多跳Ad Hoc网络中协作路由算法研究

2017年第19卷第3期 总第144期巢湖学院学报Journal of Chaohu CollegeN〇.3.,V〇1.19.2017General Serial No.144多跳Ad Hoc网络中协作路由算法研究方周吴其林严小燕(巢湖学院，安徽巢湖238000)摘要:协作分集是下一代无线通信的关键技术，也是近几年的一个研究热点。

由于协作分 集改变了传统的通信方式，需要设计新的路由机制（协作路由）以适应协作通信的特点。

文章 面向多跳自组织网络，依据路由设计时所考虑的源与目的节点数量的不同，从两个方面对当 前协作路由算法的研究成果进行了综述，并分析当前研究中存在的问题，指出需要进一步研 究的三个方面内容和挑战。

关键词：协作路由；跨层设计;协作分集；多跳自组织网络中图分类号:TP393 文献标识码:A文章编号=1672-2868(2017)03-0027-081引言无线自组织(A d H o c)网络具有广阔的应用 前景[1]遥然而，A d H o c网络目前并没有得到大规 模的应用，一个重要原因是由于A d H o c网络中 数据接收的不可靠性。

这是因为无线信号在传输 过程中出现的阴影、衰落和干扰等现象以及节点 的移动都会导致数据信号不被正确接收。

值得庆 幸的是，协作通信的出现给这些难题的解决带来 了曙光，从而可以促使A d H o c网络得到广泛的 应用。

随着无线通信技术的发展，基于空间分集思 想的多输入多输出（M IM O,M ultiple-I叩u tM u l-tiple-O utput)技术可以在衰落的信道环境中大幅 度提高信道容量，现已在新一代移动通信中广泛 应用[2-5]。

然而，A d H o c网络中的无线终端由于体 积和功耗较小，要安装多个天线具有较大的困难。

于是，人们便提出了一种新的空间分集技术，即协作通信[6-7]。

在协作通信环境中，每个无线终 端只需安装一个天线，即可以和其他终端协作形 成一个虚拟M IM O阵列。

这样，就不需要安装多 个天线，但却可以获得分集增益。

协作通信已是 下一代无线通信的关键技术[8]，也是目前无线通 信领域研究的一个热点。

在多跳的A d H o c网络环境中，路由选择对 吞吐量、时延以及能耗等网络性能有着重要的影 响。

因此，如何设计一个满足端到端服务质量 (QoS，Q ualityofService)要求的路由算法一直是 众多学者研究的一项重要内容。

协作路由算法就 是将协作分集在物理层所表现出来的优势引入 到网络层中以提高网络性能的一种跨层路由算 法。

在协作通信网络中，每个节点既可作为数据 源又可作为协作节点以帮助其它节点转发数据投稿日期：2017-01-07基金项目：安徽省自然科学基金（项目编号:1308085MF101);安徽省高等学校省级自然科学研究重点项目（项目编号: KJ2014A172)作者简介:方周(1988-)，男，安徽池州人。

巢湖学院信息工程学院，助教。

研究方向:无线网络资源管理与调度。

包。

为此，采用了协作路由的方式后，由于协作节 点的存在，即使直接传输过程中造成了一些数据 包的丢失，节点仍然可以根据协作节的传输找回 这些丢失的数据包。

这样，即使在信道条件比较 恶劣和节点移动的情况下仍然可以保证网络中 一定程度的可靠数据传输，从而保证了路由的可 靠性和良好的端到端性能。

然而，由于协作通信 改变了传统的物理层通信方式，这也给协作路由 算法的设计带来新的挑战渊例如，多种类型链路 共存、信号干扰加剧以及跨层设计等问题），这些 问题都是需要研究的重要内容。

2相关研究工作协作通信的传输方式可以分为两个阶段:源 节点在第一阶段以广播方式发送数据，协作节点 和目的节点接收数据;第二阶段协作节点将接收 到的数据转发给目的节点。

最后，目的节点对从 源节点和协作节点接收到的数据进行合并。

因为 目的节点合并了多条独立路径的数据，从而获得 了空间分集增益。

根据协作节点对接收到的数据 进行的处理方式不同，转发方式一般可以分为放 大转发（A F ，Am plify -and-Forward )和解码转发 (DF ，Decode -and-Forward )两种[9]。

针对协作通信 在物理层上的研究已经取得了较多的成果，因而 需要研究与之相一致的媒体接入控制(MAC )层、 路由层等上层协议，以充分发挥协作通信在物理 层所带来的性能优势。

目前，协作路由算法的设 计已受到了研究者的关注，依据路由设计时所考 虑的源与目的节点数量的不同，可以分别设计单 源单目的与多源多目的两种环境下的协作路由 算法。

2.1单源单目的协作路由DSDV (Destination -Sequenced Distance -Vec - tor )[101 和 AODV (A d -HocOn-DemandDistance Vector )[11]是两个经典的A d H o c 网络中的路由协议，有必要将它们引入到协作的网络环境中。

于 是，文献[12]提出了一种基于D S D V 的协作路由 算法，该算法运用分布式计算的方法在候选的协 作中继集合中选择最佳的一个，并且利用跨层方 法自适应调节M A C 层重传次数从而达到减少时 延的目的。

