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(Sanjeev沙玛* 1和桑杰·辛格2
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| 有关文章载于Pubmed，谷歌学者 |
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该网络中的无线关联具有较高的错误级别，通常由于节点的移动性、干扰和较少的基础设施而降低。因此，由于MANET环境的高度动态，路由是一项至关重要的任务。近年来，针对移动自组织网络提出了多种路由协议，其中比较突出的是DSR、AODV和TORA。本文概述了这些协议的特点、功能、优点和局限性，并对其进行了比较分析，从而分析了它们的性能。目的是观察如何改进这些协议的性能。有限的电池能量是Ad hoc网络有效运行的一个重要考虑因素。我们提出一个协议，命名为能源节约地理路由协议(ESGRP)与GPS结合使用，提供了更低的能源成本有效的路由解决方案。在MANET中使用GPS进行点对点通信。协议的执行评估是通过动态源路由(DSR)和Ad-Hoc随需距离向量(AODV)协议使用统计组成的数据达成的。分析显示了现有协议的明显优势。
关键字 |
| 路由协议，无gps定位，移动性，MANET。 |
介绍 |
| 在MANET中，每个节点都扮演着路由器和主机的角色，甚至网络的拓扑结构也可能发生快速变化。移动自组织网络(MANET)是由多跳无线移动节点组成的网络，这些节点之间无需联邦直连或建立通信就可以相互通信。MANET的一些挑战包括: |
| 1)非cast路由 |
| 2)组播路由 |
| 3)动态网络拓扑 |
| 4)速度 |
| 5)更新频率或网络开销 |
| 6)可伸缩性 |
| 7)基于移动代理的路由 |
| 8)服务质量 |
| 9)节能/节能路由 |
| 10)安全路由 |
相关工作 |
| 基于位置的路由是指将数据包转发到目的地的位置或更接近目的地的位置。基于位置的路由算法通过使用附加信息消除了基于拓扑的路由的一些局限性。它们要求提供有关参与节点的物理位置的信息。每个节点通过使用GPS或其他类型的定位服务来确定自己的位置。数据包的发送方使用位置服务来确定目的地的位置。GPS利用卫星作为参考点，有效地计算出地面节点的位置。GPS在现实世界中的一些应用包括位置估计、跟踪、导航绘图和提供授时服务。要使用GPS，节点必须配备GPS接收器，负责估计节点在全球坐标系统中的绝对位置。尽管GPS能够提供广泛的定位服务，但由于其额外的硬件支持、成本和功耗，它并不是一个完全可行的自组织网络解决方案。多年来，人们提出了各种各样的路由协议，目的是在没有GPS支持的情况下实现ad hoc网络的本地化[1,3,5,6,7]。 Some techniques use GPS but for very few nodes. These nodes are often referred as anchor nodes or reference nodes. Both of these type of localization i.e. „Completely GPS Free Localization [1], [3], [5], [6], [7] etc or „Using Very Few Anchor Node‟ [2], [8], [14], provide techniques to localize the network in a GPS Less or GPS-Scarce area. The GPS-less localization approaches establish a virtual coordinate system and try to localize the network in that coordinate System. These coordinate system are established on the basis distance measurement [1, 6] (using ToA or AoA) or on the basis of hop count [5, 7]. But the problem with this coordinate system is that the exact physical position of the nodes cannot be determined in the absence of GPS. In paper [1], nodes can measure relative distances from neighbours using the method called Time of Arrival (ToA) mobile nodes estimate their positions. AOA (Angle of Arrival) and other approaches are also used for calculating position of the node [2]. Only a fraction of the nodes have