多跳Ad Hoc網絡中協作路由算法研究

方 周 吳其林 嚴小燕

（巢湖學院，安徽 巢湖 238000）

多跳Ad Hoc網絡中協作路由算法研究

方 周 吳其林 嚴小燕

（巢湖學院，安徽 巢湖 238000）

協作分集是下一代無線通信的關鍵技術，也是近幾年的一個研究熱點。由于協作分集改變了傳統的通信方式，需要設計新的路由機制（協作路由）以適應協作通信的特點。文章面向多跳自組織網絡，依據路由設計時所考慮的源與目的節點數量的不同，從兩個方面對當前協作路由算法的研究成果進行了綜述，并分析當前研究中存在的問題，指出需要進一步研究的三個方面內容和挑戰。

協作路由；跨層設計；協作分集；多跳自組織網絡

1 引言

無線自組織（Ad Hoc）網絡具有廣闊的應用前景[1]。然而，Ad Hoc網絡目前并沒有得到大規模的應用，一個重要原因是由于Ad Hoc網絡中數據接收的不可靠性。這是因為無線信號在傳輸過程中出現的陰影、衰落和干擾等現象以及節點的移動都會導致數據信號不被正確接收。值得慶幸的是，協作通信的出現給這些難題的解決帶來了曙光，從而可以促使Ad Hoc網絡得到廣泛的應用。

隨著無線通信技術的發展，基于空間分集思想的多輸入多輸出（MIMO，Multiple-Input Multiple-Output）技術可以在衰落的信道環境中大幅度提高信道容量，現已在新一代移動通信中廣泛應用[2-5]。然而，Ad Hoc網絡中的無線終端由于體積和功耗較小，要安裝多個天線具有較大的困難。于是，人們便提出了一種新的空間分集技術，即協作通信[6-7]。在協作通信環境中，每個無線終端只需安裝一個天線，即可以和其他終端協作形成一個虛擬MIMO陣列。這樣，就不需要安裝多個天線，但卻可以獲得分集增益。協作通信已是下一代無線通信的關鍵技術[8]，也是目前無線通信領域研究的一個熱點。

在多跳的Ad Hoc網絡環境中，路由選擇對吞吐量、時延以及能耗等網絡性能有著重要的影響。 因此，如何設計一個滿足端到端服務質量（QoS，Quality of Service）要求的路由算法一直是眾多學者研究的一項重要內容。協作路由算法就是將協作分集在物理層所表現出來的優勢引入到網絡層中以提高網絡性能的一種跨層路由算法。在協作通信網絡中，每個節點既可作為數據源又可作為協作節點以幫助其它節點轉發數據包。為此，采用了協作路由的方式后，由于協作節點的存在，即使直接傳輸過程中造成了一些數據包的丟失，節點仍然可以根據協作節的傳輸找回這些丟失的數據包。這樣，即使在信道條件比較惡劣和節點移動的情況下仍然可以保證網絡中一定程度的可靠數據傳輸，從而保證了路由的可靠性和良好的端到端性能。然而，由于協作通信改變了傳統的物理層通信方式，這也給協作路由算法的設計帶來新的挑戰（例如，多種類型鏈路共存、信號干擾加劇以及跨層設計等問題），這些問題都是需要研究的重要內容。

2 相關研究工作

協作通信的傳輸方式可以分為兩個階段：源節點在第一階段以廣播方式發送數據，協作節點和目的節點接收數據；第二階段協作節點將接收到的數據轉發給目的節點。最后，目的節點對從源節點和協作節點接收到的數據進行合并。因為目的節點合并了多條獨立路徑的數據，從而獲得了空間分集增益。根據協作節點對接收到的數據進行的處理方式不同，轉發方式一般可以分為放大轉發 （AF，Amplify-and-Forward） 和解碼轉發（DF，Decode-and-Forward）兩種[9]。 針對協作通信在物理層上的研究已經取得了較多的成果，因而需要研究與之相一致的媒體接入控制（MAC）層、路由層等上層協議，以充分發揮協作通信在物理層所帶來的性能優勢。目前，協作路由算法的設計已受到了研究者的關注，依據路由設計時所考慮的源與目的節點數量的不同，可以分別設計單源單目的與多源多目的兩種環境下的協作路由算法。

