鄭石，吳偉強(qiáng)，張欽宇，張乃通

(1. 哈爾濱工業(yè)大學(xué) 深圳研究生院，廣東 深圳 518055；2. 哈爾濱工業(yè)大學(xué) 電子與信息技術(shù)研究院，黑龍江 哈爾濱 150001)

1 引言

移動自組織網(wǎng)絡(luò)是由一組無基礎(chǔ)設(shè)施支持的移動節(jié)點組成的網(wǎng)絡(luò)。在ad hoc中，終端節(jié)點多采用電池進(jìn)行供電以保證其靈活的特點。因此，能量資源在ad hoc網(wǎng)絡(luò)中通常作為一種重要資源加以保護(hù)。網(wǎng)絡(luò)中有節(jié)點能量耗盡就意味其不能參與網(wǎng)絡(luò)中任何活動，一個死節(jié)點會給整個網(wǎng)絡(luò)的通暢性和完整性造成網(wǎng)絡(luò)分割等一系列問題。死節(jié)點通常是由于特殊節(jié)點被選作中繼節(jié)點進(jìn)行信息轉(zhuǎn)發(fā)所造成的。在傳統(tǒng)ad hoc網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議中，AODV、DSR等協(xié)議只關(guān)注路由協(xié)議理論上的高效性，并以最小跳數(shù)作為路由協(xié)議的選取準(zhǔn)則。這使得位于網(wǎng)絡(luò)中心位置的節(jié)點作為多條鏈路的轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點，從而將它的能量過快耗盡，由于被同時選為多條鏈路的中繼節(jié)點，還會造成數(shù)據(jù)在該點的擁塞，導(dǎo)致大量數(shù)據(jù)丟失與重傳。由此可見，忽視節(jié)點能量因素的簡單路由協(xié)議會給網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸造成很大影響。

現(xiàn)今，基于節(jié)點能耗的節(jié)能算法備受研究者的關(guān)注。在終端節(jié)點能量受限的前提下，正在進(jìn)行對節(jié)省能耗和均衡能耗的深入研究[1～3]。一方面，可以通過MAC層的功率控制機(jī)制調(diào)整節(jié)點的發(fā)射功率或休眠策略，以達(dá)到節(jié)省能耗、提高能量效率的目的[1,2]。另一方面，將節(jié)點能量的使用情況轉(zhuǎn)化成數(shù)據(jù)通過控制信息傳輸，起到對節(jié)點能量監(jiān)測的作用，同時引入能量代價函數(shù)，用節(jié)點的能耗情況作為最終路由選擇的準(zhǔn)則進(jìn)行選路[3]。

