（计算机应用技术专业论文）移动自组网中基于能量的路由协议研究.pdf

摘要 移动自组网中的节点采用电池一类的可耗尽能源来提供电源，而 且每个节点既是计算机又是路由器，很容易因某个节点能量耗完而导 致网络分裂。本文主要是从能量入手，通过对网络中各链路状态的预 测以及各节点能量的预测来找出一条最优路由。 本文首先总结了目前移动自组网中网络层的一些基于能量的路 由协议，并比较分析了它们的优缺点以及未来的发展方向。接着本文 提出了一种结合l e t 和节点生存时间预测的路由协议，将节点的运动 特性和能量特性结合起来，通过预测链路保持时间l e t 和节点的生存 时间，选择一条最优路径。并通过模拟结果说明了该协议能有效的提 高数据传送率，减少链路断裂个数，改善了网络性能。最后本文还提 出了一种考虑能量的基于预测的路由协议，该算法结合了节点生存时 间的预测和路径稳定度的预测，首先由节点根据自身计算出的剩余生 存时间来判断是否参加路由，然后在预测链路稳定性的基础上，有效 的预测路径的稳定性，从而能选择一条最稳定路径进行数据传输，并 同时延长了整个网络的生存时间。我们也通过模拟结果论证了该算法 的有效性。 关键字：移动自组网，预测，节点生存时间，链路稳定性 a b s t r a c t e a c hn o d ei nm o b i l ea dh o cn e 铆o r kc 锄b er e g 删e da se l m e ra c o m p u t e r o ram u t e ra n dt 1 1 en o d e si i lm a n e ta r eb a t t e r ) ，- o p e r a t e d ，s o “ i s e a s yt 0l e a dt on e 咖r kp a n i t i o n i n gs m c es o m en o d e se n e t 盯i s e x h a u s t e d i i lm i sp a p e r w ef m da no p t i i r i a lr o u t eb yp r e d i c t i l l gm es t a t u s o f e a c hl i n k 锄dt l l el i f e t i m eo f e a c hn o d e mm a n e t i n “sp a p e r w ef i r s ts u m m 撕z et i l ep o w e r - 卸吼r er o u t i n gp r m o c o l s o nn e t w o r kl a y e r a i l a l y z et i l e i rc h a r a d e r i s t i c sa i i dt 1 1 er e s e a r c hd i r e c t i o n i nt t l e 如t u r e t h e nan e w r o u t m gp r o t o c o lb yc o m b i n i n g n l ep r e d i c t i o no f t l l en o d el i 触i m ea l l dl e ti sp r e s t e d w h i c hc 锄f m d 锄o p t i i i l a lm u t e b yc o n s i d e m g m ec h a r a c t e ro f d y n 锄i ct o p o l o g i e s 觚d 朗e r g ) 7 一c o n s t m m e d0 p e r a t i o n sa i l dt l l es 皿u l a t i o nr e s u l t ss h o wm en e w p r o t o c o lc 狮i n c r e 嬲et h ep a c k e td e i i v e 巧r a t i oa n dd e c r e 够e l en u m b e r o fb r o k e nl i n kf i n a l l yw ep r e s e n tam u t i i l gp r o t o c o lb yc o m b i n i n gm e p r e d i c t i o no fm en o d el i f e t i m ea n dt l l ep a ma v a i l a b i i i 哆n o d ed e c i d e s w h e t l l e rt 0p a r t i c i p a t ei nt i l er o u t i n gp a ma c c o r d i n gt oi t sp r e d i c t e d i i f e t i m ea tf i r s t t i l e np r e d i c t st i l ea v a i l a b i l i 够o ft l l ep a t l lb 船e d0 nt l l e p r e d i c t i o no ft i l e l i l l ka v a i l a b i l 咄c o n s e q u e m i ym em e c h 趾i s mc 锄 c h o o s eas t e a d i e s tp a mt ot r a n s i l l i td a t aa 1 1 di tc a np r o l o n gt 1 1 en e 咖r k l i 确m ea tt l l es 锄et i 眦w ea l s op r o v e 弧e 舵c t b ys i m u l a t i o n k e yw o r d sm 0 b i l ea dh o cn 咖。