楊 鵬，劉 豆，王汝言，閆俊杰

（1.重慶郵電大學(xué)寬帶泛在接入技術(shù)研究所，重慶400065；2.工業(yè)和信息化部電信研究院，北京100191）

節(jié)點(diǎn)剩余能量均衡的機(jī)會網(wǎng)絡(luò)路由機(jī)制

楊 鵬1，2，劉 豆1，王汝言1，閆俊杰1

（1.重慶郵電大學(xué)寬帶泛在接入技術(shù)研究所，重慶400065；2.工業(yè)和信息化部電信研究院，北京100191）

機(jī)會網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)能量受限且難以補(bǔ)充，其能量消耗情況影響著整個網(wǎng)絡(luò)的生命周期和性能。針對社區(qū)機(jī)會網(wǎng)絡(luò)中部分活躍節(jié)點(diǎn)頻繁轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)所導(dǎo)致的能量消耗過快問題，提出一種節(jié)點(diǎn)剩余能量均衡的機(jī)會網(wǎng)絡(luò)路由機(jī)制，根據(jù)節(jié)點(diǎn)剩余能量及其在網(wǎng)絡(luò)中的活躍程度感知其綜合轉(zhuǎn)發(fā)能力，進(jìn)而合理地選擇下一跳節(jié)點(diǎn)，有效減少不必要的轉(zhuǎn)發(fā)次數(shù)，均衡網(wǎng)絡(luò)負(fù)載。數(shù)值結(jié)果表明，所提出的機(jī)制能夠在保證網(wǎng)絡(luò)投遞率的同時均衡網(wǎng)絡(luò)能耗，延長網(wǎng)絡(luò)生命周期。

機(jī)會網(wǎng)絡(luò)；節(jié)點(diǎn)能耗；剩余能量；綜合效用

0 引 言

機(jī)會網(wǎng)絡(luò)是一種源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)之間不存在完整路徑，利用節(jié)點(diǎn)移動帶來相遇機(jī)會實現(xiàn)通信的自組織網(wǎng)絡(luò)，主要應(yīng)用于星際網(wǎng)絡(luò)、無線車載自組織網(wǎng)絡(luò)、生態(tài)環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)、災(zāi)害恢復(fù)網(wǎng)絡(luò)等極端環(huán)境［1］。在傳統(tǒng)的移動自組織網(wǎng)絡(luò)（mobile Ad-hoc networks，MANET）中，節(jié)點(diǎn)間需建立完整的端到端路徑之后才能夠以“存儲－轉(zhuǎn)發(fā)”的方式傳輸數(shù)據(jù)。而機(jī)會網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)需要依靠節(jié)點(diǎn)移動所帶來的相遇機(jī)會，即中繼節(jié)點(diǎn)攜帶著源節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)直到遇到合適的下一跳節(jié)點(diǎn)才執(zhí)行轉(zhuǎn)發(fā)過程?？梢?，機(jī)會網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)采用“存儲－攜帶－轉(zhuǎn)發(fā)”［2］的方式完成數(shù)據(jù)傳輸過程。受到節(jié)點(diǎn)分布稀疏性和移動性的影響，網(wǎng)絡(luò)大部分時間都處在非連通狀態(tài)，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)具有極強(qiáng)的動態(tài)性。同時，節(jié)點(diǎn)相關(guān)操作均依靠電池供電，過度地消耗有限的節(jié)點(diǎn)能量將導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)無法工作，使得網(wǎng)絡(luò)連通程度進(jìn)一步下降，影響數(shù)據(jù)傳輸［3］。因此，機(jī)會網(wǎng)絡(luò)中高效節(jié)能的路由機(jī)制設(shè)計已經(jīng)成為一個關(guān)鍵的研究方向。

