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国际计算机与通信工程创新研究杂志

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无线Ad Hoc网络中基于DSDV路由协议的TBETX路由改进了最小延迟路由

m . Pushpadevi1, M.Sakthi2
  1. 印度波拉奇NGM学院计算机科学系phil硕士研究学者。
  2. 印度波拉奇NGM学院计算机科学系助理教授。
有关文章载于Pubmed，谷歌学者

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摘要

DSDV是一种应用于无线Ad Hoc网络的表驱动路由协议，为了解决DSDV中的延迟问题，提出了一种路由协议的主动设计。由于无线网络的高移动性，链路故障频繁，导致表驱动路由协议中存在延迟问题，导致无线网络中延迟时间和丢包增加。无线自组织网络中提出的DSDV协议依赖于路由协议的效率，尤其是其中运行的路由度量。本文将最近提出的路由度量流量带宽调整预期传输计数(traffic - betx)的性能与两个现有的主要度量进行了比较，即在目的有序距离向量(DSDV)路由协议上的预期传输计数(ETX)和最小延迟路由(MDR)。在大流量下，使用不同的包速率来分析性能差异。从仿真结果来看，Traffic-BETX指标优于ETX和MDR指标，因为它实现了带宽共享机制，并充分利用了MAC层的可用信息。

关键字
马奈;DSDV协议;最小延迟;质量链接度量;Traffic-BETX

介绍
利用路由协议建立和维护自组织网络是MANET的一个重要研究领域。尽管有很多像AODV (Ad hoc On Demand Distance Vector，按需距离矢量)这样的路由协议，但路由算法是为自组织移动网络设计的一种路由协议。AODV同时支持单播和组播路由。它是一种随需应变的算法，这意味着它只根据源节点的需要在节点之间构建路由。只要源需要，它就会维护这些路由。此外，AODV还可以形成连接多播组成员的树。树由组成员和连接成员所需的节点组成。AODV使用序号来保证路由的新鲜度。它是无循环的、自启动的，并且可以扩展到大量的移动节点。DSDV (destination - ordered Distance-Vector)路由算法是在经典Bellman-Ford路由算法的基础上进行了改进。 Dynamic Source Routing (DSR) is a routing protocol for wireless mesh networks. It is similar to AODV in that it forms a route on-demand when a transmitting computer requests one. However, it uses source routing instead of relying on the routing table at each intermediate device.

2相关工作
以前的方法包括基于链路开销的AODV路由协议[9]的改进版本，用于多速率manet。每个节点发送一个重复请求。RREQ(路由请求)，具有预定义的生存时间。每个RREQ(路由请求)由其序列号标识。第一个收到的RREQ(路由请求)被处理，重复的路由请求被丢弃。重复此过程以进行反向路径更新。但是这种频繁的路径更新会导致网络泛滥，导致生成的许多rreq (Route Request)丢失，导致路由发现过程无法正常运行。因为rreq(路由请求)是雪崩模式。另一种方法[11]被提出为QAODV(服务质量随需应变距离向量)，以改善节点之间距离较近时使用AODV(随需应变距离向量)时的延迟。该方法仅基于带宽作为路由参数。 However bandwidth may not be sufficient to address QOS (Quality of service) for real-time applications where delay jitters.
从控制开销、内存开销、时间复杂度、通信复杂度、路由发现和路由维护[4]等方面对各种MANET(Mobile Ad hoc network)路由协议进行了大量的仿真研究。然而，在现有MANET路由协议的实现和操作经验方面严重缺乏。由于节点的移动性也会影响路由协议的整体性能，因此对各种类型的移动性模型进行了识别和评估。现有的自组织路由协议框架由Tao使用TAODV (Trusted aware ad hoc On Demand Distance Vector)[2]协议提出。这是基于协议距离的节点集。另一种OLSR(优化链路状态路由)是一种主动链路状态路由协议，它使用hello和拓扑控制(TC)消息来发现并在整个移动自组织网络中传播链路状态信息。基于反向路径转发(TBRPF)的拓扑广播是一种适用于无线网状网络的链路状态路由协议。无线链路状态协议的明显设计(如优化的链路状态路由协议)传输大量路由数据，当网络由移动节点组成时，这限制了链路状态协议的效用。路由传输的数量和大小使得网络只能用于最小的网络。

