关键字 |
| 能耗，能效，吞吐量，PDF，端到端延迟，QualNet |
介绍 |
| MANET[1]由具有多个主机的路由器和无线通信设备的移动平台组成，这里简单地称为可以自由随机移动的节点。这些节点可能位于船舶、汽车、飞机、卡车上，甚至在人或非常小的设备上，每个路由器可能有许多主机。MANET是一个独立的移动节点系统。该系统可以远程操作，也可以有网关并与永久网络保持接口。网络承载流量开始于某些内部节点，但不允许存在的流量通过终端网络“过境”。没有固定的基础设施，ad hoc网络不得不依赖便携式、有限的电源。因此，能源效率问题成为自组织网络中最重要的问题之一。能量会在处理和交流过程中消耗。通信过程中消耗的能量比处理过程中消耗的能量更占主导地位。因此，通信系统必须通过优化通信不同状态下的能量消耗来实现节能。 This wastes battery power, and thus the lifetime of the wireless nodes decreases. Since batteries provide limited power to operate the nodes, a general constraint of wireless communication is the short lifetime of mobile terminals. Therefore, power management is one of the most challenging problems in wireless communication. |
| J Hoong等[2]比较了源流量on /OFF条件下的DSR和AODV两种响应式随需应变协议。他们选择了分组交付比、标准化路由开销、吞吐量、平均端到端延迟和比较度量参数。 |
| A. A. Maashri et. al.[3]比较了恒比特率流量下各种协议的能量消耗。他们已经发表了一篇关于Pareto流量[4]和[5]下各种协议比较的论文。 |
| 在当前的仿真分析中，我们考虑了用于移动自组织网络的三种路由协议DSR、ZRP和STAR，并评估了CBR流量下所有三种模式(发射、接收和空闲)路由功率和剩余能量的能量性能指标。每个节点在发送和接收过程中所消耗的总能量被评估为数据包传递比、平均端到端延迟、吞吐量和平均抖动的函数。采用qualnet5.0.1仿真器进行仿真。全文组织结构如下。第二节简要介绍了三种路由协议以及不同的流量和能耗模式。第三节给出了详细的仿真设置，CBR流量，仿真结果显示在第四节，第五节描述了我们的结论和未来的工作。 |
Manet路由协议 |
| 这里我们简要介绍了三种Manet路由协议，它们是(DSR)反应性协议，(ZRP)混合协议和(STAR)主动协议。 |
| A.响应式(按需)路由协议 |
| 在这种情况下，路由信息是按需获取的。响应式路由协议使用两种不同的操作来进行路由发现和路由维护操作。路由维护是对路由最初创建后发生的拓扑变化做出响应的过程，路由维护用于处理路由中断[6]。例如:ANODR, AODV, DSR, DYMO, LAR1等。 |
| 1)动态源路由协议(DSR) |
| 动态源路由(DSR)[10]是一种路由技术，其中数据包的发送方确定数据包必须通过的节点的完整序列;发送方在packetâ '  ' s报头中明确地列出了这条路由，通过将数据包发送到目的地主机的下一个节点的地址标识每个转发“跳”。它还在必要时计算路由，然后维护它们。该协议由“路由发现”和“路由维护”两种主要机制组成，这两种机制共同工作，允许节点发现和维护到自组网中任意目的地的路由。协议的所有方面都完全按需操作，允许DSR的路由包开销自动扩展到仅需要对当前使用的路由的变化做出反应。 |
| 1.1)路由发现 |
| 路由发现[6]当源节点需要到目的节点的路由时使用。首先，源节点查找它的路由缓存，以确定它是否已经包含到目的地的路由。如果源找到到目的地的有效路由，它就使用这条路由发送它的数据包。如果节点没有到达目的地的有效路由，则通过广播路由请求消息启动路由发现过程。路由请求消息包含源地址和目的地址，以及唯一的标识号。接收到路由请求消息的中间节点在其路由缓存中搜索到目的地的路由。如果没有找到路由，它将把自己的地址添加到消息的路由记录中，并将消息转发给它的邻居。消息通过网络传播，直到到达目的地或具有到达目的地路由的中间节点。然后生成路由应答消息，其中包含到达目的地址的正确跳序，并单播回源节点。 |