如p r e d i c t i o i l ，l i f e 缸l e ，l i n k a v a i l a b i l i t y 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在在论文中作了明确的说 明。 作者签名：卿日期：丛地型日 关于学位论文使用授权说明 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位 论文的全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论 文；学校可根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文。 ，一一11 作者签名：! 虫丝导师签名上日期：丛年兰月竺日 硕士学位论文第一章绪论 1 1 移动自组网的概述 第一章绪论 移动自组网是一组带有无线收发装置的移动节点组成的一个多跳的临时性 的自治系统，它不需要固定基站支持，组网方便、快捷，不受时间和空间限制， 既可应用于救援、会议、战场、探险、远距离或危险环境中的目标监控等场合还 可用于蜂窝末端网络的扩展。移动自组网具有无中心、自组织、可快速展开、可 移动等特点，固定有线网络和蜂窝网络中使用的各种协议和技术无法直接应用于 移动自组网中，所以自移动自组网提出之日起，已在很多场合受到越来越多的重 视。 1 1 1 移动自组网的发展背景 随着信息技术的不断发展，移动通信技术得到了飞速发展和普及。蜂窝移动 通信系统、无线局域网( i e e e 8 0 2 1 l “和h i p e r l a n 嘲) 、蓝牙技术( b 1 u e t o o t h ) 哪、 家庭无线网( h o m e r f ) “1 等移动通信新技术纷纷涌现，这些技术的出现，极大方便 了人们的生活，同时也推动了无线通信技术的发展。无线通信网络按照其组网控 制方式一般分为两类：一类是有基站的，它需要依赖预先部署的网络基础设施； 另一类是无基站的，它用在那些不可能有预先部署的固定设施的特殊场合，是一 种能够临时快速自动组网的移动通信技术，即移动自组网通信技术。 移动自组网的前身是分组无线网( p a c k e tr a d i on e t w o r k ) 嘱”，早在1 9 7 2 年，美国的d a p r a 就启动了分组无线网p r n e t 旧，研究在战场环境下利用分组无 线网进行数据通信。在此之后，d a r p a 于1 9 8 3 年启动了高残存性自适应网络 s u r a n ( s u r v i v a b l ea d a p t i v en e t w o r k ) 项目，研究如何将p r n e t 的研究成果加 以扩展，以支持更大规模的网络。1 9 9 4 年，d a r p a 又启动了全球移动信息系统 g l o m o ( g l o b l e o b i l ei n f o m t i o ns y s t e m s ) 项目，旨在对能够满足军事应用 需要的、高抗毁性的移动信息系统进行全面深入的研究。成立于1 9 9 1 年的 i e e e 8 0 2 1 1 标准委员会采用了“a dh o c 网络”一词来描述这种特殊的自组织对 等式多跳移动通信网络，a dh o c 网络就此诞生。i e t f 将a dh o c 网络称为m a n e t ( 移 动a dh o c 网络) ，在这里两个词可以等同。 硕士学位论文第一章绪论 1 1 2 移动自组网的特点 与其它传统通信网络相比，移动自组网具有以下几个特点： ( l ) 自治终端 移动自组网无固定基站，每个移动终端是一个自治节点，它即是主机也是路 由器。 ( 2 ) 分布式操作 移动自组网中没有基站对其网络操作进行集中控制，所以网络的控制与管理 都是分布在各终端进行的，即使某一节点出现故障，整个网络并不会因此瘫痪， 网络的顽存性强。 ( 3 ) 多跳路由 由于节点发射功率的限制，节点的范围是有限的。当要与其覆盖范围之外的 节点进行通信时，需要中间节点的转发，即要经过多跳。a dh o c 网络中的多跳 路由是由普通节点共同完成的，而不是由专用的路由设备( 如路由器) 完成的。 ( 4 ) 动态拓扑 移动自组网中的节点都能以任意可能的速度和移动模式移动，因此网络的拓 扑结构会迅速变化，并且变化的方式和速度都难以预测。 ( 5 ) 无线通信 移动自组网采用的是无线传输技术，无线信道所能提供的网络带宽相对于有 线信道要低得多，并且无线信道的质量较差。