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基于泛洪區(qū)域限定的改進(jìn)DSR 節(jié)能組網(wǎng)*

2022-06-07 08:56孟金林
電子技術(shù)應(yīng)用 2022年5期
關(guān)鍵詞:象限時(shí)延能耗

孟金林

(軌道交通工程信息化國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(中鐵一院),陜西 西安 710043)

0 引言

動(dòng)態(tài)源自組網(wǎng)(Dynamic Source Routing,DSR)是移動(dòng)Ad hoc網(wǎng)絡(luò)(Mobile Ad hoc Network,MANET)[1-2]的典型組網(wǎng),其主要有組網(wǎng)發(fā)現(xiàn)和組網(wǎng)維護(hù)兩個(gè)階段[3-4]。在組網(wǎng)發(fā)現(xiàn)階段,源節(jié)點(diǎn)通過鏈接RREQ,構(gòu)建連通目的節(jié)點(diǎn)的組網(wǎng)。

然而,若盲目地泛洪RREQ 數(shù)據(jù),增加了網(wǎng)絡(luò)能耗,也容易引起鏈接風(fēng)暴問題[5]。針對(duì)這些問題,研究人員提出不同的泛洪改進(jìn)算法,如N 跳泛洪[6]、概率泛洪[7-8]。

本文針對(duì)源組網(wǎng)的RREQ 的泛洪問題,提出區(qū)域的組網(wǎng)發(fā)現(xiàn)機(jī)制的DSR 組網(wǎng)(Zone-based Route Discovery Mechanism,ZRDM)。ZRDM組網(wǎng)通過限定泛洪RREQ的區(qū)域,減少RREQ數(shù)據(jù)重傳的次數(shù),進(jìn)而控制能耗,提高數(shù)據(jù)傳遞率。仿真結(jié)果表明,提出的ZRDM 組網(wǎng)降低了組網(wǎng)能耗,提高了數(shù)據(jù)傳遞率。

1 ZRDM 組網(wǎng)

ZRDM 組網(wǎng)主要由3 個(gè)階段構(gòu)成:(1)鄰居節(jié)點(diǎn)分類;(2)RREQ 泛洪區(qū)域的選定;(3)組網(wǎng)發(fā)現(xiàn)。

1.1 鄰居節(jié)點(diǎn)分類

令R 表示節(jié)點(diǎn)的傳輸范圍。依據(jù)信號(hào)強(qiáng)度[9-10]將其劃分為3 個(gè)子區(qū)域:最外區(qū)域(OutSide Rrea,OSR)、中間區(qū)域(InterMediate Rrea,IMR)、最內(nèi)區(qū)域(InSide Rrea,ISR),如圖1 所示。將半徑R~3R/4 內(nèi)的環(huán)形區(qū)域作為OSR 區(qū)域;將半徑3R/4~R/2 的環(huán)形區(qū)域作為IMR;將半徑R/2的圓形區(qū)域作為ISR 區(qū)域。

圖1 傳輸范圍的區(qū)域劃分

令γi←j表示源節(jié)點(diǎn)si從其鄰居節(jié)點(diǎn)sj接收的信號(hào)強(qiáng)度,源節(jié)點(diǎn)si可通過式(1)計(jì)算γi←j:

式中:Pt表示發(fā)射功率,λ為控制參數(shù),α表示衰減因素,d表示源節(jié)點(diǎn)si與鄰居節(jié)點(diǎn)sj間距離。

1.2 RREQ 泛洪區(qū)域

傳統(tǒng)的DSR 組網(wǎng)采用泛洪方式[11-12]傳輸RREQ 數(shù)據(jù),如圖2 所示。通過不斷地傳遞RREQ,直到目的節(jié)點(diǎn)接收到RREQ。由于RREQ 數(shù)據(jù)中攜帶了其傳輸路徑,目的節(jié)點(diǎn)可從RREQ 獲取連通源節(jié)點(diǎn)的路徑信息,目的節(jié)點(diǎn)再沿此路徑向源節(jié)點(diǎn)傳輸回復(fù)數(shù)據(jù)(Route Reply,RREP)。最終,通過RREQ 和RREP 的傳輸構(gòu)建了組網(wǎng)[13-14]。