目前，國內(nèi)外研究人員針對機(jī)會網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)能耗管理方法進(jìn)行了相關(guān)研究。研究結(jié)果表明，機(jī)會網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)傳輸所消耗的能量是節(jié)點(diǎn)能耗的主要部分［4］。因此，部分文獻(xiàn)從降低節(jié)點(diǎn)傳輸次數(shù)的角度展開研究，通過提高節(jié)點(diǎn)的傳輸效率來節(jié)省能量。根據(jù)連續(xù)時間馬爾可夫狀態(tài)轉(zhuǎn)換過程，文獻(xiàn)［5］建立了機(jī)會網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)傳播模型，得到了數(shù)據(jù)投遞到目的節(jié)點(diǎn)的最大概率和相應(yīng)的能量約束條件，進(jìn)而，分析了不同參數(shù)對節(jié)點(diǎn)生命周期的影響，并從減少傳輸次數(shù)的角度著手，提出了一種節(jié)能路由策略，提高了節(jié)點(diǎn)能量利用率。文獻(xiàn)［6］提出了一種改進(jìn)的洪泛路由機(jī)制，只有當(dāng)數(shù)據(jù)攜帶節(jié)點(diǎn)的鄰居數(shù)目達(dá)到預(yù)先設(shè)定的閾值時，該節(jié)點(diǎn)才會以廣播的方式向鄰居節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，可見，此種方式降低了洪泛次數(shù)，從而達(dá)到了節(jié)能的目的。文獻(xiàn)［7］提出了一種基于剩余跳數(shù)的路由機(jī)制，在數(shù)據(jù)剩余跳數(shù)小于預(yù)先設(shè)定的閾值時，根據(jù)到目的節(jié)點(diǎn)的返回時間（time to return，TTR）來作為數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)依據(jù)，以達(dá)到降低數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)次數(shù)并節(jié)能的目的。

此外，也有文獻(xiàn)針對節(jié)點(diǎn)屬性，設(shè)計了相應(yīng)的節(jié)能機(jī)制。在離散時間和連續(xù)時間的馬爾科夫數(shù)據(jù)傳輸模型基礎(chǔ)上，文獻(xiàn)［8－10］分別利用不同的閾值策略提出了相應(yīng)的數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制，實現(xiàn)投遞率最大化的同時盡量減少網(wǎng)絡(luò)能耗，但此類機(jī)制并未考慮節(jié)點(diǎn)能量差異性。針對此問題，文獻(xiàn)［11］推導(dǎo)了節(jié)點(diǎn)之間的轉(zhuǎn)發(fā)概率，從而使數(shù)據(jù)成功投遞率達(dá)到最大，延長了網(wǎng)絡(luò)生命周期。文獻(xiàn)［12］提出了基于社會關(guān)系感知的機(jī)會網(wǎng)絡(luò)路由機(jī)制（social link awareness，SLABR），利用節(jié)點(diǎn)的社會屬性，在社區(qū)機(jī)會網(wǎng)絡(luò)中將消息轉(zhuǎn)發(fā)過程分為社區(qū)間單副本復(fù)制，社區(qū)內(nèi)多副本擴(kuò)散兩個階段，在成功投遞和節(jié)省能耗之間取得了折衷。

文獻(xiàn)［13］同樣提出了一種能使網(wǎng)絡(luò)生命周期最大化的聯(lián)合路由算法（joint routing algorithm for maximizing network lifetime，JRMNL），以WirelessHART協(xié)議為基礎(chǔ)，利用圖形路由拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的可靠性對節(jié)點(diǎn)間的傳輸鏈路加以評估。網(wǎng)絡(luò)中每個節(jié)點(diǎn)根據(jù)自身的傳輸功率、通信負(fù)載因子以及節(jié)點(diǎn)剩余能量生成一個非線性鏈路代價函數(shù)，以此作為選擇最優(yōu)下一跳節(jié)點(diǎn)的依據(jù)，保證全網(wǎng)能量平衡的同時有效延長了網(wǎng)絡(luò)生命周期。

綜上所述，文獻(xiàn)［5－7］中提出的節(jié)能機(jī)制采用降低數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)次數(shù)的方式達(dá)到節(jié)能的目的，并未考慮到節(jié)點(diǎn)間的能量有限性和差異性。但在實際應(yīng)用中，節(jié)點(diǎn)能量消耗不均衡將影響整個網(wǎng)絡(luò)的性能，尤其當(dāng)帶有社會屬性的節(jié)點(diǎn)呈現(xiàn)出聚集特性時，關(guān)系較強(qiáng)的節(jié)點(diǎn)將消耗較多的能量為其他節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)。而文獻(xiàn)［8－12］中所提出的能量管理方法盡管涉及到了節(jié)點(diǎn)的能量差異性，卻沒有考慮節(jié)點(diǎn)的活躍度，也未將節(jié)點(diǎn)的活躍程度反映到節(jié)點(diǎn)的能耗中。因此，上述機(jī)制均在一定程度上存在局限性。而文獻(xiàn)［13］針對WirelessHART，且所選擇的參數(shù)也并不相同。

