摘 要： 提出一種可以延長移動Ad Hoc網絡壽命的節能路由協議" title="路由協議">路由協議ESR。它集成了傳輸功率控制" title="功率控制">功率控制和負載均衡" title="負載均衡">負載均衡兩種方式的優點來實現節能路由協議。在通過負載均衡確定路由后，根據傳輸功率控制來調整鏈路" title="鏈路">鏈路間數據包的傳輸功率。仿真結果表明，與DSR相比，ESR協議可以有效地節能并延長Ad Hoc網絡的壽命。
關鍵詞：Ad Hoc網絡? 路由? 節能? 功率調整
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移動Ad Hoc網絡作為一種即時的無中心、自組織、多跳網絡得到了飛速的發展。網絡中的節點一般借助電池供電，因此節點的可用性對于成功傳遞數據包非常重要。任意一個節點失效都會影響整個網絡的性能。由于節點均由電池提供能量，節點失效的一個重要原因就是電量耗盡。為了延長節點的生存時間，有必要減少節點在傳輸數據包時所消耗的能量。
近年來，對于Ad Hoc網絡如何節能已經作了一系列的研究，這些研究可以分為兩類：傳輸功率控制和負載均衡。其中，傳輸功率控制決定了從源端到目的端傳輸數據包所需要最小能量的路徑。負載均衡主要通過將負載均勻地分配到各個節點來使網絡耗能均勻。但并沒有一種或一系列專門的協議適合所有的場景。
文獻[1]提出了從源端到目的端耗能最小的路由協議。它的缺點：總是選擇功率最小的路由，致使這條路徑上的節點過早地消亡。文獻[2]中給出了基于GPS信息的傳輸功率調整，但是GPS信息不包括諸如噪聲、干擾和沖突等環境信息。許多學者試圖用負載均衡來克服傳輸功率控制的缺陷。文獻[3]提到了最小電量消耗路由協議，它以傳輸所需電量最小為衡量路由的尺度。文獻[4]中，節點是否轉發路由請求包取決于它剩余電量的多少，如果剩余電量超過門限值，則可以轉發；否則，就丟棄該請求包。負載均衡的缺點：假定所有節點以相同的功率進行傳輸而不考慮接收端的位置是否會造成能量的浪費。因為當發送端與接收端相距較近時，就可以很小的功率進行傳輸，從而節省很多能量。
本文提出的節能路由協議ESR集成了以上兩種方法的優點，在其路由查找階段，可以避免節點過早地消亡。節點的消亡趨勢可以通過剩余能量和當前傳輸功率來描述，稱為節點的期望時間。當路徑確定后，即可根據接收端接收到的數據包的信號強度來調整鏈路間的功率。
1 DSR協議
動態源路由協議DSR[5]是一種基于源路由的按需路由協議，它使用源路由算法，發送方知道應該經過哪些中間節點逐跳到達目的地，這些路由存儲在一個緩存中。數據包在包頭攜帶所需的源路由信息。DSR路由協議主要包括兩個過程：路由發現和路由維持。
路由發現：當節點S向節點D發送數據時，它首先檢查緩存是否存在未過期的到目的節點的路由，如果存在，則直接使用可用的路由，否則啟動路由發現過程。具體過程如下：源節點S將使用洪泛法發送路由請求消息（RREQ），RREQ包含源和目的節點地址以及惟一的標志號，中間節點轉發RREQ，并附上自己的節點標識。當RREQ消息到達目的節點D或任何一個到目的節點路由的中間節點時（此時，RREQ中已記錄了從S到D或該中間節點所經過的節點標識），D或該中間節點將向S發送路由應答消息（RREP），該消息中將包含S到D的路由信息，并反轉S到D的路由供RREP消息使用。源節點將此路由寫入自己的緩存中以備今后使用。
路由維持：一旦某個節點在發送數據時發現需要使用的鄰接鏈路斷開，它立即發送一個路由錯誤（RERR）包給源節點S，源節點S收到這一錯誤包后在緩存中刪除所有使用到這條鏈路的路由，并在必要時再啟動路由發現過程。而沿途轉發這一錯誤包的節點也從自己的路由表中刪除該斷開鏈路的所有路由。
DSR協議以最小跳數為路由衡量尺度。路由確定以后，源端以默認的最大功率傳輸數據包，但沒有考慮節能問題。
2 ESR協議
在ESR協議的路由查找階段，可以避免節點過早地消亡。在確定路由時，綜合考慮了節點的剩余能量和傳輸功率。剩余能量與傳輸功率之比顯示了節點的耗能趨勢。源端在時間t發現路由，并選擇具有最大值的那條路由。
