关键字 |
| 移动自组织网络，动态源路由协议，路由发现，路由维护 |
介绍 |
| 在ad hoc网络中，移动主机的运行受到电池电量的限制。将包从源路由到目的需要足够数量的中间节点。因此，节点的电池电量是一种宝贵的资源，必须有效利用，以避免节点或网络的早期终止。因此，功耗和时钟频率是设计这些主机的重要标准。除了对主机进行静态设计优化外，还可以通过采用动态资源和电源管理来提高此类主机的网络性能和生命周期。很明显，将任何给定节点的功耗最小化或使服务速度最大化可能不足以实现最低的延迟和最长的网络生命周期。关键因素是在节点网络中，功耗应该在所有节点之间均匀分配，以增加网络的寿命。 |
| 各种节能路由协议已经被提出，以增加节点的生命周期和网络的生命周期，使通信可以不间断地进行。本文提出并分析了仅基于传统DSR路由协议的机制而设计的针对自组织无线网络的各种节能路由协议。协议 |
功耗模式 |
| 无线移动自组织网络中的移动节点与其他移动节点相互连接。这些节点可以自由地向其他节点发送和接收数据包，并为此类活动需要能量。节点的总能量[4]、[5]、[6]分为以下几种模式:(a)传输模式(b)接收模式(c)空闲模式(d)偷听模式。这些功耗模式被描述为:- |
| a)传输方式:当一个节点向网络中的其他节点发送数据包时，就称其处于传输模式。这些节点需要能量来传输数据包，这些能量称为该节点的传输能量(Tx)[1]，[2]。传输能量取决于数据包的大小(以比特为单位)，这意味着当数据包的大小增加时，所需的传输能量也会增加。传输能量可表示为: |
| Tx =(330*长度)/2*106 (1) |
| pt = Tx / T T (2) |
| 其中，Tx为传输能量，pt为传输功率，T为传输数据包所花费的时间，PLength为数据包的长度，单位为比特。 |
| b)接待方式:当一个节点接收到来自其他节点的数据包时，则称其处于接收模式，接收数据包所消耗的能量称为接收能量(R x)[1]。则接收能量可表示为: |
| R x =(230*长度)/2*10 6 (3) |
| P R = R x / T R (4) |
| 其中R x是接收能量，P R是接收功率，T R是接收数据包所花费的时间，Plength是数据包的长度，以比特为单位。 |
| (c)闲置模式:该模式为[4]，一般情况下该节点没有发送或接收任何数据包。但是这种模式耗电，因为节点必须持续监听无线媒体，以检测它应该接收的数据包，这样节点才能从空闲模式切换到接收模式。 |
| 尽管事实上，在空闲模式下，节点并不实际处理数据通信操作[3]，但人们发现无线接口仍然消耗了相当多的能量。这个量接近接收操作中消耗的量。闲置能源是一种浪费的能源，应该消除或减少。空闲模式下的功耗为: |
| P I = P r (5) |
| 其中pi为空闲模式下消耗的功率，rp为接收模式下消耗的功率。 |
| d)监听模式(Overhearing Mode):当一个节点接收到不是其目的地的数据包时，称其处于监听模式[7]，它可能会消耗接收模式所消耗的能量。不必要地接收这些数据包会导致能源消耗。那么偷听模式下的功耗为: |
| P / = P R (6) |
| 其中P /是偷听模式下消耗的功率，P R是接收模式下消耗的功率。 |
节能指标 |
| 尽量减少能源消耗/包:这是一个比较明显的指标。为了节约能源，我们希望最小化从源节点到目的节点的所有数据包所消耗的能量。也就是说，我们想知道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。因此，一个包所消耗的能量由方程表示: |
 (7） |
| 其中n1到nk是路由中的节点，T表示在一跳内发送和接收数据包所消耗的能量。然后我们找到所有包的最小E。 |
| 最大节点成本:这里的思想是从路由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Ã Â (t)， for all t >0， (8) |
| 其中Ã Â (t)表示Ci(t)的最大值，Ci(t)是在t时刻将一个数据包路由到节点i的代价。 |
| 最大化网络分区时间:对于这个度量，基本的标准是给定一个网络拓扑结构，我们可以找到一个最小的节点集，其中删除它将导致网络分区。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寿命 |
| 最小化节点功率等级方差: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 |
相关工作 |
| 在MANET中，路由是指建立路由后，如果目的节点不在发送节点的直接范围内，则通过一些中间节点将数据包从源节点转发到目的节点的过程。路由建立本身是一个两步过程。第一个是路由发现，它发现从同一个源到目的地的不同路由。第二，路由选择，它从从同一个源到目的地的所有路由中选择一个特定的路由。在自组织网络中，路由协议分为三类。 |
