基于穩(wěn)定鏈路的移動(dòng)AdHoc網(wǎng)絡(luò)路由算法

黃波 張小華

摘 要： 移動(dòng)自組織網(wǎng)絡(luò)（MANETs）是無(wú)基礎(chǔ)設(shè)施、由移動(dòng)節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)。MANETs的移動(dòng)特性給路由協(xié)議的設(shè)計(jì)提出挑戰(zhàn)。為此，以典型的按需路由（AODV）為基礎(chǔ)，提出基于鏈路穩(wěn)定的MANETs路由協(xié)議，記為L(zhǎng)SR。首先，分析了AODV的路由過(guò)程和不足，再計(jì)算節(jié)點(diǎn)能量壽命和鏈路壽命，然后通過(guò)比較能量壽命和鏈路壽命，構(gòu)建候選轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)集，最后，從鏈路穩(wěn)定性角度，選擇下一跳轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，提出的LSR協(xié)議降低了路由開(kāi)銷(xiāo)，提升了吞吐量。與AODV相比，LSR協(xié)議的路由開(kāi)銷(xiāo)降低了近50%，吞吐量提高了23%。

關(guān)鍵詞： 移動(dòng)自組織網(wǎng)絡(luò)； 路由； 按需路由； 鏈路壽命； 穩(wěn)定鏈路； LSR協(xié)議

中圖分類(lèi)號(hào)： TN915.05?34； TPT393 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2018）17?0090?05

Abstract： The mobile Ad Hoc networks （MANETs） composed of mobile nodes act as the dynamic network without infrastructure， and its mobile characteristic challenges the design of routing protocol. On the basis of the typical Ad Hoc on?demand distance vector （AODV） routing， the stable link based MANETs routing protocol （LSR） is proposed. The routing process and deficiency of AODV are analyzed， and then the energy lifetime and link lifetime of the node are calculated. The candidate forwarding node set is constructed by comparing the energy lifetime with link lifetime. The next?hop forwarding node is selected in term of link stability. The experimental results show that the proposed LSR protocol can reduce the routing overhead and improve the throughput. In comparison with AODV， the routing overhead of LSR protocol is reduced by 50%， and the throughput is improved by 23%.

Keywords： MANETs； routing； on?demand routing； link lifetime； stable link； LSR protocol

0 引 言

節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)性是移動(dòng)自組織網(wǎng)絡(luò)（Mobile Ad Hoc Networks，MANETs）[1?2]典型特性。由于節(jié)點(diǎn)自由移動(dòng)，MANETs拓?fù)涑蕜?dòng)態(tài)性變化。動(dòng)態(tài)變化的拓?fù)鋵?duì)數(shù)據(jù)傳輸路徑提出挑戰(zhàn)。因此，路由技術(shù)成為MANETs的研究熱點(diǎn)。由于節(jié)點(diǎn)通信半徑有限，節(jié)點(diǎn)需要通過(guò)多跳傳輸方式才能將數(shù)據(jù)傳輸至目的節(jié)點(diǎn)。換而言之，數(shù)據(jù)包攜帶節(jié)點(diǎn)需要從鄰居節(jié)點(diǎn)中選擇某個(gè)節(jié)點(diǎn)作為下一跳節(jié)點(diǎn)，從而逐步建立完整的數(shù)據(jù)傳輸路徑。將尋找最優(yōu)的下一跳轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)的過(guò)程稱(chēng)為路由發(fā)現(xiàn)。

現(xiàn)有的路由協(xié)議[4?5]主要有：表格驅(qū)動(dòng)型、按需以及混合型三類(lèi)。OLSR[3]，DSDV[4]就是典型的表格驅(qū)動(dòng)型路由。按需路由協(xié)議典型的有AODV（Ad Hoc On?demand Distance Vector）[5]，ABR[6]。按需路由協(xié)議是指只有當(dāng)節(jié)點(diǎn)需要傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，才啟動(dòng)路由發(fā)現(xiàn)工作。混合型路由是指結(jié)合表格驅(qū)動(dòng)型和按需型特點(diǎn)的路由，典型的有ZRP[7]，CEDAR[8]。