圖2 DSR 組網(wǎng)發(fā)現(xiàn)階段

為了更好地減少控制能耗,對(duì)源節(jié)點(diǎn)傳輸方向劃分為4 個(gè)象限。令(xi,yi)表示源節(jié)點(diǎn)si的位置坐標(biāo),將源節(jié)點(diǎn)si的傳輸區(qū)域劃分為Q1、Q2、Q3和Q4,如圖3 所示。

圖3 泛洪區(qū)域的劃分

對(duì)于任意鄰居節(jié)點(diǎn)sj∈Ni,如果xj>xi且yj>yi,則鄰居節(jié)點(diǎn)sj位于Q1,如式(3)所示:

如果滿足式(4),則鄰居節(jié)點(diǎn)sj位于Q2:

若滿足式(5),則鄰居節(jié)點(diǎn)sj位于Q3:

若滿足式(6),則鄰居節(jié)點(diǎn)sj位于Q4:

為了避免形成組網(wǎng)循環(huán),減少組網(wǎng)跳數(shù),源節(jié)點(diǎn)泛洪RREQ 區(qū)域內(nèi)至少數(shù)據(jù)含一個(gè)鄰居節(jié)點(diǎn);若未能數(shù)據(jù)含一個(gè)鄰居節(jié)點(diǎn),就選擇其他區(qū)域傳輸RREQ 數(shù)據(jù)。

1.3 組網(wǎng)發(fā)現(xiàn)策略

首先,源節(jié)點(diǎn)(假定為節(jié)點(diǎn)si)先產(chǎn)生RREQ 數(shù)據(jù),其數(shù)據(jù)含自己的序列號(hào)、目的地址和源節(jié)點(diǎn)的地址。如果目的節(jié)點(diǎn)在源節(jié)點(diǎn)一跳范圍,則源節(jié)點(diǎn)直接將RREQ 數(shù)據(jù)傳輸至目的節(jié)點(diǎn)。接收RREQ 后,目的節(jié)點(diǎn)就向源節(jié)點(diǎn)傳輸RREP 數(shù)據(jù),如圖4 所示。

圖4 傳輸RREQ 的流程

若目的節(jié)點(diǎn)不在自己一跳傳輸范圍內(nèi),源節(jié)點(diǎn)就需向鄰居節(jié)點(diǎn)泛洪RREQ 數(shù)據(jù)。但與DSR 組網(wǎng)不同,ZRDM 組網(wǎng)為了減少參與傳輸RREQ 數(shù)據(jù)和接收RREQ數(shù)據(jù)的節(jié)點(diǎn)數(shù),ZRDM 組網(wǎng)并非向所有區(qū)域泛洪RREQ數(shù)據(jù),而是依據(jù)算法1 設(shè)置泛洪RREQ 數(shù)據(jù)的區(qū)域。

1.4 算法1

如果節(jié)點(diǎn)si的4 個(gè)區(qū)域(Q1、Q2、Q3和Q4)內(nèi)均有節(jié)點(diǎn),就只選節(jié)點(diǎn)si的OSR 區(qū)域作為泛洪區(qū)域。具體而言,若滿足式(7),則將OSR 子區(qū)域作為泛洪RREQ 的區(qū)域:

若不滿足式(7),為了保證構(gòu)建穩(wěn)定組網(wǎng),先將OSR 作為泛洪RREQ 的區(qū)域,然后,再考慮是否將IMR 區(qū)域作為泛洪區(qū)域。如果IMR 區(qū)域內(nèi)4 個(gè)象限區(qū)域均有節(jié)點(diǎn),就將IMR 區(qū)域作為泛洪區(qū)域。即再判斷式(8),若滿足式(8),則將IMR 和OSR 區(qū)域共同作為泛洪RREQ 的區(qū)域:

