一种自组织网络能量平衡路由协议
开篇：润墨网以专业的文秘视角，为您筛选了一篇一种自组织网络能量平衡路由协议范文，如需获取更多写作素材，在线客服老师一对一协助。欢迎您的阅读与分享！
摘 要：在无线自组织网络中，各节点的能量是受限且不均衡的。在能量的消耗过程中，一些节点的能量消耗过快，将导致整个网络的性能急剧下降。文中基于AODV路由协议，设计了一种分级的能量平衡方法。该方法可以有效地平衡整个网络中各节点的能量消耗。NS2仿真结果表明，这种改进算法可以延长整个网络的生命周期，提高分组递交率，也可以降低端到端的时延。
关键词：分级能量平衡；成本系数；AODV路由协议
中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2014）08-0056-03
0 引 言
移动Ad Hoc网络（Mobile Ad Hoc Network，MANET）[1]是一种特殊的通信网络，该网络中没有中心基站的控制。移动Ad Hoc网络中的节点间以多跳的方式进行通信。也就是说，每个节点本身不仅可以充当路由器转发数据，同时也是一个终端节点，可以发送或接收数据包。由于网络中节点位置可以移动，其拓扑会不断地发生变化。在Ad Hoc网络中，移动节点大多是小型便携式设备，这些节点通常由电池提供动力，所以整个网络是一个能量受限的系统。因此，在无线Ad Hoc网络中，节能的路由协议是很重要的。
传统的无线自组网按需平面距离矢量路由协议（ Ad hoc On Demand Distance Vector，AODV）[2]倾向于选择最小跳数的路径。如果最小跳数的路径总是包括相同的节点，那么这些节点的能量就会很快耗尽。当过多的节点能量被耗尽时，剩下的节点将无法有效地进行通信，然后整个网络就很可能是分散的。因此，在能量受限的网络中，如何平衡节点的能量消耗成为研究AODV路由协议的一个重要课题。
现在已有许多论文提出了各种能量均衡的方法以解决上述问题。一些文章提出了采用整个链路的最小平均能量[3]或总能量[4]作为最佳路径选择时的指标。然而在这些论文中，作者并没有考虑到对低能量节点的保护问题。所以都不能很好地解决上述问题，一些节点的能量仍然会很快耗尽。
针对以上问题，本文提出了分级能量平衡AODV路由协议（Graded Energy Balancing AODV，GEB-AODV）。即存在GEB-AODV路由协议中，根据节点的剩余能量，将节点分为几个等级，不同的等级有不同的成本系数。低能量的节点成本系数较大，相应地，高能量的节点成本系数较小。目标节点将优先选择总成本系数最小的路径。采用GEB-AODV路由协议，整个路径将包含更多的高能量节点和更少的低能量节点。通过此方式，整个网络的能量得以均衡，网络的生存周期得以延长。
1 AODV路由协议
AODV路由协议是一种按需路由协议[5]。它包括路由发现和路由维护两个过程。尽管它是一个成熟的无线网络路由协议，但在能量受限的应用场合仍有缺陷。
当一个节点向目标节点发送数据包并进行路径选择时，它将向邻节点广播路由请求分组（Route Request，RREQ）。邻节点在收到RREQ请求后，将生成到源节点的反向路径。然后，邻节点将判断其是否是目的节点，或是它有到目标节点的新路径。如果它是目标节点，将以单播方式向源节点返回一个路由应答分组（Route Reply，RREP），否则它将继续转发RREQ。当源节点接收到该RREP时，源节点和目标节点间的路线就可以使用了。
路由维护是通过使用路由错误（Route Error，RERR）消息和Hello消息实现的[6]。活跃链路上的每个节点必须周期性地向其邻节点广播Hello消息，以此来检测活跃链路上相邻节点的连接状况。如果某节点在规定的最大时间内没有收到相邻节点的Hello消息，就认为链路连接失败。此时，该节点发起一次指向邻节点的局部路由修复过程，如果局部路由修复失效，则该节点向源节点和目的节点发送RERR消息。当源节点接收RERR包时，它将再次发起路由发现过程。
AODV路由协议以最小跳数作为路径选择的指标，而不考虑节点的能量消耗问题。一些位于热区或中央区域的中继节点将被许多路线频繁使用，这些节点的能量将被很快耗尽，会使得网络生存期的减少[7]，链接失败的概率提高，增加系统的开销以及源节点的发起频率，降低了分组递交率[8]。
2 GEB-AODV路由协议