由于機(jī)會網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)運(yùn)動過程具有一定規(guī)律，節(jié)點(diǎn)間能建立起相對穩(wěn)定且具有依賴性的社會關(guān)系，呈現(xiàn)出聚集特性的節(jié)點(diǎn)以自組織的方式形成多個社區(qū)［14］。根據(jù)社會網(wǎng)絡(luò)理論可知，各個節(jié)點(diǎn)的能力存在差異，具有較高活躍程度的節(jié)點(diǎn)所傳輸數(shù)據(jù)總量顯著高于其他節(jié)點(diǎn)，導(dǎo)致其能量消耗將大幅度增加。因此，本文提出一種節(jié)點(diǎn)剩余能量均衡的機(jī)會網(wǎng)絡(luò)路由機(jī)制（node residual energy balanced routing，NREB），在選擇中繼節(jié)點(diǎn)過程中，充分考慮了節(jié)點(diǎn)的剩余能量狀態(tài)，并綜合節(jié)點(diǎn)的其他社會屬性對數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)進(jìn)行控制，以避免數(shù)據(jù)副本向能量不足的節(jié)點(diǎn)擴(kuò)散，從而在保證投遞率的前提下均衡各節(jié)點(diǎn)能量消耗，避免部分活躍節(jié)點(diǎn)過度耗能以至提前死亡，影響網(wǎng)絡(luò)生命周期。

1 節(jié)點(diǎn)綜合轉(zhuǎn)發(fā)能力分析

研究表明，數(shù)據(jù)的傳輸狀態(tài)與攜帶節(jié)點(diǎn)的活動能力直接相關(guān)，若該節(jié)點(diǎn)與其他節(jié)點(diǎn)相遇機(jī)會較多，則通過此節(jié)點(diǎn)攜帶的數(shù)據(jù)成功投遞概率較大。由此易知，活躍度高的節(jié)點(diǎn)能以更大的概率高效地完成數(shù)據(jù)投遞［15］。然而，在節(jié)點(diǎn)能量受限的情況下，活躍節(jié)點(diǎn)將消耗大量的能量為其他節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，導(dǎo)致其能量消耗速度較快，進(jìn)而無法進(jìn)行后期的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。顯然，機(jī)會網(wǎng)絡(luò)的路由機(jī)制需要充分考慮節(jié)點(diǎn)活躍度以及能量可用性兩個因素，進(jìn)而更加合理地為節(jié)點(diǎn)所攜帶的數(shù)據(jù)選擇中繼節(jié)點(diǎn)。本部分從節(jié)點(diǎn)活躍度以及剩余能量兩個方面對節(jié)點(diǎn)能力加以評估，以作為中繼節(jié)點(diǎn)選擇的依據(jù)。

1.1 節(jié)點(diǎn)能耗分析

機(jī)會網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)為具有短距離無線通信接口的移動設(shè)備，此類設(shè)備包括3個基本單元：感應(yīng)單元、數(shù)據(jù)處理單元和數(shù)據(jù)收發(fā)單元［16］。若忽略數(shù)據(jù)處理及節(jié)點(diǎn)移動所帶來的能耗，則節(jié)點(diǎn)的能耗可分為兩種形式：①基礎(chǔ)能耗，該部分能耗與節(jié)點(diǎn)無線電接口設(shè)備的操作無關(guān)，主要為固定元器件所產(chǎn)生的基準(zhǔn)能耗；②無線電能耗，包括節(jié)點(diǎn)與鄰居節(jié)點(diǎn)之間的通信開銷以及自身傳輸數(shù)據(jù)的能耗，與數(shù)據(jù)傳輸量線性成正比。

根據(jù)上述原理可知，節(jié)點(diǎn)能耗可按照式（1）所示方式加以量化：

式中，α和β分別代表傳輸能耗系數(shù)和基礎(chǔ)能耗系數(shù)，這兩個參數(shù)的取值需要根據(jù)不同的傳輸設(shè)備和傳輸方式而確定；Ebase表示基礎(chǔ)能耗，即節(jié)點(diǎn)沒有任何操作的空閑狀態(tài)能耗；ERadio表示節(jié)點(diǎn)在數(shù)據(jù)傳輸過程中的總能耗，其包含3個方面：數(shù)據(jù)發(fā)送能耗、數(shù)據(jù)接收能耗以及節(jié)點(diǎn)掃描能耗。