早期的研究者在考慮節(jié)點能耗路由方面，大多沿用了AODV、OLSR等單路由選擇機(jī)制，即在單路由選擇的路由算法中加入功率控制、能耗感知等概念，以達(dá)到提高能量利用效率和延長網(wǎng)絡(luò)生存時間的目的。文獻(xiàn)[4]是在 AODV協(xié)議的基礎(chǔ)上通過中間節(jié)點對鏈路平均能耗的估測來進(jìn)行選路的，一定程度上起到對被過度使用節(jié)點的保護(hù)作用。文獻(xiàn)[5]是以TORA協(xié)議作為基礎(chǔ)，兼顧傳輸跳數(shù)和節(jié)點剩余能量來選擇路由，力求延長網(wǎng)絡(luò)生存時間。文獻(xiàn)[6]和文獻(xiàn)[7]則是針對 OLSR協(xié)議引入能量效率概念，采用距離較短路徑代替距離較長路徑并調(diào)整發(fā)射功率方法選取路徑，以此來提高能量的使用效率，有效提高網(wǎng)絡(luò)的生存時間。上述文獻(xiàn)中提到的MPR（multi-point relays）的思想在節(jié)約能耗的路由協(xié)議中由來已久并且成為很多能耗感知路由協(xié)議的基礎(chǔ)。在 MIRRC (minimum total transmission power routing)協(xié)議[8]中，作者采用鏈路消耗能量總和最小原則進(jìn)行路由選取，該路由算法更傾向于選擇短距離傳輸即更多跳數(shù)來替代傳統(tǒng)路由協(xié)議中大尺度少跳數(shù)的路由選擇策略。盡管一定程度上減少了鏈路傳輸?shù)哪芎牟⑶姨岣吡司W(wǎng)絡(luò)空間復(fù)用率，但在實際應(yīng)用中，會由于引入過多的中繼節(jié)點而導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)中部分關(guān)鍵位置節(jié)點承載過多的轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，帶來諸如網(wǎng)絡(luò)擁塞、關(guān)鍵節(jié)點能量過快耗盡等問題。在此基礎(chǔ)上，MBCR(minimum battery cost routing)協(xié)議應(yīng)運(yùn)而生。該協(xié)議考慮了鏈路中節(jié)點的剩余能量問題，將可選鏈路中節(jié)點剩余能量總和最大的鏈路作為最終選擇，在一定程度上解決了上述問題。MBCR協(xié)議雖然在延長網(wǎng)絡(luò)生存時間性能上有很大改善，但是其只關(guān)注了整體鏈路剩余能量而忽略了單個節(jié)點剩余能量問題。MMBCR (min-max battery cost routing)協(xié)議則關(guān)注鏈路中瓶頸節(jié)點的剩余能量，選擇其值最大的節(jié)點所在鏈路作為轉(zhuǎn)發(fā)路徑。這2種協(xié)議的目的均為提高網(wǎng)絡(luò)生存時間，但在節(jié)點不同能量剩余階段采取同樣的選路策略并不能使其策略始終保證最優(yōu)化。多策略選擇路由協(xié)議能夠根據(jù)網(wǎng)絡(luò)中不同時期的參量變化情況選擇不同路由策略，使選路機(jī)制達(dá)到整體最優(yōu)化[9,10]。CMMBCR (conditional max-min battery capacity routing)協(xié)議是上述2種協(xié)議的整合，通過閾值的設(shè)定來選擇當(dāng)前環(huán)境的路由算法。文獻(xiàn)[11]和文獻(xiàn)[12]對上述路由算法做了比較和性能評估。然而該協(xié)議在能量均衡選路方面并不完善，而且在路由維護(hù)方面并未能體現(xiàn)能量感知對選路的優(yōu)勢。

基于以上分析，本文提出了一種新的能量感知路由協(xié)議。該協(xié)議根據(jù)多策略路由協(xié)議的思想，通過在不同能量階段采用多策略來實現(xiàn)提高網(wǎng)絡(luò)性能的目的。本文引入節(jié)點相對剩余能量的概念作為計算路由花費(fèi)的依據(jù)。在算法中引入相關(guān)閾值概念，將網(wǎng)絡(luò)傳輸狀態(tài)劃分區(qū)間，不同區(qū)間采用各異的路由選擇策略，并且對剩余能量處于不同區(qū)間的節(jié)點采取不同的保護(hù)措施，以防止其由于過度使用而能量耗盡。在保證端到端延時情況下，更大程度提高網(wǎng)絡(luò)生存時間。最后通過引入本地路由維護(hù)策略，使自身的能量感知提前對因能量過少而不能支持?jǐn)?shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的節(jié)點預(yù)測，從而減少路由斷裂和重傳情況的發(fā)生。

2 系統(tǒng)模型

在本文中，路由發(fā)現(xiàn)策略通過收集節(jié)點自身及鏈路中其他節(jié)點的能量信息，均衡保護(hù)進(jìn)行選路。首先建立節(jié)點能耗及剩余能量模型；其次，在仿真性能評估時，將網(wǎng)絡(luò)生存時間作為第一度量標(biāo)準(zhǔn)。因此建立多尺度網(wǎng)絡(luò)生存時間模型有助于分析協(xié)議性能。