| 1.2)路由维护 |
| 路由维护用于处理路由中断。当一个节点在其数据链路层遇到致命的传输问题时，它会从路由缓存中删除路由并生成路由错误消息。路由错误消息被发送到每个节点，每个节点都发送了一个通过断开链路路由的包。当节点收到路由错误消息时，它会从路由缓存中删除错误的跳。确认消息用于验证路由链路的正确操作。[6] |
| B.混合路由协议 |
| 混合路由协议是一种具有主动路由和被动路由两种特性的新一代路由协议。迄今为止提出的大多数混合协议都是基于区域的，这意味着网络被划分或被每个节点视为多个区域。通常，manet的混合路由协议采用分层网络架构[7][10] |
| 1)区域路由协议(ZRP) |
| 该混合方法将表驱动和源启动的按需驱动方法相结合，使路由发现和维护的开销最小化，效率最大化。区域路由协议(ZRP)[10]将网络隐式地划分为区域，其中一个节点的区域包括以跳数定义的区域半径内的所有附近节点。它在区域内采用主动策略，在局部区域外采用被动策略。每个节点可能位于许多区域中。ZRP由两个子协议组成。主动区域内路由协议(IARP)是一种改进的距离矢量算法。当一个源没有到目的地的IARP路由时，它调用一个响应式区域间路由协议(IERP)，这与DSR非常相似。 |
| C.主动(表驱动)路由协议 |
| 主动路由协议持续维护信息。通常，一个节点有一个包含如何到达每个其他节点的信息的表，算法试图使这个表保持最新。网络拓扑结构的变化通过网络[8]传播。例如:RIP STAR、RIPng、IGRP、OLSR INRIA、OLSRV2等。 |
| 1)源树自适应路由(STAR) |
| STAR[16]协议基于链路状态算法。每个路由器都维护一个源树，这是一组包含到目的地的首选路径的链路。该协议通过使用最小开销路由方法(LORA)交换路由信息，极大地减少了传播到网络中的路由开销。如果需要，它还支持最佳路由方法(ORA)。这种方法通过使更新传播成为有条件的，从而消除了链路状态算法中存在的周期性更新过程。因此，只有当某些事件发生时，才会交换链路状态更新。因此，STAR在大型网络中具有良好的扩展性，因为它显著降低了路由更新的带宽消耗，同时通过使用预定路由减少了延迟。然而，在大型和高度移动的网络中，该协议可能有显著的内存和处理开销，因为每个节点都需要维护网络的部分拓扑图。(它是由邻居报告的源树决定的)，当邻居不断报告不同的源树[8]时，它会频繁变化。 |
| D.不同的交通和能源消耗模式 |
| 1)交通模型 |
| 仿真中使用的流量模型为(CBR)定比特率[10][11]。CBR表示恒比特速率流量。它通常用来填充后台流量以影响正在分析的其他应用程序的性能，或者用来模拟一般网络流量的性能。CBR模型收集以下统计信息: |
| •源到目标节点会话启动的时间 |
| •源到目标节点会话关闭的时间 |
| •发送的字节数 |
| •接收的字节数 |
| •吞吐量 |
| 2)电池功耗模型 |
| 移动设备的电池功耗取决于其无线网络接口的工作模式。考虑活动网络节点之间的广播传输，则无线接口可以假设处于以下任何一种工作模式:[10][11][12] |
| •transmit:源节点报文发送， |
| •receive:源到目的节点收到的数据包， |
| •idle:在此模式下，节点已准备好发送或接收数据包， |
| •休眠:在唤醒节点之前，节点无法发送或接收，处于低功耗模式。 |
| 3)功耗模式 |
| Manet中的移动节点在源节点和目的节点之间连接。这些节点可以自由地向其他节点发送(Tx)和接收(Rx)数据包，并为此类活动需要能量。节点的总能量[7][13]在以下三种模式下被消耗:(1)传输模式(2)接收模式(3)空闲模式。 |
| 3.1)传输方式 |
