Ad-hoc网络中低功耗组播路由协议

2007年2月襄樊学院学报Feb.,2007第28卷第2期Journal of Xiangfan University V ol.28No.2Ad-hoc 网络中低功耗组播路由协议龚华森（丹江口汉江集团公司水力发电厂，湖北丹江口442700）摘要：提出了基于mesh 结构的低功率消耗率组播路由(LPDMR)协议算法.采用计分机制选择组播群首,而群首之间以最低功率消耗率来选择路经，并以按需方式组播，群内使用表驱动路由协议.结果表明提出的LPDMR 路由算法可以大大提高包到达率和网络吞吐量，特别是提高了网络生命周期.关键词：ad hoc 网络；组播路由；电力消耗；网络生命周期中图分类号：TN915.03文献标志码：A 文章编号：1009-2854(2007)02-0037-04无线ad hoc 网络中，移动节点大多以电力有限的电池为动力，所以电池容量将直接影响移动节点在网络上的存活时间，路由中节点能量的耗尽会导致网络的不稳定和影响整个网络的QoS.因而以功率为考虑的节省能量的ad hoc 网络路由协议受到关注[1-3].ad hoc 网络中移动节点大多是以群组的方式出现，如军事战场网络、传感网络、区域急救网络等.组播路由结构的研究主要有基于图的（Mesh 结构）和基于树的（Tree 结构）两种，基于mesh 结构[4]的按需路由协议，适合快速变化、带宽功率受限的系统，而基于树的路由协议有易于管理的优点，但路由的变化会使路由开销增大.考虑节省功耗的组播路由协议[5]对网络的生命周期都有一定程度的改善，同时也增加了网络的可靠性与数据传递的效率.本文结合Mesh 网络和Tree 网络结构，并加入节省功率方案，提出了一个低功率消耗率的组播路由协议（Low-Power Drain Multicast Routing-LPDMR ），利用计分机制来建立群首，由群首管理组播，采用按需（On-Demand ）与表驱动（Table-Driven ）混合的方式来找出最佳路径，并且提供维护机制.仿真结果验证了本算法的有效性.1网络模型mesh 结构网络里的节点主要分为两种：主节点（群首）和从节点.主节点同从节点进行通信形成一个群，从节点间不能直接进行通信.设Ad-hoc 网络带权图表示为),(E V G ，其中，V 表示移动节点i v 所组成的集合，E 为节点间能互相通信的双向链路集合，)(t B i 为节点i v 在t 时间的剩余能量.主节点i 和从节点j 间的距离为),(j i v v d ，主节点发射功率为t P ，从节点接收单位封包所需能量为常数ρ，则每个节点发送σ个单位封包所消耗的能量为)),((2+=j i t i v v d P e ρσ.设源节点s v 到目的节点d v 的所有路径集合为P ，路径P p j 上的能量消耗率为∑∑∈∈=j P i j v G v j i j t B e N ))(/(，节点j j p v ∈最大能量消耗率为))(/(max t B e C i i p v j j i ∈=[6].在mesh 结构网络里，由于从节点间不能直接通信，必需通过主节点完成源节点到目的节点间形成路经.这里，首先采用计分机制选出群首，将网络划分成数个群后，在群内使用表驱动路由算法交换信息.而群间则采用按需方式以生命周期最长的路经交换信息，以减少数据的储存以及路径维护的开销.那么，以功率约束的路由算法优化问题可以表述为：给定带权图),(E V G ，信源s v ，信宿d v ，从信源到信宿的路径集合P 中寻找满足条件：（1）φ≤j N 与θ≤j C 的路径集合为P ′；（2）在P ′中选择最小j C 的一条路径作为传输路径.参数φ与θ分别由下式确定：)min max (max m n N N N k j j+=φ，P p P P p j k ∈′∈,（1）)min max (max m n C C C j j j +=θ，P p j ′∈（2）收稿日期：2006-11-24作者简介：龚华森(1966-),男,湖北鄂州人,丹江口汉江集团公司水力发电厂工程师.龚华森：Ad-hoc 网络中低功耗组播路由协议38式中P ′的初始值为空集合，n 为计算参数φ的次数，第一次计算时1=n ，m 为给定的常数.每计算一次，将可以得到新的参数φ与新的P ′，并且φ与k N min 的数值将会依据m 的大小以不同的收敛速度逼近j N max .当j k N N max min =时，则j N max =φ，此时，在P 集合中每一条路径都满足φ≤j N 时，P P =′.θ与j C min 的数值也会根据m 的大小以不同的收敛速度逼近j C max ，当j j C C max min =时，则j C max =θ.即在P ′路径集合中都满足θ≤j C ，此时P P ′=′′.2LPDMR 路由算法2.1群首的选取节省功率的mesh 组播路由协议算法的关键是群首的选取，以及群内多播树（local shared tree —LST ）的建立.节省能量的多播群首必需有足够功率量(大于一定值)，同时在群内(两跳)有足够多的成员数.一种基于计分机制的群首选择算法，用)(x w 表示节点x 所得的分数，)(x s 表示节点x 的一跳邻居中成员个数，)(x t 表示节点x 的两跳邻居中成员个数，其中{}1()|()&s x y y N x y =∈是一个成员（3）{}2()|()&t x y y N x y =∈是一个成员（4）[]是一个成员x x t x s x w 3)(2)(4)(++=（5）式中：)(1x N 表示节点x 的一跳邻居中节点集合，)(2x N 表示节点x 的两跳邻居中节点集合；P 为真命题时，1=p ，其他为0.