| 表驱动路由协议(Table Driven Routing Protocol):表驱动路由协议(Table Driven Routing Protocol)也称为主动路由协议(Proactive Protocols)，它在后台独立于流量需求制定路由。每个节点使用路由信息存储网络中其他节点的位置信息，然后使用这些信息在网络中的不同节点之间移动数据。这些协议保持对网络的恒定概述，这可能是一个缺点，因为它们可能会对网络拓扑的变化做出反应，即使没有流量受到拓扑修改的影响，这可能会产生不必要的开销。即使在数据流量很小的网络中，表驱动协议也会使用有限的资源，如功率和链路带宽，因此它们可能不会被认为是Ad hoc网络的有效路由解决方案。鱼眼状态路由和DSDV是表驱动协议的例子。 |
| 随需应变路由协议(On Demand Routing Protocol):随需应变路由协议(On Demand Routing Protocol)，也称为响应式协议(Reactive Protocols)，仅在需要路由数据包时才在节点之间建立路由。它不需要更新网络中所有可能的路由，而是关注正在使用或正在建立的路由。当源节点需要一条路由到达没有路由信息的目的地时，它会启动路由发现过程，从一个节点到另一个节点，直到到达目的地或中间的节点有到达目的地的路由。当路由发现频率低于数据传输频率时，随需应变协议通常被认为是高效的，因为由路由发现步骤引起的网络流量相对于总通信带宽较低。这使得随需应变协议更适合于流量小、移动性低的大型网络。例如:AODV和DSR。 |
| 混合路由协议:混合路由协议结合了基于表的路由协议和随需应变的路由协议。他们使用距离向量进行更精确的度量，以建立到目标网络的最佳路径，并仅在网络拓扑发生变化时才报告路由信息。网络中的每个节点都有自己的路由区域，其大小由区域半径定义，区域半径由跳数等指标定义。每个节点都为自己的区域保存路由信息记录。 |
动态源路由协议 |
| 动态源路由(DSR)[9,10]是一种简单高效的路由协议，设计用于多跳无线自组织移动网络。DSR是移动自组织网络中重要的路由协议之一，许多节能路由协议都是基于它的机制设计的。只有当源发起路由发现过程时，才会发现从源到目的的路由。协议的所有方面都完全按需运作。该协议还实现了网络的自组织和自配置。该协议主要由机械发现(Rote Discover)和路由维护(Route Maintenance)两种机制组成，这两种机制协同工作，允许节点发现和维护到自组织网络中任意目的节点的源路由。 |
| 路由发现:路由发现分为两个子步骤:路由请求和路由应答。 |
| 路由请求:当移动节点有一些数据/数据包要发送到任何目的地，而它的路由缓存中没有到达目的地的任何路由时，路由发现就开始发挥作用了。然后通过广播RREQ (route request)报文发起路由发现。该路由请求包含目的地址、源地址和一个唯一的标识号，该标识号仅由源节点生成。每个节点接收数据包，并检查数据包是否为它的意思。如果它不是目的节点，那么它只是将数据包转发到发送链路，并在数据包中添加自己的地址。为了避免同一源产生重复的路由请求，节点只转发尚未出现在同一标识号路由请求中的路由请求。 |
| 路由应答:当报文到达目的节点或到达路由缓存中包含到目的地址的未过期路由的节点时，就会生成路由应答。数据包不仅包含它所遇到的中间节点的所有地址，而且还存储了跳数序列。路由应答是目的地将路由请求中包含的路由记录放入路由应答中产生的。在路由应答过程中，如果目的节点的路由缓存中有到启动器的路由，则目的节点可以使用该路由进行路由应答。否则，如果链路是对称的，目的节点可能会反转路由记录中的路由。如果不支持对称链路，则节点可以在新的路由请求上发起自己的路由发现，并附带路由应答。当任何中间节点收到来自目的节点或任何其他节点的路由应答时，它们附加自己的路由记录并将其转发给相邻节点。 |
| 路由维护:路由维护是识别链路是否可靠、是否能够承载数据包的过程。这个过程通过使用路由错误包和确认来执行。当数据链路层遇到致命的传输问题时，将生成路由错误消息。假设一个数据包被重传(直到最大尝试次数)，通过接收到的最大次数和确认接收的次数，那么这个节点向数据包的原始发送方返回一个数据包错误消息，指出数据包无法转发的链路。 |
| 在过去的10年里，许多节能路由协议被提出，并想知道其中最好的解决方案。由于技术限制和研究挖掘最优解决方案的难度很大，因此对DSR协议进行了大量的改进和修改，使其成为一种节能路由协议，并与其他协议一样成为高效路由协议。在下一节课中，我们将对传统的DSR协议进行一些修改，并提出几个重要的路由协议。 |
1) Power Aware DSR (PADSR)协议 |
