基于能量消耗的Ad Hoc网络路由协议的研究

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摘 要：在移动自组网Ad Hoc网络中，链路中的节点一般都是采用电池供电，一旦电池电量耗尽，节点就会离开链路，造成网络中断，因此降低节点的能量消耗对保持链路的稳定至关重要，本文给出了基于最大能量邻居节点的路由发现算法，提出了基于AODV协议改进的Ad Hoc网络路由协议PER-AODV，该协议能够确保延长网络的生存时间和对低能量节点的保护以及重构次数的减少。

关键词：移动Ad Hoc网络；最大能量邻居节点；网络的生存时间；路由发现

中图分类号：TN295

Ad hoc无线自组网是一种为了完成某种特定的任务而临时组建的一种网络。从组网方面看，无线自组网不需要基本网络基础设施的支持，能快速、方便、灵活地组建网络，在网络中的每个节点都是独立的，能任意地移动，整个网络的移动很方便，同时网络中的每个节点是平等的，没有严格的控制中心，任何节点的离开都不会影响整个网络的运行，具有良好的抗诋毁性，某个节点要与无线覆盖范围之外的节点进行通信，需要其他节点的转发。

1 问题的提出

在Ad Hoc网络中，由于节点通信受距离限制，节点之间的通信需要其他节点的中继转发才能实现，于是形成了多跳的路由。节点加入和退出的随机性以及节点的电量因素是造成链路中断和路由重构的主要原因，因此，在路由发现的过程中如何选择更加稳定的链路，将会提高链路的稳定性，减少路由的重构次数，保证网络的生存时间。又由于网络中的节点同时具有路由器和主机的功能，如果节点的电量受到限制，不仅仅使本节点不能正常工作，还会影响依靠该节点进行分组转发的其他节点，降低网络的连通性，从而影响网络的生存时间。基于能量消耗的ad hoc网络路由发现算法前提是尽量延长网络节点的寿命，保证网络的连通时间，进一步保证网络的服务质量。

2 基于节点能量消耗的PER-AODV算法

为了解决以上的问题，本文给出了基于功率控制最大能量的邻居节点和节点能耗速率的算法设计，通过功率控制节点是为了保护节点能量较小的节点，通过节点能量消耗的速度避免网络的拥塞，从而减少路由的重构，更加合理地占用共享信道。

2.1 节点的能量

每一个请求分组RREQ中都包含其所有邻居节点的电量信息。节点中的电量信息通过广播信息来维护，把最大电量的节点作为下一跳节点的度量，是PER-AODV路由协议的基本思想。

2.2 节点的能量消耗速率

当节点的使用相对频繁时，相比较其他的节点，其能耗速度也相对的加快了，当能量的消耗速度小于给定的级别值时，根据路由算法选择原来路径中次大的节点，当大于时，表示节点的能量充足，可以继续使用。

2.3 路由发现

路由发现的过程包括：路由请求，路由应答，路由维护。

路由请求：（1）每一个节点中都有一张其所有邻居节点电量的信息表，当有数据分组要发送时，源节点N通过比较它所有的邻居节点，找到节点能量最大的节点N0；（2）源节点N向N0发出路由请求分组RREQ；（3）N0收到请求RREQ时，首先更新路由信息，其次检查自己是不是目的节点，如果是返回应答RREP进入到应答算法，如果不是，跳到1；（4）将本节点的信息添加到路由信息中去。

路由应答：（1）目的节点延时T时间得到符合条件的路由；（2）判断节点的能量和给定的级别值的大小，如果大于了给定的级别值，表示节点的能量还可以继续使用，如果小于了给定的级别值，转到3；（3）结合节点的剩余电量和消耗速度，从检测到该节点能量消耗速度变化的上一个邻居节点的节点信息维护表中找出一次能量仅次于该节点的节点；（4）将本节点添加到路由表中，给源节点发送应答RREP。

在路由的维护中，当节点检测到异常信息时，将信息通知给上游的节点，上游的节点通过路由发现的过程找到适合的节点，从而保持链路的连通性。

3 仿真分析

通过NS-2仿真平台，对AODV和PER-AODV协议进行了仿真与比较验证，实验的仿真环境如下：由GT-ITM生成网络拓扑结构，选定的区域大小为1*1km，随机分布50个节点，节点信道带宽设置为2Mbps，最大传输半径设置为200米，MAC层使用IEEE802.11DCF机制，信道类型为Wireless Channel，数据传输模型采用TwoRay Ground Reflection模型。

评估参数包括：（1）网络的生存时间。（2）失效节点的个数。（3）路由的重构次数。

仿真结果表明，失效节点的数目越多如图1所示，表明网络中某一个节点的使用相对的频繁，或者节点的负载过重导致能量过渡的消耗，通过节点能量消耗速率来控制节点的使用在一定程度上减少了链路中失效的节点，增强了网络的稳定性。通过基于节点的最大邻居节点下一跳转发节点作为路由发现的基础，图2所示，随着时间的推移，改进协议PER-AODV中的存活节点数相比较原协议有所增加，在一定程度上延长了网络的生存时间。通过功率控制和节点能量消耗的速率相结合使得路由的重构次数相相比较原路由明显的减少，图3所示。PER-AODV协议的性能相对于原始的AODV协议变动很少，在实现对网络生存时间的延长、低节点保护的同时没有破坏网络的连通性，体现了该协议在节能方面的优越性。

4 结束语

本文利用最大能量的邻居节点作为出发点，提出了基于节点能量消耗的PER-AODV路由协议，仿真结果表明并没有损伤原始协议的AODV的性能，同时减少了节点的能量消耗，显示出了高效的节能效率和在延长网络寿命方面的优势。

节能路由协议作为Ad Hoc网络中研究的热点，本文提出的PER-AODV仍存在不足之处需要改进：（1）PER-AODV协议中主要以网络的生存时间、节点的能量消耗作为选择路由的标准，而在端到端的时延、节点的移动速率对分组投递率的影响考虑欠缺，因此在后续的工作中需要将时延和节点移动速率引入到路由选择的表中去；（2）在节点能量消耗速率中给出的级别值还有待于依据更多的具体实验观测而设定，从而使得该协议在路由重构次数等相关性能方面达到更好的效果。

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作者单位：西北民族大学 中国民族信息技术研究院，兰州 730030