3算法
在由于高机动性而无法及时找到质量最低的路径的情况下，必须迅速找到新的路径。此外，在一些无线自组织网络(静态网络或网状网络)中，移动性不是问题，它可能会选择低吞吐量和低介质利用率的路径。为了克服最小跳数的限制，文献中提出了各种各样的链路质量度量。现有协议使用预期传输计数(ETX)度量，预测在无线链路上成功交付数据包所需的数据帧和ACK帧传输的平均数量。ETX选择比跳数更好的路由，从而增加吞吐量。根据原始ETX，它与传输成功接收和确认的预期概率成反比。因此，带宽调整后的期望传输次数指标定义为数据包成功传输的概率。两者都只捕获链路损耗率，而忽略了对链路质量和数据包在每条链路上传输的数据速率有重大影响的链路所经历的干扰。他们没有考虑传播率的差异。由于探测报文的传输速率一般较低，不能准确反映实际流量的丢失率。 An important factor often neglected in most of existing metrics is that routing in multi-hop wireless networks can significantly be improved by cross-layering with lower layers. The motivation behind this work is that a better understanding of the relative merits of the Traffic Bandwidth adjusted ETX (Traffic-BETX) metric will serve as a cornerstone for development of more effective one.
一个。优质链接指标
质量链路通过提出ETX提出了质量路由的思想。在本节中，我们将讨论5个qlm，除了MD之外，它们都是基于ETX的。
预期传输数
ETX通过广播探测包计算链路的丢失概率来测量链路的正向和反向丢失率和链路不对称。在这种方法中，每个节点只周期性地向邻居发送广播探测报文，不进行重传。节点跟踪在滑动窗口时间内从每个邻居成功接收到的探测的数量;10秒，并在他们自己的探测中包含这些信息。节点可以直接根据时间窗口内从邻居接收到的探测数量计算反向损失概率dr，也可以使用上次从邻居接收到的关于自己的探测信息计算正向损失概率;df。
相反的期望传输计数
OppETX显著地避免了计算开销，从而实现了最小的延迟。ETX计算成功概率的倒数(正向和反向概率的乘积)，但正如名字所暗示的，OppETX直接计算概率
预计传输时间
ETT:链路的“带宽调整ETX”定义如下。作者考虑链路带宽来获得传输数据包所花费的时间。它们从ETX开始，然后除以链路带宽。设S表示数据包的大小，B表示链路l的带宽(原始数据速率)，则:
在ETT的ETX部分测量链路的正向和反向损耗率。这些丢失率是通过广播探测包计算的。确定每条链路的带宽的问题比较复杂。对于带宽的测量，ETT使用包对技术，即在每分钟之后，每个节点都应该向每个相邻节点发送两个背对背探测包。第一个探测包大小为137字节，第二个探测包比较重，为1137字节。邻居接收到这两个探测后，会测量第一个探测和第二个探测的时间差，并用时间差向发送方确认。为了估计带宽，发送方取最少的10个连续样本，然后用第二个探测包的大小除以最小样本大小。
B。流量带宽调整预期发送次数
基于ETX度量的路径选择通常会导致较差的性能，因为它没有考虑链路传输速率的差异。由于它没有考虑链路的负载，因此会通过负载较重的节点，导致资源使用不平衡。通过表征无线链路的实际质量，可以获得更好的路径，作者提出了Traffic-BETX指标。这是一个三重度量。它首先计算预期链路交付(ELD)， exp避免了ETX产生的开销，并绕过网络中的拥塞区域;流量- betx度量的这一部分找到了重传次数较低的路径或路由，这些路径或路由可用于数据包的后续交付。在无线网络中，速度慢的链路比速度快的链路接收到更多的传输时间，因此通过跨层方法向节点提供标称比特率信息，使节点计算同一争用域中所有无线链路的期望链路带宽(ELB) exp b。最后，Traffic-BETX通过计算被称为期望链路干扰(ELI)的干扰(exp I)来克服ETX的长路径惩罚。IBETX度量定义如下:
对于双向无线链路(m,n)，期望链路交付exp d由
其中f d是正向传递比，即数据包成功到达接收者的测量概率，rd是反向传递比，即确认数据包成功传输的概率。传输比使用链路层广播探测来测量，它不被802.11介质访问控制(MAC)层所承认。每个节点每秒广播一个134字节的探测包，并记住在过去10秒内从每个相邻节点接收到的探测包的数量。一旦获得了该信息，就可以计算从该节点到其邻居的所有无线链路的预期链路交付。期望链路带宽exp b捕获802.11分布式协调函数(DCF)的带宽共享机制;它还考虑了由于较慢链路而导致的较快链路的准确吞吐量降低。此外，exp b还考虑了被ETX和基于ETX的度量忽略的较长的路径。对于链路(m,n)，期望链路带宽为:
上式中，P为源目的路径或路由，NP为非源目的路径，r为域P中第i条链路的名义比特率，域P是路径P中与该链路(m,n)竞争的链路集。由于用于计算传输比的探针尺寸非常小，因此即使在拥塞的网络中也能成功接收它们，从而描绘了链路质量的错误图像。它是由同一源目的地路径上的所有节点计算的期望值。802.11 MAC是分布式协调功能(DCF)，它除了使节点能够在发送数据之前感知链路外，还通过使用虚拟载波感知来避免冲突。DCF使用RTS (Request-To-Send)和CTS (Clear-To-Send)控制包将单播数据传输到邻近节点，从而设置网络分配向量(Network Allocation Vector)，即:
如果在一个特定的站启用RTS/CTS，在该站完成与另一个站(如接入点)的RTS/CTS握手之前，它将避免发送数据帧。站通过发送一个RTS帧来启动这个过程。接入点接收RTS并响应一个CTS帧。在发送数据帧之前，站必须接收一个CTS帧。CTS还包含一个时间值，在该站启动RTS传输其数据时，警告其他站不要访问该介质。存储通道预留信息，避免隐藏终端问题。使用跨层方法，DCF周期性地探测MAC，以找到链路繁忙的时间段τ忙。节点m所受的干扰表示为
如果在一个特定的站启用RTS/CTS，在该站完成与另一个站(如接入点)的RTS/CTS握手之前，它将避免发送数据帧。站通过发送一个RTS帧来启动这个过程。接入点接收RTS并响应一个CTS帧。在发送数据帧之前，站必须接收一个CTS帧。CTS还包含一个时间值，在该站启动RTS传输其数据时，警告其他站不要访问该介质。存储通道预留信息，避免隐藏终端问题。使用跨层方法，DCF周期性地探测MAC，以找到链路繁忙的时间段τ忙。节点m所受的干扰表示为