令Etx和Erx分別表示節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)發(fā)送能耗和數(shù)據(jù)接收能耗，則節(jié)點(diǎn)在數(shù)據(jù)傳輸中的能耗為

式中，e為每比特的電路能耗；Kr和Kt分別為節(jié)點(diǎn)發(fā)送和接收的數(shù)據(jù)量。節(jié)點(diǎn)發(fā)送和接收過的數(shù)據(jù)大小總和可作為其能耗的衡量標(biāo)準(zhǔn)，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)越多，節(jié)點(diǎn)耗能越多。

節(jié)點(diǎn)掃描能耗是指節(jié)點(diǎn)探測掃描信道以發(fā)現(xiàn)周圍鄰居節(jié)點(diǎn)所消耗的能量［17］。令節(jié)點(diǎn)單次掃描所消耗的能量為es，節(jié)點(diǎn)的探測掃描周期為T，t為網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行時間，則節(jié)點(diǎn)的掃描能耗Escan可表示為

根據(jù)機(jī)會網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)及數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)過程的基本原理可作如下假設(shè)：①網(wǎng)絡(luò)中每個節(jié)點(diǎn)的能量無法補(bǔ)充，即當(dāng)其能量耗盡的時候，節(jié)點(diǎn)無法正常工作。設(shè)置所有節(jié)點(diǎn)的初始能量都為Einitial＞0；②每個節(jié)點(diǎn)的最大傳輸距離為r，其他節(jié)點(diǎn)只有進(jìn)入以該節(jié)點(diǎn)為圓心，r為半徑的范圍內(nèi)時，才成為該節(jié)點(diǎn)的鄰居節(jié)點(diǎn)并開始進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸；③所有網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)都以相同的發(fā)送功率發(fā)送數(shù)據(jù)，發(fā)送單位大小的數(shù)據(jù)能耗相等；④節(jié)點(diǎn)采用藍(lán)牙模塊進(jìn)行通信，其發(fā)送功率為207.2mW，接收功率為201.6mW［18］，可見，節(jié)點(diǎn)接收相同比特數(shù)據(jù)所耗費(fèi)的能量要略小于發(fā)送的能耗，可以近似認(rèn)為二者相等。

隨著網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行，節(jié)點(diǎn)不斷進(jìn)行數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)和接收，同時還需時刻地探測掃描周圍的鄰居節(jié)點(diǎn)，因此能量被逐漸消耗。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行t時間后，節(jié)點(diǎn)的剩余能量為

節(jié)點(diǎn)成功發(fā)送或接收數(shù)據(jù)之后，都將掃描更新自身的當(dāng)前剩余能量值，作為判斷綜合轉(zhuǎn)發(fā)能力的依據(jù)。

1.2 節(jié)點(diǎn)活躍度估計方法

如前所述，機(jī)會網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)具有“大世界，小世界”特性，節(jié)點(diǎn)以自組織的方式形成多個社區(qū)［19］。在社區(qū)中存在一些節(jié)點(diǎn)與其他節(jié)點(diǎn)聯(lián)系較為頻繁，單位時間內(nèi)會與多個節(jié)點(diǎn)相遇并傳輸數(shù)據(jù)，此類節(jié)點(diǎn)具有較高的中心度，扮演著數(shù)據(jù)交換樞紐的角色，由此類節(jié)點(diǎn)攜帶的數(shù)據(jù)將會以較高的概率投遞成功。因此，節(jié)點(diǎn)與網(wǎng)絡(luò)中其他節(jié)點(diǎn)的相遇次數(shù)能較好地衡量出其活躍程度。

為了便于后續(xù)表述，本部分首先給出所涉及的相關(guān)參數(shù)含義，如表1中所示。

表1 相關(guān)符號解釋

在基于社區(qū)的移動模型（community-based mobility model）［20］下，網(wǎng)絡(luò)中每個節(jié)點(diǎn)x都有一個歸屬社區(qū)Cx。同時，節(jié)點(diǎn)以一定的概率漫游到其他社區(qū)，故其運(yùn)動方式包含本地（Local）和漫游（Roam）兩種狀態(tài)，其狀態(tài)轉(zhuǎn)移關(guān)系如圖1所示。