其中，Rj(t)為路徑j的能量與傳輸功率比的最小值;Ei為這條路徑上節點i的剩余能量;Pti為節點i的傳輸功率。
?ESR協議中的路由查詢機制如圖1所示。節點1為源端，節點5為目的端。假定所有節點的緩存都為空,t時刻，當源端發起路由查詢時，各節點的能量和傳輸功率如圖1所示。源端通過廣播一個路由請求包來啟動路由查詢機制。節點2和節點4都在節點1的傳輸范圍內。因為中間節點2和4都非目的節點，這兩個節點必須把自己的ID寫入路由請求包中，繼續廣播該路由包。當目的節點5接收到該路由請求包時，通過反轉節點1到節點5的路由，立即向節點1發送一個路由回復包。
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假定目的節點5通過路由5-3-2-1回復到節點1。當中間節點3收到該路由回復包時，它通過
來估計自己的“生存時間”。假定這個值為 0.2，節點3在路由回復包里記錄這個值，然后轉發該路由回復包到節點2。節點2用同樣的公式來估計其“生存時間”，假定為0.1。同時，節點2讀取路由回復包里記錄的上一個節點的“生存時間”值（此時這個值為0.2）。由于節點2的生存時間相對節點3的生存時間要小，因此，它將取代路由回復包中節點3的“生存時間”。此時，路徑1-2-3-5的路由回復包中攜帶的“生存時間”為0.1。源節點1將在路由緩存中記錄這一路由。假定此時源節點1也發現了另一條路徑1-4-5，這條路徑的“生存時間”為0.005。在這兩條路徑中，源節點1將選擇1-2-3-5，因為這條路徑的“生存時間”高于路徑1-4-5。但是以最小跳數為衡量尺度的DSR協議將會選擇路徑1-4-5。
當源節點查詢完路徑并按照上述方法選擇完路徑后，開始在這條路徑上發送數據。此時，鏈路間的功率調整根據以下的步驟來完成：每一個節點都在數據包中記錄自己的發送功率，然后將數據發送到下一跳節點。當下一跳節點以功率Precv接收到數據包時，同時讀取數據包內上一節點的傳輸功率Ptx，然后為上一跳節點重新計算發送功率。
Pmin=Ptx-Precv+Pthreshold??????????????????????? ? (3)
其中，所有單位都為dbW。Pthreshold為接收節點所能成功接收該數據包所要求的功率門限。在LAN 802.11中，Pthreshold為3.652×10-10 W。為了克服由于信道波動帶來的鏈路不穩定性，在等式3中加入一個差值Pmargin。
Pmin=Ptx-Precv+Pthreshold+Pmargin???????????????? (4)
重新計算得到的傳輸功率記錄在功率表" title="功率表">功率表中。每一個節點都包含一個功率表，用來記錄目標節點的ID和到目標節點的傳輸功率。重新計算的傳輸功率記錄在ACK包中。當ACK包被發送節點接收到時，在功率表中更新傳輸功率，并且以更新后的傳輸功率來傳送數據包。
在本次試驗中，假定差值為1dB，通常差值為3dB[6]。因為在本次試驗中，傳輸功率的監視是通過數據包來實現的，所以差值采用1dB。數據包監視的目的是:當數據包傳輸過程中信道狀況發生改變時，傳輸功率也能隨之改變。同時，因為本試驗的功率采用了一個很小的差值，因此相比文獻[6]中提到的協議能節省很多的能量。
當節點接收到來自鄰居節點的數據包時，功率表將隨之更新。當一個節點需要發送數據包到另一個節點時，它就會查找功率表中到該節點的發送功率，若查詢到，就以該功率發送數據包。若沒有查詢到相應的功率值，則以默認的功率傳輸(默認功率為280mW，傳輸范圍為250m)。為了體現DSR協議的查詢功能，所有路由包（路由請求包、路由回復包）都以默認的功率傳輸。另外，為了維持MAC層操作的一般性，所有MAC層的包（TRS、CTS、ACK）都以默認的功率傳輸。
為了觀察功率調整對能量消耗的影響，應用了文獻[6]中的模型。在給定鏈路上，每D字節數據包消耗的能量為：?