在那里,τ忙介质保持繁忙的持续时间;在接收包的情况下，它是x R状态(或与其他节点通信正在进行)，NAV等待。在节点m的干涉表达式中，t为总窗口时间。如果节点n在发射端，则，τ忙值由+ τR给出x+τTx+τ即时战略游戏+τCTS。因此，发送节点n和接收节点m的干扰为
由节点m和n组成的链路(m,n)会受到干扰，mni为式(12)和式(13)中计算的干扰最大值
接收节点m保存式(12)计算的干扰信息，发送节点保存式(13)计算的干扰信息。然后计算连杆(m,n)的期望干涉值为:
由于无线媒体是共享的，因此存在着由于竞争而产生的干扰问题。这将导致报文因碰撞而丢失，从而降低链路带宽。因此，添加exp I来处理竞争节点之间的互流干扰。路径的权值定义为p变成
那么从源到目的地的最佳路由或路径Pbest的路由度量是所有可用的P的最小值。如下:
本文考虑了四个重要指标。这些包括:
(i)吞吐量:定义为接收方从发送方接收到的数据总量除以接收方获得最后一个数据包所需的时间。它实际上是衡量我们通过网络发送数据包的速度的标准。(ii)归一化路由负载(Normalized Routing Load, NRL):一种路由协议(本研究中为DSDV路由协议)在单个数据包成功到达目的地所传输的路由数据包数。它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。(iii)平均端到端延迟:指数据包从源端到目的端的应用层所花费的时间。它包括路由发现过程中所有可能的延迟，MAC上的重传延迟，接口上的排队延迟，传播和传输时间。
(iv) PDR (Packet delivery ratio):到达目的地的数据包与CBR (Constant Bit Rate)源产生的数据包的比例。
C。DSDV的实现
DSDV是一种距离矢量协议，它使用序列号来确保新鲜度，并使用一种固定时间机制来避免使用劣质度量进行不必要的路由传播。我们对最初的DSDV设计进行了四项更改，以确保它使用最知名的度量路径。在描述这些变化之前，我们先概述协议的发布版本是如何选择路由的。每个节点都有一个路由表条目，对应它所知道的每个目的地。该条目包含四个字段:目的地标识符(IP地址)、到达该目的地的路由的下一跳、听到的该目的地的最新序列号和度量。节点将报文转发到由路由表当前内容指定的下一跳。每个节点定期广播一个包含其完整路由表的路由通告包。此广告称为完全转储，并在完全转储期间发生。
Step1: ETX将所有链路的(重新)传输计数相加，通过假设特定路径上的所有链路相互竞争来找到整个路径的传输计数。这适用于跳数较少的路径，但不适用于较长的路径，因为较长的路径有更多不在同一争用域中的链接。这种空间重用意味着路径的实际传输成本小于路径上所有链路的传输计数之和。因此，添加一条路径的所有链接的ETX不公平地增加了更长的路径的成本，因为更多的数据包丢弃。换句话说，ETX会惩罚跳数较多的路由。因此，度量不考虑较长的路径来选择最佳路径。ETX和ETT缺乏症。从源到目标有三条可用路径。ETX和所有不考虑流间干扰的基于ETX的指标将选择Path1和Path3之间的一条路径，并惩罚Path2。很明显，Path2有多个争用域(cd)。 The transmissions on a link in CD1 do not interfere the transmissions taking place on a link in CD3. As a whole, Path2 has interference value comparable to that of Path1 and Path3 or even less. As longer paths have higher throughput but are ignored by ETX, so, Path2 is never selected for data transmissions.
Step2: ETX、ETT和ETP没有明确实现任何机制来应对干扰，这些干扰通常成为无线静态网络的性能瓶颈。
Step3: ETX和ETT不从mac层获取任何信息，这使得路由层的计算更加健壮。
Step4: ELP无法区分发生在同一争用域中链路上的传输。由于无法计算竞争节点的带宽，ELP不考虑较长的路径。虽然后者通过实现干扰来考虑较长的路径，但前者仍然无法考虑较长的路径。因此，ETP解决了这个问题，并考虑了竞争链路的带宽值。这些技术提出的模型考虑了由于慢链路争用而导致的成功数据传输的减少，并期望得到比ETP和ETT更好的路由。ETP和ELP、ETT一样，一个明显的问题是没有考虑干扰。ETX中存在的通道变异性成为设计TBETX的原因。ETX和ETP之间的区别在于:TBETX工作在比特级，而不是考虑探针损耗。TBETX度量使用探针中损坏的位的位置和这些位错误在连续传输中的依赖性来计算误码概率。这是可能的，因为探测是由先前已知的比特序列组成的。 The variability of the link is modeled using the statistics of this stochastic process. Then, the mean number of transmissions is analytically calculated and the results show that it can be closely approximated with the statistics of the bit error probability, summed over packet duration. For TBETX, the critical time scale for the link variability is the transmission time of a single packet including all its retransmissions.
μ表示缓慢变化的静态分量的影响，如通道中的阴影、缓慢衰落和σ2显示了相对快速的信道变化的影响，如衰落、干扰等，术语μΣ(因此ETX)无法跟踪。μ和σ2由比特级信息估计，因为仅计算包丢失是不够的;因此，参数μ和σ2通过考虑每个探测包中的错误比特数来估计。TETX的主要缺点是“信道估计”复杂，主要表现在:
(1)探测包将在无线传感器网络中提高能量消耗问题(由于无线mesh网络具有丰富的处理能力，这可能不是一个问题)，(2)σ2随着估计误差的增加而增加。链路的高TETX是由于较高的信道可变性和估计误差，从而导致更好的链路畸形。TETX可以像ETX一样容易地适应那些通过根据传输速率标准化度量来提供比特率适应的无线链路。

