一種 Ad hoc 網(wǎng)絡(luò)中節(jié)約能耗的 QoS 路由協(xié)議

一種Adhoc網(wǎng)絡(luò)中節(jié)約能耗的QoS路由協(xié)議

AbstractThispaperintroducesanadvancedsave-energymechanismforAdhocnetwork.Comparewiththeoldenergymechanism，itcouldeffectivelyreducetheenergyconsumptionofidlenodesinthenetanddeclinethenumberofAgentnodetoonlyoneineachcommunicationarea，whichis50%oftheoldmechanism，andcreateEdge-Agent，whichisclassifiedbyfunction.Theexperimentshows，thenewmechanismcouldimprovethelife-timeofthewholenet，guaranteetheefficiencyandrobustnessofthenetandbalancetheenergyoftheEdge-Agent.Keywords:Adhocnetwork，QoSroutingprotocol，Agent，Save-energy1.引言Adhoc網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)是各節(jié)點(diǎn)地位平等，能自由移動(dòng)，并且通過無線信道進(jìn)行通信[1，2]。由于移動(dòng)終端本身由電池供電，因此在Adhoc網(wǎng)絡(luò)中采用各種節(jié)能機(jī)制成為延長(zhǎng)電池工作時(shí)間的一種重要手段。另外，從降低網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行成本和節(jié)約自然資源的角度來說，采用節(jié)能機(jī)制也是一項(xiàng)意義重大的措施?，F(xiàn)階段，Adhoc網(wǎng)絡(luò)的節(jié)能機(jī)制已經(jīng)提出不少方案，如利用電源休眠[3]或者設(shè)置Agent方式[4]節(jié)能。然而所提出的方案并不能完全解決Adhoc網(wǎng)絡(luò)的節(jié)能問題。如利用電源休眠，雖然可以達(dá)到一定的節(jié)能效果，但休眠狀態(tài)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(shè)置能量代理方式，現(xiàn)有的能量代理方式通常選擇出的數(shù)量過多，有的達(dá)到了所有網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)量的一半，選擇代理數(shù)量過多往往對(duì)網(wǎng)絡(luò)資源也會(huì)造成不必要的耗損。2.能量消耗模型一般的，認(rèn)為只有在發(fā)送和接收分組的時(shí)候才會(huì)有功率消耗，并且在研究MAC協(xié)議時(shí)，往往只考慮收發(fā)分組時(shí)消耗的能量。然而，節(jié)點(diǎn)在處于監(jiān)聽和空閑狀態(tài)時(shí)，也同樣消耗電量，即：其中，T(a，b)表示從節(jié)點(diǎn)a到節(jié)點(diǎn)b的路由路徑上所有節(jié)點(diǎn)所消耗的能量，Ex是節(jié)點(diǎn)處于監(jiān)聽和空閑所消耗的能量。之所以需要將監(jiān)聽和空閑狀態(tài)的能量消耗計(jì)入總消耗是因?yàn)殡姴ㄓ幸粋€(gè)相當(dāng)大的廣播范圍，再此范圍內(nèi)的所有節(jié)點(diǎn)都必須接收每個(gè)數(shù)據(jù)包以判斷是否是本地接收，雖然多數(shù)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(fā)送狀態(tài)三者能量消耗的比例是1：1.2：1.7。從公式（1）可知，在不關(guān)閉節(jié)點(diǎn)k然而，僅考慮全網(wǎng)能量消耗具有一定的片面性，因?yàn)锳dhoc網(wǎng)絡(luò)中的個(gè)別節(jié)點(diǎn)有可能UDP業(yè)務(wù)，該節(jié)點(diǎn)均不承擔(dān)發(fā)送及轉(zhuǎn)發(fā)任務(wù)，但能量消耗也非常嚴(yán)重。