由于在移动自组网中使用了多跳路 由，这个特征一方面提高了信道的空日j 重用度，另一方面使得报文的冲突与结点 所处的地理位置相关。此外，地形或发射功率等因素使得移动自组网中可能存在 单向无线信道。 ( 6 ) 安全性差 移动自组网是一种特殊的无线移动网络，由于采用无线信道、有限电源、分 布式等技术，它更加容易受到被动窃听、主动入侵、拒绝服务、剥夺“睡眠”等 网络攻击。移动自组网中的安全问题非常复杂，传统网络中的许多安全策略和机 制将不再适用。 ( 7 ) 移动终端的便携性 移动终端具有携带方便、轻便灵巧等特点，网络搬迁异常方便，但也存在固 有缺陷，如能源受限、内存较小、c p u 处理能力较低和成本较高等。移动节点一 般都依靠能量有限的电池来供电，因此如何高效的使用节点的电池能量以及延长 节点的生存时间以及整个网络的生存时间就成为了一个十分突出的问题。 2 硕士学位论文 第一章绪论 1 1 3 移动自组网的应用 移动自组网的许多优良特性为它在民用和军事通信领域占据一席之地提供 了有利的依据。总的来说，它的应用可以归纳为以下几类： ( 1 ) 军事应用 它是移动自组网技术的主要应用领域。移动自组网技术是数字化战场通信的 首选技术，并已经成为战术互联网的核心技术。美军的近期数字电台n t d r 和无 线互联网控制器等通信装备都利用了移动自组网技术。 ( 2 ) 传感网络 传感器的发射功率很小，大量地理分散的传感器通过移动自组网技术组成网 络，可实现传感器之间以及与控制中心之间的通信，这种网络有非常广阔的应用 前景。 ( 3 ) 紧急和突发场合 在发生了地震、洪水、火灾或遭受其它灾难后，固定的通信网络设施很可能 无法正常工作。而移动自组网能够在这些恶劣和特殊的环境下提供通信支持。 ( 4 ) 偏远野外地区 偏远或野外地区的通信通常无法依赖固定或的网络设施进行。移动自组网技 术具有单独组网能力和自组织性，是这些场合实现通信的最佳选择。 ( 5 ) 临时场合 一些临时场合的通信，如会议、庆典、展览会等，均可以使用移动自组网， 可以免去布线和部署网络设备的工作并且快速简单的组网。 ( 6 ) 个人通信 移动自组网技术可以用于个人域网络( p a n ) 来实现p d a 、手机、掌上电脑等 个人通信设备之间的通信，并可以构建虚拟教室和讨论组等崭新的移动对等应用 ( m p 2 p ) 。 ( 7 ) 商业应用 使用移动自组网技术可组建家庭无线网络、无线数据网络、移动医疗监护系 统和无线设备网络，开展移动和可携带计算等。 ( 8 ) 其它应用 移动自组网的应用领域还需要我们进一步去挖掘，如它可以扩展现有蜂窝移 动通信系统的通信模式和覆盖范围，实现地铁和隧道等场合的无线覆盖，实现汽 车和飞机等交通工具之间的通信，用于辅助教学和构建未来的移动无线城域网和 自组织广域网等。 3 硕士学付论文 第一章绪论 1 2 移动自组网的体系结构 由于移动自组网络的独特性，传统的体系结构和现存的大量协议在移动自组 网络中不再适用，我们在设计移动自组网络的体系结构“。1 时要充分考虑网络的 动态自组织特性和特殊的应用环境。 移动自组网不适合采用集中式控制结构，因此，它一般有两种结构：平面结 构( 如图卜1 ) 和分级结构( 如图卜2 和图卜3 ) 。平面结构中，所有结点的地位 平等，所以又可以称为对等式结构。而在分级结构中，网络被划分为簇( c l u s t e r ) 。 每个簇有一个簇头( c l u s t e r _ h e a d e r ) 和多个簇成员( c l u s t e rm e m b e r ) 组成。这 些簇头开成了更高一级的网络。在高一级网络中。又可以分簇，再次形成更高一级 的网络，直至最高级。分级结构中，簇头节点负责簇日j 数据的转发，它可以预先 指定，也町以由节点使用算法选举产生。 图卜l 平面结构 根据不同的硬件配置，分级结构又可以分为单频分级和多频分级两种。单频 率分级网络( 图卜2 ) 只有一个通信频率，所有节点使用同一个频率通信。为了实 现簇头之间的通信，要有网关节点( 同时属于两个簇的节点) 的支持。簇头和网 关形成了高一级的网络，称为虚拟骨于。 ( 二二簟 - 簟 藏峨址 一爻 图卜2 单额分级结构 而在多频率分级网络( 图卜3 ) 中，不同级采用不同的通信频率。低级的节 点的通信范围较小，而高级的节点要覆盖较大的范围。高级的节点同时处于多个 级中，有多个频率，用不同的频率实现不同级的通信。 4 硕士学位论文第一章绪论 c - 簟 枞- 图l _ 3 多频分级结构 平面结构的网络比较简单，网络中所有节点是完全对等的，原则上不存在瓶 颈，所以比较健壮，并且节点的覆盖范围比较小，相对较安全。它的缺点是可扩 充性差，网络规模受限，因为在平面结构中，每一个节点都需要知道到达其它所 有节点的路由，网络规模越大，它所需要的路由维护的开销就越大。当平面结构 网络的规模增加到某个程度时，所有的带宽可能被路由协议消耗掉。 而分级结构网络的最大优点就是可扩充性好，网络规模不受限制。它的簇成 员的功能比较简单，不需要维护复杂的路由信息，这大大减少了网络中路由控制 信息的数量，总的来说，它在相同规模的条件下路由开销比平面结构的小。当然 分级结构也有其缺点，要维护分级结构需要较复杂的簇头选择算法，并且经过簇 头寻找的路由并不一定是最佳路由。 