| PADSR是一种改进的DSR协议，使用位置辅助功率感知路由(LAPAR)算法进行功率感知。LAPAR (Location Aided Power Aware Routing)[8]算法可以在任何现有的路由协议上实现，它确定源目标对之间的最佳路由，从而使传输数据包所需的总功率最小化。该算法指出，对于属于集合V的任何节点，存在一组直接传输产生最小功率的节点。该算法需要确定每个节点的平面图，并在这些平面图上使用贪婪算法确定源目标对之间的路径。 |
| 以DSR协议为基础，从LAPAR算法推导出功率感知，实现了PADSR协议;经过广泛的数学和逻辑分析，并通过构建流程图来进行实施，确定了以下步骤: |
| a.初始化具有位置信息的节点。 |
| b.通过初级广播了解邻居的相对位置。 |
| c.二次广播，形成平面图。 |
| d.将请求报文从源节点路由到其平面图中的节点。 |
| e.中间节点对路由请求进行处理和转发，直至到达目的地。 |
| f.从目的地到源的应答报文，沿着路由请求所经过的路径路由。 |
| g.多路处理和最小功率路由选择。 |
| h.数据包路径设置和传输。 |
| i.赋予节点移动性。 |
| j.链路故障处理。 |
| k.进行重复传输，计算平均功率和no。啤酒花。 |
| 1.与传统DSR协议的分析比较。 |
| 在此基础上，首先实现了PADSR协议，然后使用相同的步骤实现了传统的DSR协议，只是对基于跳数的路由识别和消除周期性广播等进行了一些修改。仿真结果表明，在不同速度下，DSR的平均功率基本不变，而在PADSR中，功率与速度成反比。与DSR相比，平均功率降低31.65%。 |
2)改进的manet节能动态源路由(MESDSR) |
| 设计了一种改进的manet节能动态源路由(MESDSR)，可以有效地利用移动节点的电池电量，从而使网络获得更长的寿命。 |
改进的节能动态源路由算法 |
| 步骤1如果源节点S想要向目的节点D发送数据，它将首先向所有相邻节点发送REQ消息。 |
| 步骤2当邻居节点收到REQ消息时，他们会检查自己的路由缓存，如果这个包的ID已经在他们的路由缓存中，那么这个包将被丢弃。 |
| 步骤3否则，node将使用: |
| Pnew = Ptx - Pr + Pth + Pm + Pover (9) |
| 并将此值作为回复发送给源节点。 |
| 步骤4源节点将计算所有节点Pnew值的平均值，并向Pnew值最接近该平均值的节点发送RREQ消息。 |
| 步骤5当节点接收到RREQ消息时，它将向自己的邻居发送REQ消息，这个过程将一直持续到目的节点到达。 |
| 步骤6当目的节点接收到RREQ消息时，它将用相同的路由发送回RREP消息。 |
| 步骤7RREP过程与传统DSR中相同，仿真结果表明，ESDSR在包传递比、平均能耗、吞吐量和端到端时延等方面的性能均优于DSR |
3)最小能量动态源路由协议(MEDSR) |
| 最小能量动态源路由协议(MEDSR)[9]做了最好的尝试之一，使DSR更像一个能量敏感的路由协议。整个MEDSR方法基于路由发现和链路功率调节机制，路由发现过程本身分为两个子过程。 |
| 低功率级别路由发现机制:在路由发现过程中，当源节点S有报文要发送时，为所有节点设置一个最小发送功率级别。因此，路由包将只在最小发射功率范围内广播到re。一旦路由请求到达目的节点，目的节点将路由请求包中的功率等级信息复制到路由应答中。路由应答被发送回目的节点发送功率等级范围内的所有节点。此时，中间节点将收到路由应答，它将为自己计算最小功率。任意节点的最小发射功率可计算为 |
| Pmin =Ptx-Prec +Pth (10) |
| Ptx=目的地发射功率 |
| Prec=收到路由应答节点的接收功率 |
| Pth=成功接收报文的阈值接收功率。并且它将在每个节点上继续进行，直到源接收到路由应答。一旦路由应答到达源端，源端设置发射功率。然后在选择好的数据传输路径上开始发送。 |
| 高功率路由发现机制:高功率路由发现与低功率路由发现相同。唯一不同的是，它在发送路由请求时设置较高的发射功率，而不是设置较低的发射功率。这一过程在路由发现中是非常必要的，特别是当将发射功率设置低而导致不可达而无法找到路径时。因此，要克服这一问题，高功率路由也是必须的。 |
| MEDSR使用两个级别的权力;网络的连通性得到了高度维护，减少了网络分区。结果还表明，当网络规模较小时，与DSR相比，MEDSR每条数据的节能最大，几乎高达55%，这确实是一种有效的路由协议 |
4)高效功率路由DSR (EPRDSR) |
