0 引言

    目前，移動自組織網(wǎng)MANET(Mobile Ad Hoc Network)成為無線網(wǎng)絡研究的一個熱點。構建MANET的主要目的是通過一群帶有無線收發(fā)裝置的移動節(jié)點組成一個臨時性、無基礎設施的移動網(wǎng)絡^[1]，該網(wǎng)絡具有臨時性、多跳路由等特點。

    在MANET中，由于節(jié)點的通信范圍受限，需要多跳方式向其他節(jié)點傳輸數(shù)據(jù)，并且節(jié)點隨機移動，網(wǎng)絡拓撲變化頻繁，這使得在MANET中建立穩(wěn)定、可靠的路由協(xié)議成為一項挑戰(zhàn)性的工作。為此，研究人員針對MANET的路由協(xié)議進行了大量的研究工作，提出不同策略的路由協(xié)議^[2-6]。

    通常，MANET中的源節(jié)點需要向多點傳輸數(shù)據(jù)，即一點對多點，就采用了多播(Multicasting)。由于多播是向多個節(jié)點傳輸同樣的數(shù)據(jù)，降低了通信消耗，包括鏈路帶寬以及傳輸時延。依據(jù)路由協(xié)議的特性，可將現(xiàn)有的多播路由(multicast routing)協(xié)議分為基于樹形(tree-based)路由協(xié)議^[7]、基于mesh路由協(xié)議^[8-9]以及混合路由協(xié)議。

    基于樹路由協(xié)議在源節(jié)點至目的節(jié)點間建立樹型拓撲。典型的基于樹路由協(xié)議如自組織多播路由協(xié)議AMR(Ad Hoc Multicast Routing)、多播按需距離矢量路由協(xié)議MAODV(Multicast Ad Hoc on demand Distance Vector)^[10]、可靠多播RM(Reliable Multicast)。而基于mesh的多播路由協(xié)議在兩節(jié)點間建立多條路徑，即使鏈路失敗，也沒有必要重新計算mesh結構，典型的有CAMP(Core-Assisted Mesh Protocol)、按需組播ODM（On-Demand Multicast）以及DCMP(Dynamic Core based Multicast)路由協(xié)議。

    盡管基于mesh路由協(xié)議能夠在源節(jié)點至目的節(jié)點間建立多條路徑，但是這是以能量消耗為代價的。然而，在MANET中，每個節(jié)點的能量是受限的。在設計路由協(xié)議時，應考慮節(jié)點的能量受限的特性。因為一旦節(jié)點能量耗盡，鏈路就斷裂，縮短了網(wǎng)絡壽命，必然會引用數(shù)據(jù)傳輸中斷，增加了數(shù)據(jù)傳輸時延，降低了數(shù)據(jù)傳輸?shù)男省?/p>

    為了最大化網(wǎng)絡壽命，應以最小的能量消耗實現(xiàn)有效的數(shù)據(jù)傳輸。為此，研究人員也提出面向節(jié)點能量消耗的路由協(xié)議，如最小傳輸功率MTP(Minimum Total Transmission Power)路由^[11]、最小-最大電池消耗MMBC(Min-Max Battery Cost)路由^[12]以及可選擇的最大-最小傳輸能量CMMBC(Conditional Max-Min transmission Battery Capacity)路由^[13]。

    為此，本文考慮節(jié)點能量信息，并利用樹型拓撲以及多播路由特性，提出基于樹的能量感知的多播路由MTMR(Energy of node Tree-based Multicast Routing)協(xié)議。MTMR協(xié)議首先節(jié)點考慮節(jié)點的能量，若節(jié)點能量小于門限值，則不允許該節(jié)點參與數(shù)據(jù)轉發(fā)。然后，將節(jié)點構建3種不同樹，源節(jié)點依據(jù)這3種樹向目的節(jié)點傳輸數(shù)據(jù)包，提高了數(shù)據(jù)傳輸效率。

1 能量消耗模型

    MTMR協(xié)議考慮了節(jié)點的傳輸能量信息，節(jié)點在傳輸、轉發(fā)以及接收數(shù)據(jù)時，均需消耗自身能量。無線電能量消耗主要由兩部分組成：運行電子元器件、功率放大器所消耗的能量和接收器所消耗的能量。為了在兩節(jié)點間傳輸q bit的數(shù)據(jù)信息，且兩節(jié)點間的距離為d，消耗的能量為：

    節(jié)點依據(jù)式(1)或式(2)計算自己剩余能量。  

2 MTMR協(xié)議

    MTMR協(xié)議是屬于能量感知協(xié)議，提高了多播路由的穩(wěn)定性，同時引用基于多樹路由協(xié)議的理念，進而提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)男省榇耍俣ňW(wǎng)絡內所有節(jié)點隨機劃分為三類，分別為組1(Group-1)、組2(Group-2)、組3(Group-3)。相應地，利用Group-1、Group-2、Group-3節(jié)點分別構建3種樹Tree-1、Tree-2、Tree-3。

    此外，每節(jié)點保持兩個表：鄰居表(Neighbouring table)和多播路由表(Multicast routing table)。節(jié)點通過周期地交互Hello消息建立鄰居表。鄰居表用于保存鄰居節(jié)點的信息，包括鄰居節(jié)點的ID、位置信息。多播路由表用于保存?zhèn)鬏敂?shù)據(jù)的路徑，格式如圖1所示。

    其中，Source_ID、Destination_ID分別標識源節(jié)點、目的節(jié)點。Route_class用于標識路由組Group-1、Group-2、Group-3。Route_class=1、2、3分別代表Group-1、Group-2、Group-3。Next_node表示用于轉發(fā)數(shù)據(jù)的下一跳節(jié)點。

