CN103841020A - 一种基于功率控制的Ad Hoc稳定路由算法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于功率控制的Ad Hoc稳定路由算法。首先，通过侦听MAC层信息交互，每个节点维护一张本地联通性表，用于记录邻居节点及链路的特性。借助联通表，节点采用最佳功率控制算法进行数据及控制包的转发，目的是保证能量消耗最低，从而提高网络寿命。其次，根据能量、负载特性将网络中的节点进行分类，尽量选择较优性能的节点作为转发路由，从而保证网络寿命。本发明从最小功率的控制及稳定路由的建立两方面节省网络能量，由此达到了在保证路由稳定的同时最大程度延长网络寿命的目的。

Description

一种基于功率控制的Ad Hoc稳定路由算法

技术领域

本发明涉及多媒体通信与网络传输技术领域，尤其涉及一种基于功率控制的Ad Hoc稳定路由算法。 

背景技术

近年来，由于移动自组织Ad Hoc网络自有的特点，在军事及灾难等场景下得到了较普遍的应用。特别是在灾难发生时期，由于基础通信设施遭到损坏，通信无法进行。而Ad Hoc网络不依赖于控制中心，可以快速地建立起通信保障。但由于节点能量有限，如何延长网络寿命成为了重要的研究课题。 

传统的单径路由协议有移动自组织按需距离矢量路由AODV(Ad hoc On-demand Distance Vector)，动态源路由DSR(Dynamic Source Routing)，目的序列距离矢量路由DSDV(Destination Sequenced Distance Vector)等。在AODV中，源节点只在有数据需要传输时，才会发起路由建立的过程，有效减少了控制开销。但是，AODV所建立起的路由都是基于跳数的路由。尽管这种路由能减少传输时延，但它无法保证路由的稳定性。 

为了解决路径的断裂问题，许多研究者提出了很多改进策略，能量有效性的路由算法及功率控制就是两种有效的解决办法。如能量有效性路由PEER(Protocol for Energy-Efficient Routing)算法，通过侦听介质访问控制层MAC(Medium Access Control)层信号交互，建立能量消耗度量算法，这种将节点能量考虑进路由选择的方法能够减少能量消耗。但是，其采用的功率控制算法是采用最小功率发送数据，无法保证数据的正确传输。尤其是在节点移动速度大的情况下，仍然采用最小功率传输，接收功率可能低于门限值，无法正确解析；由于节点的能量有限，路由寿命问题成为了一个难题。 

发明内容

本发明为了解决上述问题，提出了一种基于功率控制的Ad Hoc稳定路由算法PCSR(PowerControlled and Stable Routing)，该算法在保证路由稳定的同时，节省节点能量，从而提高网络寿命。 

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案： 

一种基于功率控制的Ad Hoc稳定路由算法，具体包括以下步骤： 

Step1：根据节点能量、负载权衡值是否大于0，将所有节点分为两类，“优质节点”与“劣 质节点”； 

Step2：每个节点通过侦听邻居节点的MAC层信息交互过程，在MAC及路由层建立一张本地联通性表； 

Step3：如果有数据请求，通过连通性表的信息，利用路由发现算法，建立到目的节点的路由，进行数据传输；如果无数据请求，返回Step1； 

Step4：数据传输过程中，采用功率控制算法，对本节点与邻居节点间的通信进行功率控制； 

Step5：如果节点能量耗尽，节点关机；否则，返回Step1。 

所述Step1中，节点的分类方法具体为：节点分类标准是节点能量、负载情况； 

节点的能量、负载权衡值b公式为： 

公式中，E代表节点剩余能量，L代表节点队列长度，E_total代表节点初始能量，φ代表每发送队列中的单位长度数据所消耗的能量；若能量、负载权衡值b大于0，则表示节点能量较高，此节点即为“优质节点”；若b小于0，则表示节点能量不足，此节点为“劣质节点”。 

