一种新的协作的路由协议：C-DSR.doc

一种新的协作的路由协议：C-DSR*王 英1,2，黄 群1,2，李 云2，曹 傧3（1重庆邮电大学计算机科学与技术学院，重庆 400065 ; 2重庆邮电大学移动通信技术重点实验室，重庆 400065 ;3电子科技大学通信抗干扰技术国家重点实验室，成都 610000）摘要：近年来，协作通信在物理层和MAC层的优势已得到充分的研究，然而其在高层的研究较少，如网络层。本文主要研究如何将协作通信的优势应用于网络层，通过对DSR路由协议的进行修改，本文提出了一种C-DSR路由协议。C-DSR路由协议通过协作来优化传输路径上的瓶颈链路，从而改善整个传输路径的性能。在NS2上的仿真结果表明，C-DSR路由协议相比于DSR路由协议和全路径协作的路由协议具有更好的性能。关键字： 无线网络；协作通信；路由协议中图分类号：TP393 文献标志码：A 文章编号：A New Cooperative Routing Protocol: C-DSRWANG Ying1,2, HUANG Qun1,2, LI Yun2, CAO Bin3(1 College of Computer Science and Technology, Chongqing University of Posts and Telecommunications, Chongqing 400065, China; 2 Key Lab of Mobile Communication Technology, Chongqing University of Posts and Telecommunications, Chongqing 400065, China; 3 National key Laboratory of Science and Technology on Communications, University of Electronic Science and Technology of China, Chengdu 611731, China)Abstract：In recent years, the advantages of collaborative communication in the physical layer and MAC layer has been fully studied, but rarely work consider up-layer like network layer. This paper studies how to apply the advantages of collaborative communication into the network layer, by modifying DSR protocol, we propose a C-DSR routing protocol. C-DSR routing protocol can optimize the bottleneck link in the transmission path by using collaboration, thereby improving the performance of the entire transmission path. And the simulation results show that the C-DSR routing protocol has better performance compared to the DSR protocol and the full path collaboration routing protocol.Key words：Wireless Network; Collaborative Communication; Routing Protocols键入文字0引言在无线环境中，由于无线链路的动态、时变和丢失特性，使得无线链路通信质量较差且稳定性较低，这对提高无线网络的吞吐量和传输可靠性提出了严峻的考验1。现有的研究文献表明，在无线多跳网络中采用协作中继2、3、4，可以提高无线链路的传输速率及改善无线传输可靠性并且可以节省数据传输能耗，从而改善整个网络的性能。图 1-1 例图我们考虑上图1-1所示的情形，假设路径S-A-B-C-D是由传统路由协议（如DSR、AODV等）选出来的一条从源节点S到目的节点D的传输路径，图中的数字代表链路容量。由图论知识可知，A-B段链路是此路径的瓶颈，要想改善此路径的吞吐量必须改善链路A-B的容量。如图所示，假如在链路A-B段上存在协作节点R，则我们可以通过协作来改善其链路容量，以此来改善此路径的吞吐量。