2.1 單源單目的協作路由

DSDV（Destination-Sequenced Distance-Vector）[10]和 AODV （Ad-Hoc On-Demand Distance Vector）[11]是兩個經典的Ad Hoc網絡中的路由協議，有必要將它們引入到協作的網絡環境中。于是，文獻[12]提出了一種基于DSDV的協作路由算法，該算法運用分布式計算的方法在候選的協作中繼集合中選擇最佳的一個，并且利用跨層方法自適應調節MAC層重傳次數從而達到減少時延的目的。與此同時，文獻[13]也提出了一種基于AODV的跨層協作路由算法CLAODV。由于Ad Hoc網絡節點的能量是受有限的，節省能量便成為了路由算法設計時需要考慮的一個重要因素。于是，Khandani等最早在文獻[14-15]中提出了基于最小能量準則的兩種協作路由算法CAN-L（Cooperation Along the Minimum Energy Non-cooperative path）和 PC-L（Progressive Cooperation），研究了協作路由對能量節省的影響。然而，尋找滿足能量要求的最優路由屬于NP難題，于是文獻[16]又提出一個協作路由算法CSP（Cooperative Shortest Path）作為次優解決方案。之后，文獻[17-19]也提出了能量節省的協作路由算法，其中，文獻[17]分別考慮了Nakagami-m與Ricel兩種不同的衰落信道環境；文獻[18-19]則通過優化傳輸距離和協作中繼數量來達到最小化能量的目的。在協作的網絡環境中，某些節點可能經常被選為協作中繼，從而造成這些節點的能量被過度的使用，最終將縮短網絡的生命周期。為此，文獻[20]提出了公平的使用節點能量的協作路由算法，以達到延長網絡生命周期的目的。文獻[21]則考慮多速率的網絡環境，提出了SCRRM協作路由協議，以提供一條穩定的、高速率的路徑。

圖1 一個簡單的協作路徑

以上這些路由算法有一個共同的特點：算法首先需要發現一條確定的非協作的最短路徑，然后在這條最短路徑的基礎上通過選擇最佳中繼或者多個中繼來建立一條協作路徑。顯然，這些算法并沒有充分利用協作分集的優點，因為最優協作路由可能完全不同于最短路徑路由。如圖1所示（圖中S表示源節點，D表示目的節點，R表示中繼節點），依據最短路徑路由，則可能選擇S→R1→D這條最短路徑；如果運用協作分集技術，則可能選擇S→R2→D這條最優路徑，因為此時R3和R4可以協作S將數據傳輸到R2，從而使得S到R2的鏈路質量得以提高。為克服以上這些節能路由算法的缺陷，文獻[22]提出了一種分布式最小功率協作路由算法MPCR（Minimum Power Cooperative Routing）。該算法充分利用協作通信來建立最小功率路由，并且可以在直接傳輸和協作傳輸兩種模式之間進行選擇。由MPCR所啟發，文獻[23-24]也分別提出了節省能量的協作路由算法。以上提到的協作路由大多數考慮的協作多輸入單輸出（MISO，Multiple-Input Single-Output，即多個傳輸方一個接收方）鏈路，為此，文獻[24]提出了基于協作MIMO（即多個傳輸方多個接收方）鏈路的最小化路由算法，并給出了兩種啟發式算法GLC （Greedy Limited Cooperative）和 GPC（Greedy Progressive Cooperative）以簡化最優化算法的復雜度。除了以節省能量為路由設計的目標之外，文獻[26-28]也分別考慮以吞吐量、時延以及時延抖動作為路由設計的目標，并分別利用了源路由、位置信息以及跨層思想來設計協作路由算法。

以上這些單源單目的協作路由算法大多以節省能量或者以吞吐量和時延等性能作為設計目標，而沒有將這些目標聯合在一起加以考慮，即設計吞吐量、時延等受限的節能路由算法（有些需要優化的目標之間，例如最小化能量與最大化吞吐量，會存在相反作用的現象，因而聯合這些目標進行路由設計具有挑戰性）。與此同時，以上這些算法大多也沒有考慮節點的移動性，而節點的移動往往會導致信道狀態的改變以致影響中繼節點的選擇。為此，以上這些問題都需要進行細致和深入的研究。

