关键字 |
| MANET, DSR，寿命，增强，初始能量，节点。 |
介绍 |
| 近年来无线通信和移动设备的激增为研究不需要预先建立基础设施的自组织网络打开了大门。自组织无线网络是多跳无线网络中相对较新的模式，越来越受欢迎，并将成为由基础设施和基础设施较少的移动网络组成的计算环境的重要组成部分。图1显示了功率感知路由协议的不同分类。自组织网络的发展得益于其自组织、自配置的特性。MANET中的所有节点基本上都是移动路由器，参与决定和维护路由所需的某种路由协议。路由由于具有高度的动态和分布式特性，是manet中的关键问题之一。自组织路由算法大致可分为主动路由算法和按需路由算法。随需应变路由算法在请求路由时开始查找合适的路由。主动路由算法周期性地交换路由信息，并在路由请求之前生成路由表。这些协议基于最小跳数的度量来选择路由。 A mobile node which lies outside the transmission of its specific destination would need to relay its information flow through other mobile nodes. This implies that mobile nodes in Ad Hoc networks bear routing functionality so that they can act both as routers and hosts. In Mobile Ad Hoc networks the nodes are dynamically change their position. An Ad Hoc network can be used in an area where infrastructures for mobile communication are not available probably due to high deployment costs or disaster destruction.Due to the lack of infrastructure and the limited transmission range of a node in a mobile ad hoc network, a node has to rely on neighbour nodes to route a packet to the destination node. In specific, all network functions are based on the node cooperation. Currently, routing protocols for mobile ad hoc network, such as the Dynamic Source Routing (DSR) and the Ad hoc On Demand Distance Vector Routing Protocol (AODV) are based on the assumption that all nodes will cooperate. And without node cooperation, in a wireless ad hoc network, no route can be established; no packet can be forwarded, let alone any network applications.The main goal is to balance the energy usage among the nodes and to maximize the network lifetime by avoiding over-utilized nodes when selecting a routing path. |
| 图2显示了一个具有四个节点的ad hoc网络。在节能路由协议中，DSR被认为是非常有用的，特别是在开发新的节能路由协议方面。然而，由于DSR算法不断地充斥着RREQ (route request)、RREP (route reply)和RERR (route error)报文，导致了较高的路由开销，导致节点的大量能量消耗。虽然以前的研究已经着眼于最小化路由开销作为在DSR中节省节点能量的一种手段，但很少有人关注控制RREQ包泛滥的频率。本文提出了一种DSR的扩展，该扩展着眼于RREQ包的可控和周期性泛洪，而不是基于节点能量的原始DSR算法。对该算法在传统DSR中的实现进行了两方面的改进。首先，改变DSR的路由算法，使给定的两个节点之间必须建立多跳路径。从统计学上来说，你可以在所有可能的能量中选择在给定时刻经过节点的能量水平更高的。其次，修改算法，使在多跳路径内转发数据的节点能量达到小于或等于初始能量的某个阈值百分比。节点会要求邻居为这些数据寻找另一条路径，以避免在短时间内消耗剩余能量。 |
相关工作 |
| A.节能MANET路由协议 |
| 不同的路由协议被用来在一对节点之间建立正确有效的路由。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，从而使源目的对能够使用它进行成功的通信。为了达到延长网络生命周期的目标，我们不仅要在主动通信时最小化节点能量，而且要在节点处于非活动状态时最小化节点能量。减少主动通信能量的两种方法是: |
| ï ·传输功率控制方法:路由算法本质上涉及在给定网络图上找到最优路由，其中顶点表示移动节点，边表示在彼此无线电传输范围内的两个端点节点之间的无线链路。当一个节点的无线电发射功率可控时，其直接通信范围及其近邻的数量也可调。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。 |
| ïÂ‑·负载分配方法:负载分配方法的具体目标是通过选择未充分利用节点的路由来平衡所有移动节点的能量使用，而不是选择最短的路由。这可能会导致更长的路由，但数据包只通过能量丰富的中间节点路由。基于这种方法的协议不一定提供最低能量路由，但可以防止某些节点过载，从而确保更长的网络生命周期。 |