本文通过对DSR路由协议进行修改，提出了一种可以解决上述问题的C-DSR路由协议，并通过仿真验证其具有较好的性能。1相关工作迄今为止，学者们已径提出了许多适应于无线多跳网络的单播路由协议，如DSR、AODV、TORA和DSDV等，然而对于上述问题，这些路由协议都未给予考虑。随着对协作通信研究的不断深入，也有学者提出了一些适于协作通信的路由协议，如基于安全的协作路由算法CSER5，还有基于节能的协作路由算法：Fulu Li等人证明了最小能量协作路由(MECP)问题是NP完全问题，并在此基础上提出了协作最短路径算法(CSP)6算法；文献7提出了一种在满足一定链路中断概率的能量高效的空时编码协作路由算法，其利用分布式或集中式的功率分配方案来降低网络的能耗；与此类似的还有Hu等人提出的基于功率控制的协作路由协议(PC-CORP)8、最小功率协作路由(MPCR)9、MPSDF10等。现有的协作路由算法大多基于节点发射功率的控制，通过动态调节节点发射功率来节约节点能量、提高能量效率，从而达到延长网络寿命的目的。然而在实际应用上，动态网络中的节点很难做到根据情况动态调整发射功率。与此同时，若对整个路径都采用协作传输，这必会加重网络中节点之间的干扰，降低整个网络的性能；且若在瓶颈链路段根本不存在协作节点，则对其它链路段进行协作优化的效果将不明显。2网络模型2.1协作传输模型本文我们采用的协作传输模式为单中继协作通信模式,具体的协作节点选择方法可以参考相关文献11-12。如下图2-1所示，、和为信道增益因子。图2-1 单中继协作传输模型数据发送过程分为两个时隙，第一个时隙为源节点S采用广播的形式广播数据包，此时中继节点R和目的节点D均能侦听到广播，目的节点对收到的数据包只暂存，不做其它处理；中继节点R对接收到的数据进行相关处理，准备转发；第二时隙为中继节点R采用单播的形式将第一时隙侦听到的并径过处理的数据包发送至目的节点；最后目的节点D对前两个时隙接收到的数据进行联合处理。对于上述传输方式，当采用直传时其信道容量可表示为 (2-1)当采用解码转发方式进行协作传输并考虑空时编码，其信道容量可以表示为 (2-2)其中为带宽，、分别为源节点S和中继节点R的发送功率；、分别为源节点和目的节点之间的信道增益、源节点和中继节点之间的信道增益以及中继节点和目的节点之间的信道增益；（这里假设）为高斯白噪声功率。2.2网络中数据包发送过程数据包发送过程如下图2-2所示，其分为两种情况：当节点间采用直接方式传输数据时，其流程为：RTS-CTS-DATA-ACK。而当节点间采用协作的方式传输数据时，其过程为：RTS-HTS-CTS-DATA-DATA-ACK。图 2-2 数据包发送过程3路由协议3.1协作表为了选出最佳协作传输节点，网络中的每个节点都会维护一个最新协作表，其类似于文献1213，细节可以参考相关文献。协作表的结构如下，其包含6个部分：源节点地址、从源节点到目的节点的可用的协作节点地址、直接传输信道容量（）、协作传输信道容量（）、此协作节点协作失败的次数和更新时间。其中，本节点即为目的节点。表 1 协作表源节点地址协作节点地址失败次数更新时间S1R1Rn。SnRRn为了使协作表尽可能的小，每个源节点（如表中S1节点）仅保留4个有效的协作节点，其满足，且按差值按降序排列，和按公式2-1和2-2计算。当任意协作节点协作失败，则其协作失败次数加一；而当一个协作节点的协作失败次数到达最大值时，源节点会在协作表中将此协作节点删除；而当任意一个协作节点协作成功，则其协作失败次数会重新归零。更新时间是节点更新此项协作信息的时间。3.2路由优化算法本文我们采用以下方法来优化，主要步骤有：（1）首先计算出此路径的瓶颈容量和路径平均容量，然后通过公式计算出每段链路容量与路径平均值容量差的平均值。（2）若，同时满足此链路段存在协作节点且此链路段未被优化，则对此链路段进行协作优化，提升链路容量，并更新对应链路段的容量，标记此段为已优化。（3）重复1-2步骤。算法整体流程图如下：图 3-1 优化算法流程图3.3路由过程3.3.1源节点的CRREQ处理当某节点有数据要发送时，其广播一个CRREQ包。CRREQ包的结构如表3-1所示，其包含目的节点IP地址、源节点IP地址、CRREQ包的ID号、路径节点地址及其对应的协作信息。CRREQ包的唯一识别是由源节点IP地址和CRREQ包的ID号决定。表 3-1 CRREQ包结构类型可选项长度识别号目的节点地址地址1协作信息地址2协作信息地址n协作信息CRREQ包中除了增加的协作信息项，其他项的含义和设置与普通的RREQ包一样。其中，协作信息项用于记录和。