美国在战术互联网中使用近期数字电台n t d r ( n e a rt e 瑚d i g i t a lr a d i o ) 组 网时就是采用单频分级结构。总之，当网络的规模较小时，可以采用简单的平面 式结构；而当网络的规模增加时，应采用分级结构。 1 3 移动自组网的关键技术 移动自组网涉及的技术很多，全球的研究人员在这方面开展了大量的研究。 综合而言，主要体现如下几个方面： ( 1 ) 物理层自适应技术 由于能量的限制，移动自组网络的链路层设计面临许多新的挑战。链路层设 计的目标就是在相对小的能量条件下，使得数据速率接近最基本的信道容量。如 何充分利用有限的带宽、能量资源，基于应用的特点和对q o s 的要求，最大化网 络的吞吐量，最小化能量的消耗，延长能量受限网络的寿命，将是链路自适应技 术要解决的问题。解决的方法主要有采用自适应编码、自适应调制、帧长自适应、 自适应功率控制、自适应资源分配和自适应链路调整等技术。 ( 2 ) 信道接入技术 信道接入技术是移动自组网络协议的基础。它控制着节点如何接入无线信 5 硕士学伊论文 第一章绪论 道，对移动自组网络的性能起着决定性的作用。移动自组网中没有类似基站的控 制实体，它的信道足多跳共享的广播信道( 一个站点发送，只有邻居节点可以听 到) ，此外，移动自组网还存在独特的隐终端和暴露终端的问题，这些问题都需 要专门设计的信道接入技术才能解决。 ( 3 ) 路由协议 路由协议是移动自组网络的重要组成部分。要实现多跳路由，必须要有路由 协汉的支持。i e t f 成立的l i a n e t 工件组主要负责a dh o c 网络i p 层路由的标准 化工作。 ( 4 ) 服务质量保证 随着应用的不断扩展，移动自组网中传输话音、图像等多媒体消息。多媒体 消息对带宽、时延、时延抖动等提出了很高的要求，这就需要提供一定的服务质 量保证。移动自组网中的服务质量保证是个系统性问题，不同层都要提供相应的 机制。 ( 5 ) 广播和多播 由于移动自组网络的特殊性，广播和多播问题也变得非常复杂，它们需要链 路层和网络层的支持。 ( 6 ) 安全问题 安全性是移动自组网络面临的一个大难题，由于移动自组网使用的无线通信 技术，容易被监听和干扰。加上移动自组网一般被用在特殊场合( 军事、救灾等) ， 安全问题更加突出。因此需要研究适用于移动自组网络的安全体系结构和安全技 术。 ( 7 ) 网络管理 网络管理包括移动自组网络中的服务发现、移动性管理、地址管理、服务管 理等。要有相应的机制解决节点定位、地址自配置等问题。 ( 8 ) 传输层服务 移动白组网中，无线信道的衰落、干扰、节点移动等因素会造报文冲突和丢 失，这将严重影响t c p 的性能。因此，移动自组网络中要对传输层服务( 比如 t c p ) 进行修改，以满足数据传输的需要。 ( 9 ) 网络互联技术 在许多场合下，移动自组网要和其它网络互联，并且它有时候还要作为末端 子网接入因特网。由于移动自组网络使用了不同的路由协议和传输层服务，在网 络互联时需要进行相应的转换工作。 6 硕士学位论文 第一章绪论 1 4 课题来源及研究意义 移动自组网中的节点能够动态的任意移动，这要求移动设备尽量小型化，因 此移动节点需要采用电池一类的可耗尽能源来提供电源。而移动自组网中的每个 节点都充当路由器的功能，若某些节点由于能量耗尽而停止工作，就有可能导致 整个网络的分裂。在目前的技术水平下，电池容量难以大幅度提高，所以要通过 有效的、设计合理的路由协议来延长节点生存时间和网络的整体寿命。 传统的路由协议主要都以延迟作为设计的标准来选择最小跳数的路由，它们 的弊端是没考虑网络中的节点能量是有限的，很有可能存在多条最小跳数路径均 选择同一节点频繁来转发数据，导致节点能量迅速耗竭，网络过早出现分区。而 要想提高网络的整体性能，最根本的就是要让网络稳定长时期的提供服务，所以 网络中各节点的生存时间以及网络的整体寿命都是一个非常重要的参数。 同时移动自组网的网络拓扑处在不停的变化当中，无线链路频繁断裂，由此 导致的重路由操作极大的消耗了移动自组网有限的网络资源和节点的能量资源， 也容易造成网络的拥塞，极大的影响了网络的服务质量，从而降低了网络的运行 性能。因此选择一条最可靠，最稳定的路径，最大限度的减少重路由操作，减少 网络拓扑结构的动态变化对路由操作的影响，也具有非常重要的意义。 本论文结合节点的运动特性和能量特性，通过对链路状态和节点能量状态的 预测，寻找一条路由兼顾稳定性和节能性，既能稳定地传输数据，又能有效地减 少网络中各节点的能量差异，延长网络生存时间。 1 5 论文组织 论文全文共分为五章： 第一章绪论。这一章主要概括了移动自组网的背景及其概念，并介绍其体 系结构以及关键技术，还阐述了课题的来源以及研究的意义。 第二章总结和分析了当今移动自组网中的节能路由协议，并且提出了未来 的研究方向。 第三章将链路保持连接的时间l e t ( l i n ke x p i r a t i o nt i m e ) 预测与节点生 存时间的预测结合起来提出新的基于预测的路由协议，对其模拟结果进行了研究 分析。 第四章将路径稳定度的预测和节点生存期的预测结合起来，提出了一种考 虑能量的基于预测的路由协议，并对模拟结果进行了分析。 