计算出)(x w 后，选出两跳内的分数最高者为群首(大于0分).若分数相同则选功率最大者，若其功率一样大，则选ID 较小者.2.2LST 的建立选出群首之后，就是要建立组播所需的基本结构（local shared tree —LST).为了使LST 能有较好的存活时间，必须考虑功率因素.也就是说，在建立LST 时，中间节点的功率量剩余必须充足.首先，由群首发出路由请求（LST RREQ ）封包至其两跳内的邻居，在这两跳内的点都会收到此封包，但只有成员才会回复（LST RREP ）封包.当位于群首及成员中间的节点收到LST RREP 封包时，会先检查它的功率是否大于门限值α；若是，就将此LST RREP 封包继续往群首回传，否则丢弃此LST RREP 封包；最后，当群首收到所有从成员回复的LST RREP 封包时，以群首为中心，半径两跳的LST 便可建立完成.当成员收到超过一个以上从不同的群首所发出的封包时，选择离它最近的群首来回复，加入其LST.要是有两个以上的群首到成员的距离一样的话，成员就选择剩余功率较大的群首加入.2.3组播路径的建立信源所在的群首和其它群首之间的路径建立采用按需方式完成，只有当有数据传送的时候，才开始建立.首先，信源所在的群首会广播出（Multicast Request —MREQ)封包至网络中其它的群首，一旦其它的群首收到此MREQ 封包，便会以节省功率的路经算法计算出一条生命周期最长的路径，回复(Multicast Reply —MREP)封包给信源所在的群首.3仿真结果与分析3.1仿真环境给定每个移动节点功率，节点在传送或接收封包时功率消耗采用给定算法，当移动节点的功率耗尽时，就失去了传送或接收封包的能力.假定两个点互相在传输范围内时，即可成功传送数据，反之，则接收不到数据而导致封包的丢失.仿真模拟空间为1000m ×1000m 矩形区域，移动节点数为50个，成员数为5~40，节点发射半径在200~250m 范围，模拟时间5~400s ，节点移动速度2~20m/s ，移动方式为随机方式，即节点在移动时，先随机选取一个目的点，然后以预先设定的速度移动到该点，停留一段时间后再随机选取下一个目的点，重复执行此移动模式.功率参数设1.0=α.3.2仿真结果分析根据提出的算法，分别以移动节点发射半径、速动速度为变量进行实验.就封包达到率、存活节点数、网络吞吐量三面进行仿真,并分别同ODMRP [4]，MZR [7]，EEMRP [5]路由进行了比较.（1）图1、图2分别给出了传输半径、移动速度对包到达率的影响.图1表明提出的算法(LPDMR)，包到达率第28卷第2期襄樊学院学报2007年第2期不会随传输半径变大而下降，反而有所增加.因为提出的算法在传输半径增大时，节点会选择更短的路径传输封包；而其他算法的包到达率随传输半径增大而减小，但在移动速度逐渐变快的状况下，LPDMR、ODMRP、MZR 的包到达率都有减少的趋势，只有EEMRP基本不受移动速度的影响（如图2）.但总的来看，LPDMR的包到达率远远高于其他路由算法.在发射半径200m以上时，提出的算法包到达率在60%以上.而移动速度在2~20m/s变化时，LPDMR的包到达率在70%以上.只有在发射半径小于220m时，LPDMR的包到达率小于EEMRP.（2）图3是节点存活时间趋势图.设每隔50秒计算一次移动节点存活数，图中说明提出的LPDMR算法，在400s后存活率仍保持在70%，而其他算法在300s时存活节点数已接近0.这表示LPDMR算法能量消耗很低，从而提高了整个网络生命周期.（3）在吞吐量方面，提出的LPDMR路由算法吞吐量最大（如图4、图5）.除了传输半径小于210m的情况外，LPDMR较其它组播路由协议好很多.一旦考虑到功率的消耗问题，即使在一般的情况下有着最高吞吐量的ODMRP算法，也会因为功率的过度消耗而造成它的吞吐量降低.4结论提出了一个考虑移动节点功率消耗的基于mesh结构的混和式组播路由算法，采用计分机制选择组播群首,39龚华森：Ad-hoc网络中低功耗组播路由协议群间通过群首通信,路由使用总功率消耗率最低选择算法.同已有节省能量的组播路由算法相比,无论是在包到达率、节点存活时间(网络生命周期)以及吞吐量方面,提出的LPDMR算法都有最好的表现.由于没有考虑节点处理算法的功率消耗以及端到端时延,所以算法复杂度问题还需进一步研究.参考文献：[1]LI JIAGENG,DAVID CORDES,ZHANG JINGYUAN.Power-Aware Routing Protocols in Ad Hoc Wireless Networks[J].IEEE Wireless Communications,2005,12(5):69-81[2]TOH C K.Maximum Battery Life Routing To Support Ubiquitous Mobile Computing In Wireless Ad Hoc Networks[J].IEEE Communications Magazine,2001,39(6):138-147.[3]DONGKYUN KIM,GARCIA-LUNA-ACEVES J J,OBRACZKA K,et al.Power-Aware 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