一种自组织网络能量平衡路由协议

引言

移动AdHoc网络(MobileAdHocNetwork，MANET)是一种特殊的通信网络，该网络中没有中心基站的控制。移动AdHoc网络中的节点间以多跳的方式进行通信。也就是说,每个节点本身不仅可以充当路由器转发数据，同时也是一个终端节点，可以发送或接收数据包。由于网络中节点位置可以移动，其拓扑会不断地发生变化。在AdHoc网络中，移动节点大多是小型便携式设备，这些节点通常由电池提供动力，所以整个网络是一个能量受限的系统。因此，在无线AdHoc网络中，节能的路由协议是很重要的。

传统的无线自组网按需平面距离矢量路由协议(AdhocOnDemandDistanceVector，AODV)倾向于选择最小跳数的路径。如果最小跳数的路径总是包括相同的节点，那么这些节点的能量就会很快耗尽。当过多的节点能量被耗尽时，剩下的节点将无法有效地进行通信，然后整个网络就很可能是分散的。因此，在能量受限的网络中，如何平衡节点的能量消耗成为研究AODV路由协议的一个重要课题。

现在已有许多论文提出了各种能量均衡的方法以解决上述问题。一些文章提出了采用整个链路的最小平均能量或总能量作为最佳路径选择时的指标。然而在这些论文中，作者并没有考虑到对低能量节点的保护问题。所以都不能很好地解决上述问题，一些节点的能量仍然会很快耗尽。

针对以上问题，本文提出了分级能量平衡AODV路由协议(GradedEnergyBalancingAODV，GEB-AODV)。即存在GEB-AODV路由协议中，根据节点的剩余能量，将节点分为几个等级，不同的等级有不同的成本系数。低能量的节点成本系数较大，相应地，高能量的节点成本系数较小。目标节点将优先选择总成本系数最小的路径。采用GEB-AODV路由协议,整个路径将包含更多的高能量节点和更少的低能量节点通过此方式，整个网络的能量得以均衡，网络的生存周期得以延长。

1AODV路由协议

AODV路由协议是一种按需路由协议。它包括路由发现和路由维护两个过程。尽管它是一个成熟的无线网络路由协议，但在能量受限的应用场合仍有缺陷。

当一个节点向目标节点发送数据包并进行路径选择时，它将向邻节点广播路由请求分组(RouteRequest，RREQ)。邻节点在收到RREQ请求后，将生成到源节点的反向路径。然后,邻节点将判断其是否是目的节点，或是它有到目标节点的新路径。如果它是目标节点，将以单播方式向源节点返回一个路由应答分组(RouteReply，RREP)，否则它将继续转发RREQ。当源节点接收到该RREP时，源节点和目标节点间的路线就可以使用了。

路由维护是通过使用路由错误(RouteError，RERR)消息和Hello消息实现的。活跃链路上的每个节点必须周期性地向其邻节点广播Hello消息，以此来检测活跃链路上相邻节点的连接状况。如果某节点在规定的最大时间内没有收到相邻节点的Hello消息，就认为链路连接失败。此时，该节点发起一次指向邻节点的局部路由修复过程，如果局部路由修复失效，贝筋节点向源节点和目的节点发送RERR消息。当源节点接收RERR包时，它将再次发起路由发现过程。

AODV路由协议以最小跳数作为路径选择的指标，而不考虑节点的能量消耗问题。一些位于热区或中央区域的中继节点将被许多路线频繁使用，这些节点的能量将被很快耗尽,会使得网络生存期的减少，链接失败的概率提高，增加系统的开销以及源节点的发起频率，降低了分组递交率凯

2GEB-AODV路由协议

在GEB-AODV路由协议中，为使网络的能量平衡建立一个能量分级模型。从这个模型中，能得到一个总成本系数变量，然后将这个变量添加到修订的RREQ包结构中。当第一个RREQ数据包到达目标节点时，启动计时器（计时器的时间是事先给定的）在此期间，可能有多个RREQ数据包从相同的源节点到达这个目标节点。然后目标节点就会从这些RREQ数据包中提取有用的信息，并将其保存到RREQ存储表（RREQ-ST）中。当计时器计到给定的时间时，目标节点就会根据RREQ-ST表格的信息，选择总成本系数值最小的路线。2.1能量分级模型

假设网络中的每个节点具有相同的初始能量值E。，并设Ei是节点n的剩余能量。我们根据节点的剩余能量，把这些节点划分为4个等级。不同的等级有不同的成本系数（CostCoefficients，CC）。等级划分的方法如表1所列。

表1中，从等级1级到等级4共有四个等级。于此同时,有四个相应的能量范围和四个相应的成本系数。在这个模型中,ai>a2>a3并且bi<b2<b3<b4„也就是说，低能量的节点成本系数较大，高能量的节点成本系数较小。采用这种机制的优点就是，可以减少低能量节点的使用频率，从而起到保护低能量节点的作用。另一方面，可以选择高能量节点作为中继节点，优先消耗能量较大的节点，从而起到了使整个网络能量均衡的效果。