2.1 能耗及剩余能量模型

假設(shè)一對發(fā)射接收節(jié)點距離為d，在自由空間傳播中，若接收節(jié)點需要接收到的信號能量為minE，則在發(fā)射端節(jié)點發(fā)出的信號能量ampE如式(1)所示：

其中，n一般取2～4的整數(shù)值，k為常數(shù)。式(1)表明接收端所接收到的信號能量隨著節(jié)點對之間距離的增加而衰減，本文中取n=2，k=1。Eamp(d)表示發(fā)射端節(jié)點傳送單位數(shù)據(jù)所消耗的能量，則發(fā)送m個單位的數(shù)據(jù)需要消耗的總能量Etx(m,d)如式(2)所示，接收m個單位的數(shù)據(jù)所消耗能量如式(3)所示。其中，Eelec代表終端節(jié)點在發(fā)射和接受過程中內(nèi)部電路消耗的能量，這也表明節(jié)點在發(fā)射和接收過程中都需要消耗一定能量。

因此，對于一對發(fā)射接收節(jié)點，傳輸m個單位的數(shù)據(jù)所需消耗的能量由式(4)表示。

對于單個節(jié)點i，Eii為初始能量值，Eic為消耗的能量，Eir為當(dāng)前剩余能量值。將剩余能量值進(jìn)行歸一化，并引入相對剩余能量值，用Eip表示。節(jié)點的相對剩余能量值表征節(jié)點在網(wǎng)絡(luò)中的繁忙程度，在路由選擇中避免相對能量較低節(jié)點，可以減少網(wǎng)絡(luò)的擁塞程度。Eip由式(5)得出：

其中，節(jié)點i的絕對剩余能量Eir為

在一條數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐暾窂街?，包括源?jié)點、目的節(jié)點以及所有中間節(jié)點在內(nèi)的相對剩余能量值信息cwE，將其定義為

其中，N為路徑中節(jié)點數(shù)總和。

圖1中鏈路由4個節(jié)點A、B、C和D組成，表示在節(jié)點能量和相同的情況下，每個節(jié)點能量值有所差異的情況。網(wǎng)絡(luò)公平性和負(fù)載均衡度等原因會影響節(jié)點的能量消耗速率，這些都會導(dǎo)致在某條鏈路或某個區(qū)域內(nèi)的節(jié)點剩余能量值的差異性。如圖1所示，在以鏈路中節(jié)點剩余能量和為鏈路花費(fèi)的路由協(xié)議中，在鏈路能量和相同情況下，圖1(a)的鏈路比圖1(b)的鏈路更加穩(wěn)定，網(wǎng)絡(luò)生存時間性能更好。圖1(b)中剩余能量值大的節(jié)點掩蓋了能量值小的節(jié)點。剩余能量值過大或過小的節(jié)點稱為該鏈路的奇點，它們是鏈路的不穩(wěn)定因素。由于本文采用網(wǎng)絡(luò)生存時間作為路由協(xié)議性能的第一度量標(biāo)準(zhǔn)，如果鏈路中每個節(jié)點的剩余能量值對路由選擇的鏈路花費(fèi)影響程度相同，即它們擁有相同的權(quán)值，會使鏈路中的奇點影響最優(yōu)路由的選擇。本文采用對鏈路中相對剩余能量求積的方式作為cwE值。