| 在这种情况下，每个节点通过使用电池电量来跟踪其当前的功率水平。当节点收到路由应答或确认(ACK)时，它将更新其在包路径中的功率字段。一旦源节点收到路由应答或ACK，它就用路径中的功率值更新它的功率表。当选择路径时，DSR实现选择具有最小跳数的路径。然而，对于EPRDSR，路径是根据功率选择的。首先，计算每条路径的移动节点电池功率，即该路径的最低跳功率。然后通过选择具有最大最低跳功率的路径来选择该路径。例如，考虑以下场景，其中有两条路径可供选择。第一个路径包含三个跳，能量值分别为22、18和100，第二个路径包含四个跳，能量值分别为20、35、25和80。第一条路径的分数是18，而第二条路径的分数是20。 Hence, the second path would be chosen since it has a higher score. |
| EPRDSR中的功率感知模型:这样可以最大限度地延长网络的生命周期，并最大限度地降低路由建立过程中的功耗。该算法[11]通过在源和目标对之间提供一个节能且较少拥塞的路径，特别注意传输实时和非实时流量。下面讨论这个模型。 |
| 能量由使用计算 |
| 能量=功率*时间(11) |
| 功耗是用发射功率或接收功率乘以发射时间来计算的 |
| Pt=(8 *口袋尺寸)/带宽(12) |
| 透射能Etx定义为 |
| Etx= Ptx* Pt (13) |
| 接收能量Erx定义为 |
| Erx= Prx * Pt (14) |
| 某节点在时间t后的能耗计算公式如下 |
| 经济(t) = Nt *C1+ Nr*C2 (15) |
| 其中，Econ(t)，为节点在时间t之后所消耗的能量，Nt，为节点在时间t之后所发送的数据包数。Nr，为节点在时间t之后所接收的数据包数，C1和C2为常数因子，取值范围为0到1。 |
| 设E为节点的初始功率，节点在t时刻的剩余能量ERes可由 |
| ERes= E−Econ(t) (16) |
| 其中ERes是剩余能量，Econ是消耗能量。所有节点的总功耗为所有节点的剩余电池功率之和加上初始功率与节点数的乘积 |
| TEcon= N *初始能量- Eres (17) |
| 其中，TEcon是消耗的总能量，N是manet中移动节点的总数。 |
结论 |
| 本文讨论了MANET系统中的一个重要问题，即能耗问题。传统的最小跳数等路由机制不仅会增加网络的开销，而且在通信过程中会消耗网络的能量，因此需要设计一些节能的路由协议来解决这一问题。由于存在许多节能路由协议，因此很难直接对它们进行比较，因为每种方法都有不同的假设和实现目标的方法。 |
| 本文还阐述了几种明确基于DSR路由协议的节能路由协议。这些协议证明了传统的DSR也可以作为一种节能的路由协议。由于DSR被认为是一种完全不考虑能量消耗的非传统路由协议。本文还揭示了单一路由协议在与功耗、负载均衡、传输控制、多路径路由等其他技术相结合之前，不能很好地对抗MANET的主要限制因素——功耗。所有这些技术的结合必将成为能源约束的有效解决方案。 |
参考文献 |
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- R.K. Chauhan和Ashish Chopra，“移动Ad Hoc网络的功率优化”，全球计算机科学与技术杂志，卷。10第4期，pp 92-96,2010.sssssss
- 张晓明，“新型电力系统能效问题研究”，《电力系统工程学报》，第4期，2009,www.ijric.org。
- AntashilPalChaudhuri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。
- 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，第4期，第86-107页，2007。
- NatarajanMeghanathan和Levon Paul Judon，“使用按需充电或传输功率控制或两者兼用来改进移动自组织网络中按需路由的网络寿命”，计算机与信息科学，Vol. 3, No. 1, pp 3- 11,2010。
- 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。
- SabithaRamakrishnan, T. Thyagarajan, P. K. Ram和R.Vinodh，“manet中PADSR路由协议的设计与分析”，2005年ieee会议。
- ShipraGautam, RakeshKumar，“改进的manet节能DSR协议”，IJECSE, 2013
- Mohammad Tarique, romanaislam，“manet的最小能量动态源路由协议”，计算机工程学报，2011年11月，第7卷第11期
- Shiva Shankar, GollaVaraprasad, HosahalliNarayanagowda Suresh，“按需修改的功率感知动态源路由协议在移动自组织网络中的重要性”，IET Micro。天线传播，Vol. 8, Iss. 7, pp. 459 - 46,2014。
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