| ï ·Sleep/Power-Down模式方法:Sleep/Power-Down模式方法侧重于不活跃的通信时间。由于大多数无线电硬件支持许多低功率状态，因此最好将无线电子系统置于睡眠状态或简单地将其关闭以节省能源。 |
| B.功耗方式 |
| 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。功耗的来源是通信和计算，通信通常是主要的功耗。虽然在降低发送方的无线发射机的功耗方面具有重要意义，但它在其他节点(接收器、转发器和未参与此通信的节点)之间几乎没有节省功率。节点总能量的消耗方式如下: |
| ïÂ‑·传输模式:当一个节点向网络中的其他节点发送数据包时，称为处于传输模式。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)。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: |
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| 其中Tx是传输能量，PT是传输功率，Tt是传输数据包所花费的时间，Plength是数据包的长度(以比特为单位)。 |
| ï ·接收模式: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(Rx)，此时接收能量可表示为: |
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| 其中Rx是接收能量，PR是接收功率，Tr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)。 |
| ï ·空闲模式:在该模式下，节点一般不发送也不接收任何数据包。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。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: |
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| 其中PI为空闲模式下的功耗，PR为接收模式下的功耗。 |
| ïÂ‑·偷听模式:当一个节点接收到不是它的数据包时，就称它处于偷听模式，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: |
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动态源路由协议 |
| 动态源路由协议是一种简单高效的路由协议，专为多跳移动自组织网络而设计。DSR是一种流行的平面随需应变的响应式自组织路由协议，其优点是能够快速适应路由变化和频繁的主机移动。数据包的发送方知道数据包必须通过的节点的完整序列。DSR的主要特征之一是它是一种源路由协议，而不是逐跳转发数据包，数据包包含严格的源路由，指定到达目的地路径上的每个节点。RREQ (Route request)和RREP (Route reply)报文可以对源路由进行累积，一旦发现一条路由，源端就可以学习到整个源路由，并将其放入后续的数据包中。图3显示了DSR协议的过程。 |
| A.Route发现:当一个节点希望发送或联系不在其传输范围内的目的节点时，就会启动路由发现机制，因此它必须通过启动路由发现机制来获取到该节点的雷竞技网页版路由。路由发现机制如图所示。通常情况下，发送方必须首先在路由缓存中搜索此路由，如果没有路由，则按照如下步骤进行: |
| 它创建一个包含其地址和目的节点地址的路由请求包，然后使用泛洪法将此包广播给所有邻居。每个邻居在收到这个请求时，都会咨询它的缓存，以找到到达这个目的地的最终路由并返回给发送方，否则，它会在将自己的地址添加到路由请求的头部后，将同一路由请求重新广播给所有邻居，并从这个请求信息中学习将添加到它的缓存中。如果节点已经处理了这个路由请求，它将通过验证其序列号来忽略新收到的请求，因为每个路由请求都由唯一的序列号标识。每个相邻节点都执行相同的过程，直到路由请求到达目的地，目的地将其地址添加在报头的末尾并发送路由应答。 |
| B.路由应答:图3显示了Route应答机制。该过程由节点在接收到目的地为他的路由请求后执行，因此该节点执行以下操作: |
| C.路由维护:在转发数据包时，每个中间节点负责确认数据包是否被下一个节点正确接收。每当这个数字的尝试了这个节点认为这个链接是破碎比它从缓存删除每个路线包含这个链接比它生成一个错误数据包路由到通知源节点和中间节点对这个链接失败同样每个中间节点删除所有路线包含这条路线,直到错误数据包到达目的地的路线,选择启动一个新的路由请求或找到一个新的路由的路由缓存。 |
| D.路由缓存: DSR中的路由缓存用于维护频繁使用的路由，以避免新的路由发现机制消耗大量的网络资源，每一条新发现的路由都保存在相应节点的路由缓存中以备将来使用，节点也可以从路由请求中学习添加新的路由到自己的缓存中，也可以从路由错误包中学习更新自己的缓存。 |
提出的方法 |
| 提出了两种方法对传统DSR算法进行改进，以提高MANET的寿命。图4显示了节点选择路径的离散概率的均匀分布。下面将讨论这些问题及其影响。 |