positioning capabilities through GPS. However, each node will be able to calculate the position and orientation. Nodes are required to have compass to compute the AoA. A localization procedure is proposed in [3] which is mainly designed for completely GPS-free and mobile environment. The network nodes do not need to calculate their position with respect to any anchor node. A local network coordinate system is formed in absence of GPS. This localization is based on directional neighbours localization. This algorithm runs on a fairly large or small and mobile environment. |
路由协议 |
| 当一个数据包需要通过多个节点传输到目的地时，就需要一个路由协议，针对这种自组织网络已经提出了许多路由协议。这些协议为数据包的传递找到路由，并将数据包传递到正确的目的地。多年来，对路由协议各个方面的研究一直是一个活跃的研究领域。许多协议都是考虑到应用程序和网络类型而提出的。基本上，路由协议可以大致分为两种类型:(a)表驱动协议或主动协议;(b)按需协议或反应性协议 |
| 表驱动或主动协议:在表驱动路由协议中，每个节点维护一个或多个表，其中包含到网络中每个其他节点的路由信息。所有节点都在不断更新这些表，以保持网络的最新视图。现有的一些表驱动或主动协议有:DSDV [6]， [19]， DBF [7]， GSR [24]， WRP[23]和ZRP[28]，[13].[33]。 |
| 随需应变或反应式协议:在这些协议中，路由是在需要时创建的。当从源到目的地发生传输时，它调用路由发现过程。在到达目的地或不再需要该路由之前，该路由一直有效。现有的一些随需应变路由协议有:DSR [8]， [9]， AODV[4]，[5]和TORA[26]，[27]。本研究论文的重点集中在各种随需应变/响应式协议的调查和比较，如DSR, AODV和TORA，因为这些协议最适合于Ad Hoc网络。下一小节将描述这些协议的基本特性。 |
动态源路由[8,9] |
| 动态源路由(DSR)是一种基于源路由理论而不是基于表的Ad Hoc路由协议。该协议是源启动的，而不是逐跳启动的。这是特别为在移动节点的多跳无线自组织网络中使用而设计的。基本上，DSR协议不需要任何现有的网络基础设施或管理，这允许网络完全自组织和自配置。本协议由路由发现和路由维护两部分组成。每个节点都维护一个缓存来存储最近发现的路径。当一个节点想要向某个节点发送一个包时，它首先检查缓存中的条目。如果它在那里，那么它使用该路径来传输数据包，并在数据包上附加其源地址。如果它不在缓存中，或者缓存中的条目已经过期(因为长时间空闲)，发送方会向所有邻居广播一个路由请求包，请求到达目的地的路径。发送方将等待路由被发现。 During waiting time, the sender can perform other tasks such as sending/forwarding other packets. As the route request packet arrives to any of the nodes, they check from their neighbor or from their caches whether the destination asked is known or unknown. If route information is known, they send back a route reply packet to the destination otherwise they broadcast the same route request packet. When the route is discovered, the required packets will be transmitted by the sender on the discovered route. |
| 此外，缓存中的一个条目将被插入以供将来使用。节点还将维护条目的年龄信息，以了解缓存是否为新的。当一个数据包被任何中间节点接收到时，它首先检查这个数据包是否是给它自己的。如果它是自己的(即中间节点是目的地)，则接收数据包，否则将使用数据包上附加的路径转发相同的数据包。在Ad hoc网络中，任何链路都可能随时发生故障。因此，路由维护过程会不断监控，如果路径出现故障，也会通知节点。因此，节点将改变其路由缓存的条目。 |
DSR的优点和局限性 |