圖1 社區(qū)模型下狀態(tài)轉(zhuǎn)移

假設(shè)在給定的運(yùn)動周期T內(nèi)，節(jié)點(diǎn)在歸屬社區(qū)和漫游狀態(tài)的概率分別是πl(wèi)和πr，根據(jù)Markov狀態(tài)轉(zhuǎn)移定理，可以計算出穩(wěn)態(tài)下節(jié)點(diǎn)處于歸屬社區(qū)和漫游狀態(tài)的概率，分別如式（5）和（6）所示：

給定社區(qū)CA中的節(jié)點(diǎn)A，若其在運(yùn)動過程中與另一節(jié)點(diǎn)B相遇，根據(jù)B節(jié)點(diǎn)是否在社區(qū)CA中分情況作如下討論：

（1）若節(jié)點(diǎn)B同處在社區(qū)CA內(nèi)，則兩節(jié)點(diǎn)彼此相遇的概率較大，其概率為

（2）若節(jié)點(diǎn)B在社區(qū)CA外，那么A節(jié)點(diǎn)只能在漫游狀態(tài)下與B相遇，其相遇概率為

綜合上述兩種情況，網(wǎng)絡(luò)中任意兩個節(jié)點(diǎn)的相遇概率為

因此，節(jié)點(diǎn)相遇間隔期望（expected meeting time，EM）可由式（10）進(jìn)行估計：

節(jié)點(diǎn)間相遇的平均時間間隔越小，則節(jié)點(diǎn)的相遇頻率越高。因此在給定的時間段T內(nèi)，節(jié)點(diǎn)之間的總相遇次數(shù)為時間T與節(jié)點(diǎn)相遇間隔期望的比值，如式（11）所示：

因此，頻繁地往返于各個社區(qū)間的節(jié)點(diǎn)，平均相遇次數(shù)高于其他節(jié)點(diǎn)，在網(wǎng)絡(luò)中擔(dān)任較大的投遞任務(wù)。

1.3 節(jié)點(diǎn)綜合效用值

活躍度越高的節(jié)點(diǎn)對數(shù)據(jù)的投遞能力越強(qiáng)，然而其能量消耗也相應(yīng)地更大。若節(jié)點(diǎn)能量持續(xù)降低，將會導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)瀕臨死亡，從而使得網(wǎng)絡(luò)的連通性進(jìn)一步降低，節(jié)點(diǎn)之間的連接概率下降，節(jié)點(diǎn)攜帶的數(shù)據(jù)也將隨著該節(jié)點(diǎn)死亡而被丟棄，從而影響到數(shù)據(jù)的投遞率，使網(wǎng)絡(luò)總體性能下降。因此，不同節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)能力的差異無法僅憑活躍程度或

進(jìn)一步地，一個節(jié)點(diǎn)與網(wǎng)絡(luò)中其余節(jié)點(diǎn)的平均相遇次數(shù)如式（12）所示：剩余的能量體現(xiàn)。因此，需要根據(jù)不同參數(shù)來估計節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)消息到目的節(jié)點(diǎn)的綜合能力，即節(jié)點(diǎn)綜合效用值，通過節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)中的活躍程度和自身的剩余能量等級，能夠反映節(jié)點(diǎn)實際轉(zhuǎn)發(fā)能力的綜合效用值函數(shù)如式（13）所示：

式中，Mmax＿a和REmax分別表示節(jié)點(diǎn)i的鄰居節(jié)點(diǎn)列表中活躍度最大值和剩余能量最大值，參數(shù)ω用于反映節(jié)點(diǎn)活躍度與剩余能量兩個指標(biāo)的權(quán)重。顯然，權(quán)重值的確定對節(jié)點(diǎn)綜合效用值的估計結(jié)果有著重要的影響。為了能夠綜合、全面地評估節(jié)點(diǎn)的綜合效用值，本文采用熵值法來確定各個影響因子的權(quán)重值，具體的確定方法如下：