| a .在DSR算法中，当一个节点收到一个不是它的最终接收者的路由请求时，在转发之前，它会广播给邻近的节点。它等待从0到常量“broadcastJitter”之间的概率均匀分布中选择的时间间隔伪随机。PADSR背后的思想是，这种延迟，而不是随机的，应该与该时刻节点的能量剩余水平成反比。通过这种方式，第一个到达节点D(假设目的地)的RREQ将是一个从整体能量角度(中间节点的能量级别之和)和与从S(源)到D(目的地)的所有其他可能路径的最大比较)通过最佳路径引导的RREQ。因此，S发送RREQ和D接收RREQ之间的总延迟最小。尽管有这些变化，但它的目的是保持不直接通信的节点之间的连通性。PADSR不能保证S在一个元素中始终选择从能量角度来看最好的绝对路径，因为它仍然是概率算法。概率算法用发送路由应答给D所引起的延迟来表示，该延迟是均匀分布在0 ~ 0.01之间的伪随机。因此，如果在能量方面有两条相似的路径，尽管在发送从能量角度更好的对应RREP之前，一个RREQ到达D，但比另一个包含稍微不太有利的路径的RREP延迟更多。此外，路径的长度影响延迟转发，与能量更大但更长的路径相比，能量更短但更少的路径会受到惩罚。 |
| B.在传统的DSR算法中，一旦选择了某个路径将数据包流发送到某个目的地，它往往会被使用，直到一个或多个组成的节点不再可用(消耗所有的能量，移动到邻近节点的范围之外等等)。不同网卡的消耗差异不同，但是otcl类“EnergyModel”允许您在节点创建阶段指定这些值。由于节点在传输和接收过程中会消耗更多的能量。这种现象可能并不可取。这是因为这些节点中的一些可能有数据要传输，但由于缺乏能量将无法这样做。在节点的能量消耗上保持平衡是可取的。随之而来的连接丢失，迟早会导致网络分裂成两个或多个不通信的分区。为了解决这一问题，引入了DSR的第二个增强，其中节点根据初始能量的某个阈值百分比接受数据包。这个过程可以看作是每个节点达到低能量水平时的一种“生存本能”。 |
模拟 |
| 为了验证使用Power Aware DSR和Power Survival DSR所获得的优势，进行了仿真的参考拓扑。它由一个由11个节点组成的自组织网络组成。他们在一个固定的位置。最左边的节点(客户端节点0)和最右边的节点(服务器节点10)之间有FTP流量不直接通信。节点0(客户端)试图在0.1秒时与节点10联系，建立TCP连接以雷竞技网页版传递FTP流量。使用生成的跟踪文件和NAM文件，通过xgraph和NAM可视化分析结果。从不同节点的初始能量开始，将每个模拟重复多次。在每组模拟结束时，一些过程Tcl分析生成的跟踪文件。我们在假设不同的节点初始能量的情况下，比较了我们的增强方法与原始方法的性能。从不同节点的初始能量开始，每个模拟重复300次，每个定义的路由算法重复100次。 By calculating the mean values as well as the confidence intervals at 90% of some events, indicative of the capacity of the network to survive over time such as: |
| ïÂ‑·两个节点之间最后一个链接的结束时间。 |
| ï ·第一个节点的能量消耗时间。 |
| ï ·最后一个节点的能量消耗时间。 |
| ï ·从节点10接收到并通过ACK确认到节点0的最后一个序列号。该指标用于评估节点0和节点10之间在传输层实际交换的数据量，不包括流量控制和重传。 |
| ïÂ‑·网络传输级别的生命时间，定义为节点10向节点0发送最后一个ACK的时间与节点0向节点10发送第一个TCP段的时间之差。 |
| 对于每个输出参数，以及使用DSR (Power Aware DSR和DSR Survival)的三种情况，分别比较了各自的平均值。相对于评估任何改善或恶化的目的，估计增加/减少。在我们的模拟中，生存DSR过程的激活阈值已配置为20%。表1、表2、表3分别列举了不同节点初始能量下的仿真结果。这些结果被考虑在DSR协议中确定所提议的修改的有效性。如果我们查看3J节点的初始能量表3，节点最后一次能量消耗是很奇怪的。使用DSRSurvival所引起的改善远远小于PADSR所引起的改善。这是因为，在低能量的情况下，DSRSurvival干预到非常低的能量水平(在我们的模拟中，20%的3J是0.6J)在网络中引起了太多的不稳定性。从而产生流量控制，以响应拓扑结构的明显变化，消耗很少的能量剩下的节点。当我们将节点的初始能量设置为不对称时，发现传统的DSR似乎表现得更好。 The only parameter whose value increased was average Time, energy depletion of the first node. |
结论 |
| 提出了一种新的能量感知多路径路由协议(PADSR和Survival DSR)。它与不同的能源指标相结合。提出的协议主要用于提高MANET的生命周期，而不管交换的数据量是多少。在不同节点初始能量的条件下进行了试验。在较低的初始能量下，与较高能量的相关节点相比，它的表现要好得多。与生存型DSR相比，PADSR的不稳定性更小，性能更好。但是，如果节点的初始能量不对称，协议的性能会降低。我们发现的唯一参数是第一个节点的能量消耗有所改善。我们已经证明了在真正的嵌入式平台上构建这样一个协议是可行的，同时我们的设计和实现还有许多改进之处。该协议在节点能量较高时似乎表现不佳。 There is a limitation of the protocol that under different conditions of initial energy, even PADSR seems to behave worse than traditional DSR. In order to maximise thelifetime of a node, the selection of optimal path is based entirely on the initial energy of the node. This point is considered valid in the proposed protocol to increase the overall lifetime of MANET. |
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参考文献 |
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