圖1 節(jié)點不同剩余能量值

通過以上分析，并結(jié)合式(7)，則鏈路損耗RC為

2.2 網(wǎng)絡(luò)生存時間模型

在圖G(N,L)中，N代表網(wǎng)絡(luò)中活躍節(jié)點的集合，L表示有向鏈路(i，j)的集合。N={n1,n2,… ,nq}，ni為頂點，q為頂點數(shù)，N為頂點集；L= {l1,l2,… ,lm}，li為邊，m為邊數(shù)，L為邊集。設(shè)Si為當(dāng)節(jié)點i以一定功率發(fā)射信號時，周圍能夠接收此信號的節(jié)點集合，則有j∈Si。假定網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)傳輸是可逆的，不會造成單向鏈路的情況，有且僅有節(jié)點j(j∈Si)發(fā)送數(shù)據(jù)造成節(jié)點i的能量消耗。設(shè)Eii為節(jié)點i初始能量，傳輸單位信息所消耗能量為Etx(1,d)，接收單位信息能量耗能為Erx(1)，則節(jié)點i傳輸m1個單位同時接收到m2個單位所需消耗的能量值為

當(dāng)節(jié)點i的能耗Ewi達(dá)到Eii時，則節(jié)點i的能量耗盡，所用時間Ti為節(jié)點i在網(wǎng)絡(luò)中的生存時間。網(wǎng)絡(luò)的生存時間Tnek為

式(10)定義了將節(jié)點的生存時間最小值作為網(wǎng)絡(luò)生存時間，而低能量值奇點會使其生存時間相對其他節(jié)點過低而產(chǎn)生生存時間突變，利用上述定義的網(wǎng)絡(luò)生存時間就會存在不穩(wěn)定性和突發(fā)性。為了減少這種情況發(fā)生，本文將網(wǎng)絡(luò)生存時間取值做進(jìn)一步改進(jìn)。根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模不同，取節(jié)點生存時間小的部分節(jié)點的均值作為網(wǎng)絡(luò)生存時間，這樣可以消除由于奇點生存時間對網(wǎng)絡(luò)生存時間帶來的突變影響。本文結(jié)合第4節(jié)仿真場景的規(guī)模，將改進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)生存時間設(shè)為前10個節(jié)點生存時間值的算術(shù)平均值。在節(jié)點數(shù)為N（N＞10）的網(wǎng)絡(luò)中，設(shè)節(jié)點的節(jié)點生存時間則網(wǎng)絡(luò)生存時間nekT為

3 基于剩余能量感知的多策略路由協(xié)議

3.1 路由發(fā)現(xiàn)策略

在網(wǎng)絡(luò)建立初期，各節(jié)點相對剩余能量基本處于可容忍方差范圍內(nèi)的高均值狀態(tài)，數(shù)據(jù)傳輸不會導(dǎo)致路由中斷，路由選擇策略應(yīng)傾向于關(guān)注鏈路總體剩余能量Ecw。Ecw值越大，可認(rèn)為該鏈路的平均繁忙程度較低，選取此鏈路作為路由，一定程度上起到均衡網(wǎng)絡(luò)負(fù)載的作用。隨著數(shù)據(jù)傳輸與轉(zhuǎn)發(fā)的進(jìn)行，節(jié)點剩余能量值出現(xiàn)異化，部分特殊位置或起關(guān)鍵作用的節(jié)點成為奇點。此時，路由選擇應(yīng)關(guān)注這些奇點，盡量節(jié)省其剩余能量，以延長網(wǎng)絡(luò)生存時間。剩余能量處于危險階段的節(jié)點不再承擔(dān)轉(zhuǎn)發(fā)工作，只作為源節(jié)點和目的節(jié)點使用，以盡可能延長其生存時間。