| 当一个节点向网络中的其他节点发送数据包时，它被认为处于传输模式。这些节点需要能量来传输数据包，这种能量称为该节点的传输能量(Tx)。[17]，[14]传输能量取决于所传输数据包的大小(以比特为单位)，如果数据包的大小增加，所需的传输能量也会增加。发送和接收数据包所消耗的能量可以用以下公式计算: |
| 能量Tx =(330*包大小)/2*106 |
| 能量Rx=(230*包大小)/2*106 |
| 其中，数据包大小以比特为单位，Tx为传输能量。 |
| 3.2)接收方式 |
| 当一个节点通信并从其他节点接收数据包时，它被称为接收模式，接收数据包所消耗的能量称为接收能量(Rx)，[15]，[17]。则接收能量可表示为: |
| Rx=(230*包大小)/2*106 |
| PR= Rx/ Tr，其中Rx为接收能量，PR为接收功率，Tr为接收数据包所花费的时间。 |
| 3.3)空闲模式 |
| 在这种模式下，节点既不传输也不接收从源到目的的任何数据。但在这种模式下，由于节点在无线介质中进行连续通信，因此需要消耗大量的电能。由于通信节点检测到数据包可以接收或发送，因此节点可以从空闲模式切换到接收模式。闲置能量是一种耗尽的能量，应该减少或消除。[16]空闲模式功耗为PI= PR |
| 其中PI是空闲模式下消耗的功率，PR是接收模式下消耗的功率。 |
Qualnet模拟设置 |
| QualNet[9]是一款网络仿真和建模软件，可以通过模拟和仿真来预测网络的性能。仿真软件可支持4000节点模型的实时仿真。QualNet模拟器具有实现软件在环、硬件在环和网络仿真的速度。模拟器具有模型保真设施，它可以提供非常详细的模型的所有方面的网络。这确保了精确的建模结果。QualNet提供无与伦比的平台可移植性和接口灵活性。QualNet可以在大量的平台上运行，包括Linux、Solaris、Windows XP和Mac操作系统，它可以运行32位和64位计算环境。表一给出了不同协议在节点数变化情况下的新场景仿真设计参数。 |
| A)仿真快照 |
| 利用QualNet Simulator 5.0.1、[9]对能量模型进行模拟。流量源为CBR(连续比特率)。源-目的地对在网络上随机递增。移动模型在1500m x 1500m的矩形区域内使用“随机路点modelâÂ′Â′”，部署50个节点。在模拟过程中，每个节点开始从源节点到目标节点的旅程。这个过程在整个模拟过程中重复，导致底层网络的拓扑结构不断变化。图1为应用CBR(1- 40)节点和DSR路由协议时的快照运行仿真。 |
| 我们在QualNet模拟器中获得了不同场景的数量，在1500X1500拓扑区域随机选择10、20、30、40和50个节点，并采用我们在模拟中考虑的不同路由协议。这些协议是DSR、ZRP和STAR，信道频率为2.4 GHz。节点速度为10m /sec，每次仿真持续30秒。我们在设计场景的应用层和物理层评估性能指标。性能矩阵如下所示。 |
| •平均抖动 |
| •端到端延迟 |
| •吞吐量 |
| •数据包传输比 |
| •传输模式消耗的能量 |
| 接收模式的能量消耗 |
| •空闲模式消耗的能量 |
| •撅嘴力 |
结果分析 |
| 1)平均抖动(s): |
| 平均抖动是由网络拥塞、时间漂移或路由变化引起的数据包到达之间的时间变化。 |
| 当网络规模从10个节点增加到50个节点时，DSR的平均抖动增加为0.018 89689,ZRP的平均抖动增加为0.011303126,STAR的平均抖动增加为0.009875385 |
| •对平均抖动(s)的影响:DSR，当移动限制在30个节点时，显示更高的抖动值。如图2所示，DSR的平均抖动最高。 |
| 2)平均端到端延迟 |
| 这个度量是通过源传输第一个数据包的时间减去第一个数据包到达目的地的时间来计算的。对于DSR，平均端到端延迟为0.2556235，对于ZRP，平均端到端延迟为0.262817229，对于STAR，平均端到端延迟为0.1689512。 |
| •对平均端到端延迟的影响:响应式协议DSR的端到端延迟最高，随着节点的移动性而增加，STAR和ZRP的端到端延迟最低，随着节点的移动性而降低。 |
| 3)吞吐量(比特/秒) |