這些協(xié)議的主要差異在于路由發(fā)現(xiàn)機(jī)制的不同。表格驅(qū)動(dòng)型路由是預(yù)先建立路由表，然后依據(jù)查表傳輸數(shù)據(jù)包。按需路由是當(dāng)節(jié)點(diǎn)需要傳輸數(shù)據(jù)包時(shí)，通過(guò)傳輸路由請(qǐng)求（Route REQuest，RREQ）控制包和路由回復(fù)（Route REPly，RREP）包建立路由。

文獻(xiàn)[9]提出了基于鏈路生存時(shí)間的改進(jìn)路由協(xié)議（Enhanced Routing Protocol on Ad Hoc On?demand Distance Vector with Speed Variance， SV_AODV）。SV_ AODV路由協(xié)議計(jì)算每條鏈路的速度方差，再選擇速度方差最小的路徑傳輸數(shù)據(jù)，提高了鏈路的穩(wěn)定性。文獻(xiàn)[10]提出了AODV路由的改進(jìn)協(xié)議AODV_D。AODV_D協(xié)議考慮了MAC層的節(jié)點(diǎn)競(jìng)爭(zhēng)信息和接口隊(duì)列時(shí)延，降低了傳輸時(shí)延。文獻(xiàn)[11]提出AODV的優(yōu)化協(xié)議，基于單播和廣播結(jié)合策略，實(shí)現(xiàn)路由探測(cè)，通過(guò)降低廣播幀數(shù)量，增強(qiáng)路由穩(wěn)定性。文獻(xiàn)[12]提出了基于鏈路質(zhì)量的改進(jìn)AODV協(xié)議，通過(guò)設(shè)定鏈路質(zhì)量閾值，丟棄鏈路質(zhì)量差鏈路，提高了路徑穩(wěn)定性。

本文研究了AODV協(xié)議的不足，然后針對(duì)移動(dòng)自組織的特性，提出基于鏈路穩(wěn)定的MANETs路由協(xié)議，記為L(zhǎng)SR（Link Stable Routing）。LSR協(xié)議充分考慮了MANETs的移動(dòng)特性，從鏈路的穩(wěn)定性角度選擇下一跳轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，提出的LSR協(xié)議能夠有效地提高數(shù)據(jù)包傳輸率，并降低了端到端傳輸時(shí)延。

1 AODV協(xié)議及問(wèn)題描述

相對(duì)于其他反應(yīng)式路由，AODV協(xié)議具有一定的優(yōu)勢(shì)，具體而言，AODV協(xié)議是利用局部廣播發(fā)現(xiàn)路由。當(dāng)節(jié)點(diǎn)需要傳輸數(shù)據(jù)包，它首先向鄰居廣播RREQ包。一旦是第一次收到RREQ包，鄰居節(jié)點(diǎn)就將自己信息加入RREQ包，并轉(zhuǎn)播，直到目的節(jié)點(diǎn)接收到RREQ包。

源節(jié)點(diǎn)與目的節(jié)點(diǎn)間可能存在多條路徑，因此，目的節(jié)點(diǎn)可能會(huì)收到來(lái)自不同路徑傳輸?shù)腞REQ包。目的節(jié)點(diǎn)就沿著傳輸RREQ包的路徑回復(fù)包，進(jìn)而告知源節(jié)點(diǎn)，數(shù)據(jù)路徑通道已建立。

圖1顯示了AODV路由發(fā)現(xiàn)過(guò)程，其中圖1a）表述了RREQ的傳輸過(guò)程，圖1b）表示RREP的傳輸過(guò)程。具體而言，若源節(jié)點(diǎn)1需要傳輸數(shù)據(jù)包，就向鄰居節(jié)點(diǎn)廣播RREQ控制包，再由鄰居節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)播，直到目的節(jié)點(diǎn)8接收到RREQ包。當(dāng)目的節(jié)點(diǎn)8接收RREQ包后，就沿著傳輸RREQ包回復(fù)RREP包，即目的節(jié)點(diǎn)8沿著[8→5→2→1]向源節(jié)點(diǎn)1回復(fù)RREP控制包。源節(jié)點(diǎn)一旦接收了RREP，就意味著路由發(fā)現(xiàn)階段完成。