基于以上分析，本文在節(jié)點相對剩余能量值中設(shè)置2個閾值r1和r2，將節(jié)點能量分為3個階段：正常階段、告警階段和危險階段。其中，1r是歸一化的節(jié)點剩余能量相對值。在1r接近 100%時，路由協(xié)議傾向于對個別節(jié)點剩余能量的保護(hù)，從而延長節(jié)點生存時間。但過早引入單個節(jié)點保護(hù)機(jī)制，會使網(wǎng)絡(luò)平均跳數(shù)增加，從而增加端到端時延。因此提高網(wǎng)絡(luò)生存時間的同時還要兼顧端到端時延的性能。本文將1r設(shè)為50%。2r的取值在0到1r之間。2r設(shè)置過大，會對危險節(jié)點過早進(jìn)行保護(hù)。由于受保護(hù)的節(jié)點不能轉(zhuǎn)發(fā)信息，因此過早保護(hù)危險節(jié)點會造成在網(wǎng)絡(luò)傳輸后期轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點偏少，形成網(wǎng)絡(luò)分割和分組到達(dá)率降低的情況。2r設(shè)置過小會降低能量保護(hù)和本地維護(hù)的作用。本文將2r值設(shè)置為10%。在1r和2r選定的前提下，對路由策略做如下分析。

當(dāng)剩余能量處于正常階段時，可采用cwE值大的路由作為傳輸鏈路，如式(12)所示。

當(dāng)剩余能量處于告警階段時，可采用相對剩余能量值最大的鏈路作為傳輸鏈路，如式(13)所示。

當(dāng)剩余能量處于危險階段，則該節(jié)點被保護(hù)，不進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)工作，如式(14)所示。

3.1.1 路由請求過程

節(jié)點要發(fā)送數(shù)據(jù)時，首先查明自己路由表中是否有可用的有效路由。如需啟動路由請求機(jī)制，則向鄰居節(jié)點發(fā)送RREQ。RREQ包含源節(jié)點序列號（source ID）、目的節(jié)點序列號（destination ID）、序列數(shù)（sequence number）以及節(jié)點剩余能量信息Ecw和Ep。RREQ幀格式如圖2所示。

圖2 RREQ幀格式

當(dāng)鄰居節(jié)點和中間節(jié)點收到來自源節(jié)點的RREQ，首先查驗自身和自身路由表中的有效路由是否符合要求，以及序列數(shù)來防止環(huán)路產(chǎn)生。若沒有到達(dá)目的節(jié)點的有效路由，則繼續(xù)轉(zhuǎn)發(fā)工作。轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點獲取RREQ中關(guān)于節(jié)點能量信息Ecw和Ep。對自身能量信息進(jìn)行比較，決定是否更新路由表以及RREQ中的能量信息，其能量信息的更新依據(jù)式(15)和式(16)。

3.1.2 路由應(yīng)答過程

路由請求到達(dá)目的節(jié)點后，目的節(jié)點會啟動定時器設(shè)置延時T，以接收有效路由請求。如果中間節(jié)點含有目的節(jié)點有效路由，則可直接向源節(jié)點發(fā)送RREP完成路由發(fā)現(xiàn)過程。目的節(jié)點收到的有效RREQ中，將能量信息Ep與剩余能量閾值r1和r2比較，根據(jù)式(12)～式(14)選取當(dāng)前鏈路節(jié)點能量狀態(tài)下的路由策略，在定時器延時到達(dá)T后，向源節(jié)點發(fā)送RREP完成路由發(fā)現(xiàn)過程。

3.2 路由維護(hù)策略

當(dāng)節(jié)點的剩余能量減少到需要觸發(fā)節(jié)電保護(hù)機(jī)制時，節(jié)點所在鏈路會發(fā)生斷裂，進(jìn)而導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸需要重新選擇替代路由來進(jìn)行。在本路由策略中，由于采用了能量感知算法，節(jié)點對剩余能量可以提前預(yù)測。節(jié)點預(yù)測到鏈路將由于節(jié)點剩余能量的不足而導(dǎo)致路由斷裂，則會觸發(fā)本地路由維護(hù)機(jī)制，通過與周圍臨界點的信息交互，完成替代鏈路的尋找，從而避免路由斷裂。尤其在網(wǎng)絡(luò)形成后期，多數(shù)節(jié)點的自身能量消耗過多，更易發(fā)生此種情況。圖3為在數(shù)據(jù)傳輸過程中發(fā)起的本地維護(hù)策略過程。