3.3.2中间节点对CRREQ包的处理中间节点对收到的CRREQ包的处理步骤如下：（1） 如果此节点已经收到过此CRREQ包，则丢弃此CRREQ包；（2） 如果此节点的IP地址已经在CRREQ包的路由地址里面，则丢弃此CRREQ包。（3） 如果此节点是目的节点，则此节点进入CRREP包处理进程。（4） 如果不是以上情况，先从CRREQ包中取出上一地址项，并在本节点的协作表中查询与之对应的协作信息，若有，则更新上一地址对应的协作信息，若无，则此时。（5） 将此节点IP地址写入CRREQ包的路由地址项，广播更新后的CRREQ包。3.3.3目的节点的CRREP处理目的节点根据前面的优化算法优化收到的CRREQ包,然后回复对应的CRREP包。CRREP包的结构如下表 3-2 所示。表 3-2 CRREP包结构类型可选项长度L保留位地址1协作回馈信息地址2协作回馈信息地址n协作回馈信息CRREP包中除了增加的协作回馈信息项，其他项的含义和设置与普通的RREP包一样。其中，协作回馈信息的值取0或1。取值0表示此节点不需采用协作传输，取值1表示此节点采用协作增加信道容量。4性能评估4.1仿真环境使用版本为2.35的NS2仿真软件，仿真拓扑如图 4-1所示，节点间的速率配置采用802.11b，节点间的连线表示此节点对可以相互通信，其上数值表示链路段容量。其中S为源节点，D为目的节点。路由判据采用最少跳数准则,仿真结果取多次平均值。图 4-1 仿真拓扑图4.2仿真结果与性能分析首先我们来对比C-DSR和DSR，对于图4-1所示拓扑，按DSR路由协议，则其会选择S-A-B-C-D作为传输路径，而C-DSR协议会在B-C段和A-B段采用协作来优化瓶颈链路。其吞吐量和分组平均延迟对比如下：图 4-2 吞吐量对比图图 4-3 分组平均延迟对比图由图4-2和4-3可知，在数据发送速率低于200（Kbit/s）时，C-DSR和DSR端到端吞吐量一致；然而，当数据发送速率高于200（Kbit/s）时，由于C-DSR在瓶颈链路和次瓶颈链路采用协作传输，C-DSR的吞吐量要高于DSR。对于分组延迟，在数据发送速率低于200（Kbit/s）时， C-DSR和DSR都能保持较低的分组平均延迟，由于协作链路的存在，C-DSR要高于DSR；然而，当数据发送速率高于200（Kbit/s）时，由于瓶颈链路的存在，DSR的分组平均延迟急剧增加，而C-DSR则仍能保持较低的分组平均延迟。为了说明C-DSR路由协议和现在有的其他协作路由协议（我们成为全路径协作路由协议）的区别，我们对图4-1的拓扑进行修改，将B-G段和C-G段链路容量由11Mbs改为1Mbs，对于C-DSR路由协议来说，由于B-C段链路不存在协作，所以其会选择则其会选择S-A-B-C-D作为传输路经，而对于全路经协作路由则会在A-B段进行协作传输（因为其满足协作条件），他们的吞吐量对比如下：图 4-4 吞吐量对比图由图4-4可知，由于在瓶颈链路不存在协作优化，所以全协作路由对次平均链路的优化对吞吐量的提升不明显。为了进一步说明C-DSR和全路径协作路由的区别，我们在1010的网格拓扑进行仿真分析，拓扑如下图：图4-5 1010网格拓扑网格间连线表示两节点间可以相互通信，仿真时节点间的链路容量配置我们按802.11b随机配置。设置多条随机选择数据流对C-DSR和全路径协作两种协议在单条流平均吞吐量和单条流的平均参与传输节点数进行仿真分析，数据发送速率固定为250（Kbit/s）,其结果如下：图 4-6 平均吞吐量对比图图 4-7 平均节点数目对比图由图4-6可知，在多数据流存在时，单位数据流的吞吐量C-DSR协议要比全路径协作路由高，这是因为在平均链路段不存在协作时，C-DSR协议将不会对次瓶颈链路进行协作优化，而全路经协作路由则会对满足条件的次瓶颈链路段进行协作优化，然而这种优化对这个通信链路吞吐量的提升并不明显，且可能会影响其它通信链路。这也可以从图4-7中的每条数据流中参与数据传输的平均节点数目看出，整体上C-DSR协议要比全路径协作路由的数目少。5结论本文通过对DSR路由协议进行修改，提出来一种具有协作优化特性的C-DSR路由协议；并通过仿真分析表明C-DSR协议比DSR协议具有更好的网络性能，且C-DSR协议相比于与全路径协作的路由协议也具有更佳的网络性能。参考文献1 田克, 张宝贤, 马建, 等. 无线多跳网络中的机会路由J. 软件学报, 2010, 21(10): 2542-2553.2 COVER T M, El GAMEL A . 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