基于OLSR 的能量有效路由新方案

摘要：本文建議了一種計算能量有效路由的新量度，提出了OLSR協(xié)議中選擇能量有效路由的新機制，主要設(shè)計目標是延長低電節(jié)點壽命的同時盡量降低數(shù)據(jù)分組的傳輸能耗。使用NS2仿真器將它們與OLSR及MMBCR協(xié)議進行了比較，說明新機制可以提供更好性能。

1 引言

設(shè)計能量有效的路由協(xié)議是自組網(wǎng)中一個非常重要的研究領(lǐng)域。自組網(wǎng)中的移動節(jié)點一 般依賴電池供電，移動設(shè)備可攜帶的電池不可能過大，造成電池提供的電能非常有限；在法 律強制行動、搶險救災或軍事作戰(zhàn)行動這樣的重要環(huán)境中，充電或更換電池常常是不可能的； 自組網(wǎng)中即使主機自己不通信，仍然需要頻繁地轉(zhuǎn)發(fā)其它節(jié)點的數(shù)據(jù)分組，從而使自己的電 池能量下降；因此，節(jié)省自組網(wǎng)中移動節(jié)點的能量，延長節(jié)點的工作時間，維護網(wǎng)絡(luò)連通性 就成為自組網(wǎng)技術(shù)研究中的一個熱點。

圍繞能量有效路由協(xié)議的研究已經(jīng)取得了許多進展，主要的研究方向是通信狀態(tài)的能量 有效與空閑狀態(tài)的能量有效。節(jié)點通信狀態(tài)消耗的能量，包括數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收必須消耗的 能量和路由發(fā)現(xiàn)與維護所消耗的能量。

節(jié)省通信能量主要圍繞兩種思路展開：一是尋找源節(jié) 點到目的節(jié)點消耗能量最少的路由，代表性協(xié)議有MTPR、PARO、COMPOW 等。二是盡 量避開低電節(jié)點參與路由，從而減少低電節(jié)點的能耗，避免低電節(jié)點因斷電退出網(wǎng)絡(luò)而造成 網(wǎng)絡(luò)分割，代表性協(xié)議主要有MMBCR、MDR、LEAR、EDDSR 等。還有一些協(xié)議如 CMMBCR、CMDR 等探討以上兩種思路的綜合實現(xiàn)。 先應式路由協(xié)議的路由信息總是保持最新可用，端到端延遲小，這些突出優(yōu)點特別適合 于野戰(zhàn)環(huán)境、法律強制行動或搶險救災中大量節(jié)點短時間內(nèi)相互通信的情況，先應式路由協(xié) 議OLSR 的MPR 選擇機制大幅度地降低了路由的建立與維護開銷，為建立能量有效路由打 下了良好基礎(chǔ)。但先應式路由協(xié)議總是建立并維護著到達網(wǎng)絡(luò)中所有可達目的節(jié)點的路由信 息，在數(shù)據(jù)流量分布不均衡時，先應式路由協(xié)議比起反應式路由來，由于大量地路由發(fā)現(xiàn)與 維護開銷，先天地較為浪費能量。

目前研究節(jié)省通信能量消耗的許多工作都是基于反應式路 由協(xié)議（DSR、AODV 等）進行的，而基于先應式路由協(xié)議的能量有效研究則較為少見。鑒 于以上情況，本工作以O(shè)LSR 作為基礎(chǔ)協(xié)議探討能量有效路由方案。

本文建議了一種計算能量有效路由的新量度――路徑瓶頸能量相對最大條件下取路徑 跳數(shù)最小者�；�于這種新量度，提出了OLSR 協(xié)議中選擇能量有效路由的新機制，主要設(shè)計 目標是延長低電節(jié)點壽命的同時盡量降低數(shù)據(jù)分組傳輸?shù)哪芰肯�耗。在NS-2 環(huán)境中將這些新的路由機制與OLSR 及MMBCR 進行了仿真比較，結(jié)果表明新機制可以提供更好的性能。

2 延長低電節(jié)點壽命的幾種能量有效路由方案

MMBCR 把節(jié)點的電池剩余能量作為路由選擇的量度，電量充足的節(jié)點比起低電節(jié)點來 更多地參與數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。MMBCR 選擇所有可能路由中瓶頸能量最大的路由。