所述step2中，连通性表的建立是通过侦听邻居节点的MAC信息交互完成的，即数据传输过程的请求发送包RTS（request-to-send），清除发送包CTS（clear-to-send），数据包DATA，确认包ACK（acknowledgement）交互过程，侦听此过程，节点获得邻居节点的能量、负载权衡值，链路稳定性及最小发送功率。 

假设网络中的两个邻居节点为节点i及节点j，它们所形成的链路为（i，j），则所述链路（i，j）稳定性用链路成功概率表示： 

$p_{\mathrm{suc}}^{(i,j)}={(1-p_b^{(i,j)})}^l$

公式中，l表示数据包的长度，

表示链路（i，j）的误码率， 

链路（i，j）间，节点i向节点j发送数据的最小发送功率为： 

$P_{T\_\min }^{\left(\mathrm{ij}\right)}=\frac{P_{R\_\mathrm{th}}\·P_{T\_\max }}{P_R^{\left(\mathrm{ij}\right)}}$

公式中，P_{R_th}代表能正确接收所需的最小功率，P_{T_max}代表网络中所能采用的最大发送功 率，

代表节点j接收到从节点i发来数据的接收能量。 

所述step3中，所述路由发现过程步骤如下： 

（1）：如果源节点没有到目的节点的路由，就发送请求包路由请求RREQ（route request），路由请求RREQ里面携带了目的节点、源节点地址和路由成功概率，其中路径成功概率一项初始值设为1，其他节点收到此包后，更新此项； 

（2）：中间节点收到路由请求RREQ后，如果到源节点的路径成功概率大于反向路由表中的值，就更新到源节点的路由（更新上一节点地址及路径成功概率），之后，更新路由请求RREQ中的路径成功概率，并转发该路由请求RREQ； 

（3）：重复步骤（2），直到目的节点收到路由请求，邻居节点选择路径成功概率最大的作为路由，并回复路由回复包RREP(route reply)给源节点； 

（4）：源节点收到路由回复包RREP后，记录到目的节点的路由，并转发RREP； 

（5）：重复步骤（4），直到源节点收到路由回复包RREP，建立起路由，进行数据的转发。 

所述步骤（1），（3）中，路径成功概率为本路径上所有链路成功概率的乘积。（1只是初始值，之后路径成功概率会以乘机的形式更新，任何数乘以1都是本身。） 

所述step4中，功率控制算法的具体方法为： 

发送路由请求包的功率为： 

$P_{T\_\mathrm{RREQ}}^{\left(j\right)}=\left\{\begin{array}{cc}\underset{{k\&Element;N}_g^{\left(j\right)}}{\max }{P}_{T\_\min }^{\left(\mathrm{kj}\right)},& \mathrm{if}\left|N_G^{\left(j\right)}\right|\&GreaterEqual;\mathrm{\&theta;}\left|N^{\left(j\right)}\right|\\ P_{T\_\max },& \mathrm{if}\left|N_G^{\left(j\right)}\right|<\mathrm{\&theta;}\left|N^{\left(j\right)}\right|\end{array}\right.$

公式中，N^(j)表示节点j连通性表中邻居节点的个数，

表示节点j连通性表中“优质”节点的个数；θ∈(0,1)是常数，根据实际网络密度进行设置； 

链路（i，j）间发送数据包的功率为： 

$P_{T\_\mathrm{opt}}^{\left(\mathrm{ij}\right)}=\frac{P_{T\_\max }}{P_{T\_\mathrm{RREQ}}^{\left(j\right)}}\&CenterDot;P_{T\_\min }^{\left(\mathrm{ij}\right)}$