若既不滿足式(7),也不滿足式(8),就將OSR、IMR和ISR 3 個(gè)子區(qū)域都作為泛洪RREQ 的區(qū)域,即={OSR,IMR,ISR}。在這種情況下,ZRDM 組網(wǎng)與DSR 組網(wǎng)一樣,向所有區(qū)域泛洪RREQ 數(shù)據(jù)。

1.5 選擇泛洪區(qū)域的示例

為了更好地理解算法1 所選擇的泛洪RREQ 區(qū)域,圖5 給出示例說明。接下來分別考慮了Case1、Case2 和Case3 3 種情況。

(1)Case1:節(jié)點(diǎn)密度較高,如圖5 所示。OSR 區(qū)4 個(gè)象限內(nèi)均有鄰居節(jié)點(diǎn)。在這種情況,就只將OSR 區(qū)域作為泛洪區(qū)域,只在OSR 區(qū)內(nèi)泛洪RREQ 數(shù)據(jù)。

圖5 泛洪RREQ 數(shù)據(jù)的區(qū)域示例(Case1)

(2)Case2:節(jié)點(diǎn)密度不高,如圖6 所示。并非OSR 區(qū)的4 個(gè)象限內(nèi)均有鄰居節(jié)點(diǎn),而IMR 區(qū)的4 個(gè)象限內(nèi)都有鄰居節(jié)點(diǎn)。在這種情況,只在OSR 區(qū)和IMR 內(nèi)泛洪RREQ 數(shù)據(jù)。

圖6 泛洪RREQ 數(shù)據(jù)的區(qū)域示例(Case2)

(3)Case3:節(jié)點(diǎn)密度稀疏,如圖7 所示。OSR 和IMR區(qū)域內(nèi)的Q4 象限內(nèi)沒有鄰居節(jié)點(diǎn)。在這種情況下,為了提高建立可靠組網(wǎng),將OSR、IMR 和ISR 3 個(gè)區(qū)作為泛洪RREQ 的區(qū)域。

圖7 泛洪RREQ 數(shù)據(jù)的區(qū)域示例(Case3)

1.6 鄰居節(jié)點(diǎn)接收RREQ 的處理策略

一旦收到RREQ 數(shù)據(jù)后,鄰居節(jié)點(diǎn)從RREQ 數(shù)據(jù)中提取NRR 的信息,并判斷自己是否在NRR 內(nèi)。

若不在NRR 列表內(nèi),就直接丟失RREQ 數(shù)據(jù);若自己在NRR 列表內(nèi),就繼續(xù)判斷自己是否為目的節(jié)點(diǎn)。若是目的節(jié)點(diǎn),就直接向該目的節(jié)點(diǎn)傳輸RREQ 數(shù)據(jù);若自己不是目的節(jié)點(diǎn),就利用算法1 選擇泛洪RREQ 數(shù)據(jù)區(qū)域。處理RREQ 數(shù)據(jù)的流程如圖8 所示。

圖8 接收RREQ 數(shù)據(jù)后的處理流程

2 數(shù)值分析

2.1 仿真場(chǎng)景

通過NS3 仿真軟件建立仿真平臺(tái)[15]。N 個(gè)節(jié)點(diǎn)隨機(jī)分布于300 m×1 500 m 區(qū)域,節(jié)點(diǎn)的傳輸范圍為250 m。具體的仿真參數(shù)如表1 所示。

表1 仿真參數(shù)

為了更好地分析ZRDM 組網(wǎng)性能,選擇文獻(xiàn)[3]提出的可靠DSR 組網(wǎng)(DSR)作為參照,并分析數(shù)據(jù)傳遞率和歸一化的吞吐量。

2.2 數(shù)據(jù)傳遞率

首先分析節(jié)點(diǎn)數(shù)的變化對(duì)數(shù)據(jù)傳遞率的影響,其中數(shù)據(jù)傳遞率等于目的節(jié)點(diǎn)成功接收了的數(shù)據(jù)數(shù)與源節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)數(shù)之比[16]。