与此同时，文献[13]也提出了一种基于A O D V 的跨层协作路由算法CLAODV 。

由于Ad H o c 网络节点的能量是受有限的，节省能量便成为了路由算法设计时需要考虑的一个重要因素。

于是，Khandani 等最早在文献[14-15]中提出了基 于最小能量准则的两种协作路由算法C A N -L (Cooperation Along the Minimum Energy Non-co -operativepath )和 P C -L (ProgressiveCooperation )，研究了协作路由对能量节省的影响。

然而，寻找满 足能量要求的最优路由属于N P 难题，于是文献 [16]又提出一个协作路由算法CSP (CooperativeShortestPath )作为次优解决方案。

之后，文献[17-191也提出了能量节省的协作路由算法，其中，文献[17] 分别考虑了 Nakagami-m 与R ice l 两种不同的衰 落信道环境;文献[18-19]则通过优化传输距离和 协作中继数量来达到最小化能量的目的。

在协作 的网络环境中，某些节点可能经常被选为协作中 继，从而造成这些节点的能量被过度的使用，最 终将缩短网络的生命周期。

为此，文献[20]提出了 公平的使用节点能量的协作路由算法，以达到延 长网络生命周期的目的。

文献[21]则考虑多速率 的网络环境，提出了 SCRRM 协作路由协议，以提 供一条稳定的、高速率的路径。

图1一个简单的协作路径以上这些路由算法有一个共同的特点:算法 首先需要发现一条确定的非协作的最短路径，然 后在这条最短路径的基础上通过选择最佳中继 或者多个中继来建立一条协作路径。

显然，这些 算法并没有充分利用协作分集的优点，因为最优 协作路由可能完全不同于最短路径路由。

如图1所示（图中S表示源节点，D表示目的节点，R表 示中继节点冤，依据最短路径路由，则可能选择 S寅Ri寅D这条最短路径；如果运用协作分集技 术，则可能选择S寅R2—D这条最优路径，因为此 时R3和R4可以协作S将数据传输到R2,从而使 得S到R2的链路质量得以提高。

为克服以上这 些节能路由算法的缺陷，文献[22]提出了一种分 布式最小功率协作路由算法MPCR(Minimum PowerCooperativeRouting)。

该算法充分利用协作 通信来建立最小功率路由，并且可以在直接传输 和协作传输两种模式之间进行选择。

由MPCR所 启发，文献[23-24]也分别提出了节省能量的协作 路由算法。

以上提到的协作路由大多数考虑的协 作多输入单输出（MISO，M ultiple-InputSingle-Output，即多个传输方一个接收方)链路，为此，文 献[24]提出了基于协作M IM O(即多个传输方多 个接收方)链路的最小化路由算法，并给出了两 种启发式算法 GLC(GreedyLimitedCooperative)和 GPC(GreedyProgressiveCooperative)以简化最 优化算法的复杂度。

除了以节省能量为路由设计 的目标之外，文献[26-28]也分别考虑以吞吐量、时延以及时延抖动作为路由设计的目标，并分别 利用了源路由、位置信息以及跨层思想来设计协 作路由算法。

以上这些单源单目的协作路由算法大多以节省能量或者以吞吐量和时延等性能作为设计 目标，而没有将这些目标联合在一起加以考虑，即设计吞吐量、时延等受限的节能路由算法(有 些需要优化的目标之间，例如最小化能量与最大 化吞吐量，会存在相反作用的现象，因而联合这 些目标进行路由设计具有挑战性)。

与此同时，以上这些算法大多也没有考虑节点的移动性，而节 点的移动往往会导致信道状态的改变以致影响 中继节点的选择。

为此，以上这些问题都需要进 行细致和深入的研究。

2.2多源多目的协作路由当网络中出现多流共存时，将会引起流与流 之间数据传输的冲突，这会带来网络吞吐量的降 低。

如图2所示，流S1—D1与流S2—D2将在协作 节点B处发生冲突。

文献[29]指出节点B会成为 一个瓶颈，与单流环境相比较，这将会使流吞吐 量下降50%，并且最早给出了该问题的解决方 案。

Zhang等在文献[29]中提出了 MFCR-2(M ulti-nowCooperativeRouting-2)路由算法，该算法首 先构造基于虚拟节点和虚拟链路的冲突图，然后 再选择一条互不干扰的且能量最小的路由。

文献 [30]也运用了虚拟节点和虚拟链路的思想，提出 了冲突感知的路由判据CSCM(ContentionSensi-tiveCooperativeM etric)，并据此提出了协作路由 算法以研究系统的吞吐量和时延性能。

以上两个 路由算法虽然考虑了冲突对性能的影响，但并未 联合物理层的干扰模型来加以分析，也没有考虑 协作节点的数量选择问题。

为此，文献[31]考虑了 路由与中继节点选择的联合优化问题，指出该优 化问题可以转换为混合整数线性规划问题，并进 一步给出了解决该线性规划问题的BB-CP图2多流干扰(Branch-and-Bound Framework Augmented with CuttingPlanes)算法。

然而该文献只是给出了分析 结果，并没有给出路由算法的具体实现。

文献[32]进一步指出在基于协作M ISO链路的多流环境 下，分集增益所带来的网络性能的提高与协作节 点的数量以及协作路由策略重要关系，并联合链 路速率与距离来优化网络性能，进而提出了自适 应链路速率、距离以及簇大小变化的路由协议 Proteus，以优化网络吞吐量。