其他包仍是采用最大功率进行发送。 

本发明的有益效果为： 

本发明提出了一种基于功率控制的Ad Hoc稳定路由算法，首先，每个节点在网络层及MAC 层共同维护一张本地联通性表，用于记录邻居节点及链路的特性；借助联通表，节点采用最佳功率控制算法进行数据及控制包的转发，减少了数据传输的能量消耗，从而提高了网络寿命；其次，根据能量、负载特性将网络中的节点进行分类，尽量选择较优性能的节点作为转发路由，从而也保证了网络寿命；本发明从稳定路由的建立及最小功率的控制两方面节省节点能量，由此达到了在保证路由稳定的同时最大程度延长网络寿命的目的。 

附图说明

图1为本发明的工作过程示意图； 

图2为本发明数据传输过程的交互过程示意图； 

图3为本发明与PEER协议包投递率的比较图； 

图4为本发明与PEER协议数据包能量消耗的比较图； 

图5为本发明与PEER协议网络寿命的比较图。 

具体实施方式：

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。 

如图1所示，基于功率控制的Ad Hoc稳定路由算法，主要分为三个模块，联通性表的建立，路由建立及功率控制。 

联通性表的建立模块，主要是利用侦听邻居节点的MAC信息交互完成的。即数据传输过程的RTS，CTS，DATA，ACK交互过程。侦听此过程，节点可以获得邻居节点的能量、负载权衡值，链路稳定性，及最小发送功率。 

节点能量、负载权衡值： 

公式中，E代表节点剩余能量，L代表节点队列长度，E_total代表节点初始能量，φ代表每发送队列中的单位长度数据所消耗的能量。b大于0，则表示节点能量较高，此节点即为“优质节点”；若b小于0，则表示节点能量不足，此节点为“劣质节点”。此信息将添加到RTS，CTS中去，以通知其他节点。 

链路（i，j）特性用链路成功概率表示： 

$p_{\mathrm{suc}}^{(i,j)}={(1-p_b^{(i,j)})}^l---\left(2\right)$

公式中，l表示数据包的长度，

表示链路（i，j）的误码率。 

链路（i，j）间，节点i向节点j发送数据的最小发送功率为： 

$P_{T\_\min }^{\left(\mathrm{ij}\right)}=\frac{P_{R\_\mathrm{th}}\&CenterDot;P_{T\_\max }}{P_R^{\left(\mathrm{ij}\right)}}---\left(3\right)$

公式中，P_{R_th}代表能正确接收所需的最小功率，P_{T_max}代表网络中所能采用的最大发送功率。 

路由建立模块是基于路径成功概率的，路径成功概率为本路由上所有链路成功概率的乘积。只有“优质节点”才进行RREQ的转发，且这类节点只选择成功概率较大的路由转发请求包；目的节点也选择成功概率最大的路径作为最终的路由。 

功率控制模块是对RREQ及数据包的功率控制来达到节省能量的目的。在PCSR中，节点j的RREQ发送功率是： 

$P_{T\_\mathrm{RREQ}}^{\left(j\right)}=\left\{\begin{array}{cc}\underset{{k\&Element;N}_g^{\left(j\right)}}{\max }{P}_{T\_\min }^{\left(\mathrm{kj}\right)},& \mathrm{if}\left|N_G^{\left(j\right)}\right|\&GreaterEqual;\mathrm{\&theta;}\left|N^{\left(j\right)}\right|\\ P_{T\_\max },& \mathrm{if}\left|N_G^{\left(j\right)}\right|<\mathrm{\&theta;}\left|N^{\left(j\right)}\right|\end{array}\right.---\left(4\right)$

公式中，N^(j)表示节点j连通性表中邻居节点的个数，

表示节点j连通性表中“优质”节点的个数。θ∈(0,1)是根据网络密度设置的常数，仿真中设为0.75。 

而链路（i，j）间发送数据包的功率为： 

$P_{T\_\mathrm{opt}}^{\left(\mathrm{ij}\right)}=\frac{P_{T\_\max }}{P_{T\_\mathrm{RREQ}}^{\left(j\right)}}\&CenterDot;P_{T\_\min }^{\left(\mathrm{ij}\right)}---\left(5\right)$

