Ad hoc网络是由一组自主的无线节点或终端组成的,独立于固定的基础设施、采用分布式管理的多跳网络。Ad hoc网络的灵活性使之适应于临时性、流动性大的场合。通常由于无线设备的无线电传输范围有限,当无线节点和目的端不能直接通信时,中间节点同时充当终端系统和路由器两种角色。
根据获得路由信息的时机,目前学者们提出的多种Ad hoc路由协议归纳起来可以分为两大类。基于此,研究能量有效的Ad hoc路由协议非常必要。
1 能量有效的路由协议分类
与传统Ad hoc路由协议不同,基于能量有效的路由协议的目标为最大化网络生命周期。网络生命周期即网络中的一个节点首次耗尽电量的时间[3]。
近年来涌现出很多基于能量考虑的路由协议[4],总体来说,这些路由协议策略标准的主要基于以下几点:①网络中传输信息所消耗的总能量;②每个节点的初始电池电量;③每个节点的剩余电量;④节点的生存时间。但是不论选择哪一种、或者综合两种策略,都很难同时兼顾节点寿命和网络路由总能耗两个目标。
1)最小总传输能量(MTPR)。MTPR是一种分布式算法,在任意时刻,Ad hoc网络的拓扑结构可以看作一个带权有向图,任一条弧上的权重即为节点间的传输能量。那么路由的总传输能量为,其中、分别为源与目的节点。则
总传输能量最小的路由,其中A为所有可选路由集合。由于节点之间的距离与传输能量成正比,本策略自然会倾向于选择距离更短的路由。然而,仅仅考虑最短路径,很有可能使中间节点过早消耗,使之成为网络瓶颈,甚至严重影响网络性能。
2)剩余能量(MBCR & MMBCR)。如前所述,虽然总传输能量可以作为一个非常重要的度量标准,但是它有非常明显的缺陷,关键节点的早衰会严重影响路由。MMBCR即是一种考虑节点的剩余能量的度量策略。某时刻t的电量开销为函数,其中为t时刻电池电
量。路由j的电量开销为。则最大剩余电量路由为
。相较MTPR而言MBCR有效防止某些节点被过度使用,增加网络生命周期。
由于MBCR考虑的是某路由Rj中所有节点的剩余电量之和,所以MBCR仍然会选择某些具有极少电量的节点来路由,造成这些节点提前衰竭。MMBCR在MBCR的基础上做出如下改进:路由j的电量开销定义为。则MMBCR中
。MMBCR可以有效规避剩余电量最小的节点,延长单个节点寿命。但是很多情况下为了保证节点使用的均衡性,却选择了较长的路径,增加了能量消耗。
3)剩余能量受限(CMMBCR)。CMMBCR既考虑MTPR的总传输能量,又考虑MMBCR中的节点剩余电量。在路由发现的过程中,首先寻找几条所有节点都有足够的剩余电量(大于阈值γ)作为路由集合A,然后在此集合中挑选出一条总传输能量最小的路由。其中γ是电量阈值(0―100),可看作保护此节点电量消耗的临界值。如果γ=0,与MTPR相同;如果γ=100,CMMBCR与MMBCR相同。γ的选取可以很有效的保护最小能量节点。
2 性能比较与分析
基于能量有效的路由协议的宗旨在于最大化网络生命周期。利用NS建立50个节点的网络,它们随机分布在500 m*500 m的区域内,节点移动速度10 m/s。网络性能仿真结果如下表所示。
MTPR没有考虑单个节点的生存时间,网络能量消耗最小。但是中继节点剩余能量会小于其他普通节点,致使网络严重失衡,因此生命周期最短。MBCR忽略了单个节点的寿命换来较小的总传输能量,网络生命周期小于MMBCR。CMMBCR主要性能影响因子为阈值γ。当γ=0,CMMBCR的性能与MTPR相同。随着阈值γ的增大,CMMBCR为了保护剩余电量较少的节点,会选择较长路径路由,牺牲了网络总体性能。所以,各个基于能量优化的路由协议在考虑单个节点寿命、整个网络生命周期两个目标时很难达到均衡,路由协议的选择应该视具体情况而定。
3 结论
本文介绍了3类基于能量有效的Ad hoc无线网络路由协议的性能特点。为了延长网络生命周期,MTPR一类是从全局出发,减少总体能耗,增加整个网络的生命周期,却牺牲了个别节点;MBCR与MMBCR类尽量避免路由剩余电量较少的关键节点,均衡整个网络,却降低了网络性能。CMMBCR结合了前两类策略,但是从性能上来说也未达到最优,今后可以在此做出更多的研究工作。
参考文献
[1]Jae-Hwan Chang & Leandros Tassiulas.(2000). Energy Conserving Routing in Wireless Ad-hoc Networks. IEEE INFOCOM’00, March.
[2]Singh, S., Woo, M., and Raghavendra,C.S., “Power-Aware Routing in Mobile in Mobile Ad Hoc Networks”,Proceedings of MobiCom’98, Dallas, Texas, Oct. 1998.
[3]Qun Li, Javed Aslam, and Daniela Rus, Online power-aware routing in wireless ad-hoc networks. MOBICOM, pages 97-107,Rome, July 2001.
[4]Konstantinos Oikonomou & Ioannis Stavrakakis.(2006).Energy Considerations for Topology -unaware TDMA MAC Protocols. Ad Hoc Networks,(4):359-379.
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