2.1 路由發(fā)現(xiàn)過程

    當源節(jié)點需要向目的節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)包時，就向鄰居節(jié)點廣播路由請求RREQ(Route Request)控制包。RREQ控制包內包含源節(jié)點、目的節(jié)點以及路徑信息（Path Information）等。

    當節(jié)點接收了RREQ控制包，就將自己剩余能量E與門限值E_th進行比較，如果大于E_th，就存儲RREQ，并重播RREQ，致使RREQ控制包傳輸?shù)酶h。同時，將自己的ID加入到RREQ控制包的路徑區(qū)域（Path Information）。

    接收了控制包RREQ時，就將用于向源節(jié)點轉發(fā)路由回復控制包RREP(Route Reply Packet)，RREP控制包攜帶了、源節(jié)點、目的節(jié)點、返回路徑（Reverse Path Information）、Route_Class。其中，Reverse Path Information記載了傳輸RREP的路徑信息。

2.2 控制包傳輸過程

    鄰居節(jié)點不斷向目的節(jié)點轉發(fā)RREQ控制包，直到目的節(jié)點接收。當目的節(jié)點接收到不同樹的RREQ控制包后，目的節(jié)點將沿著該樹向源節(jié)點傳輸回復RREP控制包。數(shù)據(jù)傳輸如圖2所示。

    接收到RREQ控制包后，目的節(jié)點P、Q、R將這3個樹的最后一跳節(jié)點作為傳輸RREP的上級節(jié)點，如圖2(b)所示。節(jié)點P、Q、R選擇I作為TREE-1的上級節(jié)點、H作為TREE-2的上級節(jié)點以及J作為TREE-3的上級節(jié)點。圖2(c)顯示了基于多樹的數(shù)據(jù)傳播過程。

3 性能分析

3.1 仿真參數(shù)

    利用網(wǎng)絡仿真軟件NS2.3.5構建仿真平臺^[14]。考慮1 000 m×1 000 m仿真區(qū)域，20～80個移動節(jié)點隨機分布于仿真區(qū)域。同時，選擇random way point 作為移動模型，每個節(jié)點隨機地選擇移動方向，移動速度從1～25 m/s間選擇。節(jié)點的通信范圍為150 m。此外，隨機選擇移動節(jié)點作為源節(jié)點和目的節(jié)點。數(shù)據(jù)包的大小225 B。仿真時間為10 000 s。

    在分析仿真數(shù)據(jù)時，考慮的場景：移動節(jié)點的速度為20 m/s，移動節(jié)點數(shù)從20～80變化；考察端到端傳輸時延、數(shù)據(jù)包丟失率傳輸率以及控制路由開銷作為評估路由協(xié)議的性能指標。

3.2 數(shù)值分析

    為了更充分地分析MTMR協(xié)議性能，選用AODV進行同步仿真，并進行性能比較。選擇AODV協(xié)議作為參考，原因在于：AODV是經(jīng)典的按需路由協(xié)議，其也是采用RREQ控制包發(fā)現(xiàn)路由。在路由發(fā)現(xiàn)階段，當源節(jié)點需要向目的節(jié)點傳輸數(shù)據(jù)時，源節(jié)點先廣播路由請求RREQ控制包，含有目的節(jié)點地址、廣播ID以及遍歷的跳數(shù)。接收到RREQ數(shù)據(jù)包后，鄰居節(jié)點檢查自己是否有至目的節(jié)點的路由，如果有，就向源節(jié)點回復RREP控制包；否則，鄰居節(jié)點就轉播RREQ。圖3描述了AODV協(xié)議RREQ和RREP的傳輸過程。

    (1)某場景路由性能

    圖4(a)所示，MTMR的端到端傳輸時延比AODV下降了33.928%。圖4(b)所示，MTMR的數(shù)據(jù)包丟失率下降了55.655%。圖4(c)顯示MTMR和AODV歸一化的路由開銷，這說明MTMR在提高端到端傳輸時延、數(shù)據(jù)包丟失率時，并沒有增加路由負擔。

    (2)能量性能分析

    本次實驗分析與節(jié)點能量相關的網(wǎng)絡穩(wěn)定時長和網(wǎng)絡壽命。其中，穩(wěn)定時長等于從網(wǎng)絡初始開始計算第一節(jié)點失效時所經(jīng)歷的時間。而網(wǎng)絡壽命數(shù)值等于網(wǎng)絡內最后一個節(jié)點失效時所經(jīng)歷的時間，時間越長，網(wǎng)絡壽命越長。

    表1列舉了10次測試的實驗數(shù)據(jù)。從表1可知，AODV、CAMP、DCMP和MTMR協(xié)議的穩(wěn)定時長分別為969 s、1 355 s、1 432 s和1 717 s，而網(wǎng)絡壽命分別為5 535 s、5 673 s、8 638 s和8 640 s。這些數(shù)據(jù)表明，提出的MTMR協(xié)議能夠有效地延長穩(wěn)定時期，擴展網(wǎng)絡壽命。

4 總結

    本文針對移動自組織網(wǎng)絡移動節(jié)點能量受限問題，提出基于樹的能量感知的多播路由MTMR協(xié)議。MTMR協(xié)議首先利用無線電能量消耗模型，計算移動節(jié)點的剩余能量。若移動節(jié)點的剩余能量小于門限值，則不參與路由，降低了因節(jié)點能量耗盡而中斷路由的概率。同時，MTMR協(xié)議引用樹，源節(jié)點依據(jù)3種樹實現(xiàn)多播路由。仿真結果表明，提出的MTMR協(xié)議在端到端傳輸時延、數(shù)據(jù)包丟失率以及路由開銷性能方面有顯著的提高。

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