| DSR协议的一个主要好处是不需要保留路由表来路由给定的数据包，因为整个路由都包含在包头中。DSR协议的局限性在于它不能扩展到大型网络，甚至需要比大多数其他协议多得多的处理资源。基本上，为了获得路由信息，每个节点都必须花费大量的时间来处理它接收到的任何控制数据，即使它不是预期的接收者。DSR协议的流程图[17]如下: |
| Adov (Ad Hoc on Demand Distance Vector) [4]， [5]AODV是DSDV (destination - ordered Distance-Vector)路由协议的变体，是在DSDV和DSR的基础上综合而成的。它旨在最大限度地减少对系统范围广播的需求。它不维护网络中从每个节点到每个其他节点的路由，而是在需要时发现它们，并且只在需要时维护它们。下面介绍AODV建立单播路由算法的关键步骤。 |
路由发现 |
| 当一个节点向目的节点发送数据包时，检查路由表中的表项，确认当前是否有到达该目的节点的路由。如果存在，则数据包被转发到目的地的适当下一跳。如果不存在，则启动路由发现进程。AODV通过RREQ (route Request)和RREP (route Reply)启动路由发现过程。源节点将创建一个包含其IP地址、当前序列号、目的IP地址、目的最后序列号和广播ID的RREQ包。每次源节点发起RREQ时，广播ID都会增加。序列号基本上用来确定每个数据包的时效性，广播ID和IP地址共同构成RREQ的唯一标识符，从而唯一地标识每个请求。请求使用RREQ消息发送，与创建路由相关的信息在RREP消息中返回。源节点将RREQ报文广播给邻居节点，然后设置定时器等待应答。为了处理RREQ，节点在路由表中为源节点建立反向路由项。 This helps to know how to forward a RREP to the source. Basically a lifetime is associated with the reverse route entry and if this entry is not used within this lifetime, the route information is deleted. If the RREQ is lost during transmission, the source node is allowed to broadcast again using route discovery mechanism [34], [35]. |
| Tora(临时有序路由协议)[26]，[27]TORA是一种分布式的高自适应路由协议，设计用于动态多跳网络。TORA使用任意高度参数来确定给定目的地任意两个节点之间的链路方向。因此，对于一个给定的目的地，通常存在多条路线，但它们都不一定是最短的路线。 为了发起路由，节点广播一个QUERY包给它的邻居。这个QUERY通过网络重新广播，直到它到达目的地或有到目的地路由的中间节点。然后，QUERY包的接收者广播UPDATE包，其中列出了它相对于目的地的高度。当这个包在网络中传播时，每个接收到UPDATE包的节点都将自己的高度设置为大于接收到UPDATE报文的邻居的高度的值。这样可以创建一系列从QUERY包的原始发送方到最初生成UPDATE包的节点的有向链接。当节点发现到达目的地的路由不再有效时，它将调整其高度，使其相对于其邻居的高度为局部最大值，然后传输一个UPDATE包。如果该节点没有相对于目的地高度有限的邻居，则该节点将尝试发现如上所述的新路由。当一个节点检测到一个网络分区时，它将生成一个CLEAR包，导致在ad hoc网络上的路由重置。TORA协议的流程图[17]如下: |
性能指标 |
| 有许多定性和定量指标可以用来比较响应式路由协议。现有的大多数路由协议都保证了定性度量。因此，我们考虑了以下不同的量化指标，通过仿真对这些路由协议进行比较研究。 |
| 1)路由开销:这个指标描述了为了传播数据包，需要发送多少路由包来进行路由发现和路由维护。 |
| 2)平均延迟:该指标表示平均端到端延迟，并表示数据包从源传输到目的地的应用层所花费的时间。它以秒为单位。 |
| 3)吞吐量:该指标表示每秒转发到更高层的比特总数。它的测量单位是bps。它也可以定义为接收方从发送方实际接收到的数据总量除以接收方获得最后一个数据包所花费的时间。 |
| 4)媒体访问延迟:一个节点从开始报文传输到访问媒体的时间称为媒体访问时延。每个包第一次发送到物理层时，都会记录延迟。 |
| 5)分组投递比:输入数据包的数量与实际接收数据包的数量之比。 |
| 6)路径最优性:这个度量可以定义为数据包到达目的地的实际路径和最佳可能路径之间的差值。 |
功耗感知指标 |
| 由于节点的移动性，移动自组织网络中的路由问题变得非常困难。由于节点的移动特性，需要频繁的拓扑更新，这将导致更高的消息开销，从而导致更多的功耗。网络中广泛使用的主要性能指标是端到端吞吐量和延迟。它们属于不同路由协议中用于确定最优路径的一小组度量。除此之外，链路质量和位置稳定性是其他性能指标，这些指标会影响协议的设计，需要通过平衡它们之间的权衡来优化它们。通过选择多条路径，其中一些指标可能会对网络的某些节点产生负面影响。当能量度量用于路由协议的设计时，最终目标是保持网络的连接并延长时间，直到它被划分。一些能感知能源的指标，确实会导致节能路由，如[29]: |
