基于能量有效的Ad hoc路由協議的研究

張延+李晶+何健

摘 要 Ad hoc網絡是一種無基礎設施，由無線移動終端組成的臨時多跳自治網絡。本文從能量有效的目標出發，對3類不同策略的路由協議進行比較，評價各個協議之間的性能優劣。

關鍵詞 Ad hoc；路由協議；能量有效

中圖分類號：TP393 文獻標識碼：A 文章編號：1671-7597（2014）07-0075-01

Ad hoc網絡是由一組自主的無線節點或終端組成的，獨立于固定的基礎設施、采用分布式管理的多跳網絡。Ad hoc網絡的靈活性使之適應于臨時性、流動性大的場合。通常由于無線設備的無線電傳輸范圍有限，當無線節點和目的端不能直接通信時，中間節點同時充當終端系統和路由器兩種角色。

根據獲得路由信息的時機，目前學者們提出的多種Ad hoc路由協議歸納起來可以分為兩大類[1]：表驅動路由協議與按需路由協議。表驅動路由協議采用傳統的路由策略，如：DSDV、OLSR與TBRPF等。即使當前網絡中的部分路徑未被使用，先驗式路由協議中每個節點也會維護到網絡中其他所有節點的路由表。當拓撲頻繁發生變化時，很大程度上增大開銷。由于這個缺點，按需路由協議（DSR，TORA，AODV等）問世了，他們只需要建立和維護當前需要用來發送數據包的路由。通常在Ad hoc網絡中，節點設備都是由電池供能的，一旦設備電量耗盡，即認為此節點不再有效，不僅此節點被排出網絡，而且會影響到其他有效節點正常工作[2]。基于此，研究能量有效的Ad hoc路由協議非常必要。

1 能量有效的路由協議分類

與傳統Ad hoc路由協議不同，基于能量有效的路由協議的目標為最大化網絡生命周期。網絡生命周期即網絡中的一個節點首次耗盡電量的時間[3]。

近年來涌現出很多基于能量考慮的路由協議[4]，總體來說，這些路由協議策略標準的主要基于以下幾點：①網絡中傳輸信息所消耗的總能量；②每個節點的初始電池電量；③每個節點的剩余電量；④節點的生存時間。但是不論選擇哪一種、或者綜合兩種策略，都很難同時兼顧節點壽命和網絡路由總能耗兩個目標。

1）最小總傳輸能量（MTPR）。MTPR是一種分布式算法，在任意時刻，Ad hoc網絡的拓撲結構可以看作一個帶權有向圖，任一條弧上的權重即為節點間的傳輸能量。那么路由的總傳輸能量為，其中、分別為源與目的節點。則

總傳輸能量最小的路由，其中A為所有可選路由集合。由于節點之間的距離與傳輸能量成正比，本策略自然會傾向于選擇距離更短的路由。然而，僅僅考慮最短路徑，很有可能使中間節點過早消耗，使之成為網絡瓶頸，甚至嚴重影響網絡性能。

2）剩余能量（MBCR & MMBCR）。如前所述，雖然總傳輸能量可以作為一個非常重要的度量標準，但是它有非常明顯的缺陷，關鍵節點的早衰會嚴重影響路由。MMBCR即是一種考慮節點的剩余能量的度量策略。某時刻t的電量開銷為函數，其中為t時刻電池電

量。路由j的電量開銷為。則最大剩余電量路由為

。相較MTPR而言MBCR有效防止某些節點被過度使用，增加網絡生命周期。

由于MBCR考慮的是某路由Rj中所有節點的剩余電量之和，所以MBCR仍然會選擇某些具有極少電量的節點來路由，造成這些節點提前衰竭。MMBCR在MBCR的基礎上做出如下改進：路由j的電量開銷定義為。則MMBCR中

。MMBCR可以有效規避剩余電量最小的節點，延長單個節點壽命。但是很多情況下為了保證節點使用的均衡性，卻選擇了較長的路徑，增加了能量消耗。

3）剩余能量受限（CMMBCR）。CMMBCR既考慮MTPR的總傳輸能量，又考慮MMBCR中的節點剩余電量。在路由發現的過程中，首先尋找幾條所有節點都有足夠的剩余電量（大于閾值γ）作為路由集合A，然后在此集合中挑選出一條總傳輸能量最小的路由。其中γ是電量閾值（0―100），可看作保護此節點電量消耗的臨界值。如果γ=0，與MTPR相同；如果γ=100，CMMBCR與MMBCR相同。γ的選取可以很有效的保護最小能量節點。

2 性能比較與分析

基于能量有效的路由協議的宗旨在于最大化網絡生命周期。利用NS建立50個節點的網絡，它們隨機分布在500 m*500 m的區域內，節點移動速度10 m/s。網絡性能仿真結果如下表所示。

MTPR沒有考慮單個節點的生存時間，網絡能量消耗最小。但是中繼節點剩余能量會小于其他普通節點，致使網絡嚴重失衡，因此生命周期最短。MBCR忽略了單個節點的壽命換來較小的總傳輸能量，網絡生命周期小于MMBCR。CMMBCR主要性能影響因子為閾值γ。當γ=0，CMMBCR的性能與MTPR相同。隨著閾值γ的增大，CMMBCR為了保護剩余電量較少的節點，會選擇較長路徑路由，犧牲了網絡總體性能。所以，各個基于能量優化的路由協議在考慮單個節點壽命、整個網絡生命周期兩個目標時很難達到均衡，路由協議的選擇應該視具體情況而定。

3 結論

本文介紹了3類基于能量有效的Ad hoc無線網絡路由協議的性能特點。為了延長網絡生命周期，MTPR一類是從全局出發，減少總體能耗，增加整個網絡的生命周期，卻犧牲了個別節點；MBCR與MMBCR類盡量避免路由剩余電量較少的關鍵節點，均衡整個網絡，卻降低了網絡性能。CMMBCR結合了前兩類策略，但是從性能上來說也未達到最優，今后可以在此做出更多的研究工作。

參考文獻

[1]Jae-Hwan Chang & Leandros Tassiulas.（2000）. Energy Conserving Routing in Wireless Ad-hoc Networks. IEEE INFOCOM00， March.

[2]Singh， S.， Woo， M.， and Raghavendra，C.S.， “Power-Aware Routing in Mobile in Mobile Ad Hoc Networks”，Proceedings of MobiCom98， Dallas， Texas， Oct. 1998.

[3]Qun Li， Javed Aslam， and Daniela Rus， Online power-aware routing in wireless ad-hoc networks. MOBICOM， pages 97-107，Rome， July 2001.

[4]Konstantinos Oikonomou & Ioannis Stavrakakis.（2006）.Energy Considerations for Topology -unaware TDMA MAC Protocols. Ad Hoc Networks，（4）：359-379.endprint