[移动Ad Hoc网络中节能的路由协议研究] 路由协议节能机制研究

[移动ＡｄＨｏｃ网络中节能的路由协议研究] 路由协议节能机制研究
移动Ad Hoc 网络是由一组具有路由功能的移动节点自组
织成的无线多跳系统。

由于网络规模小、无基础设施和构建快速等特点，而广泛应用于野外考察、作战现场、灾难救助等场合。

其中由于网络中的节点通常是以有限能量的电池供电的，限制了节点生存时间，从而使得节能策略成为当前一个研究热点。

目前研究较多的是在路由协议上实现节能控制。

本文对这些节能路由协议进行了分类和研究，并指出了进一步的可能发展方向。

目前对移动Ad hoc 网络路由协议能量问题的研究有两种
出发点：一种是寻找一条从源节点到目的节点的路由，使得路由上所有节点的能量消耗之和为最低；另一种是调整网络的拓扑结构使得网络的连通时间达到最大值。

下面从这两个方面阐述相关协议。

一、主动节能路由协议
1.MPR（最小功率路由）。

MPR(Minimum Power Routing)
是基于最小传送功率的表驱动路由协议。

在MPR中，每条链路上计算进行可靠通信所需要的最小发射功率并将此作为该链路
的代价函数，通过分布式的Bellman-Ford算法，即将传统的链路距离替代为新的代价函数。

2.MTPR (最小总传输功率路由算法)。

MTPR是一个分布式的算法。

在任一时刻，Ad Hoc网络的拓扑结构可看作是一个带权有向图，任一条弧上的权重可量化为发送节点所需的最小发送能量。

从而可以用标准的最短路径算法求出源节点到目的节点最小总传输能量的路径。

PAR（Location Aided Power Aware Routing）。

LAPAR协议是个GPS辅助型的分布式的能量路由协议，在此协议中，发送节点首先根据相邻节点的地理位置划分最佳的转发区域。

LAPAR的优势表现为：有效的能量路由；容易嫁接到现有的协议上；由于采用了仅基于邻居信息的平面图，减少了拥塞现象；需要的开销有最小的变化。

4.PADSR（Power Aware DSR）。

节能的动态源路由协议PADSR是通过在DSR协议的基础上运行LAPAR协议进行节能控制来实现的。

选择DSR的原因是它在以下方面的优秀性能：非常低的传输带宽（许多按需路由协议的特征）；最小的路由表更新次数；选择最短路径的简单方法，等等。

LAPAR算法能够在现有的任何路由协议上运行。

二、基于电池能量感知的路由协议
1.节能的单播路由算法
⑴MBCR（最小电池开销路由算法）。

MTPR算法是以总传输能量作为衡量标准的。

在此算法中定义了节点电池开销函数，从而计算出包含n个节点的路径m的总电池开销，而最大剩余电池能量的路径即是拥有最小电池开销的那条路径。

⑵ MMBCR（最小最大电池开销路由算法）
由于MBCR考虑的仅仅是电池开销函数的总和，因此，也可能将剩余很少电量的节点选进来。

为了避免节点使用过度，在MBCR的基础上进行了改进，重新定义了路径m的电池开销，即选出电池开销最大的路径，然后再在这些路径中选出相对开销最小的路径。

这种路由策略会尽量避免每条可能路径上所有节点中拥有最少电池容量的节点，较之MBCR路由算法更公平一些。

⑶ CMMBCR（有条件最大最小电池容量路由算法）。

CMMBCR也是对MBCR的改进，设计CMMBCR的出发点是希望算法能够使整个网络的生命周期最大，同时又公平地使用每个节点。

其基本思想是首先找出从源节点到目的节点的所有电量充足的路径(即路径上的所有节点都具有大于某个阈值(其范围为[0，100]的剩余电量)，然后从中选择出总传输能量最小的那条路径作为路由选择的最终结果。

⑷ MRPC（最大剩余分组容量路由算法）。

MRPC算法不仅考虑了节点的相关因素，如节点的剩余能量等，它还考虑到了
与链路有关的参数。

在概念上与MMBCR算法类似，即要寻找那条最小容量最大的路径，但“容量”的考虑因素和衡量方法不同。

2.自适应的节能路由协议
⑴MREP（最大最小剩余能量路由算法）。

MREP目的是工作在网络层，其中所有的节点以一个统一的发射功率工作。

在此协议中并不考虑节点的拓扑信息，从而避免了额外的开销。

MREP也基于按需路由的思想，自适应地选择出一组中间节点来转发自己的RREQs分组。

因此MREP需要维护一种路由选择机制，来控制通信开销和所选路径的优劣。

其中选择中间节点的标准是根据节点的剩余能量决定的，MREP的路由选择机制逐渐减小此能量值，直到找到一条路由，或者是能量值减小到零或最小。

⑵MLRP（最小最大链路功率路由协议）。

MLRP算法旨在寻找一条低功率的路由，其中每个节点都能根据自己要进行通信的邻近节点自适应地调整发射功率。

MLRP的路由发现思想和MREP基本是一致的，但测量标准不同，相应地采用的方法也不同。

在此算法中，路由寻找的发起者决定转发RREQs请求的中间节点的统一发射功率，当路由建立尝试失败时，就相应地减小此功率值。

因此，此路由进程主要考虑最小化每个参与节点消耗的能量，以及减小所选路径消耗的能量。

这两种路由算法都延长了网络生存时间，同时也极大地减
小了所选路由上的通信开销。

⑶PMADSR（基于能量和移动性感知的自适应动态源路由协议）。

在此协议中，设置有两个极限值r1，r2（r1 研究表明，JPBDSR路由策略是一种有效的节能路由策
略，它不仅延长了系统的生存时间，而且具有较好的能耗和路
由综合性能。