在未發(fā)送及轉(zhuǎn)發(fā)任何數(shù)據(jù)的情況下，節(jié)點(diǎn)能量狀態(tài)由0.80下降到0.64，消耗了16%的能量，卻未對(duì)全網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳遞起到作用，因此，該16%的能量消耗為無用功。而改進(jìn)后的空閑節(jié)點(diǎn)由于采用了關(guān)閉電源及間歇式檢測(cè)信號(hào)等機(jī)制，使得空閑消耗降低。圖3表示了在該實(shí)驗(yàn)中節(jié)點(diǎn)1未改進(jìn)和改進(jìn)后的性能比較。對(duì)于非空閑節(jié)點(diǎn)，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(jìn)后的路由機(jī)制重點(diǎn)關(guān)注全網(wǎng)可達(dá)的持續(xù)性及邊界Agent節(jié)點(diǎn)的輪換工作，這樣，每個(gè)節(jié)點(diǎn)的能量均可得到有效利用，而非僅僅有業(yè)務(wù)流量的節(jié)點(diǎn)消耗能量，而空閑節(jié)點(diǎn)不做功的情況下，也消耗能量。以節(jié)點(diǎn)3至節(jié)點(diǎn)6的UDP業(yè)務(wù)為例，利用AODV建立起來的路由路徑為3—2—6。改進(jìn)機(jī)制首先建立區(qū)域Agent及邊界Agent，節(jié)點(diǎn)3的能量狀態(tài)最大為0.97，因此當(dāng)選Agent，負(fù)責(zé)區(qū)域內(nèi)的信息傳遞及轉(zhuǎn)發(fā)，在該例中，節(jié)點(diǎn)3既是Agent，又是業(yè)務(wù)起始節(jié)點(diǎn)；邊界Agent由兩區(qū)域信號(hào)交叉部分的能量狀態(tài)最大者擔(dān)任，在該例中，節(jié)點(diǎn)5為邊界Agent，轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)由原來的節(jié)點(diǎn)2變?yōu)楣?jié)點(diǎn)5，路由路徑變?yōu)?—5—6。當(dāng)節(jié)點(diǎn)5的能量?jī)H為原來的50%時(shí)，將重新選舉邊界Agent，此時(shí)節(jié)點(diǎn)4成為邊界Agent，路由路徑變?yōu)?—4—6。該選舉過程將一直持續(xù)下去，直到邊界節(jié)點(diǎn)能量不足以支持業(yè)務(wù)。如圖4所示，全網(wǎng)可達(dá)的時(shí)間由原來的1178.90s升至3855.43s。因?yàn)楣?jié)點(diǎn)能量不足而無法完成轉(zhuǎn)發(fā)任務(wù)，即在公式（1）中忽略了節(jié)點(diǎn)的能量狀態(tài)，其定義為：Pre其中，Pre為節(jié)點(diǎn)現(xiàn)有能量，Pst為節(jié)點(diǎn)理想狀態(tài)下的能量最大值。3.改進(jìn)方案由公式（1）可知，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)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(jié)點(diǎn)參與到路由過程之中；k另一部分是其余空閑節(jié)點(diǎn)的待機(jī)能量i1，這部分能量可通過關(guān)閉其無線網(wǎng)卡實(shí)現(xiàn)。無線網(wǎng)卡的關(guān)閉可分為兩部分：一部分為路由建立過程之前網(wǎng)卡關(guān)閉模式，即網(wǎng)絡(luò)中無數(shù)據(jù)流而僅有控制流的時(shí)候，此時(shí)關(guān)閉網(wǎng)卡采用定時(shí)開啟模式，每隔5秒開啟檢查是否有數(shù)據(jù)傳輸要求，若有，則全網(wǎng)節(jié)點(diǎn)開啟，建立路由，路由建立完成后，將進(jìn)入網(wǎng)卡關(guān)閉的第二部分，即路由建立過程之后的網(wǎng)卡關(guān)閉模式，此時(shí)，沒有轉(zhuǎn)發(fā)任務(wù)的節(jié)點(diǎn)可關(guān)閉無線網(wǎng)卡，僅留有路k由任務(wù)的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，這樣，空閑節(jié)點(diǎn)的待機(jī)能量i1從理論上可接近于0。另外，采用無線節(jié)點(diǎn)Agent也是提高轉(zhuǎn)發(fā)效率以及提高能量利用率的一個(gè)有效途徑。