四、仿真结果
源端传输CBR (Continuous Bit Rate)流量。参与模拟的节点随机分布在1000m × 1000m的范围内。节点按照随机路径点模型在模拟区域内移动。网络中的每个节点开始向随机选择的目的地移动。节点移动速度设置为20m /sec。当节点到达目的地时，它将在指定的时间段内暂停。在我们的模拟设置中，暂停时间为2秒。一旦一个节点的暂停时间到期，它就开始向下一个随机选择的目的地旅行。这个过程一直持续到模拟时间结束，在我们的模拟中是900秒。提供给所有无线链路的带宽为2mbps。为了检查协议在不同网络负载下的行为，模拟了2、4、8、16和32包/秒的包速率。 The size of packet is set to 64 bytes. For scalability analysis, the packet size is 512 bytes. Number of nodes used is 500, out of which 10 act as sources. For each packet rate the simulation is run five times and the result is averaged for analysis.
图1所示的网络是比较不同的网络负载值来计算网络数据包从源到目的的延迟，在这里我们比较了所提出的系统与现有协议w的延迟更少。图2清楚地显示了度量网络负载与吞吐量随跳数的关系。该协议具有较高的吞吐量。图3为基于现有协议的系统执行时间。我们的结果表明，度量延迟，吞吐量，执行时间。

五、结论与未来工作
在不同数据包速率和网络大小的DSDV路由协议上，进行了仿真并评估了新的链路质量度量的性能，观察到TBETX度量在吞吐量、平均端到端延迟、NRL和PDR方面优于ETX和MDR。它对数据包速率也很敏感。由于在DSDV中，每个节点都存储了网络拓扑的全部信息，并尽可能地记录从邻居处了解到的每一个目的地，这使得在路由发现过程中有更高的成功率，但其开销随着节点数量的增加而迅速增加，因此在大型或高密度网络中可能无法扩展。对于未来的工作，将考虑IBETX度量在其他路由协议(AODV和OLSR)上的扩展，并且还将考虑基于物理层参数(如信噪比(SNR))的增强TBETX。这可以进一步阐明物理层对最优路由决策的影响以及对多通道网络的支持。

数字一览
图1 图2 图3
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参考文献












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