第五章结束语。总结所做的研究与设计工作，并阐述了进一步的工作计划。 7 硕士学位论文 第二章移动自组网节能路由协议研究 2 1 引言 第二章移动自组网节能路由协议研究 移动自组网是一组带有无线收发装置的移动节点组成的一个多跳的临时性 的自治系统，它不需要固定基站支持，网络中的每个节点都有主机和路由器的功 能，它们都是通过能量有限的电池来支持其运行。移动自组网主要有几大特点： 动态拓扑、带宽受限及容量可变、有限的物理安全性以及能量受限操作。这种 新型网络结构提高了无线网络的移动性、灵活性，适用于军事、紧急搜索救援行 动、希望快速交流信息的会议和不适合居住地区的数据获取。在目前的技术水平 下电池容量难以大幅度提高，因此需要通过节能机制尽量减少节点的能量消耗， 有效延长节点的工作时问和网络的整体寿命。 由于在m a n e t 中没有中心节点来维护管理其它节点的节能模式、为其它节点 缓存包、唤醒其它节点等操作。所以节能协议必须是分布式的并且要通过各节点 协作完成，m a n e t 的各层都根据自身的特点和功能设计不同的节能策略，如物理 层可以能过多包接收和高效的编码技术实现节能：在数据链路层可采用有效的 重传机制以及让节点在不处理数据时处于睡眠状态的机制来减少能量消耗。传 输层则避免端到端的重传来实现节能。本章对目前的网络层的节能路由协议进行 了分类比较，并分析指出了未来的研究方向。 2 2 考虑畿量的度量 能量的使用效率问题涉及到a dh o c 网络的每一层，在网络层可以通过多种 方式来确定某路由的耗费，并根据耗费最小的原则来选择路由。s s i n g h 等人在 文献 1 0 中提出移动自组中的路由协议必须考虑能耗，并根据节点的电池能量消 耗提出了五种考虑能量的度量： ( 1 ) 每个包消耗的最小能量 最小化传送每个包消耗的能量，则需要消耗的总的传送能量也就最小。在网 络低负载的情况下，用此度量选择的路由很有可能是最少跳数路由，而在阿络高 负载的时候，用此度量易导致将包传送到网络的拥塞区。 8 硕士学位论文第二章移动自组网节能路由协议研究 ( 2 ) 网络生存的最大时间 对任一网络拓扑，都会存在一个最小节点集( c u t s e t ) ，集合中的任何节点 死亡都会导致网络分区，因此一个好的路由算法必须使工作量平均分配，使得各 节点以同等速度消耗能量。 ( 3 ) 节点能量水平的最小差异 移动自组网中的所有节点有着相同优先权，所有的节点都是平等的，这使得 网络中所有节点均维持尽可能长的开机状态。 ( 4 ) 每个包的最小代价 为了最大化网络中所有移动节点的生存时间，仅用每个包消耗的能量这个度 量是不够的，我们要用一些度量，根据它们建立的路由能够保证那些能量即将耗 尽的移动节点不包含在很多路由当中，这些度量被称为包的代价，它需要最小化。 ( 5 ) 最小最大节点代价。 用c ( f ) 表示节点在t 时刻转发一个包所需的代价，定义c ，( ，) 表示e ( f ) 的最 大值，则m i n i m i z e c ，( f ) ( 其中v f o ) 就是最小最大节点代价。 使用每个包消耗的最小能量为度量的缺点是网络中节点的能量消耗速度不 平衡，一些节点的能量会过早耗竭。最大化网络生存时间是节能算法要实现的一 个基本目标，而实际上网络的生存时自j 很难估计，一般部用后三种度量来间接实 现这个目标。节点能量水平的差异是简单的能量平衡指标，最小化节点能量水平 的差异能够延长网络寿命。而每个包的最小代价度量有此类似于每个包消耗的最 小能量度量，只是前者不仅考虑了传送能量，而且考虑了节点的剩余电池能量以 及网络链路负载等情况，使用它的节能策略它会选择总传输能量少的链路，同时 避免使用剩余能量低的节点( 这些节点的代价会设置的非常高) 。使用最小最大 节点代价，所有候选路径代价都会用路径中包含的节点中的最大代价标注，在路 由选择时会选择代价最小的路径( 嘲x - m i n ) ，一些协议选择的是m i n 髓x 路径， 因为它们考虑了节点的剩余电池能量，而不是考虑节点代价。 许多协议都是在此基础上提出了相应的节能机制，它们采用了一种或多种的 度量来设计，在本章中，我们将它们大致分为两大类：最小化总传输能量的路由 协议和最大化网络生存时间的路由协议。而在最大化网络生存时间的路由协议 中，我们又根据各个协议使用度量的不同，将它们分为考虑节点电池能量的路由 协议和考虑包代价的路由协议，下面分别对这些协议进行介绍。 9 硕士学位论文第一二章移动白组网节能路由协议研究 2 3 最小化总传输能量的节能协议 在移动自组网中，节点使用电池作为供电方式，一旦电池耗尽就不能继续工 作。在电池容量有限的情况下，一些节能路由协议考虑每个包消耗的能量，选择 最佳的路由以尽量减少传输包所消耗的总能量。 m t p r “o ( m i n i m u mt o t a lt r a n s m i s s i o np o w e rr o u t i n g ) 机制在所有可能的 路由集中选择总传输功率最小的那一条，同时要求组成该路由的多跳链路上每一 跳的传输功率尽量小，最小化每个包传输过程中消耗的能量。