因为JPBDSR可以通过对DSR路由策略的简单修
改得到，实用性强。

三、节能的多播和广播路由协议
1.节能的广播路由协议
BIP是一个基本的广播路由算法，它类似与Prim提出的
最小生成树算法（MST），它利用无线通信环境下广播的特
性，建立以源端为根节点的最小能量广播树。

最初，树中只包
括源节点，BIP开始查找源端能以最小能量开销到达的节点，
并把新发现的节点加进树中。

然后继续以同样的方法查找树中
已有节点所能到达的节点，并加入树中，直到所有的节点都已
包含在广播树中。

许多节能的多播算法都是对BIP的扩展。

通
过BIP构建好广播树后，进行剪枝，即除去那些不需要到达多
播组成员的传输，从而形成多播树。

2.节能的多播路由协议
⑴E2MPR (Ener gy-Efficient Multicast Routing Protoco1)。

E2MPR协议在创建和维护中继组的过程中交替采用分组平均能量消耗最少和最大节点花费最小两种标准，同时采用了基于图的多播结构，而不是基于树的。

研究表明较一般的多播选路协议，E2MPR降低了节点的能量消耗，特别是在节点移动性较低、多播成员较少时更是如此。

⑵PMRP （Power-Aware Multicast Routing Protocol）。

PMRP是在移动预测机制的条件下提出的。

为了选择一组能够提供更为稳定和可靠路由的路径，在路由发现中，每个节点接收到RPEQ分组，并利用能量感知策略来获得转发分组所消耗的能量。

如果节点还有足够的剩余能量来转发数据分组，它就利用GPS确定移动节点的某些特定信息（如位置、速度和方向等），并利用这些信息计算出两个有相连节点的链路终止时间（LET）。

分析表明，PMRP要优于MAODV，尤其是在一个节点频繁移动的环境下。

四、基于中继组的节能路由算法
RGRP是一个基于中继组的节能型路由建立模型。

首先，是按分组方式组织网络，每一组中只需要一个节点处于活动状态，负责接收和暂存该组中所有节点的信息，组中的其它节点则处于非活动状态，这样能有效地节约整个网络的维护能量消耗。

其次，源节点可以通过位置查询方法获得目的节点的大致
位置，从而RREQ 并不是在整个网络中扩散，而是区域性有方向性地扩散，然后为源节点和目的节点寻找一条中继次数最佳的路由，从而使信息传输能耗减小。

研究表明， RGRP不管其稳定性还是节能性都明显优于动态源路由模型DSR。

五、拓扑控制节能路由协议
1.与功率控制相结合的路由协议
网络拓扑是通过网络中节点的连接形成的。

在无线网络中，一个节点所维持的链路主要是由它的传输功率决定的。

节点通过妥善管理自己的传输功率，可以维持所有必须的链路，同时也能减小它的能量消耗。

COMPOW (COMmon Power Protoco1)协议是结合节点功率控制的路由策略，它可以和任何表驱动的路由算法结合使用。

目前的无线网卡一般都只有有限的几个发射功率档，精确估计每条链路的发射功率并不是很有必要。

COMPOW 就是针对这样的一个现实展开的。

在此协议中，每个节点的发射功率是统一的，这个功率是维持整个网络联通的最小功率，采用统一的功率是一种近似最优的功率调整方案。

2.基于拓扑管理的节能路由策略
在Ad Hoc无线网络中，通信节点一般会处于接收、发送、侦听以及空闲状态。

当节点处于侦听和空闲状态时，仍要不同程度的消耗能量，实验和观察表明，在现有的MANET中能
量通常并不与网络中的主动通信量成正比，这进一步说明设备空闲状态下的能耗在总能耗中占相当的比重。

因此，现在有许多协议提出关掉空闲节点的无线电，使其进入睡眠模式。

一般的无线网卡也都支持睡眠操作模式。

这种路由策略通常也称为被动路由策略。

它的主要目的就是在维持网络连通性的基础上，尽可能多地关掉节点的无线电已达到节能的目的。

研究表明，每个cell中仅需要一个节点处于活动状态。

其它相关的路由协议如Span，网络中每个节点运行Span 协议，根据自己的现有能量和对邻居节点的影响，自主决定成为合作伙伴或者进入睡眠；GAF（Geographical Adaptive Fidelity）算法，使用地理位置信息来延长节点的睡眠时间，等等，在此不再详细描述。

（作者单位：陕西工业职业技术学院信息工程系）。