移動(dòng)Agent是一段程序代碼，能控制自己在網(wǎng)絡(luò)中移動(dòng)，并能在每個(gè)節(jié)點(diǎn)獨(dú)立地完成各種不同的任務(wù)。移動(dòng)Agent在分布式應(yīng)用中十分有效，特別適用于動(dòng)態(tài)的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，這些Agent在節(jié)點(diǎn)之間跳動(dòng)，在節(jié)點(diǎn)中收集信息，并能將這些信息給新的節(jié)點(diǎn)和Agent。這樣，在短時(shí)間內(nèi)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都能接受到Agent訪問他們帶來的更新信息，網(wǎng)絡(luò)開始運(yùn)行時(shí)，所有節(jié)點(diǎn)只知道他們自己和鄰居信息，而不知道別的節(jié)點(diǎn)的信息，當(dāng)Agent開始路由時(shí)，這些節(jié)點(diǎn)就會(huì)得到別的節(jié)點(diǎn)的信息。在本文中，每個(gè)節(jié)點(diǎn)均有屬于自己的通信區(qū)域，在通信區(qū)域中，利用公式（2），將現(xiàn)有節(jié)點(diǎn)能量狀態(tài)最高者定為Agent，將收到兩個(gè)及以上通信區(qū)域的能量狀態(tài)最高節(jié)點(diǎn)設(shè)為邊界Agent，這樣，較文獻(xiàn)[4]中隨機(jī)設(shè)定Agent的方法，可大大減少網(wǎng)絡(luò)中Agent的數(shù)量。例如，如圖1所示。圖1中，節(jié)點(diǎn)名稱后表示為節(jié)點(diǎn)現(xiàn)有能量狀態(tài)，由改進(jìn)的能量機(jī)制可得，區(qū)域A中，節(jié)點(diǎn)3為Agent，區(qū)域B中，節(jié)點(diǎn)6為Agent節(jié)點(diǎn)，在交叉區(qū)域中，節(jié)點(diǎn)5為邊界Agent。改進(jìn)后的能量機(jī)制將節(jié)點(diǎn)空閑以及待機(jī)時(shí)消耗能量降為最低，并且引入了Agent模式，有效的利用了全網(wǎng)能量，使能量狀態(tài)高的節(jié)點(diǎn)得到充分利用，其工作流程如圖2所示。網(wǎng)絡(luò)中轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)的節(jié)能情況如圖5所示。由于在Edge-Agent切換過程中，分組的轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)間也有所延長(zhǎng)，如圖6所示，分組到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)的時(shí)間有所滯后。但通過對(duì)分組到達(dá)時(shí)延進(jìn)行研究后發(fā)現(xiàn)，雖然Edge-Agent輪換工作方式對(duì)分組的到達(dá)時(shí)間會(huì)有一定的影響，但分組的時(shí)延并沒有因此而出現(xiàn)提高，圖7顯示了利用新能量模型前后分組的發(fā)送時(shí)延比較。從圖7中發(fā)現(xiàn)，在傳送第4000個(gè)數(shù)據(jù)包之前，新能量模型的時(shí)延小于原有模型的時(shí)延；但在傳送第5000個(gè)包時(shí)，時(shí)延突然增大，隨后的轉(zhuǎn)送過程中會(huì)出現(xiàn)脈沖式的時(shí)延增大的情況，但隨后時(shí)延會(huì)逐漸減小，但任高于原有模型的網(wǎng)絡(luò)時(shí)延。通過對(duì)實(shí)驗(yàn)的分析后得知，在傳送第4000號(hào)至第5000號(hào)包之間的時(shí)間間隔內(nèi)，Edge-Agent進(jìn)行了改選，在改選過程中的網(wǎng)絡(luò)時(shí)延會(huì)有所增加，且隨后的脈沖式時(shí)延增加也是由此所引起的，同時(shí)，在Edge-Agent能量狀態(tài)相近時(shí)，這種輪換會(huì)非常頻繁，導(dǎo)致時(shí)延的增加。而且，在一定范圍內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的增大和節(jié)點(diǎn)數(shù)量的增加會(huì)改善新能量模型的運(yùn)行效果，對(duì)節(jié)省網(wǎng)絡(luò)的能量消耗較有效，但超過一定范圍后，節(jié)能效果反而會(huì)下降，如圖8所示。