相比于其他反應(yīng)式路由，AODV路由具有一定的優(yōu)勢(shì)，如較低的控制開(kāi)銷(xiāo)和按需特性[13]。但是對(duì)于移動(dòng)自組織網(wǎng)絡(luò)而言，節(jié)點(diǎn)移動(dòng)是一個(gè)重要特性。而傳統(tǒng)的AODV協(xié)議并沒(méi)有考慮到節(jié)點(diǎn)移動(dòng)?；贏ODV的改進(jìn)RAODV協(xié)議考慮了節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)性。此外，節(jié)點(diǎn)能耗也是一個(gè)必須考慮的因素。其中MAODV?X考慮了節(jié)點(diǎn)能耗問(wèn)題，將節(jié)點(diǎn)能耗融入鏈路的穩(wěn)定性。然而，這些協(xié)議在路由發(fā)現(xiàn)過(guò)程中，只是單一考慮了節(jié)點(diǎn)移動(dòng)或節(jié)點(diǎn)能耗。

為此，提出LSR協(xié)議。與傳統(tǒng)的AODV協(xié)議不同，LSR協(xié)議考慮了節(jié)點(diǎn)移動(dòng)和能耗問(wèn)題。同時(shí)，LSR協(xié)議不再建立從源節(jié)點(diǎn)至目的節(jié)點(diǎn)整條路徑，而是引用了基于位置路由的思想，從鏈路穩(wěn)定性角度選擇下一個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)。

2 LSR協(xié)議

LSR協(xié)議中節(jié)點(diǎn)通過(guò)交互HELLO消息，獲取網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫畔?，并且每個(gè)節(jié)點(diǎn)傳輸半徑為[R]，覆蓋范圍為圓形。通過(guò)交互節(jié)點(diǎn)的局部信息，可計(jì)算節(jié)點(diǎn)能量消耗率，再計(jì)算節(jié)點(diǎn)能量壽命，然后計(jì)算鏈路壽命，最后，計(jì)算鏈路的穩(wěn)定性。最終選擇最穩(wěn)鏈路傳輸數(shù)據(jù)包。整個(gè)LSR協(xié)議框圖如圖2所示。

2.1 能量消耗率

首先，計(jì)算節(jié)點(diǎn)的剩余能量。假定節(jié)點(diǎn)[i]的初始能量為[Ei]。若節(jié)點(diǎn)[i]每傳輸一個(gè)數(shù)據(jù)包所需的能量為[Ti]，每接收一個(gè)數(shù)據(jù)包所消耗的能量為[Rk]。因此，在時(shí)刻[t]，節(jié)點(diǎn)[i]的剩余能量[REit]為：

2.2 鏈路的穩(wěn)定性

2.3 下一跳轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)

假定源節(jié)點(diǎn)[S]需要轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包，據(jù)此，節(jié)點(diǎn)[S]先向其鄰居節(jié)點(diǎn)廣播RREQ包，其包含了節(jié)點(diǎn)速度和位置。鄰居節(jié)點(diǎn)接收RREQ后，分別依據(jù)式（3）和式（9）計(jì)算能量壽命和鏈路穩(wěn)定性，并將這些信息載入RREP，向源節(jié)點(diǎn)[S]回復(fù)RREP。

通過(guò)多次接收RREP后，源節(jié)點(diǎn)[S]就從鄰居選擇中選擇一個(gè)最合適的節(jié)點(diǎn)作為下一跳轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)。為此，源節(jié)點(diǎn)[S]選擇在節(jié)點(diǎn)能量壽命區(qū)間具有鏈路最穩(wěn)定的節(jié)點(diǎn)作為下一跳節(jié)點(diǎn)。

具體而言，假定源節(jié)點(diǎn)[S]的一跳鄰居節(jié)點(diǎn)集為[NS]。源節(jié)點(diǎn)[S]就分別比較一跳鄰居節(jié)點(diǎn)（假定節(jié)點(diǎn)[i∈NS]）的能量壽命與鏈路壽命。只有能量壽命大于鏈路壽命的節(jié)點(diǎn)才能作為候選轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)集[ψS]，如式（10）所示。反之，若能量壽命小于鏈路壽命，即數(shù)據(jù)在傳輸過(guò)程中，節(jié)點(diǎn)能量消耗殆盡，這將導(dǎo)致鏈路中斷。

