷：在仿真模擬期間網(wǎng)絡(luò)上所傳輸?shù)穆酚煽刂品纸M的總數(shù)，占信道中總的數(shù)據(jù)分組總數(shù)的比例。反映了網(wǎng)絡(luò)的擁塞程度和路由效率，理想情況下，其值越小，網(wǎng)絡(luò)性能越好。

路由開(kāi)銷=(轉(zhuǎn)發(fā)的路由包個(gè)數(shù)+發(fā)送的路由包個(gè)數(shù))/目的端接收到的數(shù)據(jù)包個(gè)數(shù)

圖4結(jié)果表明，改進(jìn)后的路由協(xié)議AOMDV_EC在路由開(kāi)銷上明顯優(yōu)于AOMDV。因?yàn)锳OMDV協(xié)議中，由于節(jié)點(diǎn)能量耗盡導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)所在的鏈路失效，需要重新發(fā)起路由查找，引起了很高的路由洪泛開(kāi)銷。AOMDV_EC根據(jù)剩余能量水平的不同限制了洪泛次數(shù)，控制了網(wǎng)絡(luò)路由開(kāi)銷。

圖4 路由開(kāi)銷對(duì)比圖

4 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)AOMDV協(xié)議沒(méi)有考慮節(jié)點(diǎn)的能量因素問(wèn)題，提出新的路由算法AOMDV_EC，使得在路由選擇過(guò)程中盡量避免使用剩余能量過(guò)低的節(jié)點(diǎn)，均衡網(wǎng)絡(luò)的能量消耗。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，基于能量消耗策略的AOMDV_EC協(xié)議在網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間、端到端時(shí)延和路由開(kāi)銷等性能指標(biāo)方面都有所改善，提高了整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的通信質(zhì)量，對(duì)AdHoc網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議的研究提供了一定的參考價(jià)值。

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An Improved Protocol of AOMDV Based on Strategy of Energy Consumption

LIU Gui-lan1,2，YU Ben-gong1,2

(1.School of Management,Hefei University of Technology,Hefei 230009,China;2.Key Laboratory of Process Optimization & Intelligent Decision-making of Ministry of Education,Hefei 230009,China)

In view of the problem that AOMDV routing protocol does not take into the energy consumption of the nodes account，an AOMDV_EC routing protocol based on the strategy of energy expenditure is proposed to balance energy consumption of each node in the network and achieve the purpose of extending network survival time.And through NS2 network simulation platform,the performance of two protocol (AOMDV and AOMDV_EC) is tested,analysis of the performance of the improved routing protocol from three dimensions like the network lifetime,the end-to-end transmission delay and the routing overhead.The results show that the AOMDV_EC protocol with energy strategy can effectively prolong the network lifetime,reduce the end-to-end transmission delay and control the routing overhead in the network effectively.AOMDV_EC routing protocol can balance the energy consumption of each node in the network environment,so as to improve the performance of the whole network communication.

AOMDV；energy consumption；network simulation；performance test

2015-12-16

2016-05-05

時(shí)間：2017-02-17

國(guó)家“863”高技術(shù)發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目(2011AA05A116)

劉桂蘭(1989-)，女，碩士研究生，研究方向?yàn)槲锪鞴芾砑靶畔⒒?；余本功，博士，教授，碩導(dǎo)，研究方向?yàn)樾畔⒐芾砼c信息系統(tǒng)、項(xiàng)目管理。

http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1450.TP.20170217.1623.008.html

TP393.04

A

1673-629X(2017)03-0061-04

10.3969/j.issn.1673-629X.2017.03.013