基于能量有效的Ad hoc路由协议的研究

摘 要 Ad hoc网络是一种无基础设施，由无线移动终端组成的临时多跳自治网络。本文从能量有效的目标出发，对3类不同策略的路由协议进行比较，评价各个协议之间的性能优劣。

关键词 Ad hoc；路由协议；能量有效

中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2014）07-0075-01

Ad hoc网络是由一组自主的无线节点或终端组成的，独立于固定的基础设施、采用分布式管理的多跳网络。Ad hoc网络的灵活性使之适应于临时性、流动性大的场合。通常由于无线设备的无线电传输范围有限，当无线节点和目的端不能直接通信时，中间节点同时充当终端系统和路由器两种角色。

根据获得路由信息的时机，目前学者们提出的多种Ad hoc路由协议归纳起来可以分为两大类[1]：表驱动路由协议与按需路由协议。表驱动路由协议采用传统的路由策略，如：DSDV、OLSR与TBRPF等。即使当前网络中的部分路径未被使用，先验式路由协议中每个节点也会维护到网络中其他所有节点的路由表。当拓扑频繁发生变化时，很大程度上增大开销。由于这个缺点，按需路由协议（DSR，TORA，AODV等）问世了，他们只需要建立和维护当前需要用来发送数据包的路由。通常在Ad hoc网络中，节点设备都是由电池供能的，一旦设备电量耗尽，即认为此节点不再有效，不仅此节点被排出网络，而且会影响到其他有效节点正常工作[2]。基于此，研究能量有效的Ad hoc路由协议非常必要。

1 能量有效的路由协议分类

与传统Ad hoc路由协议不同，基于能量有效的路由协议的目标为最大化网络生命周期。网络生命周期即网络中的一个节点首次耗尽电量的时间[3]。

近年来涌现出很多基于能量考虑的路由协议[4]，总体来说，这些路由协议策略标准的主要基于以下几点：①网络中传输信息所消耗的总能量；②每个节点的初始电池电量；③每个节点的剩余电量；④节点的生存时间。但是不论选择哪一种、或者综合两种策略，都很难同时兼顾节点寿命和网络路由总能耗两个目标。

1）最小总传输能量（MTPR）。MTPR是一种分布式算法，在任意时刻，Ad hoc网络的拓扑结构可以看作一个带权有向图，任一条弧上的权重即为节点间的传输能量。那么路由的总传输能量为，其中、分别为源与目的节点。则

总传输能量最小的路由，其中A为所有可选路由集合。由于节点之间的距离与传输能量成正比，本策略自然会倾向于选择距离更短的路由。然而，仅仅考虑最短路径，很有可能使中间节点过早消耗，使之成为网络瓶颈，甚至严重影响网络性能。

2）剩余能量（MBCR & MMBCR）。如前所述，虽然总传输能量可以作为一个非常重要的度量标准，但是它有非常明显的缺陷，关键节点的早衰会严重影响路由。MMBCR即是一种考虑节点的剩余能量的度量策略。某时刻t的电量开销为函数，其中为t时刻电池电

量。路由j的电量开销为。则最大剩余电量路由为

。相较MTPR而言MBCR有效防止某些节点被过度使用，增加网络生命周期。

由于MBCR考虑的是某路由Rj中所有节点的剩余电量之和，所以MBCR仍然会选择某些具有极少电量的节点来路由，造成这些节点提前衰竭。MMBCR在MBCR的基础上做出如下改进：路由j的电量开销定义为。则MMBCR中

。MMBCR可以有效规避剩余电量最小的节点，延长单个节点寿命。但是很多情况下为了保证节点使用的均衡性，却选择了较长的路径，增加了能量消耗。

3）剩余能量受限（CMMBCR）。CMMBCR既考虑MTPR的总传输能量，又考虑MMBCR中的节点剩余电量。在路由发现的过程中，首先寻找几条所有节点都有足够的剩余电量（大于阈值γ）作为路由集合A，然后在此集合中挑选出一条总传输能量最小的路由。其中γ是电量阈值（0100），可看作保护此节点电量消耗的临界值。如果γ=0，与MTPR相同；如果γ=100，CMMBCR与MMBCR相同。γ的选取可以很有效的保护最小能量节点。

2 性能比较与分析

基于能量有效的路由协议的宗旨在于最大化网络生命周期。利用NS建立50个节点的网络，它们随机分布在500 m*500 m的区域内，节点移动速度10 m/s。网络性能仿真结果如下表所示。

MTPR没有考虑单个节点的生存时间，网络能量消耗最小。但是中继节点剩余能量会小于其他普通节点，致使网络严重失衡，因此生命周期最短。MBCR忽略了单个节点的寿命换来较小的总传输能量，网络生命周期小于MMBCR。CMMBCR主要性能影响因子为阈值γ。当γ=0，CMMBCR的性能与MTPR相同。随着阈值γ的增大，CMMBCR为了保护剩余电量较少的节点，会选择较长路径路由，牺牲了网络总体性能。所以，各个基于能量优化的路由协议在考虑单个节点寿命、整个网络生命周期两个目标时很难达到均衡，路由协议的选择应该视具体情况而定。

3 结论

本文介绍了3类基于能量有效的Ad hoc无线网络路由协议的性能特点。为了延长网络生命周期，MTPR一类是从全局出发，减少总体能耗，增加整个网络的生命周期，却牺牲了个别节点；MBCR与MMBCR类尽量避免路由剩余电量较少的关键节点，均衡整个网络，却降低了网络性能。CMMBCR结合了前两类策略，但是从性能上来说也未达到最优，今后可以在此做出更多的研究工作。

参考文献

[1]Jae-Hwan Chang & Leandros Tassiulas.（2000）. Energy Conserving Routing in Wireless Ad-hoc Networks. IEEE INFOCOM’00， March.

[2]Singh， S.， Woo， M.， and Raghavendra，C.S.， “Power-Aware Routing in Mobile in Mobile Ad Hoc Networks”，Proceedings of MobiCom’98， 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.