（1）首先對原始數(shù)據(jù)矩陣歸一化，建立原始數(shù)據(jù)矩陣為A＝（aij）2×n，對其歸一化，并得到矩陣R＝（rij）2×n：

（2）定義熵。在有兩個影響因子的情況下，第i個影響因子的熵為

式中

（3）定義熵權(quán)。得到了第i個影響因子的熵之后，就可得到該影響因子的熵權(quán)：

最后，將計算出的權(quán)重值代入到綜合效用值函數(shù)的公式中就得出節(jié)點(diǎn)的綜合效用值。

節(jié)點(diǎn)的綜合效用值有效地表征了節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)的綜合能力。首先，較高的相遇次數(shù)表明了節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)能夠承擔(dān)較多的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)任務(wù)，具備將數(shù)據(jù)快速、準(zhǔn)確投遞到目的節(jié)點(diǎn)的能力。其次，節(jié)點(diǎn)的剩余能量是保證數(shù)據(jù)成功投遞的可靠性因素，只有當(dāng)節(jié)點(diǎn)的剩余能量可以支持其不斷掃描信道，發(fā)現(xiàn)鄰居節(jié)點(diǎn)以獲得傳輸機(jī)會，并滿足每次相遇轉(zhuǎn)發(fā)和接收過程中的能量消耗，這一類兼具了活躍性與可靠性的節(jié)點(diǎn)便是最優(yōu)的下一跳中繼節(jié)點(diǎn)。

2 NREB路由機(jī)制

2.1 節(jié)點(diǎn)剩余能量動態(tài)閾值分析

為了更加合理地利用有限的節(jié)點(diǎn)能量，需要設(shè)定相應(yīng)的剩余能量閾值，以防止節(jié)點(diǎn)能量消耗速度過快。然而隨著網(wǎng)絡(luò)不斷運(yùn)行，所有節(jié)點(diǎn)的整體能量水平均在下降，且各個節(jié)點(diǎn)的能耗程度因其活躍度而異，顯然，固定的剩余能量閾值并不能作為客觀的評判標(biāo)準(zhǔn)。因而，需根據(jù)當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行狀態(tài)以動態(tài)的方式確定閾值，客觀準(zhǔn)確地判斷出節(jié)點(diǎn)剩余能量水平。

在節(jié)點(diǎn)的本地信息表中，每個相遇節(jié)點(diǎn)對應(yīng)3個表項，分別為：相遇節(jié)點(diǎn)的ID、剩余能量值以及節(jié)點(diǎn)活躍度。根據(jù)機(jī)會網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)過程的基本原理，節(jié)點(diǎn)在相遇之后需要交換彼此的概要向量。當(dāng)S和R兩節(jié)點(diǎn)相遇時，會將雙方概要向量中的鄰居節(jié)點(diǎn)信息加以合并，得到一個新的鄰居節(jié)點(diǎn)集合NU＝NS∪NR，其中NS和NR分別為S和R節(jié)點(diǎn)的鄰居節(jié)點(diǎn)集合，進(jìn)而計算得出NU的平均剩余能量值，如式（16）所示：

鄰居節(jié)點(diǎn)剩余能量的均值可以作為節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)決策的依據(jù)：①若節(jié)點(diǎn)剩余能量大于REave，定義為可靠節(jié)點(diǎn)，說明節(jié)點(diǎn)能量較為充足，該狀態(tài)下節(jié)點(diǎn)能夠活躍并可靠地發(fā)送和接收數(shù)據(jù)；②而當(dāng)節(jié)點(diǎn)剩余能量小于REave時，定義為弱能節(jié)點(diǎn)，說明節(jié)點(diǎn)的能量等級較低，在接收轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)時要對自身的能量多加以考慮。

按照上述方式，節(jié)點(diǎn)可以動態(tài)地更新其鄰居節(jié)點(diǎn)平均剩余能量數(shù)值，為了能夠較為準(zhǔn)確地反映各個節(jié)點(diǎn)剩余能量的差異，本文采用該參數(shù)作為當(dāng)前時刻節(jié)點(diǎn)剩余能量的閾值REi＿th。該值既與節(jié)點(diǎn)自身相遇過的鄰居節(jié)點(diǎn)集合有關(guān)，同時也會隨著全網(wǎng)平均能量水平的降低而不斷發(fā)生變化，相對于靜態(tài)固定的閾值而言，具有實時延續(xù)性。節(jié)點(diǎn)將自身剩余能量與此刻的閾值加以對比，便能獲知自身與鄰居節(jié)點(diǎn)的能量差異，從而做出相應(yīng)的轉(zhuǎn)發(fā)策略。動態(tài)的閾值能夠保證各個節(jié)點(diǎn)每次的閾值隨時間更新，從而動態(tài)靈活地做出轉(zhuǎn)發(fā)決策。