其他包仍是采用最大功率进行发送。 

如图2所示，在MAC层，当节点i有数据要发给节点j时，首先启动RTS/CTS/DATA/ACK交互过程：节点i采用最大功率发送RTS包给节点j，等待节点j的回应；当节点j收到CTS时，如果j空闲，最大功率回应CTS；节点i收到CTS后，采用公式（5）的功率发送数据包；节点j接收完数据包后，最大功率回复ACK进行确认；当节点i收到ACK后，本次数据传递结束。 

本地联通性表如表1所示。 

表1本地联通性表 

邻居节点地址

节点特性

链路成功概率

最小功率

仿真参数设置如表2所示： 

表2仿真参数表 

参数	值设置
		仿真器	NS2
节点数目	50
		仿真时间	500s
仿真区域	1500m*900m
		节点放置	随机
停顿时间	0s
		移动模型	Random Waypoint
辐射范围	250m
		MAC层协议	IEEE802.11DCF
数据包大小	512bytes

仿真结果是在NS2-2.34下进行的，比较对象选为PEER（Progressive Energy-Efficient Routing）和AODV(Ad hoc On-demand Distance Vector)协议。图3、图4和图5分别给出了在改变节点运动速度和CBR数据产生率下，三种协议性能的比较，即包投递率、数据包能量消耗和网络寿命的比较。如图3所示，PCSR的投递率比AODV和PEER性能优越，尤其是在复杂环境（节点速度大，网络负载高）下；其中，（a）节点速度变化时，三种协议包投递率性能的比较（CBR数据速率=2packets/s）,（b）CBR速率变化时，三种协议包投递率性能的比较（节点速度=4m/s）。 

如图4所示，PCSR发送数据所消耗的能量大大减少，其中，（a）节点速度变化时，三种协议包投递率性能的比较（CBR数据速率=2packets/s）,（b）CBR速率变化时，三种协议包投递率性能的比较（节点速度=4m/s）。 

如图5所示，PCSR的网络寿命得到延长；（a）节点速度变化时，两种协议网络寿命性能的比较（CBR数据速率=2packets/s）,（b）CBR速率变化时，三种协议网络寿命性能的比较（节点速度=4m/s）。 

综上所述，本发明在Ad Hoc网络中，能解决传统路由算法网络寿命短的问题，且能在节点移动速度大及网络负载高的环境下，很好的保证了包投递率及能量节约。 

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。 

Claims (6)

1.一种基于功率控制的Ad Hoc稳定路由算法，其特征是：具体包括以下步骤：

Step1：根据节点能量、负载权衡值是否大于0，将所有节点分为两类，“优质节点”与“劣质节点”；

Step2：每个节点通过侦听邻居节点的介质访问控制子层MAC层信息交互过程，在MAC及路由层建立一张本地联通性表；

Step3：如果有数据请求，通过连通性表的信息，利用路由发现算法，建立到目的节点的路由，进行数据传输；如果无数据请求，返回Step1；

Step4：数据传输过程中，采用功率控制算法，对本节点与邻居节点间的通信进行功率控制；

Step5：如果节点能量耗尽，节点关机；否则，返回Step1。

2.如权利要求1所述的一种基于功率控制的Ad Hoc稳定路由算法，其特征是：所述Step1中，节点的分类方法具体为：节点分类标准是节点能量、负载情况；

节点的能量、负载权衡值b公式为：

公式中，E代表节点剩余能量，L代表节点队列长度，E_total代表节点初始能量，φ代表每发送队列中的单位长度数据所消耗的能量；若能量、负载权衡值b大于0，则表示节点能量较高，此节点即为“优质节点”；若b小于0，则表示节点能量不足，此节点为“劣质节点”。

