《電子技術應用》
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基于多樹的移動自組織網(wǎng)多播路由協(xié)議
2016年電子技術應用第11期
梁 潘1,馮朝勝2
1.成都航空職業(yè)技術學院 汽車工程系,四川 成都610100;2.四川師范大學 計算機學院,四川 成都610101
摘要: 由于移動節(jié)點能量耗盡嚴重影響了移動自組織網(wǎng)(MANET)路由性能,有效地使用移動節(jié)點的能量是非常重要的。為此,提出基于多樹的移動自組織網(wǎng)多播路由協(xié)議(MTMR)。MTMR協(xié)議先計算移動節(jié)點能量,將能量低于門限值的節(jié)點不參與路由。然后,將參與路由的節(jié)點構建不同的樹,源節(jié)點通過這些樹向目的節(jié)點傳輸數(shù)據(jù),從而實現(xiàn)多播路由。仿真結果表明,提出的MTMR協(xié)議有效地提高了數(shù)據(jù)傳輸率,降低了端到端傳輸時延。
中圖分類號: TN914
文獻標識碼: A
DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.2016.11.025
中文引用格式: 梁潘,馮朝勝. 基于多樹的移動自組織網(wǎng)多播路由協(xié)議[J].電子技術應用,2016,42(11):95-98.
英文引用格式: Liang Pan,F(xiàn)eng Chaosheng. Multi-tree-based multicast routing protocol in MANET[J].Application of Electronic Technique,2016,42(11):95-98.
Multi-tree-based multicast routing protocol in MANET
Liang Pan1,F(xiàn)eng Chaosheng2
1.Automotive Engineering,Chengdu Aeronautic Polytechnic,Chengdu 610100,China; 2.School of Computer Science,Sichuan Normal University,Chengdu 610101,China
Abstract: It is very important to use energy efficiently, since that mobile Ad Hoc network routing performance has been affected by energy depletion of mobile node. Therefore, the energy of mobile node tree-based multicast routing(MTMR) protocol is proposed in this paper. In MTMR, firstly, energy of mobile node is computed, and compared with the threshold, nodes that its energy is less than threshold is not allowed to routing, then rest mobiles are divided into three trees. Source node transmits data to destination by these trees, and the multicast routing protocol is done. Simulation results show that the proposed MTMR protocol can improve the data transmission rate, reduce the end to end delay.
Key words : mobile Ad Hoc network;routing protocol;multicast;tree;energy

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:

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    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。

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    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Eth進行比較,如果大于Eth,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。

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    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。

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    (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。

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    (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。

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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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