GEB-AODV中RREQ报文结构

GEB-AODV中RREQ报文结构应进行修改。相对于AODV协议，GEB-AODV在RREQ报文的末尾增加了总成本系数（TotalCostCoefficients，TCC）。当RREQ报文在网络中传输时，需要不断更新TCC字段的值，当一个节点接收到RREQ包，TCC进行更新的方法如下：。

上式中，TCCnew表示更新后的总成本系数值，TCCold表示之前的总成本系数值，CC表示当前收到RREQ包时的成本系数值

RREQ存储表

为了保存从目标节点中提取有用的信息，为每个源节点建立了RREQ存储表。RREQ存储表应该包含TCC的值，它可以用于路由选择。与此同时，它还应该包含根据所选的路线建立反向路径所需的信息。RREQ的存储表包括的信息包括：包计数器、源节点的地址、目标节点的序列号、源节点的序列号、时间戳、跳数、标记（用于标记该表是否有效）以及总成本系数。

应该注意RREQ存储表每时都在更新。如果一个RREQ包到达目标节点，就应该从这个包中提取有用的信息，并保存到RREQ存储表中。然后这个表的标记必须更新为无效的,如果一个存储表很长一段时间没有更新，那么，这个表就应该被删除。

GEB-AODV协议的路由查找过程

如果一个源节点没有通向目标节点的有效路由，它将通过发送RREQ消息发起路由查找过程。如果一个中间节点接收到了RREQ消息，它会在转发前更新TCC字段。这里更新和转发RREQ消息的过程与AODV相同。然而中间节点即使有通向目标节点的有效路由，也不再回复RREP消息。目标节点负责所有路由应答任务。

同AODV协议里的一样，目标节点应该首先根据该数据包是否由其本身生成的，来判断其是丢弃或是接收。然后目标节点把从RREQ消息中提取到的有用的信息保存到RREQ存储表中。假如这个消息是针对某个源节点的第一个RREQ消息（即包计数器为0的数据包），这时开启源节点的定时器。同时包计数器加1。如果它不是第一个数据包，则只把包计数器加1。

当定时器定时溢出后，目的节点将在RREQ存储表中根据TCC最小的原则找到一条最优的路由。假如有两条以上的路由有相同的TCC，则选择最先到达目的节点的路由为最佳路由。当最佳路由找到后，可以利用这条最佳路由更新反向路由并向源节点发送RREP消息。此时，存储表中关于该源节点备用路由变为无效，需要立即删除。

3仿真和分析

本文使用NS2仿真软件来仿真AODV以及GEB-AODV路由协议。在仿真中设置不同的移动速度;节点停留时间为5s；在最佳路径选择之前，目的节点定时器定时值为60ms；能量系数aw,分别为0.75、0.5、0.25；代价系数bl'bM、分别为1、2、4、8。通过这样配置参数，成本系数将随着剩余的能量的减少而呈指数增加，从而更好的保护剩余能量较小的节点，实现整个网络的能量均衡。部分参数的设置如表2所列。

表2仿真参数

本文主要对能量耗尽的节点数、第一个节点的生存期、分组投递率和平均端到端时延等性能指标进行了仿真分析。图1所示是在最大移动速率为30m/s的仿真条件下得到的随时间耗尽能量的节点数比较曲线。

随着时间的推移，GEB-AODV路由协议会出现能量耗尽的节点数的增长速度较AODV相对迟缓。原因就是AODV路由协议是以最小跳数选择路径的，能量不均衡导致一些节点的能量过早地耗尽。而GEB-AODV路由协议是根据最小的总成本系数值进行路径选择的，这种方法可以有效地保护低能量的节点，从而延长整个网络得到生存周期。图2所示是其分组投递率比较曲线。

从图2可以看到，GEB-AODV路由协议在各种移动速度下的分组投递率都要高于AODV，这意味着GEB-AODV路由协议有更高的传输效率。一方面，该算法提高了路由连接的稳定性，减少了由链路失败造成的包丢失率。另一方面，由于能量均衡机制，很多的节点的生存期更长了，所以在仿真的后期,这些多余的节点能提供更可靠的数据传输。

图3所示是端到端平均时延的比较。图3表明：GEB-AODV路由协议的端到端平均时延比AODV更小。虽然GEB-AODV路由协议并不是选择最小时延的路径，但它，选择的是最稳定的路径。这种方式可以减少链路失败时，路由维护过程带来的延时。另一方面，节点生存期的延长，进一步减少了由于路由查找失败带来的延时。

从仿真结果可以看出，在能量受限的系统中，GEB-AODV路由协议能够延长网络的生存期，增大分组投递率,同时减少端到端平均延时。

4结语

本文基于AODV路由协议，提出了分级能量平衡的路由协议。在这个协议中，能量成本系数用来平衡网络的能量。在GEB-AODV路由发现过程中，中间节点计算总成本系数值,然后将其保存到修改的RREQ消息中并转发。目标节点从RREQ存储表中选择总成本系数值最小的路径。NS2仿真结果表明，在能量受限的系统中，改进算法较传统的AODV路由协议有更好的性能。

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