Adhoc網絡路由協議論文

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Abstract

Thispaperintroducesanadvancedsave-parewiththeoldenergymechanism,itcouldeffectivelyreducetheenergyconsumptionofidlenodesinthenetanddeclinethenumberofAgentnodetoonlyoneineachcommunicationarea,whichis50%oftheoldmechanism,andcreateEdge-Agent,whichisclassifiedbyfunction.Theexperimentshows,thenewmechanismcouldimprovethelife-timeofthewholenet,guaranteetheefficiencyandrobustnessofthe

netandbalancetheenergyoftheEdge-Agent.

Keywords:adhocnetwork,QoSroutingprotocol,Agent,Save-energy

1.引言

Adhoc網絡的特點是各節點地位平等，能自由移動，并且通過無線信道進行通信[1,2]。由于移動終端本身由電池供電，因此在Adhoc網絡中采用各種節能機制成為延長電池工作時間的一種重要手段。另外，從降低網絡運行成本和節約自然資源的角度來說，采用節能機制也是一項意義重大的措施?，F階段，Adhoc網絡的節能機制已經提出不少方案，如利用電源休眠[3]或者設置Agent方式[4]節能。然而所提出的方案并不能完全解決Adhoc網絡的節能問題。如利用電源休眠，雖然可以達到一定的節能效果，但休眠狀態電池同樣有一定的耗損，且這部分耗損并沒有做任何有效功；再如采用設置能量方式，現有的能量方式通常選擇出的數量過多，有的達到了所有網絡節點數量的一半，選擇數量過多往往對網絡資源也會造成不必要的耗損。

2.能量消耗模型

一般的，認為只有在發送和接收分組的時候才會有功率消耗,并且在研究MAC協議時，往往只考慮收發分組時消耗的能量。然而，節點在處于監聽和空閑狀態時，也同樣消耗電量，

即：

其中，T(a,b)表示從節點a到節點b的路由路徑上所有節點所消耗的能量，Ex是節點

處于監聽和空閑所消耗的能量。之所以需要將監聽和空閑狀態的能量消耗計入總消耗是因為電波有一個相當大的廣播范圍，再此范圍內的所有節點都必須接收每個數據包以判斷是否是本地接收，雖然多數分組都被很快丟棄，但是接收它們是也需要消耗能量，研究表明[5]，空閑、接收和發送狀態三者能量消耗的比例是1：1.2：1.7。從公式（1）可知，在不關閉節點k

然而，僅考慮全網能量消耗具有一定的片面性，因為Adhoc網絡中的個別節點有可能UDP業務，該節點均不承擔發送及轉發任務，但能量消耗也非常嚴重。在未發送及轉發任

何數據的情況下，節點能量狀態由0.80下降到0.64，消耗了16%的能量，卻未對全網的數據傳遞起到作用，因此，該16%的能量消耗為無用功。而改進后的空閑節點由于采用了關閉電源及間歇式檢測信號等機制，使得空閑消耗降低。圖3表示了在該實驗中節點1未改進和改進后的性能比較。

對于非空閑節點，由于能量因素成為建立路由路徑的必要條件，因此與原有的利用AODV建立起來的路由有所差別。改進后的路由機制重點關注全網可達的持續性及邊界Agent節點的輪換工作，這樣，每個節點的能量均可得到有效利用，而非僅僅有業務流量的節點消耗能量，而空閑節點不做功的情況下，也消耗能量。以節點3至節點6的UDP業務為例，利用AODV建立起來的路由路徑為3—2—6。改進機制首先建立區域Agent及邊界Agent，節點3的能量狀態最大為0.97，因此當選Agent，負責區域內的信息傳遞及轉發，在該例中，節點3既是Agent，又是業務起始節點；邊界Agent由兩區域信號交叉部分的能量狀態最大者擔任，在該例中，節點5為邊界Agent，轉發節點由原來的節點2變為節點5，路由路徑變為3—5—6。當節點5的能量僅為原來的50%時，將重新選舉邊界Agent，此時節點4成為邊界Agent，路由路徑變為3—4—6。該選舉過程將一直持續下去，直到邊界節

點能量不足以支持業務。如圖4所示，全網可達的時間由原來的1178.90s升至3855.43s。因為節點能量不足而無法完成轉發任務，即在公式（1）中忽略了節點的能量狀態，其定義為：Pre

其中，Pre為節點現有能量，Pst為節點理想狀態下的能量最大值。

3.改進方案

由公式（1）可知，整個網絡的消耗由兩部分組成，一部分是路由部分消耗的能量

，這部分能量只有通過改善路由算法，使盡量少的節點參與到路由過程之中；

k

另一部分是其余空閑節點的待機能量i1，這部分能量可通過關閉其無線網卡實現。無線

網卡的關閉可分為兩部分：一部分為路由建立過程之前網卡關閉模式，即網絡中無數據流而僅有控制流的時候，此時關閉網卡采用定時開啟模式，每隔5秒開啟檢查是否有數據傳輸要求，若有，則全網節點開啟，建立路由，路由建立完成后，將進入網卡關閉的第二部分，即路由建立過程之后的網卡關閉模式，此時，沒有轉發任務的節點可關閉無線網卡，僅留有路k