3.如权利要求1所述的一种基于功率控制的Ad Hoc稳定路由算法，其特征是：所述step2中，连通性表的建立是通过侦听邻居节点的介质访问控制子层MAC信息交互完成的，即数据传输过程的请求发送包RTS，清除发送包CTS，数据包DATA，确认包ACK交互过程，侦听此过程，节点获得邻居节点的能量、负载权衡值，链路稳定性及最小发送功率；

假设网络中的两个邻居节点为节点i及节点j，它们所形成的链路为（i，j），则所述链路（i，j）稳定性用链路成功概率表示：

$p_{\mathrm{suc}}^{(i,j)}={(1-p_b^{(i,j)})}^l$

公式中，l表示数据包的长度，

表示链路（i，j）的误码率，

链路（i，j）间，节点i向节点j发送数据的最小发送功率为：

$P_{T\_\min }^{\left(\mathrm{ij}\right)}=\frac{P_{R\_\mathrm{th}}\&CenterDot;P_{T\_\max }}{P_R^{\left(\mathrm{ij}\right)}}$

公式中，P_{R_th}代表能正确接收所需的最小功率，P_{T_max}代表网络中所能采用的最大发送功率，代表节点j接收到从节点i发来数据的接收能量。

4.如权利要求1所述的一种基于功率控制的Ad Hoc稳定路由算法，其特征是：所述step3中，所述路由发现过程步骤如下：

（1）：如果源节点没有到目的节点的路由，就发送请求包路由请求RREQ，路由请求RREQ里面携带了目的节点、源节点地址和路由成功概率，其中路径成功概率一项初始值设为1，其他节点收到此包后，更新此项，1只是初始值，之后路径成功概率会以乘机的形式更新；

（2）：中间节点收到路由请求RREQ后，如果到源节点的路径成功概率大于反向路由表中的值，就更新到源节点的路由，更新上一节点地址及路径成功概率，之后，更新路由请求RREQ中的路径成功概率，并转发该路由请求RREQ；

（3）：重复步骤（2），直到目的节点收到路由请求，邻居节点选择路径成功概率最大的作为路由，并回复路由回复包RREP给源节点；

（4）：源节点收到路由回复包RREP后，记录到目的节点的路由，并转发RREP；

（5）：重复步骤（4），直到源节点收到路由回复包RREP，建立起路由，进行数据的转发。

5.如权利要求4所述的一种基于功率控制的Ad Hoc稳定路由算法，其特征是：所述步骤（1），（3）中，路径成功概率为本路径上所有链路成功概率的乘积。

6.如权利要求1所述的一种基于功率控制的Ad Hoc稳定路由算法，其特征是：所述step4中，功率控制算法的具体方法为：

发送路由请求包的功率为：

$P_{T\_\mathrm{RREQ}}^{\left(j\right)}=\left\{\begin{array}{cc}\underset{{k\&Element;N}_g^{\left(j\right)}}{\max }{P}_{T\_\min }^{\left(\mathrm{kj}\right)},& \mathrm{if}\left|N_G^{\left(j\right)}\right|\&GreaterEqual;\mathrm{\&theta;}\left|N^{\left(j\right)}\right|\\ P_{T\_\max },& \mathrm{if}\left|N_G^{\left(j\right)}\right|<\mathrm{\&theta;}\left|N^{\left(j\right)}\right|\end{array}\right.$

公式中，N^(j)表示节点j连通性表中邻居节点的个数，

表示节点j连通性表中“优质”节点的个数；θ∈(0,1),是常数，根据实际网络密度进行设置；

链路（i，j）间发送数据包的功率为：

$P_{T\_\mathrm{opt}}^{\left(\mathrm{ij}\right)}=\frac{P_{T\_\max }}{P_{T\_\mathrm{RREQ}}^{\left(j\right)}}\&CenterDot;P_{T\_\min }^{\left(\mathrm{ij}\right)}$

其他包仍是采用最大功率进行发送。

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