基于OLSR 的能量有效路由新方案-基礎(chǔ)電子

精品文檔-下載后可編輯基于OLSR的能量有效路由新方案-基礎(chǔ)電子摘要：本文建議了一種計算能量有效路由的新量度，提出了OLSR協(xié)議中選擇能量有效路由的新機制，主要設(shè)計目標是延長低電節(jié)點壽命的同時盡量降低數(shù)據(jù)分組的傳輸能耗。使用NS2仿真器將它們與OLSR及MMBCR協(xié)議進行了比較，說明新機制可以提供更好性能。

1引言

設(shè)計能量有效的路由協(xié)議是自組網(wǎng)中一個非常重要的研究領(lǐng)域。自組網(wǎng)中的移動節(jié)點一般依賴電池供電，移動設(shè)備可攜帶的電池不可能過大，造成電池提供的電能非常有限；在法律強制行動、搶險救災(zāi)或軍事作戰(zhàn)行動這樣的重要環(huán)境中，充電或更換電池常常是不可能的；自組網(wǎng)中即使主機自己不通信，仍然需要頻繁地轉(zhuǎn)發(fā)其它節(jié)點的數(shù)據(jù)分組，從而使自己的電池能量下降；因此，節(jié)省自組網(wǎng)中移動節(jié)點的能量，延長節(jié)點的工作時間，維護網(wǎng)絡(luò)連通性就成為自組網(wǎng)技術(shù)研究中的一個熱點。

圍繞能量有效路由協(xié)議的研究已經(jīng)取得了許多進展，主要的研究方向是通信狀態(tài)的能量有效與空閑狀態(tài)的能量有效。節(jié)點通信狀態(tài)消耗的能量，包括數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收必須消耗的能量和路由發(fā)現(xiàn)與維護所消耗的能量。

節(jié)省通信能量主要圍繞兩種思路展開：一是尋找源節(jié)點到目的節(jié)點消耗能量少的路由，代表性協(xié)議有MTPR、PARO、COMPOW等。二是盡量避開低電節(jié)點參與路由，從而減少低電節(jié)點的能耗，避免低電節(jié)點因斷電退出網(wǎng)絡(luò)而造成網(wǎng)絡(luò)分割，代表性協(xié)議主要有MMBCR、MDR、LEAR、EDDSR等。還有一些協(xié)議如CMMBCR、CMDR等探討以上兩種思路的綜合實現(xiàn)。先應(yīng)式路由協(xié)議的路由信息總是保持可用，端到端延遲小，這些突出優(yōu)點特別適合于野戰(zhàn)環(huán)境、法律強制行動或搶險救災(zāi)中大量節(jié)點短時間內(nèi)相互通信的情況，先應(yīng)式路由協(xié)議OLSR的MPR選擇機制大幅度地降低了路由的建立與維護開銷，為建立能量有效路由打下了良好基礎(chǔ)。但先應(yīng)式路由協(xié)議總是建立并維護著到達網(wǎng)絡(luò)中所有可達目的節(jié)點的路由信息，在數(shù)據(jù)流量分布不均衡時，先應(yīng)式路由協(xié)議比起反應(yīng)式路由來，由于大量地路由發(fā)現(xiàn)與維護開銷，先天地較為浪費能量。

目前研究節(jié)省通信能量消耗的許多工作都是基于反應(yīng)式路由協(xié)議（DSR、AODV等）進行的，而基于先應(yīng)式路由協(xié)議的能量有效研究則較為少見。鑒于以上情況，本工作以O(shè)LSR作為基礎(chǔ)協(xié)議探討能量有效路由方案。

本文建議了一種計算能量有效路由的新量度――路徑瓶頸能量相對條件下取路徑跳數(shù)者。基于這種新量度，提出了OLSR協(xié)議中選擇能量有效路由的新機制，主要設(shè)計目標是延長低電節(jié)點壽命的同時盡量降低數(shù)據(jù)分組傳輸?shù)哪芰肯?。在NS-2環(huán)境中將這些新的路由機制與OLSR及MMBCR進行了仿真比較，結(jié)果表明新機制可以提供更好的性能。

2延長低電節(jié)點壽命的幾種能量有效路由方案

MMBCR把節(jié)點的電池剩余能量作為路由選擇的量度，電量充足的節(jié)點比起低電節(jié)點來更多地參與數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。MMBCR選擇所有可能路由中瓶頸能量的路由。