由于传送能量与节 点闻的距离的口次方成正比( 2 s 口s 4 ) ，m t p r 会选择具有更多跳数的路由，这 会导致更大的传输延迟和路由不稳定概率的增加。为解决这个问题，可在计算总 传输功率时加入接收节点接收包时消耗的功率，并采用分布式b e l l 眦n f o r d 算 法使得路由的选择更加合理。 s t o j m e n o v i ci 等人提出的p l r ( p o w e r a w a r el o c a l i z e dr o u t i n g ) “”协议是 基于节点的位置信息来选择总传送能量最小的路由，它假设源节点知道它的邻居 节点以及目的节点的位置信息，根据节点间计算传送能量的公式：p ( d ) = 口扩+ c ( a 和c 是常量，d 是节点问的距离) ，可得当源节点和目的节点之间的节点以等 距离分布时所消耗的总传送能量是最小的。源节点可根据与邻居节点直接传送消 耗的能量和邻居节点到目的节点的最小传送能量之和选出最小值决定下一跳，然 后用递归算法获得总传送能量最小的路由。 j a v i e rg o m e z 等人提出的p a r 0 “”( p o w e r a w a r er o u t i n g0 p t i m i z a t i o n ) 协议也是在每两个节点之间选择一条传送能量最低的路由，它规定在链路层上的 控制报文用最大功率发送，数据报文和a c k 用最小功率发送。 2 4 最大化网络生存时间的节能协议 2 4 1 考虑节点电池能量的节能协议 考虑节点电池能量的路由协议一般综合考虑了五种度量中的第二种和第三 种，会让网络中的所有节点的电池能量差异最小，尽量使负载均衡，避免关键节 点过早死亡，使得网络生存的时自j 最大。 埘b c r “”( m i n 脑xb a t t e r yc o s tr o u t i n g ) 协议根据节点剩余能量，尽量避 免使用“瓶颈”节点转发包，节点的剩余能量越低，它就越不情愿去转发包。姗b c r 是把一条路由上具有最小剩余能量的节点作为标记节点，再在候选的路由集合中 1 0 硕士学位论文第二章移动自组网节能路由协议研究 找出标记节点电池能量最大的路由作为最后的路由。 岫c r 选择剩余电池能量较多的节点来转发包，延长了整个网络的生存时间， 但它不能保证所选择的路由的总传送功率最小，造成了一定的能量浪费。因此又 提出了伽b c r 1 协议，它同时考虑了路由的总传输功率和节点的剩余能量。若 候选的路由集中存在所有节点的剩余能量均大于某阈值，的路由，就会用m t p r 协议从中选择一条总传输功率最小的路由，否则就采用删b c r 协议选择剩余能量 较多的节点来转发包，延长整个网络的分区时间。 w 0 0 k 等人提出的l 队r “”( l o c a l i z e de n e r g ya w a r er o u t i n g ) 协议基于 d s r 协议，由节点根据自身的剩余电池能量来决定是否参加路由。源节点发出路 由请求进行路由发现，接到请求的节点只有当剩余能量大于阈值t k 时才转发请 求包，若源节点找不到合适的路由，则再次发出路由请求，接到请求的节点均降 低其阈值，再对其进行判断来决定是否参加路由 l iq 等人提出的0 姗“”( 0 1 1 l i n em a x - m i nr o u t i n g ) 协议优化了网络节点的两 个不同的度量：能量消耗的最小化和剩余能量的最大化。它首先用最短路径算法 找出源节点到目的节点问具有最小传送能量p _ 。的路由，然后找出源节点到目的 节点之间的总传送能量小于z p - 。( z 1 ) 的所有次优候选路由集，从中选出标记 节点能量最大的路由来传送数据。 2 4 2 考虑每个包代价的节能协议 为了优化网络性能，要尽可能的延长网络生存时间，这仅凭网络中单个节点 的剩余电池能量及每个包的传送能量为度量是不够的，我们需要将许多因素综合 考虑，构造一些代价函数，根据它们来保证选择的路由尽可能少的使用了能耗极 低的。瓶颈”节点。 由于网络中不同时刻通过各个节点的流量并不相同，若某时刻节点有较高的 剩余能量，它对接收到的路由请求信息均转发处理，这导致瞬间大量的流都选择 它作为中间节点转发，节点能量迅速耗竭，网络过早出现分区现象。为了解决这 一问题，许多协议根据不同时刻节点的剩余电池能量以及通过它的流量负载情况 预测节点的剩余生存时间，构造代价函数，以此来判断此节点是否参加迸一步的 路由。根据这些特点我们把考虑每个包代价的节能协议又分为无预测的和基于预 测节能协议。 ( 1 ) 无预测考虑包代价的节能协议 m m a l e k i 等人提出的p sr 【”1 ( p o w e r - a w a r es o u r c er o u t i n g ) 协议是一种按需 的源路由协议，它根据公式( 2 一1 ) 构造每个节点的综合代价函数： 硕十学 守论文第二章移动自组网节能路由协议研究 = 只 南厂 矧z 叫 其中n 是节点i 的传送能量只节点i 的初始能量，e ，。是节点i 的剩余电池 能量，p s r 协议根据每个节点计算出来的代价函数值求出候选路径包含的所有节 点的代价函数值的总和，从中选择具有最小值的路由进行传输，它综合考虑了每 个包最小的传送能量以及节点能量消耗的平均分配，以达到延长网络生存时日j 的 目的。 