MDR 利用節(jié)點剩余能量和經(jīng)過該節(jié)點的數(shù)據(jù)流量預測節(jié)點壽命，壽命長的節(jié)點比起壽 命短的節(jié)點來更多地參與數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。MDR 選擇所有可能路由中壽命最長的路由。 MMBCR 和MDR 都可以延長低電節(jié)點的壽命，但不能保證降低網(wǎng)絡(luò)的傳輸總耗能。

CMMBCR/CMDR 將MTPR 與MMBCR/MDR 相結(jié)合，若某路由上所有節(jié)點的能量充足/壽 命足夠長時，使用MTPR 機制；如果所有路由上都有節(jié)點處于低電狀態(tài)/壽命太短時，就采 用MMBCR/MDR，謀求盡量降低網(wǎng)絡(luò)總耗能并盡量延長低電節(jié)點壽命。

3 基于 OLSR 的能量有效路由新方案

延長低電節(jié)點壽命的路由機制MMBCR、MDR 在路由發(fā)現(xiàn)時為了避開低電節(jié)點，不同 程度增加了源節(jié)點到目的節(jié)點的路徑跳數(shù)。

數(shù)據(jù)傳輸消耗能量與路徑長度緊密有關(guān)，數(shù)據(jù)包 被轉(zhuǎn)發(fā)次數(shù)越多，消耗的能量就越多；頻繁地發(fā)現(xiàn)并維護路由，不僅降低網(wǎng)絡(luò)的性能，而且 增加能量的消耗，跳數(shù)增加所帶來的額外能耗是不可忽視的沉重代價！ 為此，本文建議了計算能量有效路由的一種新量度――路徑瓶頸剩余能量相對最大條件 下跳數(shù)最少量度。基于這種新量度提出了基于OLSR 的能量有效路由新方案，謀求延長低電 節(jié)點壽命的同時盡量降低數(shù)據(jù)分組的傳輸能耗。

能量模型：[2]基于[1]的工作定義了IEEE 802.11 網(wǎng)絡(luò)接口卡（NIC）的能量開銷模型， 主機發(fā)送、接收或丟棄分組時網(wǎng)絡(luò)接口消耗的能量可以用線性等式描述：E＝m×p＋n，其 中p 是按字節(jié)計算的分組大小，m，n 是經(jīng)過實驗確定的常數(shù)，n 代表發(fā)送或接收每分組的 固定開銷。根據(jù)[1][2]，節(jié)點在一個時間區(qū)間消耗的能量可以用下式計算：有

如果節(jié)點進入網(wǎng)絡(luò)時的初始能量為E0，那么經(jīng)過一段時間后節(jié)點的剩余能量就是E0–e。 節(jié)點剩余能量參數(shù)的交換與維護：為了在節(jié)點維護并在網(wǎng)絡(luò)中分布節(jié)點的剩余能量信 息，需對OLSR 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)及功能進行擴展，擴展時盡量縮小規(guī)模以降低控制開銷。具體做法 是：每個節(jié)點記錄自己發(fā)送、接收的分組數(shù)與字節(jié)數(shù)量，廣播HELLO 時計算自己的剩余能 量E0–e；在廣播的HELLO 消息中增加節(jié)點的剩余能量信息、鄰居的剩余能量信息；MPR 節(jié)點在TC 消息中廣播MPR selector 的剩余能量信息，節(jié)點收到TC 消息后在拓撲表記錄網(wǎng) 絡(luò)部分拓撲的能量信息，并據(jù)此計算并維護路由。

MPR 算法：采用OLSR 原始協(xié)議的MPR 算法。

能量有效的擴展最短路徑算法：OLSR 使用“最少跳數(shù)路徑算法”計算路由表。本文對 最短路徑算法進行了能量量度擴展，節(jié)點計算路由時，對所有可能的跳數(shù)H，如果存在到達 目的節(jié)點D 的H 跳路由，那么在所有可能的H 跳路由中，將瓶頸能量最大的那條路由記錄 到路由表中。最短路徑擴展算法產(chǎn)生的路由表，記錄了到達所有可達目的節(jié)點的所有可能跳 數(shù)的瓶頸能量最大的路徑，對于一個可達目的節(jié)點來說，可以經(jīng)不同跳數(shù)的路徑到達，但是 在相同跳數(shù)的路徑中，只保留了瓶頸能量最大的那一條。