MDR利用節(jié)點剩余能量和經(jīng)過該節(jié)點的數(shù)據(jù)流量預(yù)測節(jié)點壽命，壽命長的節(jié)點比起壽命短的節(jié)點來更多地參與數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。MDR選擇所有可能路由中壽命長的路由。MMBCR和MDR都可以延長低電節(jié)點的壽命，但不能保證降低網(wǎng)絡(luò)的傳輸總耗能。

CMMBCR/CMDR將MTPR與MMBCR/MDR相結(jié)合，若某路由上所有節(jié)點的能量充足/壽命足夠長時，使用MTPR機制；如果所有路由上都有節(jié)點處于低電狀態(tài)/壽命太短時，就采用MMBCR/MDR，謀求盡量降低網(wǎng)絡(luò)總耗能并盡量延長低電節(jié)點壽命。

3基于OLSR的能量有效路由新方案

延長低電節(jié)點壽命的路由機制MMBCR、MDR在路由發(fā)現(xiàn)時為了避開低電節(jié)點，不同程度增加了源節(jié)點到目的節(jié)點的路徑跳數(shù)。

數(shù)據(jù)傳輸消耗能量與路徑長度緊密有關(guān)，數(shù)據(jù)包被轉(zhuǎn)發(fā)次數(shù)越多，消耗的能量就越多；頻繁地發(fā)現(xiàn)并維護路由，不僅降低網(wǎng)絡(luò)的性能，而且增加能量的消耗，跳數(shù)增加所帶來的額外能耗是不可忽視的沉重代價！為此，本文建議了計算能量有效路由的一種新量度――路徑瓶頸剩余能量相對條件下跳數(shù)少量度?；谶@種新量度提出了基于OLSR的能量有效路由新方案，謀求延長低電節(jié)點壽命的同時盡量降低數(shù)據(jù)分組的傳輸能耗。

能量模型：[2]基于[1]的工作定義了IEEE802.11網(wǎng)絡(luò)接口卡（NIC）的能量開銷模型，主機發(fā)送、接收或丟棄分組時網(wǎng)絡(luò)接口消耗的能量可以用線性等式描述：E＝m×p＋n，其中p是按字節(jié)計算的分組大小，m，n是經(jīng)過實驗確定的常數(shù)，n代表發(fā)送或接收每分組的固定開銷。根據(jù)[1][2]，節(jié)點在一個時間區(qū)間消耗的能量可以用下式計算：有

如果節(jié)點進入網(wǎng)絡(luò)時的初始能量為E0，那么經(jīng)過一段時間后節(jié)點的剩余能量就是E0–e。節(jié)點剩余能量參數(shù)的交換與維護：為了在節(jié)點維護并在網(wǎng)絡(luò)中分布節(jié)點的剩余能量信息，需對OLSR數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)及功能進行擴展，擴展時盡量縮小規(guī)模以降低控制開銷。具體做法是：每個節(jié)點記錄自己發(fā)送、接收的分組數(shù)與字節(jié)數(shù)量，廣播HELLO時計算自己的剩余能量E0–e；在廣播的HELLO消息中增加節(jié)點的剩余能量信息、鄰居的剩余能量信息；MPR節(jié)點在TC消息中廣播MPRselector的剩余能量信息，節(jié)點收到TC消息后在拓撲表記錄網(wǎng)絡(luò)部分拓撲的能量信息，并據(jù)此計算并維護路由。

MPR算法：采用OLSR原始協(xié)議的MPR算法。

能量有效的擴展短路徑算法：OLSR使用“少跳數(shù)路徑算法”計算路由表。本文對短路徑算法進行了能量量度擴展，節(jié)點計算路由時，對所有可能的跳數(shù)H，如果存在到達目的節(jié)點D的H跳路由，那么在所有可能的H跳路由中，將瓶頸能量的那條路由記錄到路由表中。短路徑擴展算法產(chǎn)生的路由表，記錄了到達所有可達目的節(jié)點的所有可能跳數(shù)的瓶頸能量的路徑，對于一個可達目的節(jié)點來說，可以經(jīng)不同跳數(shù)的路徑到達，但是在相同跳數(shù)的路徑中，只保留了瓶頸能量的那一條。