尽量减少每包消耗的能量 |
| 为了节约能源，从源节点到目的节点的所有数据包所消耗的能量需要最小化。也就是说，数据包在从每个节点到下一个节点的途中所消耗的总能量应该是已知的。一个包所消耗的能量为: |
| (1)节点需要最小化。也就是说，数据包在从每个节点到下一个节点的途中所消耗的总能量应该是已知的。一个包所消耗的能量为: |
| 式中，mi到mk为路由中的节点，T为在一跳内发送和接收数据包所消耗的能量。然后，取所有包的最小E值。然而，这个指标有一个缺点，因为节点往往有很大不同的能源消耗分布，导致一些节点过早死亡。 |
最大化网络分区的时间 |
| 对于给定的网络拓扑结构，删除最小节点集将导致网络分区。因此，路由过程必须在节点之间分配工作，以最大限度地延长网络的生命周期。然而，优化这个指标是极其困难的，因为找到将划分网络的节点不是简单的，而且“负载平衡”问题是一个np完全问题。 |
最小化节点功率级别的方差 |
| 该指标确保网络中的所有节点保持正常并尽可能长时间地一起运行。它通过使用路由过程来实现这一目标，其中每个节点通过等待传输的数据包最少的邻居发送数据包。这样，网络的流量负载在各节点之间分担，每个节点转发的数据包数量大致相同。因此，每个节点在传输过程中消耗的功率大致相同。 |
最小化成本/包 |
| 对于这个度量，路径的选择使其不包含能量储备耗尽的节点。换句话说，该指标是对节点中剩余的电量或电池容量水平的测量，并且没有(不必要地)选择该指标值较低的节点作为路由。这个指标被定义为在节点上发送一个数据包的总成本，这反过来可以用来计算剩余的功率。(2)其中，xi表示节点i到目前为止所消耗的总能量，f是表示成本的函数。然后计算所有包的最小C值。 |
最小化最大节点成本 |
| 该指标从路由数据包通过节点的开销列表中找到最小值。成本本身是在特定时间路由一个包的成本的最大化值。该度规的方程为: |
| 最小化Ĉ(t)，对于所有t >0，其中Ĉ(t)表示Ci(t)的最大值，Ci(t)是在t时刻路由一个数据包通过节点i的开销。 |
5.节能的Ad Hoc路由协议 |
| 为了在一对节点之间建立正确有效的路由，已经开发了不同的路由协议。但由于每个节点的可用功率有限，所选路由不能长时间保持。为了实现这一目标，节点能量不仅在主动通信期间最小化，而且在非活动状态时也最小化。 |
| 减少主动通信能量的两种方法是: |
| a.传输功率控制方法和 |
| b.负荷分配方法。为了减少不活动时的能量[40]所使用的方法是 |
| C.sleep /省电模式 |
传输功率控制方法 |
| 当一个节点的无线电发射功率是可控的时，它们的直接通信范围以及近邻的数量也是可调的。传输功率越强，传输范围越大，到目的地址的跳数越少，而传输功率越弱，拓扑越稀疏，跳数越大，可能导致网络分区，端到端时延高。通过传输功率调节对MANET进行拓扑控制的研究一直很活跃[41]，其主要目标是用最小的功率维持一个连通的拓扑。基于传输功率控制的节能路由协议寻找源-目的对[34]之间总传输功率最小的最佳路由。 |
| 流量增强路由(FAR)[35]协议假设一个静态网络，为给定的源-目的对找到最优路由路径，使路径上的链路代价和最小，并选择代价最小的路径。在线最大最小路由(OMM) Li等[36]提出的功率感知路由协议，用于分散在大地理区域的无线自组织网络，以支持消息序列未知的应用。该协议通过最小化剩余功率来优化网络的生命周期和单个节点的生命周期，有助于防止节点过载的发生。功率感知局部路由协议[21]是一种局部的、完全分布式的能量感知路由算法。它的工作条件是假定源节点拥有其邻居节点和目标节点的位置信息。PLR等价于知道从源节点到其邻居节点，一直到目的地的链路开销。基于这些信息，源端无法找到最优路径，而是选择到目的端的整体传输功率最小的下一跳。最小能量路由(MER)协议[16]，[17]的主要目标不是提供节能路径，而是通过调整传输功率使给定路径达到下一跳节点的节能。最小公共功率(COMPOW)协议[18]提供了一个简单的解决方案来维持MANET中任意对通信节点之间的双向性。power -aware routing (PAR)[33]协议通过在源到目的路由建立过程中选择更稳定、拥塞更少的路由，最大限度地提高网络寿命，最大限度地降低功耗，实现实时和非实时流量的传输，从而提供节能的路由。 |
结论 |
| 本文在上述性能指标的基础上，重点对各种随需应变/响应式路由协议(DSR、AODV和TORA)进行了比较研究和性能分析。在低流量的稀疏介质中，所有协议的性能基本稳定。由于使用无环图选择了更好的路由，ESGRP在分组传递方面的性能大大提高。评估预测，尽管在某些情况下，DSR和AODV的开销略高，但在所有情况下，DSR和AODV都优于TORA。进一步得出结论，由于拓扑结构的动态变化和基础设施少、分散的特点，移动自组织网络的安全性和功耗意识难以实现。因此，安全性和功耗感知机制应该是基于自组织网络的各种应用程序的内置特性。在MANET中使用GPS进行点对点通信。研究的重点是这些问题在我们未来的研究工作和努力将提出一个解决方案的Ad Hoc网络路由通过解决这些核心问题的安全和电力意识/节能路由。 |
参考文献 |
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