2.2 多源多目的協作路由

當網絡中出現多流共存時，將會引起流與流之間數據傳輸的沖突，這會帶來網絡吞吐量的降低。如圖2所示，流S1→D1與流S2→D2將在協作節點B處發生沖突。文獻[29]指出節點B會成為一個瓶頸，與單流環境相比較，這將會使流吞吐量下降50%，并且最早給出了該問題的解決方案。Zhang等在文獻[29]中提出了MFCR-2（Multi-Flow Cooperative Routing-2）路由算法，該算法首先構造基于虛擬節點和虛擬鏈路的沖突圖，然后再選擇一條互不干擾的且能量最小的路由。文獻[30]也運用了虛擬節點和虛擬鏈路的思想，提出了沖突感知的路由判據CSCM（Contention Sensitive Cooperative Metric），并據此提出了協作路由算法以研究系統的吞吐量和時延性能。以上兩個路由算法雖然考慮了沖突對性能的影響，但并未聯合物理層的干擾模型來加以分析，也沒有考慮協作節點的數量選擇問題。為此，文獻[31]考慮了路由與中繼節點選擇的聯合優化問題，指出該優化問題可以轉換為混合整數線性規劃問題，并進一步給出了解決該線性規劃問題的BB-CP（Branch-and-Bound Framework Augmented with Cutting Planes）算法。然而該文獻只是給出了分析結果，并沒有給出路由算法的具體實現。文獻[32]進一步指出在基于協作MISO鏈路的多流環境下，分集增益所帶來的網絡性能的提高與協作節點的數量以及協作路由策略重要關系，并聯合鏈路速率與距離來優化網絡性能，進而提出了自適應鏈路速率、距離以及簇大小變化的路由協議Proteus，以優化網絡吞吐量。以上提到的路由算法（協議）沒有考慮節點的移動問題，于是文獻[33]考慮了移動Ad Hoc網絡環境，并對ExOR協議 [34]進行了擴展，提出了協作機會路由CORMAN（Cooperative Opportunistic Routing in Mobile Ad hoc Networks），然而該路由算法只考慮了網絡層的協作，忽略了物理層的協作分集。最近，文獻[35-37]考慮了多流網絡環境，在設計協議路由協議時考慮到了干擾和沖突的影響，但這些協議沒有聯合MAC層進行設計和分析。

圖2 多流干擾

據此，目前對多流環境下的協作路由算法的研究還顯得較少。在今后的研究中，還需要聯合協作節點選擇與物理層干擾模型來進行跨層設計，并且也需要對流路由進行調度，以最大化空間復用增益，以上這些問題也是本項目所要研究的內容之一。目前，已有研究者在這一方面做出了努力，在文獻[38]中，作者就提出一個聯合物理層、MAC和路由層的跨層協作協議MACR-CCT。

3 進一步的研究

結合前文對當前現狀的分析，盡管目前在這一領域已有不少的研究并且取得了不少的成果，以下三方面的研究內容仍然值得挑戰:

3.1 具有QoS約束的能量有效協作路由算法

一方面，隨著無線通信技術的發展，人們要求Ad Hoc網絡同時提供對數據業務和語音等實時業務的支持。因而設計一個滿足用戶對端到端吞吐量、時延、時延抖動以及數據包丟失率等QoS性能要求便成為協作路由算法設計的一個重要目標。另一方面，協作分集可以將一段長距離傳輸轉變成兩段短距離傳輸，這樣在獲得分集增益的同時也節省了能量，因而協作分集技術在能量受限的Ad Hoc網絡中具有天然的優勢，而能量最小化也自然成為協作路由算法設計的另一個重要目標。

目前研究中，大多數都是將這兩個目標分別加以優化（以節能路由協議居多），而沒有進行聯合優化。通過分析，該研究內容需要解決以下兩個關鍵問題：一是節能與吞吐量等QoS性能之間的折中問題。單純考慮節能的路由算法往往會降低端到端吞吐量等QoS性能。因為以較低功率傳輸雖然可以節省能量，但降低了數據的成功接收概率，從而降低了端到端吞吐量。而以較高功率傳輸數據可以提高接收的成功率，進而提高端到端吞吐量，但隨著發送功率的增大，會產生較高的干擾，反而降低了吞吐量。為此，在設計協作路由算法時，需要考慮功率和吞吐量之間的權衡。二是延長網絡生命周期問題。能量有效性可以從降低數據流所消耗總能量和延長網絡生命周期兩個方面實現，而目前的研究大多數從第一方面來加以考慮。在協作通信中，某些節點可能經常被選為協作中繼，從而造成這些節點的能量被過度的使用而消亡，最終導致通信的中斷。為此，需要考慮在中繼節點之間均衡地使用能量，以延長網絡生命周期。