2.4 路由發(fā)現(xiàn)流程

當(dāng)源節(jié)點(diǎn)[i]需要向目的節(jié)點(diǎn)[d]傳輸數(shù)據(jù)包時(shí)，先向鄰居廣播RREQ控制包。接收了RREQ控制包后，首先檢測(cè)是廣播ID，若之前已接收過(guò)同樣的ID，則丟棄。否則進(jìn)一步判斷自己是否是目的節(jié)點(diǎn)，如果是，就直接回復(fù)RREP控制包，否則就計(jì)算能量壽命和鏈路壽命，并將這些信息載入RREP，再向源節(jié)點(diǎn)[i]回復(fù)RREP控制包。源節(jié)點(diǎn)接收多個(gè)RREP包后，依據(jù)式（10）構(gòu)建一跳候選轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)集，然后再依據(jù)式（11）產(chǎn)生下一跳轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)，整個(gè)流程如圖3所示。

3 數(shù)值分析

3.1 仿真場(chǎng)景

為了更好地分析LSR協(xié)議性能，通過(guò)NS2建立實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。[N]個(gè)節(jié)點(diǎn)隨機(jī)分布于1 000×1 000區(qū)域，且以Random Waypoint作為節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)模型，移動(dòng)速度為[?]，且[R=250] m，節(jié)點(diǎn)初始能量為1 873 J。每次實(shí)驗(yàn)獨(dú)立重復(fù)50次，取均值作為最終實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。仿真時(shí)間為800 s。

為了衡量LSR協(xié)議性能，選擇AODV，SV?AODV和AODV_D作為參照。同時(shí)考查路由開(kāi)銷(xiāo)、吞吐量和端到端傳輸時(shí)延方面的性能。其中路由開(kāi)銷(xiāo)是指每接收一個(gè)數(shù)據(jù)包所需的控制開(kāi)銷(xiāo)；吞吐量是指單位時(shí)間內(nèi)平均每個(gè)節(jié)點(diǎn)所接收的數(shù)據(jù)量；端到端傳輸時(shí)延是指平均傳輸一個(gè)數(shù)據(jù)包所需的時(shí)間。

3.2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

3.2.1 路由開(kāi)銷(xiāo)

首先分析路由開(kāi)銷(xiāo)隨節(jié)點(diǎn)數(shù)的變化情況，其中，[N]從50～200變化，且節(jié)點(diǎn)移動(dòng)速度[?=10 m/s]，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖4所示。

從圖4可知，路由開(kāi)銷(xiāo)隨節(jié)點(diǎn)數(shù)的增加而增加。這主要是因?yàn)椋汗?jié)點(diǎn)越多，網(wǎng)絡(luò)密度越大，信道資源競(jìng)爭(zhēng)越激烈，提升了控制包的冗余數(shù)。此外，節(jié)點(diǎn)數(shù)越多，傳輸路徑的跳數(shù)可能也越多，這也增加了控制包數(shù)。與AODV，SV?AODV和AODV_D相比，LSR協(xié)議的路由開(kāi)銷(xiāo)得到有效控制。

圖5分析了路由開(kāi)銷(xiāo)隨節(jié)點(diǎn)移動(dòng)速度的變化情況。其中節(jié)點(diǎn)數(shù)為150，節(jié)點(diǎn)移動(dòng)速度為從0～20 m/s變化。從圖5可知：移動(dòng)速度的加快，加速了拓?fù)渥兓?，增?qiáng)了路徑的不穩(wěn)定性，導(dǎo)致需頻繁地建立數(shù)據(jù)包傳輸路徑，最終增加了路由開(kāi)銷(xiāo)；AODV協(xié)議的路由開(kāi)銷(xiāo)最多，這主要是因?yàn)锳ODV采用泛洪機(jī)制建立路由；LSR路由開(kāi)銷(xiāo)最少，原因在于LSR路由在建立路由時(shí)考慮了節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)問(wèn)題，并且總是選擇最穩(wěn)定的路由傳輸數(shù)據(jù)包。