c h a n gj _ h 等人提出了f ar f 嘲( f 1 0 wa u g m e n t a t i o nr o u t i n g ) 路由协议，为 每条链路构造了代价函数：f 2 矸”( 单个流传送消耗的能量，e 和e 分别 表示节点的初始电池能量和剩余电池能量) ，据此机制可找出剩余电池能量比较 大而单个流需消耗的能量比较少的路由。 ( 2 ) 基于预测的考虑包代价的节能协议 m o r t e z a l e k i 等人提出l p r “”( l i f e t i m ep r e d i c t i o nr o u t i n g ) 协议用 s 姒( s i l i i p l em o v i n ga v e r a g e ) 方法预测最近的n 个剩余能量值以及相对应的时 间值，以此得出最近n 个剩余能量值变化期间的平均能量消耗速度，然后根据公 式( 2 2 ) 预测网络中除目的节点外的所有节点的生存时间： z ( f ) ：- 兰牡公式( 2 2 )z ( f ) = 兰斗公式( 2 2 ) 高。吾，p ) ( e ，。( ，) 是t 时刻节点的剩余电池能量，分母是根据预测的n 个值得出的能量消 耗速度) l p r 将每条路径上具有最低预测生存时间的节点作为标记节点，然后在候选的路 由集中选择标i 己节点的值最大的路由来传送数据。 d o n g k y u nk i m 等人提出的m d r ( m i n i 汕md r a i nr a t e ) 协议引进了能量流 失率( d r a i nr a t e ) 度量，网络中的各个节点每隔t 秒都会预测其能量流失率( 每 秒消耗的能量) ，然后根据此时刻的剩余电池能量与能量流失率的比值预测当前 节点可能存活多少时间，再根据最小最大算法找出最佳路由。 由于m d r 使得网络负载均衡分布，但使用的并不一定是最小传送能量的路 由，所以d o n g k y u nk i m 等人又在r 的基础上提出了c m d r 啪1 协议，若候选的路 由集中存在所有节点的预测生存时日j 均大于某一临界值的路径，则按m t p r 协议 从中挑出总传送能量最小的路由，否则用岫r 选择生存时间长的路由来传送数 据。 硕士学位论文第二章移动自组网节能路由协议研究 l 锄i ar 鲫d h a n i 等提出了a o d v - e n e r g 胁1 机制，它在权衡节点生存时间的同 时考虑了延时，在路由的最大生存时间和数据传送质量之间作了一个权衡，根据 平均每跳的能量消耗选择一条路径生存时问相对长而所需跳数相对少的路由。 a m i s r a 等人提出的m r p c 3 ( m a x i 咖mr e s i d u a lp a c k e tc a p a c i t y ) 协议不 仅考虑了节点剩余电池能量，而且考虑链路参数即链路的通道特性。凇p c 机制 能与很多自组网路由协议相结合。它定义的某时刻的链路代价是假设此时无其它 n 通过节点的流，节点能传送的理想的最大包数：e ，= ，其中层是节点参数， ” 乜i j 表示节点剩余电池能量，而e 是链路参数，表示在此链路上可靠传送一个包所 需的能量，它和发射功率与包出错率有关。m r p c 将代价函数值定义为节点的生 存时问，然后根据最小最大算法选择路径生存时间最长的路由传送数据。 2 5 比较分析 表2 1 移动自组网节能路由协议比较 分类方法协议目标缺点 盯p r 3 最小化总传送能容易过早产生 最小化总传输能量p l r 4 量，但不考虑节点网络分区，路由 自身的剩余能量不稳定概率增 p a r o 5 情况加 考虑节点 m 憾c r 6 根据节点剩余的 总传送能量增 l 队r 7 电池能量判断，避 加，网络可能过 电池能量免剩余能量少的 0 删 8 早分区 节点参加路由 最大 综合节点初始能总传送能量增 化网 无预p s r 9 量、剩余能量以及加，且未考虑网 络生 测f a r 1 0 传送能量共同判络流量负载，网 存时考虑 断节点是否参加络也易产生分 间每个 路由区 包代 价 l p r 1 1 综合考虑了网络 基于m d r 1 2 流量状况、链路状总传送能量增 预测a o d v e n e r g 1 4 态及节点自身的加，不可避免一 能量共同判断节些能量浪费 m r p c 1 5 点是否参加路由 硕士学付论文 第二章移动自组网节能路由协议研究 一种好的节能机制一般想要实现两个目标：最小化总的传送能量和最大化网 络生存时间，但若想在同一节能机制中同时实现这两个目标是不可能的，因为同 时实现这两个目标是个n p 难问题。 最小总传送能量的节能协议在选择路由时，要求组成该路由的多跳链路上 每一跳的传输功率尽可能小，每个包在转送过程中所消耗的能量是最小的，所以 最小总传送能量的节能协议可以降低网络总的能量消耗，但它们没考虑各节点的 剩余电池能量，无法避免多条最小总传送能量路由选择同一节点，这使得一些 c u t s e t 集合中的关键节点频繁的参加最小传送能量路由，从而过早的耗尽能量 导致网络分区。