由任務的網絡節點，這樣，空閑節點的待機能量i1從理論上可接近于0。

另外，采用無線節點Agent也是提高轉發效率以及提高能量利用率的一個有效途徑。移動Agent是一段程序代碼，能控制自己在網絡中移動，并能在每個節點獨立地完成各種不同的任務。移動Agent在分布式應用中十分有效，特別適用于動態的網絡環境，這些Agent在節點之間跳動，在節點中收集信息，并能將這些信息給新的節點和Agent。這樣，在短時間內，每個節點都能接受到Agent訪問他們帶來的更新信息，網絡開始運行時，所有節點只知道他們自己和鄰居信息，而不知道別的節點的信息，當Agent開始路由時，這些節點就會得到別的節點的信息。

在本文中，每個節點均有屬于自己的通信區域，在通信區域中，利用公式（2），將現有節點能量狀態最高者定為Agent，將收到兩個及以上通信區域的能量狀態最高節點設為邊界Agent，這樣，較文獻[4]中隨機設定Agent的方法，可大大減少網絡中Agent的數量。例如，如圖1所示。

圖1中，節點名稱后表示為節點現有能量狀態，由改進的能量機制可得，區域A中，節點3為Agent，區域B中，節點6為Agent節點，在交叉區域中，節點5為邊界Agent。改進后的能量機制將節點空閑以及待機時消耗能量降為最低，并且引入了Agent模式，

有效的利用了全網能量，使能量狀態高的節點得到充分利用，其工作流程如圖2所示。

從圖5可知，兩個通信區域之間的能量最大節點在能量狀態仍然最大時，較原有的能量消耗無異，但當能量消耗的一定水平時，啟動邊界能量（Edge-Agent）改選機制，通過節點的輪流工作節省能量。在圖5中，轉發節點的能量消耗在20s之前并不能顯示新能量模型的優越性，但20s時發生Edge-Agent的改選，此時，能量狀態最大的節點成為新的Edge-Agent，開始轉發數據包，這一過程在30s時再次發生，轉發工作又一次被其它高能量節點所替代。

但通過對分組到達時延進行研究后發現，雖然Edge-Agent輪換工作方式對分組的到達時間會有一定的影響，但分組的時延并沒有因此而出現提高，圖7顯示了利用新能量模型前后分組的發送時延比較。

從圖7中發現，在傳送第4000個數據包之前，新能量模型的時延小于原有模型的時延；

但在傳送第5000個包時，時延突然增大，隨后的轉送過程中會出現脈沖式的時延增大的情況，但隨后時延會逐漸減小，但任高于原有模型的網絡時延。通過對實驗的分析后得知，在傳送第4000號至第5000號包之間的時間間隔內，Edge-Agent進行了改選，在改選過程中的網絡時延會有所增加，且隨后的脈沖式時延增加也是由此所引起的，同時，在Edge-Agent能量狀態相近時，這種輪換會非常頻繁，導致時延的增加。

而且，在一定范圍內的網絡規模的增大和節點數量的增加會改善新能量模型的運行效果，對節省網絡的能量消耗較有效，但超過一定范圍后，節能效果反而會下降，如圖8所示。

如圖8中，網絡中的節點數達到20時，節點剩余能量最多，若網絡中節點數再繼續增大，節點剩余能量反而會減少。經研究后發現，這種節能性能的下降主要是因為Edge-Agent的頻繁的輪換工作所致。當網絡節點數增加而所在范圍一定時，節點的密度也相對增加，同時，在一定區域內出現相近能量節點的概率也增加了，而過多次的決定哪個節點是轉發Edge-Agent時，必然會消耗更多的能量。因此，在多個能量相近節點成為或可能成為Edge-Agent時，這種輪換機制反而對網絡的節能性能有消極影響。

另外，在新能量模型中，節點數與網絡平均時延也存在著一定的關系。如圖9所示，無論是原能量模型還是新的能量模型，其網絡平均時延都會隨節點數的增加而增加。但新的能量節點的網絡時延增加的更為明顯。研究后發現，其主要原因仍是由于Edge-Agent的輪換機制造成的。當某個Edge-Agent因其能量消耗而被其它節點取代時，它們之間會發生切換過程，此時，數據包是不能被轉發的。當節點數增加，其輪換工作機制會頻繁發生，從而導致網絡平均時延的增大。

由以上實驗所得數據可知，采用Edge-Agent的節能機制對小規模的Adhoc網絡確實能起到一定的節省電池消耗，提高網絡生存時間的效果，但不適用于網絡節點數較多的Adhoc網絡，否則會出現網絡平均時延增加和轉發節點能量消耗增加等問題。

5.小結

本文介紹了一種改進的Adhoc網絡節能機制。較以往的節能機制，其特點是大大降低了空閑節點的能耗；將作為Agent節點的概率由原來的50%下降為每個通信區域僅一個；并通過功能劃分，增加了邊界Agent節點。實驗表明，雖然該節能機制對Agent節點的依賴較一般Adhoc網絡路由對單個節點的依賴有所增加，但其能有效的提高全網可達時間，保證了網絡傳輸的有效性及魯棒性，使得Edge-Agent的能耗趨向平衡，但同時實驗研究表明，該節能機制并不適用于節點數較多的大規模Adhoc網絡，否則會出現節能性能下降以及網絡平均時延增加等問題。而且，將該節能機制加入到現有的Adhoc網絡路有協議中，只能滿足延長電池工作時間的要求，對網絡時延等對傳輸多媒體數據有實質性影響的參數，并沒有太大的積極作用。因此，研究提高網絡傳輸能力，減小時延等QoS參數的路由協議是下一步的重點。

參考文獻

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