在GEB-AODV路由协议中，为使网络的能量平衡建立一个能量分级模型。从这个模型中，能得到一个总成本系数变量，然后将这个变量添加到修订的RREQ包结构中。当第一个RREQ数据包到达目标节点时，启动计时器（计时器的时间是事先给定的）。在此期间，可能有多个RREQ数据包从相同的源节点到达这个目标节点。然后目标节点就会从这些RREQ数据包中提取有用的信息，并将其保存到RREQ存储表（RREQ-ST）中。当计时器计到给定的时间时，目标节点就会根据RREQ-ST表格的信息，选择总成本系数值最小的路线。
2.1 能量分级模型
假设网络中的每个节点具有相同的初始能量值E0，并设Ei是节点ni的剩余能量。我们根据节点的剩余能量，把这些节点划分为4个等级。不同的等级有不同的成本系数（Cost Coefficients，CC）。等级划分的方法如表1所列。
表1中，从等级1级到等级4共有四个等级。于此同时，有四个相应的能量范围和四个相应的成本系数。在这个模型中，a1>a2>a3并且b1
2.2 GEB-AODV中RREQ报文结构
GEB-AODV 中RREQ报文结构应进行修改。相对于AODV协议，GEB-AODV在RREQ报文的末尾增加了总成本系数（Total Cost Coefficients，TCC）。当RREQ报文在网络中传输时，需要不断更新TCC字段的值，当一个节点接收到RREQ包，TCC进行更新的方法如下：。
上式中，TCCnew表示更新后的总成本系数值，TCCold表示之前的总成本系数值，CC表示当前收到RREQ包时的成本系数值。
2.3 RREQ存储表
为了保存从目标节点中提取有用的信息，为每个源节点建立了RREQ存储表。RREQ存储表应该包含TCC的值，它可以用于路由选择。与此同时，它还应该包含根据所选的路线建立反向路径所需的信息。RREQ的存储表包括的信息包括：包计数器、源节点的地址、目标节点的序列号、源节点的序列号、时间戳、跳数、标记（用于标记该表是否有效）以及总成本系数。
应该注意RREQ存储表每时都在更新。如果一个RREQ包到达目标节点，就应该从这个包中提取有用的信息，并保存到RREQ存储表中。然后这个表的标记必须更新为无效的，如果一个存储表很长一段时间没有更新，那么，这个表就应该被删除。
2.4 GEB-AODV协议的路由查找过程
如果一个源节点没有通向目标节点的有效路由，它将通过发送RREQ消息发起路由查找过程。如果一个中间节点接收到了RREQ消息，它会在转发前更新TCC字段。这里更新和转发RREQ消息的过程与AODV相同。然而中间节点即使有通向目标节点的有效路由，也不再回复RREP消息。目标节点负责所有路由应答任务。
同AODV协议里的一样，目标节点应该首先根据该数据包是否由其本身生成的，来判断其是丢弃或是接收。然后目标节点把从RREQ消息中提取到的有用的信息保存到RREQ存储表中。假如这个消息是针对某个源节点的第一个RREQ消息（即包计数器为0的数据包），这时开启源节点的定时器。同时包计数器加1。如果它不是第一个数据包，则只把包计数器加1。
当定时器定时溢出后，目的节点将在RREQ存储表中根据TCC最小的原则找到一条最优的路由。假如有两条以上的路由有相同的TCC，则选择最先到达目的节点的路由为最佳路由。当最佳路由找到后，可以利用这条最佳路由更新反向路由并向源节点发送RREP消息。此时，存储表中关于该源节点备用路由变为无效，需要立即删除。
3 仿真和分析
本文使用NS2仿真软件来仿真AODV以及GEB-AODV路由协议。在仿真中设置不同的移动速度；节点停留时间为5 s；在最佳路径选择之前，目的节点定时器定时值为60ms；能量系数a1、a2、a3分别为0.75、0.5、 0.25；代价系数b1、b2、b3、b4分别为1、2、4、8。通过这样配置参数，成本系数将随着剩余的能量的减少而呈指数增加，从而更好的保护剩余能量较小的节点，实现整个网络的能量均衡。部分参数的设置如表2所列。
本文主要对能量耗尽的节点数、第一个节点的生存期、分组投递率和平均端到端时延等性能指标进行了仿真分析。图1所示是在最大移动速率为30 m/s的仿真条件下得到的随时间耗尽能量的节点数比较曲线。
随着时间的推移，GEB-AODV路由协议会出现能量耗尽的节点数的增长速度较AODV相对迟缓。原因就是AODV路由协议是以最小跳数选择路径的，能量不均衡导致一些节点的能量过早地耗尽。而GEB-AODV路由协议是根据最小的总成本系数值进行路径选择的，这种方法可以有效地保护低能量的节点，从而延长整个网络得到生存周期。图2所示是其分组投递率比较曲线。