路由計算新量度：選擇時路由時既要盡量避開低電節(jié)點，又要保持路由盡量短。

根據(jù)理論分析及實驗仿真提出如下的路由選擇新量度：

metric=min{hop｜pw≥α×PW}其中α（0≤α≤1）是根據(jù)實際應(yīng)用經(jīng)過實驗或仿真確定的常數(shù)，hop、pw、PW分別是從源節(jié)點到目的節(jié)點某條路徑的跳數(shù)、瓶頸能量、所有路徑的瓶頸能量值。min函數(shù)是對滿足pw≥α×PW的從源節(jié)點到目的節(jié)點的所有路徑中對跳數(shù)求值。即給定一個相對瓶頸能量范圍(α×PW,PW)，選擇路由時選中瓶頸剩余能量處于該范圍內(nèi)且跳數(shù)少的路由。這種量度體現(xiàn)了路徑跳數(shù)與路徑瓶頸能量之間的折中，保持路徑跳數(shù)盡量少，路徑瓶頸能量盡量大。計算源節(jié)點到目的節(jié)點的路由時，就是從源節(jié)點使用能量有效的擴展短路徑算法計算出的路由表中，在到達目的節(jié)點的所有跳數(shù)的瓶頸能量的路徑中，取使上式成立的那些路徑中的一條。

容易看出，使用α取值0時的量度選擇路由，相當于在跳路徑中選擇瓶頸能量的那些路徑；使用α取值1時的量度選擇路由，相當于在瓶頸能量的路徑中選擇跳數(shù)少的那些路徑，MMBCR就相當于α取值1的情況。

基于OLSR的能量有效路由新方案：MPR選擇均使用OLSR原始協(xié)議的MPR算法，方案r11使用上式中α取值0的新量度選擇路由，方案r12使用上式中α取值0.9的新量度選擇路由。記OLSR原始協(xié)議為方案r0，路由算法使用短路徑算法；記MMBCR路由協(xié)議為方案r13，使用上面式中α取值1的新量度選擇路由。

4仿真與性能*估

在NS-2環(huán)境中對以上四種路由方案進行了仿真。仿真的網(wǎng)絡(luò)范圍有1000x1000M及500X500M，50個節(jié)點，傳輸范圍250M，移動模型有靜態(tài)、動態(tài)(速度2M/s、停留時間20s)，建立12個CBR業(yè)務(wù)連接，分組長度512字節(jié)，發(fā)包率分別為每秒4個，仿真時間800秒。限于篇幅，只列出1000M場景的情況。

r0、r11、r12、r13所有連接路徑的跳數(shù)平均值分別是：靜態(tài)時3.66、3.48、3.73、4.93，動態(tài)時2.79、2.79、2.97、5.23。r11的路徑平均跳數(shù)與OLSR原始協(xié)議基本持平，r12的路徑平均跳數(shù)則比r0、r11有一定程度的增加，這是由于該方案為了找到更大路徑瓶頸能量的路由造成的。特別是MMBCR(r13)路徑平均跳數(shù)有了大幅度增加，這是該方案為了找到大路徑瓶頸能量的路由所出的代價。動態(tài)時r0、r11、r12的路徑平均跳數(shù)相對減少，而MMBCR(r13)的路徑平均跳數(shù)相對增加，這都是由于節(jié)點移動使可用路由增多造成的。

節(jié)點壽命圖1和圖2中橫軸為800秒內(nèi)斷電的節(jié)點個數(shù)，縱軸為斷電時間(s)。對于延長節(jié)點壽命這一目標來說，MMBCR(r13)顯著地延長了前面幾個斷電節(jié)點的壽命，由于其選擇的路由跳數(shù)增加較多，過多地消耗了其它節(jié)點的能量，所以其它節(jié)點的壽命大幅度下降；r11比起OLSR原始協(xié)議來，顯著地延長了網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點的壽命，這是它基本保持了路由的跳數(shù)并適當避開低電節(jié)點充當路由中間節(jié)點的緣故。r12是方案r11及r13的一種折中，所以它在延長節(jié)點壽命方面的性能表現(xiàn)不如r11，但遠優(yōu)于r13，說明根據(jù)具體應(yīng)用對路徑跳數(shù)及路徑瓶頸能量進行綜合折中是可行的思路。

連接時間圖3和圖4中橫軸為按斷連時間排序的連接編號，縱軸為連接斷連時間(s)。從圖中可以看出，延長節(jié)點壽命并不意味著一定能夠延長連接時間，這與[2]中所得到的結(jié)論相一致，原因是為了延長節(jié)點壽命可能增加的控制開銷及跳數(shù)增加所帶來的能量消耗對連接時間帶來了負面影響。但是，對于保持短路徑特色的路由方案r11、r12說來，延長節(jié)點壽命可以適當?shù)匮娱L部分連接的連接時間。這在動態(tài)環(huán)境中表現(xiàn)更明顯。

5結(jié)論

1.本文建議的計算能量有效路由新量度為找到延長低電節(jié)點壽命并盡量降低數(shù)據(jù)包傳輸能耗提供了較好的量度。

2.為找到路徑瓶頸能量路由所帶來的路由跳數(shù)增