如圖8中，網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)數(shù)達(dá)到20時(shí)，節(jié)點(diǎn)剩余能量最多，若網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)數(shù)再繼續(xù)增大，節(jié)點(diǎn)剩余能量反而會(huì)減少。經(jīng)研究后發(fā)現(xiàn)，這種節(jié)能性能的下降主要是因?yàn)镋dge-Agent的頻繁的輪換工作所致。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)增加而所在范圍一定時(shí)，節(jié)點(diǎn)的密度也相對(duì)增加，同時(shí)，在一定區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)相近能量節(jié)點(diǎn)的概率也增加了，而過多次的決定哪個(gè)節(jié)點(diǎn)是轉(zhuǎn)發(fā)Edge-Agent時(shí)，必然會(huì)消耗更多的能量。因此，在多個(gè)能量相近節(jié)點(diǎn)成為或可能成為Edge-Agent時(shí)，這種輪換機(jī)制反而對(duì)網(wǎng)絡(luò)的節(jié)能性能有消極影響。另外，在新能量模型中，節(jié)點(diǎn)數(shù)與網(wǎng)絡(luò)平均時(shí)延也存在著一定的關(guān)系。如圖9所示，無論是原能量模型還是新的能量模型，其網(wǎng)絡(luò)平均時(shí)延都會(huì)隨節(jié)點(diǎn)數(shù)的增加而增加。但新的能量節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)時(shí)延增加的更為明顯。研究后發(fā)現(xiàn)，其主要原因仍是由于Edge-Agent的輪換機(jī)制造成的。當(dāng)某個(gè)Edge-Agent因其能量消耗而被其它節(jié)點(diǎn)取代時(shí)，它們之間會(huì)發(fā)生切換過程，此時(shí)，數(shù)據(jù)包是不能被轉(zhuǎn)發(fā)的。當(dāng)節(jié)點(diǎn)數(shù)增加，其輪換工作機(jī)制會(huì)頻繁發(fā)生，從而導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)平均時(shí)延的增大。由以上實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)可知，采用Edge-Agent的節(jié)能機(jī)制對(duì)小規(guī)模的Adhoc網(wǎng)絡(luò)確實(shí)能起到一定的節(jié)省電池消耗，提高網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間的效果，但不適用于網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)較多的Adhoc網(wǎng)絡(luò)，否則會(huì)出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)平均時(shí)延增加和轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)能量消耗增加等問題。5.小結(jié)本文介紹了一種改進(jìn)的Adhoc網(wǎng)絡(luò)節(jié)能機(jī)制。較以往的節(jié)能機(jī)制，其特點(diǎn)是大大降低了空閑節(jié)點(diǎn)的能耗；將作為Agent節(jié)點(diǎn)的概率由原來的50%下降為每個(gè)通信區(qū)域僅一個(gè)；并通過功能劃分，增加了邊界Agent節(jié)點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)表明，雖然該節(jié)能機(jī)制對(duì)Agent節(jié)點(diǎn)的依賴較一般Adhoc網(wǎng)絡(luò)路由對(duì)單個(gè)節(jié)點(diǎn)的依賴有所增加，但其能有效的提高全網(wǎng)可達(dá)時(shí)