E(D，Pt)=K1PtD+K2????????????????????????????????????????? (5)
在數據傳輸速率為2Mbps的802.11MAC環境中，K1、K2分別為
。
3 仿真模型
因為接收功率是一個常數，當節點接收數據包時會有一部分固定的能量被消耗，故令接收功率為0。媒體接入控制(MAC)協議為IEEE802.11，信道速率為2Mbps。802.11分布式協調功能利用請求發送（RTS）和清除發送(CTS)來控制數據包的發送。利用虛擬載波監聽和信道預留來減少隱藏終端帶來的影響。無線傳輸模型為雙向路徑損耗。在仿真中，不考慮信道的衰落。業務源為固定比特率(CBR)，數據包長為512B,發送速度為4包/秒。每個節點都包含一個功率表。包頭結構增加傳輸功率域和接收功率門限域。
在一個靜態場景中，40個節點隨機分布在正方形的仿真區域內。仿真區域為200m×200m、300m×300m、400m×400m和500m×500m；源節點和目的節點隨機組合。仿真周期為250s；計算所有節點消耗的能量和仿真結束前節點的消亡數。每個節點的初始化能量為1.0J。
為了與DSR協議的性能作比較，需關注以下性能參數：
成功投遞的數據包數：在仿真結束時，成功到達目的端的所有數據包的總和。
每個數據包的耗能：網絡中消耗的總能量與成功到達目的端的數據包的數目之比。
消亡的節點數：在仿真結束時，由于能量耗盡而過早消亡的節點數總和。
4 仿真結果分析
圖2顯示了成功投遞的數據包數。ESR協議中成功投遞的數據包數明顯大于DSR協議。原因是：DSR協議在仿真階段有一些節點電量過早地耗盡而消亡，因此，它們不能發送和轉發數據包。但在ESR協議中，節點的生存時間卻很長，所有節點都有能力發送和轉發數據包。每個數據包的能量消耗如圖3所示。當網絡范圍是200m×200m時，每個數據包的耗能約在0.75mJ。但在同樣的場景下，DSR協議中每個數據包卻消耗約1.25mJ。當擴大網絡范圍時，每個數據包的耗能也在增加。因為在大的網絡范圍內，數據要經過多跳才能到達目的節點，所以每個數據包的耗能就會增加。當網絡范圍為500m×500m時，ESR與DSR中數據包耗能基本相同。ESR中節能百分比如圖4所示，ESR與DSR相比可以節能37%。仿真結束時，節點消亡的個數如圖5所示，當ESR中有一個節點消亡時，DSR中就有5個節點消亡。但當網絡范圍擴大為200m×200m時，節點消亡個數趨于相等。這是因為網絡范圍變大時，ESR中的傳輸功率與DSR中的傳輸功率基本相等，所以ESR與DSR有相同的消亡節點數。
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文章提出了一個節能路由協議（ESR）。仿真結果表明：與DSR相比，ESR協議可以有效地節能、延長Ad Hoc網絡的壽命。同時ESR協議也帶來開銷：數據包頭部附加的信息改變了數據包的結構，增加了數據包的長度。傳輸功率控制的引進將會導致無線設備的硬件改動。由于數據包不是通過最小跳數傳送的，所以平均跳數就會增加，因此，ESR中的延遲將會大于DSR。
參考文獻
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