而且节点间传送一个包所要消耗的能量可用公式p ( d ) = 耐4 + c ( a 和c 是常量，d 是节点间的距离) 来计算，两节点距离大时口取值为4 ，否 则取值为2 。通过这个公式可以得出对于一段相同的距离，采用更多的跳数所消 耗的能量更少，所以总传送能量最小的路由一般要经过更多的跳数，但是路由上 的节点增多会导致更大的传输延迟和路由不稳定概率的增加。 最大化网络生存时日j 的节能协议是从节点剩余电池容量的角度出发，尽量减 少对网络中某些节点的过度使用，延长了网络的整体寿命。但这样选择的路由没 有考虑传输功率的问题，会造成定的能量消耗浪费： 考虑节点电池能量的节能协议根据网络中各节点的剩余电池能量情况，尽量 避免使用剩余电池容量较低的节点参加路由，但它并不能保证找到的路由所耗费 的总传送能量最小，而且由于仅考虑节点剩余能量，没有结合考虑网络的流量变 化情况以及链路本身的一些特性，它不能避免关键节点因过多的使用而死亡，网 络过早产生分区现象。 无预测的考虑每个包代价的节能策略一般将几个度量综合考虑，构造一个综 合的代价函数做度量，根据这些更准确的避免使用能量较低的节点，如在最小化 总的传送能量和最小化节点之间的能量差异之间寻找一个权衡点。当然这些节能 策略也没考虑在不同时刻通过节点的流量变化情况，容易出现节点能量突然问急 剧下降的情况，不能达到最大化网络生存时间的目的。 而基于预测的考虑包代价的节能策略综合考虑了网络流量状况、链路状态及 节点自身的能量变化情况，绕开“瓶颈”节点参加路由，它能实现最大化网络生 存时自j 的目标。但它也不能保证所需的总的传送能量最小，不能减少一些不必要 的能量浪费。 一种好的节能机制要在最小化总传输能量和最大化网络生存时间两者之间 找到一个权衡点，根据节点不同的状况综合几种节能策略以达到最优的效果，如 分条件机制c 姗b c r 和c m d r 能由节点根据自身的剩余电池能量或预测的剩余生存 时间来决定采用不同的机制实现不同的目标。 硕士学位论文第二章移动自组网节能路由协议研究 2 6 未来的研究方向 目i i i 存在的许多节能策略一般只针对某个具体的目标，如m t p r 只考虑最小 化每个包的传送能量，吣c r 只考虑节点的剩余电池能量等等，在以后的研究中， 要尽可能全方位的考虑各方面的因素，将多种度量结合形成综合的协同策略。并 且移动自组网体系结构是采用传统的分层结构，目前的节能策略只能使用某个协 议层的信息并在该协议层上实现局部最优，所以未来的目标要跨层联合设计节能 协议，对各层的能量消耗进行能量联合优化，以达到全局网络性能最优。 移动自组网由于采用无线信道、有限的电源、分布式控制等原因，比有线网 络更易受到安全性的威胁，如一些恶意节点会针对有限的能量对其它节点发起拒 绝服务攻击( d o s ) ，这就要求我们在设计节能策略时，要同时考虑网络的安全性。 但要提高可靠性和安全性，能量消耗的必将更多，因此在以后的协议设计中，要 很好的平衡这一矛盾，根据实际情况制定不同的安全等级的节能策略。 当移动自组网中的节点能量消耗尽或者当节点移动出了另一节点的传输范 围时，两节点间的链路会断裂导致重路由，极大的消耗了移动自组网有限的网络 资源，也容易造成网络的拥塞，所以要综合考虑节点的移动性和能量受限性，设 计链路稳定度高而且节能的协议，最好再考虑网络的安全特性，将移动自组网的 移动性、易受攻击性和能量受限性三大特性结合起来设计最适合的路由协议。 硕七学位论文第：牵基于l 盯和节点生存时间预测的路由协议 第三章基于l e t 和节点生存时间预测的路由协议 本章中作者提出了一种基于l e t 和节点生存时间预测的路由协议 c l m p p ( c o n s i d e r i n gl e t 妣n l i f e t i i i i ep r o t o c o lw i t hp r e d i c t i o n ) ，它将节 点的运动特性与节点的能量受限特性结合起来，通过预测链路保持连接的时间 l e t 和节点的生存时间，在候选路由集中选择一条既能稳定传送数据又能延长网 络生存时间的路由。模拟测试果表明了此算法获得更高的数据传送率以及更少的 断裂链路数，大大的改善网络的总体性能。 3 1l e t ( l i n ke p ir a t i o nt j m e ) 预澳0 模型 由于l e t 的预测适用于任何节点任何形式的运动，不受节点运动模型的局 限，所以使用范围很广。传输链路保持连接的时间l e t 州的预测模型如下： 假定在移动自组网中所有节点的有效传输距离相同，均为r ，节点的信号传 输能力一致，信号的强度仅与信号的传输距离有关。所以在某一时刻，链路保持 连接只需要两个节点之间的距离小于节点信号的有效传输距离r 。假设在在某时 刻节点i ，j 之间可直接通信，且已知节点i ：位置为( x 。，y 。) ，速度v 。方向o 。； 节点j ：位置( x 。y j ，速度v ，方向e ，。则预测节点i ，j 保持连接的时间l e t 为： l e t ：型! ! ：! ：壁：! 罂：彗! ：! ! ! 塑!公式( 3 1 ) a + c 其中a = v t c o soi v j c o soj ；b = x t x j ；c =