从图2可以看到，GEB-AODV路由协议在各种移动速度下的分组投递率都要高于AODV，这意味着GEB-AODV路由协议有更高的传输效率。一方面，该算法提高了路由连接的稳定性，减少了由链路失败造成的包丢失率。另一方面，由于能量均衡机制，很多的节点的生存期更长了，所以在仿真的后期，这些多余的节点能提供更可靠的数据传输。
图3所示是端到端平均时延的比较。图3表明：GEB-AODV路由协议的端到端平均时延比AODV更小。虽然GEB-AODV路由协议并不是选择最小时延的路径，但它，选择的是最稳定的路径。这种方式可以减少链路失败时，路由维护过程带来的延时。另一方面，节点生存期的延长，进一步减少了由于路由查找失败带来的延时。
从仿真结果可以看出，在能量受限的系统中，GEB-AODV路由协议能够延长网络的生存期，增大分组投递率，同时减少端到端平均延时。
4 结 语
本文基于AODV路由协议，提出了分级能量平衡的路由协议。在这个协议中，能量成本系数用来平衡网络的能量。在GEB-AODV路由发现过程中，中间节点计算总成本系数值，然后将其保存到修改的RREQ消息中并转发。目标节点从RREQ存储表中选择总成本系数值最小的路径。NS2仿真结果表明，在能量受限的系统中，改进算法较传统的AODV路由协议有更好的性能。
参 考 文 献
[1] D. B. Johnson and D. A. Maltz. Dynamic source routing in ad hoc wireless networks[R]. Technical report， pp.153-181， 1996.
[2] S. Khelifa， Z. M. Maaza， An energy multi-path AODV routing protocol in Ad Hoc mobile networks[J]. I/V Communications and Mobile Network， pp.1-4， oct.2010.
[3] J. Yuan， S. Ding， D. Zhang. An Energy-Balancing Routing Protocol based on AODV[J]. Wireless Communications， Networking and Information Security， pp.588-592， June. 2010
[4] X. Mao，C. Feng， P. Zhang. Improvement of AODV Routing Protocol Based on Energy and Load Balancing[J]. Modern electronics technique， 2010， 33 （11）：：43-47.
[5] J. Singh， P. Singh and S. Rani. Enhanced local repair AODV[A]. International Conference on Advances in Computing， Control， and Telecommunication Technologies， pp. 787 - 791， Dec. 2009.
[6] Mohammed Tarique， Rumana Islam. Minimum Energy Dynamic Source Routing Protocol for Mobile Ad Hoc Networks[J]. 2007，7（11）：304-311.
[7] J. M. Kim and J.W. Jang. AODV based energy efficient routing protocol for maximum lifetime in MANET[A] International Conference on Internet and Web Applications and Services， pp.77， Feb. 2006.
[8] J.chen， Z.li. Energy-efficient AODV for low mobility Ad hoc networks[J]. Wireless Communications， Networking and Mobile Computing（Wicom）， pp. 1512-1515， Sept. 2007.