從圖9 可知,在節(jié)點(diǎn)數(shù)從20~40 變化區(qū)間,ZRDM 組網(wǎng)與DSR 組網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳遞率相近,它們的數(shù)據(jù)傳遞率分別約為88%、86%。原因在于:當(dāng)節(jié)點(diǎn)數(shù)較少,節(jié)點(diǎn)密度分布較低時(shí),DSR 和ZRDM 組網(wǎng)一樣,都采用OSR、IMR 和ISR 區(qū)作為泛洪RREQ 數(shù)據(jù)區(qū)。

圖9 數(shù)據(jù)傳遞率

然而,隨著節(jié)點(diǎn)數(shù)的增加,ZRDM 組網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳遞率逐步優(yōu)于DSR 組網(wǎng)。因?yàn)楣?jié)點(diǎn)數(shù)的增加,使OSR 區(qū)域內(nèi)的4 個(gè)象限均有節(jié)點(diǎn)的概率增加,從而實(shí)現(xiàn)了只在OSR區(qū)域內(nèi)泛洪RREQ 數(shù)據(jù),減少了節(jié)點(diǎn)傳遞RREQ 數(shù)據(jù)的次數(shù),降低了擁塞概率,增加了數(shù)據(jù)傳遞率。當(dāng)節(jié)點(diǎn)數(shù)增加至140 時(shí),相比于DSR 組網(wǎng),ZRDM 組網(wǎng)數(shù)據(jù)傳遞率提高至2.78%。

2.3 歸一化能耗率

接下來,分析歸一化能耗率隨節(jié)點(diǎn)數(shù)的變化情況,如圖10 所示。

圖10 歸一化組網(wǎng)能耗

從圖10 可知,相比于ZRDM 組網(wǎng),DSR 組網(wǎng)產(chǎn)生更多的RREQ 數(shù)據(jù)。原因在于:每個(gè)節(jié)點(diǎn)都接收RREQ 的復(fù)本。例如,當(dāng)節(jié)點(diǎn)數(shù)為80 時(shí),DSR 組網(wǎng)的歸一化能耗率近11.93%,而ZRDM 組網(wǎng)的歸一化能耗率近8.10%,比DSR 組網(wǎng)下降近3.83%。

2.4 節(jié)點(diǎn)移動(dòng)速度對(duì)數(shù)據(jù)傳遞率的影響

分析節(jié)點(diǎn)移動(dòng)速度對(duì)數(shù)據(jù)傳遞率的影響,其中節(jié)點(diǎn)移動(dòng)速度從5 m/s~35 m/s 變化,如圖11 所示。

圖11 節(jié)點(diǎn)移動(dòng)速度對(duì)數(shù)據(jù)傳遞率的影響

從圖11 可知,ZRDM 組網(wǎng)和DSR 組網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳遞率均隨節(jié)點(diǎn)移動(dòng)速度增加而下降。原因在于:節(jié)點(diǎn)移動(dòng)速度越快,網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓涌?,降低鏈路的連通時(shí)間。相比于DSR 組網(wǎng),提出的ZRDM 組網(wǎng)提高了數(shù)據(jù)傳遞率。例如,當(dāng)節(jié)點(diǎn)移動(dòng)速度增加至10 m/s,ZRDM 組網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳遞率達(dá)到98%,而DSR 組網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳遞率約88%,提高了近10.2%。原因在于:節(jié)點(diǎn)移動(dòng)速度的增加,加劇了鏈路斷裂數(shù),這影響了DSR 組網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳遞率。而ZRDM 組網(wǎng)構(gòu)建組網(wǎng)時(shí)考慮了鏈路的可靠性。