| 为了提高系统性能，每秒比特数必须高。协议的吞吐量可以定义为目的端接收到的报文占源端发送报文总数的百分比。吞吐量以比特每秒(bit/s或bps)为单位进行测量。 |
| •对吞吐量的影响:DSR显示了不同移动性的优越性质，然后是ZRP和STAR。如图4所示。网络大小在(10-50)个节点之间变化，发现对吞吐量没有影响。 |
| 4)数据包传送比: |
| 数据包下发比是指源端产生的数据包数与目的端接收的数据包数的比值。报文分发比是指目的端收到的报文数除以源端应用层发起的报文数。 |
| •对数据包传递比的影响:响应式协议DSR的数据包传递比最高，对整个网络寿命的增加最小，而ZRP和STAR则降低了节点的寿命。 |
| 5)传输模式消耗的能量 |
| 仿真结果表明，与ZRP和STAR协议相比，ZRP协议消耗的能量最大，STAR协议消耗的能量最小，DSR协议消耗的能量中等。从图2中我们观察到，当网络规模从(10 - 50)个节点增加时，ZRP协议在传输模式下消耗的能量的方差平均为0.114771。DSR的平均值为0.018135,STAR的平均值为0.0138906。当考虑到传输模式下ZRP消耗的能量更多，STAR消耗的能量更少，但在STAR的情况下，它的消耗介于ZRP和DSR之间。 |
| •对传输模式能量消耗的影响:图2显示了当连接数变化为10、20、30、40和50时，所有节点消耗的总能量(焦耳)。随着源数量的增加，路由报文数量也会增加，所以ZRP和DSR的能量消耗都会随着源数量的增加而增加。由于路由缓存，STAR具有更好的DSR性能。 |
| 6)接收模式能耗 |
| 结果表明，与ZRP和DSR相比，ZRP协议消耗的能量最大，DSR协议消耗的能量最小，STAR协议消耗的能量中等。从图6中可以观察到，当网络规模从(10 -50)个节点变化时，ZRP协议在接收模式下平均消耗的能量相差为1.512916。在DSR的这种情况下，其平均值为0.306922，在STAR的情况下，其平均值为0.246232。 |
| *对接收模式能量消耗的影响:接收模式ZRP消耗的能量更多，接收模式DSR消耗的能量更少，但在STAR情况下，能量消耗介于ZRP和DSR之间。 |
| 7)怠速模式能耗 |
| 可以看出，与DSR和ZRP相比，DSR协议消耗的能量最大，ZRP协议消耗的能量最小，ZRP协议在空闲模式下消耗的能量中等。从图4可以看出，当网络规模从(10-50)个节点变化时，DSR协议在空闲模式下消耗的能量平均相差1.9722654。在ZRP的情况下，其平均值为1.7282462，在STAR的情况下，其平均值为1.46014。 |
| •对空闲模式能耗的影响:当我们考虑空闲模式下DSR消耗的能量更多，而ZRP在空闲模式下消耗的能量更少，但在ZRP的情况下，它的消耗介于DSR和STAR之间。 |
| 8)路由功率 |
| 在Manet中，通过使用路由功率公式(RP) =(吞吐量/平均端到端延迟)计算路由功率。 |
| 当网络规模在(10-50)之间变化时，发现当部署30个节点时，DSR协议最大路由功率最大，ZRP最小，STAR协议与DSR和ZRP相比具有中等的路由功率。由图5可知，DSR协议的功率路由平均差值为202062.1,ZRP协议的平均差值为133818.6379,STAR协议的平均差值为251275.9382。 |
| •对路由功率的影响:与其他协议相比，路由功率对DSR路由协议的影响更大，但DSR协议的平均路由功率降低了。 |
结论及未来范围 |
| 我们观察到节能是Manet算法的一个重要优化目标，由于存储容量有限，通信过程中消耗的能量比处理过程中消耗的能量更占主导地位，通信能力、计算能力和有限的电池是传感器网络的主要限制条件。通过观察，我们比较了能量约束对网络物理层和应用层节点的影响，DSR提供了能量消耗和吞吐量性能的最佳组合。与ZRP和STAR相比，DSR具有更好的吞吐量、数据包传递分数、平均抖动和延迟性能。如果我们增加节点数量也会增加STAR中的最大能量消耗，其次是ZRP，然后是由于网络中的路由控制数据包而导致的DSR。在未来的工作中，我们可以通过减少路由控制包的数量来减少节点的能量消耗，减少大型网络中节点的能量消耗，从而增加网络的寿命。 |