2.2 NREB路由轉(zhuǎn)發(fā)策略

如前所述，在節(jié)點(diǎn)剩余能量高低不同的情況下，狀態(tài)也有所不同：在可靠節(jié)點(diǎn)之間，兩個相遇節(jié)點(diǎn)首先交換概要向量信息和綜合轉(zhuǎn)發(fā)效用值，并進(jìn)行計算和更新，然后找出自身擁有而對方?jīng)]有的數(shù)據(jù)，通過比較雙方活躍度的大小決定是否轉(zhuǎn)發(fā)。而對于弱能節(jié)點(diǎn)，NREB機(jī)制在得到節(jié)點(diǎn)能量狀態(tài)情況下，對數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)采取一定的限制措施，從而減少節(jié)點(diǎn)不必要的傳輸能耗。

假設(shè)節(jié)點(diǎn)S攜帶目的節(jié)點(diǎn)為D的數(shù)據(jù)，則S節(jié)點(diǎn)對下一中繼節(jié)點(diǎn)R的具體投遞方法如下：

若R節(jié)點(diǎn)為目的節(jié)點(diǎn)D，S節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)發(fā)送給R節(jié)點(diǎn)，目的節(jié)點(diǎn)收到數(shù)據(jù)，投遞結(jié)束；若R節(jié)點(diǎn)不是目的節(jié)點(diǎn)，則兩節(jié)點(diǎn)合并鄰居節(jié)點(diǎn)列表，得出剩余能量動態(tài)閾值，并與自身的剩余能量進(jìn)行對比。

（1）若兩節(jié)點(diǎn)的剩余能量均大于等于REave，說明兩者的均為可靠節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)能量能夠保證數(shù)據(jù)可靠轉(zhuǎn)發(fā)，此時將數(shù)據(jù)投遞給活躍度大的節(jié)點(diǎn)，有利于提高數(shù)據(jù)的成功投遞率。

（2）若對比得到兩節(jié)點(diǎn)中有一個節(jié)點(diǎn)大于REave而另一個節(jié)點(diǎn)小于REave，此時對比雙發(fā)的綜合效用值，保證數(shù)據(jù)能被投遞到綜合能力較高的節(jié)點(diǎn)。

（3）若兩節(jié)點(diǎn)的剩余能量均小于REave，表明兩節(jié)點(diǎn)均為弱能節(jié)點(diǎn)，在鄰居節(jié)點(diǎn)中的能量等級已經(jīng)較低，不再適合頻繁地轉(zhuǎn)發(fā)，只有當(dāng)遇到可靠節(jié)點(diǎn)再對數(shù)據(jù)進(jìn)行投遞。

算法的偽代碼描述如圖2所示。

每完成一次數(shù)據(jù)的投遞之后，雙方節(jié)點(diǎn)都要對鄰居節(jié)點(diǎn)信息、自身剩余能量等參數(shù)加以更新。另外，每次數(shù)據(jù)投遞前S節(jié)點(diǎn)都要檢查相遇節(jié)點(diǎn)是否已擁有該數(shù)據(jù)，若已有，則不再重復(fù)發(fā)送，以控制網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)副本數(shù)。

3 數(shù)值結(jié)果與分析

本文采用機(jī)會網(wǎng)絡(luò)仿真平臺（opportunistic network environment，ONE）［21］對節(jié)點(diǎn)剩余能量均衡的機(jī)會網(wǎng)絡(luò)路由機(jī)制（node residual energy balanced routing，NREB）的性能加以驗證，并與社會關(guān)系感知的節(jié)能路由機(jī)制（social link awareness，SLABR）以及典型的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制Bubble Rap進(jìn)行了對比。

ONE是一種開源的模塊化仿真軟件，能夠結(jié)合節(jié)點(diǎn)的路由方法和運(yùn)動模型建立出基于地圖的節(jié)點(diǎn)運(yùn)動模型，更加符合現(xiàn)實機(jī)會網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)稀疏性和網(wǎng)絡(luò)間斷性連接的特點(diǎn)。本文選取芬蘭Helsinki市區(qū)中一塊面積為4 500m× 3 400m的實際區(qū)域作為背景來進(jìn)行仿真，其中包含126個節(jié)點(diǎn)，該仿真場景能夠充分體現(xiàn)機(jī)會網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)分布稀疏特性，能夠有效地用于驗證本文所提出的能量均衡機(jī)制。

現(xiàn)提出以下參數(shù)以全面地衡量本文所提路由機(jī)制在降低能耗方面的表現(xiàn)：

（1）網(wǎng)絡(luò)生命值：本文采用文獻(xiàn)［22］中所提出的概念，將網(wǎng)絡(luò)中出現(xiàn)第一個能量耗盡節(jié)點(diǎn)的時間定義為網(wǎng)絡(luò)生命值，以此來衡量網(wǎng)絡(luò)的存活時間。