通過(guò)圖4，圖5實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，與AODV，SV?AODV和AODV_D協(xié)議相比，提出的LSR協(xié)議能有效地控制路由開(kāi)銷(xiāo)。原因在于SV?AODV協(xié)議采用固定概率轉(zhuǎn)播數(shù)據(jù)包，并沒(méi)有依據(jù)網(wǎng)絡(luò)信息決策是否轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包。與SV?AODV協(xié)議相比，AODV_D協(xié)議的路由開(kāi)銷(xiāo)得到控制，但仍高于LSR。

3.2.2 吞吐量

圖6，圖7分別描述了吞吐量隨節(jié)點(diǎn)數(shù)和節(jié)點(diǎn)移動(dòng)速度變化情況。在圖6的實(shí)驗(yàn)中，節(jié)點(diǎn)數(shù)[N]從50～200變化，且節(jié)點(diǎn)移動(dòng)速度[?=10] m/s；而在圖7實(shí)驗(yàn)中，[N]為150，且節(jié)點(diǎn)移動(dòng)速度從0～20 m/s變化。

從圖6可知，節(jié)點(diǎn)數(shù)的增加降低了吞吐量。原因在于：節(jié)點(diǎn)數(shù)越多，網(wǎng)絡(luò)資源競(jìng)爭(zhēng)越激烈，影響了數(shù)據(jù)傳輸?shù)牧鲿承浴ＥcAODV，SV?AODV和AODV_D協(xié)議相比，LSR協(xié)議的吞吐量最高，比AODV_D協(xié)議提高了近30%。這主要?dú)w功于LSR協(xié)議是基于鏈路穩(wěn)定性選擇下一跳轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)。

圖7的數(shù)據(jù)與圖6類(lèi)似。節(jié)點(diǎn)移動(dòng)速度的變化減少了網(wǎng)絡(luò)吞吐量，原因在于：移動(dòng)速度的增加，加劇網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓厝唤档吐窂椒€(wěn)定性。盡管如此，LSR協(xié)議仍能保持較高的吞吐量。

3.2.3 端到端傳輸時(shí)延

圖8，圖9分別描述了端到端傳輸時(shí)延隨節(jié)點(diǎn)數(shù)和節(jié)點(diǎn)移動(dòng)速度變化情況。在圖8的實(shí)驗(yàn)中，節(jié)點(diǎn)數(shù)[N]從50～200變化，且節(jié)點(diǎn)移動(dòng)速度[?=10] m/s；而在圖9實(shí)驗(yàn)中，[N]為150，且節(jié)點(diǎn)移動(dòng)速度從0～20 m/s變化。

由圖8可知，節(jié)點(diǎn)數(shù)的增加加大了端到端傳輸時(shí)延，原因在于：節(jié)點(diǎn)數(shù)的增加，加劇了網(wǎng)絡(luò)資源的競(jìng)爭(zhēng)，破壞了數(shù)據(jù)傳輸?shù)牧鲿承浴膱D9可知，LSR協(xié)議的端到端傳輸時(shí)延最低，這主要是因?yàn)長(zhǎng)SR協(xié)議在選擇下一跳轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)時(shí)，充分考慮了節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)速度及鏈路的穩(wěn)定性，增強(qiáng)了LSR協(xié)議對(duì)節(jié)點(diǎn)移動(dòng)的強(qiáng)健性。

4 結(jié) 論

針對(duì)MANETs的數(shù)據(jù)傳輸問(wèn)題，提出基于鏈路穩(wěn)定的MANETs路由協(xié)議LSR。LSR從節(jié)點(diǎn)能量和鏈路穩(wěn)定性出發(fā)，旨在選擇穩(wěn)定路徑傳輸數(shù)據(jù)包。依據(jù)節(jié)點(diǎn)移動(dòng)以及能量消耗速度，計(jì)算能量壽命和鏈路壽命，再構(gòu)建候選轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)集，最后，擇優(yōu)選擇下一跳轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)。仿真數(shù)據(jù)表明，提出的LSR協(xié)議能夠有效地降低時(shí)延，并提高吞吐量。

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