圖3 本地路由維護(hù)策略

在簡單平面路由中，節(jié)點ABCDE形成一條完整傳輸鏈路，同樣假定網(wǎng)絡(luò)中無單向鏈路存在。若在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)過程中，中間節(jié)點D由于自身剩余能量值過低不能繼續(xù)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，提前預(yù)測能量過低后啟動本地維護(hù)策略。節(jié)點D向周圍節(jié)點發(fā)送RRER信息，其鄰節(jié)點F、G收到信息后，查找路由表中是否有可以代替節(jié)點D的路由，并且檢查自身剩余能量值。若節(jié)點G的值符合轉(zhuǎn)發(fā)條件，則如圖3(c)所示，向節(jié)點D返回信息，并告知節(jié)點D的上游節(jié)點C，隨后進(jìn)入等待狀態(tài)。節(jié)點C則通過圖 3(b)和圖 3(c)完成被替代路由的選擇工作，選擇剩余能量值充足的節(jié)點所在鏈路完成數(shù)據(jù)傳輸，如圖 3(d)所示，這樣有效避免了由于節(jié)點剩余能量的不足而引起的路由斷裂與數(shù)據(jù)重傳。

4 實驗仿真與結(jié)果分析

本文采用 NS2平臺，將 AODV、MTPR和CMMBCR協(xié)議和本文提出的新的能量感知路由協(xié)議在設(shè)定參數(shù)環(huán)境中仿真，并對結(jié)果分析比較。仿真場景的參數(shù)設(shè)置如圖4所示。

圖4 仿真參數(shù)設(shè)置

圖5和圖6是節(jié)點移動速率相同、分組發(fā)送率不同時的仿真結(jié)果。由圖可見，網(wǎng)絡(luò)生存時間均隨業(yè)務(wù)負(fù)載的增加而減少。AODV協(xié)議未考慮節(jié)點剩余能量值因素，性能最差?？紤]了能量機(jī)制的其他路由協(xié)議，網(wǎng)絡(luò)生存時間均有不同程度提高。其中，CMMBCR協(xié)議網(wǎng)絡(luò)傳輸末段考慮了個別低剩余能量節(jié)點的情況，與新協(xié)議一樣性能高于 MTPR協(xié)議。尤其當(dāng)中間節(jié)點負(fù)載較重時，采用低剩余能量節(jié)點保護(hù)機(jī)制效果更加明顯。由于在AODV協(xié)議中無此機(jī)制，圖中可見采用式（10）作為準(zhǔn)則的缺陷更加明顯。這是因為低能保護(hù)機(jī)制中，奇點的產(chǎn)生幾率相對較少、時間上較慢。圖4和圖5表明，在小尺度和大尺度的網(wǎng)絡(luò)生存時間設(shè)置中，仿真結(jié)果趨勢相一致，并未產(chǎn)生畸變。

圖5 式（10）定義網(wǎng)絡(luò)生存時間

圖6 式（11）定義網(wǎng)絡(luò)生存時間

圖7為節(jié)點移動速率不同的情況下各協(xié)議網(wǎng)絡(luò)生存時間描述。隨著節(jié)點移動性的增加，網(wǎng)絡(luò)生存時間略有提升。雖然節(jié)點的移動會導(dǎo)致部分鏈路在傳輸過程中的斷裂重傳，但從仿真結(jié)果看在移動速率不大的情況下，節(jié)點的移動會使業(yè)務(wù)傳輸趨于均衡，一定程度上起到能量均衡的作用。因此，AODV協(xié)議與其他協(xié)議在網(wǎng)絡(luò)生存時間方面差距變小。在本文實驗中，AODV與CMMBCR協(xié)議和新協(xié)議相比，從移動速率為0時的相差30% 、33% ，提高到速率為10m/s時的只相差3%、6.6%。隨著節(jié)點移動速率的增加，各協(xié)議網(wǎng)絡(luò)生存時間的性能差距逐漸變小。在移動速率大于10m/s的情況下，差距將進(jìn)一步減小，但趨勢保持不變，即新協(xié)議仍要優(yōu)于其他協(xié)議。