表格一览 |
 |
| 表1 |
|
|
数字一览 |
 |
 |
 |
 |
 |
| 图1 |
图2 |
图3 |
图4 |
图5 |
|
|
|
|
| 图6 |
图7 |
图8 |
图9 |
|
|
参考文献 |
- Juan-Carlos和Pietro Manzoni，“移动Ad Hoc网络路由协议的能量消耗性能比较”，2000年IEEE论文集。页面没有。57 - 63。
- Jun-Hoong和Au-Yong，“On /OFF源流量效应下的随需应变移动自组织网络路由协议的比较”，国际通信技术会议，2006年3月29-31日，泰国清迈
- Ahmed Al-Maashri和M. Ould-Khaoua，“存在自相似流量时MANET路由协议的性能分析”，第31届IEEE本地计算机网络会议论文集，801-807页，2006。
- DhirajNitnaware和Ajay Verma，“在ON/OFF源流量下MANET的主动和无功协议的能量评估”，计算、通信和控制国际会议进展(ICAC3-2009)，第451-455页，Fr. Conceicao Rodrigues工程学院。2009年1月23日至24日，孟买班德拉。
- R.Kravets和P.Krishnan，“移动通信的电源管理技术”，ACM移动计算和网络会议论文集，达拉斯，德克萨斯州，1998年10月，157-168页。
- A.K.Vatsa, Prince Chauhan, MeenakshiChauhan和Jyothi Sharma，“灾区MANET路由机制”，国际网络与移动技术杂志，第2卷/第2期/ 2011年5月。
- 安基特·巴德瓦杰，“一种高效的IEEE 802.11 ADHOC网络节能方案”，IEEE 1-4244-1005-3/07,2007。
- 杨晓明，杨晓明，“随机流量下的双随需路由协议的能量评估”，计算机工程，2008
- 《Qualnet 5.0.1 userâ '  ' s指南》，在线。可用:http://www.scalablenetworks.com/。
- J. H Chang和L. Tassiulas，“无线自组织网络中的节能路由”，IEEE INFOCOM，特拉维夫，以色列，22-31页，2000年3月
- 胡安·卡洛斯·卡诺和彼得罗·曼佐尼。，”A Performance Comparison of Energy Consumption for Mobile Ad Hoc Network Routing Protocols”,Proceeding of 8th International Symposium on Modeling, Analysis and Simulation of Computer & Telecommunication System 2000.
- SantashilPalChaudhuri和David B. Johnson，“Ad Hoc网络的功率模式调度”，IEEE国际网络协议会议，2002。
- 张晓明，“新型电力网络能效问题研究”，《电力工程学报》，2009,pp.104-109,www.ijric.org。
- L. M. Feeney，“移动Ad Hoc网络路由协议性能分析的能量消耗模型”，《移动网络与应用》，第6卷，第3期，2001年6月，第239 - 249页。
- M. Fotino，“评估MANET中主动和被动路由协议的能量消耗”，第1版。Conf. On Wireless Sensor andActor Networks, 2007年9月，第119-130页。
- NeerajTantubay, Dinesh RatanGautam和Mukesh Kumar Dhariwal，“无线移动Adhoc网络(MANET)节能研究综述”，国际通信科学研究院，第8卷第4期，2011年7月。
- Nikolaos A. Pantazis和Dimitrios D. Vergados，“无线传感器网络中功率控制问题的调查”，IEEE通信调查与教程，第9卷，NO.4, 2007，第86-107页，www.comsoc.org/pubs/surveys。
|
菜单
