节点能量敏感的容迟/容断网络概率路由算法

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摘 要：针对容迟/容断网络（DTN）中节点能量受限的问题，提出一种节点能量敏感的概率路由算法。该算法将网络中的节点划分能量状态，针对不同能量状态的节点采取有区别的消息转发机制和节能的缓存管理策略，实现消息交付率与网络能耗之间的平衡。仿真结果表明，与其他几种算法相比，该算法能够在低能耗的基础上提高消息交付率并降低网络开销，具有较长的网络寿命。

关键词：容迟/容断网络；路由算法；能量敏感；消息转发；缓存管理

中图分类号： TP393.01

文献标志码：A

Node energy-aware probabilistic routing algorithm for delay/disruption tolerant network

FU Kai*，XIA Jing-bo，LI Ming-hui

Institute of Information and Navigation， Air Force Engineering University， Xi’an Shaanxi 710077， China

Abstract：

Considering the problem of limited energy in Delay/Disruption Tolerant Network （DTN）， a node energy-aware probabilistic routing algorithm was proposed. Nodes in network were distinguished according to energy situation， and different message delivery mechanism and energy-efficient buffer management strategy were adopted in order to achieve the balance between delivery ratio and energy consumption. Simulations indicate that the algorithm improves delivery ratio and reduces overhead ratio on low energy consumption， and has better performance on network lifetime compared with other algorithms.

英文关键词　Key words：

Delay/Disruption Tolerant Network（DTN）； routing algorithm； energy-aware； message delivery； buffer management

0 引言

容迟/容断网络（Delay/Disruption Tolerant Network， DTN）[1-2]是一类采用“存储—携带—转发”机制的新型网络，主要应用于深空通信、战争网络、移动自组网，以及无线传感器网络等。在DTN中，由于节点的移动性通常不存在一条完整的端到端路径，而且节点的缓存资源和能量有限，存在较大且可变的时延，因此传统的Internet路由协议不能获得理想的性能。

为了在链路间歇中断的情况下提高消息传输的效率，研究人员提出了几种典型的DTN路由算法[3-4]。Epidemic算法[5]采用传染机制尽可能地增加消息副本数量来提高传输成功的概率，但对于节点能量和缓存资源的消耗很大。PROPHET算法[6]基于历史信息计算转发效用，有效克服了消息的盲目转发，减少了消息副本数量和节点能量消耗。First Contact算法[7]是一种不需要先验知识的单副本路由算法，只选择首先接触到的节点为转发节点，对于网络资源的要求较低，但不能保证消息成功传输到目的节点。

随着研究的深入和DTN应用的推广，节点的能耗问题越来越值得关注，尤其对于一些小型移动设备更为突出，因此在路由算法设计中节能也是必须考虑的。文献[8]提出基于能量约束和历史信息的容迟网络路由算法，节点依据历史记录和剩余能量进行层次编码，提高了节点将数据传输到基站的可能性。文献[9]提出基于节点优先级的数据转发策略，考虑了节点剩余能量对传输优先级的影响，有效地控制了消息平均副本数，并降低了能量消耗。为合理利用网络中的能量传输消息，本文提出一种节点能量敏感的概率路由算法，在消息转发和缓存管理上体现了节能的理念，延长了网络寿命。

1 网络模型和问题描述

1.1 基于节点能量的网络模型

在网络中，每个节点都被赋予一个初始能量Einit，节点实时剩余能量为Eres。为了方便研究节点能量对路由选择的影响，本文依据节点能量剩余率RE（RE=Eres/Einit）设置能量状态门限Estate和能量告警门限Ewarn，并将网络中的节点划分为高能节点（RE≥Estate）、低能节点（EwarnEs。另外，在所研究的网络中具有以下假设条件：

1）维持节点移动性等所需的能量消耗不在考虑范围之内，如车载、机载等通信设备的运动能耗由车辆或飞行器提供。

2）Et和Er依据每次接收或发送一个数据包计算，Es为每分钟的扫描能耗，并认为以上均为固定值，当能量耗尽时不再进行扫描和收发消息。

3）节点充能时补充至初始能量，充能所需时间忽略不计。

1.2 问题描述

当网络中的节点处在无供电区域时，它们通常使用电池供电，而且很多时候无法得到及时的能量补给，因此节能对于节点寿命和消息传输具有重要意义。PROPHET算法根据节点记录的历史相遇信息计算转发效用，有效地限制了消息副本数量并降低了整个网络的能耗，但还存在一定的盲目性。如图1所示，节点A携带发往节点D的消息，节点B和C都进入了A的通信范围。假设A依据转发效用的大小将消息发给C而拒绝了B，但C的剩余能量已经较少，在遇到D之前就因能量耗尽而使消息无法成功传递。由此可见，仅考虑历史相遇信息而忽略节点能量状态有可能造成消息的丢失。