圖7 不同節(jié)點移動速率的網(wǎng)絡(luò)生存時間

在能量消耗方面，如圖8所示，對于相同分組負(fù)載的情況，CMMBCR協(xié)議和新協(xié)議稍好于AODV協(xié)議。而隨著節(jié)點移動速率的增加，4種協(xié)議間的值更接近。但由于CMMBCR協(xié)議和新協(xié)議都考慮了節(jié)點剩余能量問題，在網(wǎng)絡(luò)傳輸后期對低能節(jié)點進(jìn)行了保護(hù)選路，因此在節(jié)點耗能的差異性方面，要遠(yuǎn)遠(yuǎn)好于其他2種協(xié)議，即這2種協(xié)議中節(jié)點能量消耗更平均。這也反應(yīng)了新協(xié)議在保證節(jié)點能耗不增加的前提下，對負(fù)載均衡起到一定作用。當(dāng)節(jié)點移動速率達(dá)到10m/s后，CMMBCR協(xié)議和新協(xié)議中節(jié)點能耗略低于MTPR協(xié)議。

圖8 不同節(jié)點移動速率的平均能耗

由于復(fù)雜協(xié)議需要考慮除吞吐量以外的網(wǎng)絡(luò)性能因素，因此本文中新協(xié)議與CMMBCR協(xié)議一樣，單位時間的吞吐量有所降低。節(jié)點的能量效率即能耗與吞吐量之比如圖9所示，CMMBCR協(xié)議性能較差，而新協(xié)議中引入本地維護(hù)策略，吞吐量性能要好于CMMBCR協(xié)議。AODV協(xié)議等簡單路由協(xié)議的吞吐量性能較好，在部分節(jié)點重負(fù)載情況下差距會減小。在能量效率方面，隨著節(jié)點移動性的增加，其值單調(diào)增加，其中，新協(xié)議并未比其他協(xié)議的能量效率降低。

圖9 不同節(jié)點移動速率的能量效率

圖10和圖11是在不同負(fù)載與移動速率下的網(wǎng)絡(luò)端到端延時。圖 10中，隨著業(yè)務(wù)量的增加，所有協(xié)議的延時均有增加。收發(fā)數(shù)據(jù)的節(jié)點對較少時，延時的增加比較緩慢。隨著業(yè)務(wù)量的增加，在網(wǎng)絡(luò)中會產(chǎn)生擁塞造成延時大幅度增加。而MTPR協(xié)議和CMMBCR協(xié)議在延時方面性能較差，新協(xié)議雖然增加了尋路的復(fù)雜性，但在延時方面性能降低較少。而 AODV協(xié)議在網(wǎng)絡(luò)負(fù)載較輕時延時較小。圖 11表明，在節(jié)點移動速率較低時，各協(xié)議的延時性能基本相同。隨著節(jié)點移動性增加，跳數(shù)多的路由性能降低較快，MTPR、CMMBCR協(xié)議延時增加較多，新協(xié)議的本地維護(hù)策略使其延時增加幅度不大，更加接近AODV協(xié)議。