3.2 多徑協作路由算法

Ad Hoc網絡中的協作多徑路由具有以下兩個重要意義：一是能提供路徑冗余，增加路由的穩定性。Ad Hoc網絡中的終端節點具有移動性，這將導致鏈路狀態不斷地發生變化，從而影響系統的吞吐量與時延等QoS性能。幸運的是，多徑路由正好可以降低節點移動對系統性能所產生的影響。如圖3所示，從源節點S到目的節點D有三條路徑S→A→D、S→B→D以及S→C→D，即使當節點D向上移動時也仍然有路徑S→A→D來向目的節點傳輸數據。更有甚者，在協作通信中，協作多徑路由還可以利用協作分集技術，這樣就實現了物理層的協作與網絡層的協作在網絡的聚集，從而更有效地減少節點移動對鏈路質量的影響。二是能提供帶寬聚合，以滿足用戶對吞吐量與時延等性能要求。如圖3所示，假設每條路徑的帶寬均為等于1Mbps，而用戶則要求網絡能提供端到端的帶寬為2Mbps，如果在單徑路由的情況下，則沒有一條路徑能滿足用戶的要求。然而在多徑路由的情況下，三條路徑所帶來的帶寬聚合將能滿足用戶的要求。

圖3 多徑路由

圖4 多流協作路由

目前，在協作多徑路由方面的研究還顯得較少，對該內容的研究需要解決以下關鍵問題：一是多徑干擾問題。在多徑路由中會存在傳輸路徑的相互干擾問題，將會削弱多徑路由所帶來的性能增益。為此，多徑路由算法需要優化選擇相互獨立性較高的路徑，以減少干擾的影響。另外，在多徑路由中，干擾會隨著路徑個數的增加而增加，因而需要在路徑個數與系統性能之間進行折中考慮。

二是時延抖動問題。不同的路徑會有不同的傳輸時延，因此會在目的節點處產生時延抖動。為此，多徑路由算法需要優化選擇路徑以滿足用戶對時延抖動的要求。

3.3 多流協作路由算法

在現有的大多數研究中，通常認為網絡中只有一條數據流，但實際上，無線網絡中往往同時存在并發的多條數據流，這樣就會對鄰居鏈路造成干擾，進而影響網絡的吞吐量與時延等QoS性能。對該內容的研究需要解決以下關鍵問題：一是干擾避免問題。干擾模型與中繼節點的選擇將決定信號的干擾范圍，為了避免干擾，這將影響路由算法對下一跳節點的選擇。如圖4所示，兩條數據流S1→D1與流S2→D2同時存在。如果S1選擇A作為下一跳節點，此時S2如果選擇C2作為協作中繼，將在A出發生沖突（因為C2在A的干擾距離范圍內）；如果S2選擇C3作為協作中繼則不會發生干擾。由此可見，S1與S2對下一跳以及協作中繼的選擇將會帶來不同的干擾現象。因此，對于該問題，需要聯合物理層與MAC以進行跨層設計。二是路由調度問題。在協作通信中，協作中繼將會帶來更多的暴露終端與隱藏終端，從而引起新的干擾問題，這會降低無線通信的空間復用增益 （即減少了并發傳輸的流數量）。為此，需要在協作分集增益與空間復用增益之間進行折中考慮，即需要對流路由進行調度，在保證協作分集增益的同時，盡可能最大化空間復用增益。

4 結論

本文從單源單目的與多源多目的兩個方面，對當前的協作路由算法研究進行了較為詳盡的綜述。進一步地，對這些已有的研究成果進行了分析，指出其存在問題和挑戰，并列出了具有QoS約束的能量有效協作路由算法、多徑協作路由算法以及多流協作路由算法三個未來的研究內容，針對這些研究，我們進行了探討并指出存在挑戰。

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A STUDY ON COOPERATIVE ROUTING ALGORITHM IN MULTI-HOP AD HOC NETWORKS

FANG Zhou WU Qi-lin YAN Xiao-yan
（Chaohu Collge， Chaohu Anhui 238000）

Cooperative diversity has emerged as the key technology of next generation wireless communication and become research focus in recent years.Since cooperative diversity has changed the traditional communication way,it is necessary to design a new routing mechanism for accommodating the characteristic of cooperative communication.For multi-hop ad hoc networks,this paper presents the current research results of cooperative routing algorithm from two aspects because the number of the source and destination nodes is different when routing designed,analyzes the existing problem in current researches and points out the further three research contents and challenge.

Cooperative routing； Cross-layer design； Cooperative diversity； Multi-hop ad hoc networks

TP393

A

：1672-2868（2017）03-0027-08

責任編輯：陳 侃

投稿日期：2017-01-07

安徽省自然科學基金（項目編號：1308085MF101）；安徽省高等學校省級自然科學研究重點項目（項目編號：KJ2014A172）

方周（1988-），男，安徽池州人。巢湖學院信息工程學院，助教。研究方向：無線網絡資源管理與調度。