當(dāng)節(jié)點(diǎn)移動(dòng)速度增至15 m/s 時(shí),ZRDM 組網(wǎng)數(shù)據(jù)傳遞率約83.1%,而DSR 組網(wǎng)數(shù)據(jù)傳遞率只有50.1%。相比DSR 組網(wǎng),ZRDM 組網(wǎng)將數(shù)據(jù)傳遞率提升了約65.9%。當(dāng)節(jié)點(diǎn)移動(dòng)速度分別增加至20 m/s、25 m/s、30 m/s、35 m/s 時(shí),ZRDM 和DSR組網(wǎng)數(shù)據(jù)傳遞率迅速下降。但ZRDM組網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳遞率的下降速度低于DSR 組網(wǎng)。

2.5 節(jié)點(diǎn)移動(dòng)速度平均端到端時(shí)延的影響

接下來,分析節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)速度對(duì)端到端傳輸時(shí)延的影響,其中節(jié)點(diǎn)移動(dòng)速度從5 m/s~35 m/s 變化,如圖12所示。

圖12 節(jié)點(diǎn)移動(dòng)速度對(duì)平均端到端時(shí)延的影響

從圖12 可知,在節(jié)點(diǎn)移動(dòng)速度為10 m/s、20 m/s、25 m/s 和35 m/s 時(shí),提出的ZRDM 組網(wǎng)的平均端到端時(shí)延低于DSR 組網(wǎng)的時(shí)延。例如,在節(jié)點(diǎn)移動(dòng)速度為10 m/s時(shí),ZRDM 組網(wǎng)的平均端到端時(shí)延約為7.45 ms,而DSR組網(wǎng)的平均端到端時(shí)延達(dá)到18.13 ms。相比于DSR 組網(wǎng),ZRDM 組網(wǎng)的平均端到端時(shí)延下降了10.68 ms。并且隨著移動(dòng)速度的提升,ZRDM 組網(wǎng)在時(shí)延性能方面的優(yōu)勢(shì)越明顯。

2.6 節(jié)點(diǎn)移動(dòng)速度歸一化組網(wǎng)能耗的影響

最后,分析節(jié)點(diǎn)移動(dòng)速度對(duì)歸一化組網(wǎng)能耗的影響,其中節(jié)點(diǎn)移動(dòng)速度從5 m/s~35 m/s 變化,如圖13 所示。

圖13 節(jié)點(diǎn)移動(dòng)速度對(duì)歸一化組網(wǎng)能耗的影響

當(dāng)節(jié)點(diǎn)移動(dòng)速度為5 m/s 時(shí),ZRDM 組網(wǎng)的歸一化組網(wǎng)能耗為8.44%,而DSR 組網(wǎng)的歸一化組網(wǎng)能耗達(dá)到17.73%。相比之下,ZRDM 組網(wǎng)將歸一化組網(wǎng)能耗下降了51%。當(dāng)節(jié)點(diǎn)移動(dòng)速度增加時(shí),鏈路斷開的概率也隨之增加,這就增加了消息傳輸失敗的次數(shù)。一旦消息傳輸失敗,就需要源節(jié)點(diǎn)重新構(gòu)建新的組網(wǎng),這就增加了組網(wǎng)能耗。而ZRDM 組網(wǎng)通過限定RREQ 的傳輸區(qū)域,降低了組網(wǎng)能耗。

3 結(jié)論

本文針對(duì)DSR 組網(wǎng)盲目地泛洪問題,提出基于區(qū)域的組網(wǎng)發(fā)現(xiàn)機(jī)制ZRDM。ZRDM 組網(wǎng)先依據(jù)信號(hào)強(qiáng)度將鄰居節(jié)點(diǎn)劃分為3 個(gè)子區(qū)域,并依據(jù)每個(gè)子區(qū)域的節(jié)點(diǎn)分布情況再選擇泛洪RREQ 數(shù)據(jù)的區(qū)域,進(jìn)而控制重播RREQ 的次數(shù)。仿真結(jié)果表明,提出的ZRDM 組網(wǎng)降低了能耗,并提高了數(shù)據(jù)傳遞率。

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