圖10 不同業(yè)務(wù)負(fù)載下的端到端延時

圖11 不同節(jié)點移動速率下的端到端延時

5 結(jié)束語

在無線自組網(wǎng)中，由于一些特殊位置節(jié)點的過度使用，導(dǎo)致其有限的電池能量過快耗盡。這些網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的缺失會造成網(wǎng)絡(luò)分割、路由斷裂等問題，另外某些節(jié)點的過度使用也會造成網(wǎng)絡(luò)擁塞，導(dǎo)致重傳的增加和傳輸效率的下降。因而考慮節(jié)點能量保護(hù)的路由是必要的。另外對于不同的節(jié)點情況，采用不同的路由策略會更進(jìn)一步提高以網(wǎng)絡(luò)生存時間為第一度量標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)性能。本文中的能量感知路由協(xié)議正是基于這幾方面的考慮，通過對節(jié)點剩余能量閾值的設(shè)置，采用不同能量保護(hù)路由策略，并加入本地維護(hù)算法，達(dá)到以上目的。通過仿真與其他協(xié)議比較，證明了本協(xié)議在對延長網(wǎng)絡(luò)生存時間和提升能量效率方面對網(wǎng)絡(luò)延時無大幅度退化的前提下有明顯作用，對網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載均衡也有積極影響。在路由發(fā)生斷裂后，節(jié)點仍保存了能量信息，因此下一步工作中，致力于將節(jié)點現(xiàn)有能量信息融合到路由的動態(tài)選擇上，以減少路由重建時間和傳遞的信息量。

[1] MUQATTASH A, KRUNZ M. Powmac: a single-channel powercontrol protocol for throughput enhancement in wireless ad hoc networks[J]. Journal on Selected Areas in Communications, 2005, 23(5):1067-1084.

[2] ODA R, OHTA T, KAKUDA. An adaptive transmission power control for hierarchical routing in mobile ad hoc networks[A]. IEEE International Conference on Distributed Computing Systems Workshops(ICDCS’09)[C]. Montreal, Canada, 2009. 312-317.

[3] LI J, DAVID C, ZHANG J. Power-aware routing protocols in ad hoc wireless networks[J]. Wireless Communications, 2005, 12(6): 69-81.

[4] REN P Y, FENG J, HU Pet al, J. Energy saving ad-hoc on-demand distance vector routing for mobile ad-hoc NETworks[A]. IEEE ICC’09[C]. Dresden, Germany 2009.1-5.

[5] YU F, LI Y, FANG F. A new tora-based energy awared routing protocol in ad hoc networks[A]. 3rd IEEE/IFIP International Conference on Internet (ICI’07)[C]. Tel-Aviv, Israel, 2007. 1-4.

[6] MAHFOUDH S, MINET P. An energy efficient routing based on OLSR in wireless ad hoc and sensor networks[A]. 22nd International Conference on Advanced Information Networking and Applications(AINAW’08)[C]. Gino-wan, Japan, 2008. 1253-1259.

[7] TADDIA C, GIOVANARDI A, MAZZINI G. Energy efficiency in OLSR protocol[A]. IEEE Communications Society on Sensor and Ad Hoc Communications and Networks(SECON ’06)[C]. Reston, USA,2006. 792-796.

[8] SINGH S, WOO M, RAGHAVENDRA C. Power-aware routing in mobile ad hoc networks[A]. ACM MobiCom’98[C]. Dallas, USA,1998. 181-190.

[9] TERDAL S P, MYTRI V D, DAMODARAM A. Multiple metrics based load balancing routing protocol for mobile ad hoc networks[A].Asian Himalayas International Conference on Internet(AH-ICI’09)[C].Kathmundu, Nepal, 2009.1-5.

[10] CAO L J, SHARIF K, WANG Y. Adaptive multiple metrics routing protocols for heterogeneous multi-hop wireless networks[A]. IEEEConsumer Communications and Networking Conference(CCNC’08)[C].Las Vegs, USA, 2008.13-17.

[11] CANO J C, KIM D K. Investigating performance of power-aware routing protocols for mobile ad hoc networks[A]. IEEE International Mobility and Wireless Access Workshop(MobiWAC’02)[C]. Fort Worth, USA, 2002. 80-86.

[12] CAO L J, DAHLBERG T, WANG Y. Performance evaluation of energy efficient ad hoc routing protocols[A]. IEEE International Performance Computing and Communications Conference(IPCCC’07)[C].New Orleans, USA, 2007. 306-313.