（2）節(jié)點(diǎn)剩余能量均值：用于衡量仿真結(jié)束時網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點(diǎn)的平均剩余能量：

式中，N表示網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)總數(shù)量；REi（t）表示在t時刻第i個節(jié)點(diǎn)的剩余能量。

（3）節(jié)點(diǎn)剩余能量均方差：用于描述網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)剩余能量的均衡程度。

將節(jié)點(diǎn)剩余能量均值和均方差值兩個參數(shù)結(jié)合可以較為客觀地衡量網(wǎng)絡(luò)的能耗均衡情況，剩余能量均值較大且均方差值較小，則說明網(wǎng)絡(luò)具有較好的能耗均衡性。

（4）能耗效用值：該參數(shù)可以衡量節(jié)點(diǎn)傳輸數(shù)據(jù)的效用。網(wǎng)絡(luò)平均能耗為仿真時間內(nèi)的節(jié)點(diǎn)能耗均值，能耗效用值越高，則能量有效利用率越高，路由性能越好。

具體的仿真參數(shù)設(shè)置如表2所示。

表2 仿真參數(shù)設(shè)置

3.1 網(wǎng)絡(luò)生命值比較

機(jī)會網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)能量十分有限，中繼節(jié)點(diǎn)在為其他節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)的過程中需要消耗自身的能量，能量耗盡將導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)死亡。如前所述，若將第一個節(jié)點(diǎn)能量耗盡的時間定義為網(wǎng)絡(luò)生命值，各種路由機(jī)制在不同節(jié)點(diǎn)初始能量情況下的網(wǎng)絡(luò)生命值如圖3所示。

圖3 網(wǎng)絡(luò)生命值比較

圖3顯示了在不同的節(jié)點(diǎn)初始能量下幾種機(jī)制的網(wǎng)絡(luò)值生命對比情況。從圖中可以看出，隨著節(jié)點(diǎn)的初始能量值增大，各機(jī)制網(wǎng)絡(luò)生命期呈現(xiàn)逐漸上升的趨勢，由于NREB機(jī)制能夠很好地均衡節(jié)點(diǎn)能耗，因此可以防止個別節(jié)點(diǎn)快速衰竭，從而延長網(wǎng)絡(luò)的生命值。SLABR機(jī)制由于在社區(qū)中進(jìn)行多副本的洪泛，大量重復(fù)的數(shù)據(jù)副本擴(kuò)散導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)能耗加快，而Bubble Rap利用本地等級和全局等級對節(jié)點(diǎn)進(jìn)行選擇性轉(zhuǎn)發(fā)，等級度高的節(jié)點(diǎn)集中了網(wǎng)絡(luò)中大部分的通信量，多次的轉(zhuǎn)發(fā)勢必造成此類高等級節(jié)點(diǎn)能量消耗速度高于其他節(jié)點(diǎn)，最終耗盡死亡。并且隨著節(jié)點(diǎn)初始能量值的提高，NREB機(jī)制的優(yōu)勢不斷擴(kuò)大，相比于SLABR和Bubble Rap分別具有11%～23%和33%～47%的提升。

表3對比的是3種機(jī)制的網(wǎng)絡(luò)死亡節(jié)點(diǎn)個數(shù)及時間情況?？梢钥闯鯪REB路由機(jī)制網(wǎng)絡(luò)生命值最長，首個節(jié)點(diǎn)死亡時間延長了21%～30%，20%節(jié)點(diǎn)死亡時間延長了32%～40%。而且NREB路由中節(jié)點(diǎn)死亡時間基本都集中在網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行的后期，網(wǎng)絡(luò)生命值收斂速度較快。因此，從網(wǎng)絡(luò)生命值和均衡性能來看，NREB機(jī)制都有明顯的優(yōu)勢。

表3 3種機(jī)制的網(wǎng)絡(luò)死亡節(jié)點(diǎn)數(shù)及時間對比 s

3.2 網(wǎng)絡(luò)能量均衡性能比較

節(jié)點(diǎn)的剩余能量均方差表明了節(jié)點(diǎn)剩余能量值的波動情況，可以較好地刻畫出網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載均衡程度?？芍?，剩余能量均方差越小，網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點(diǎn)的能耗分散越均衡。圖4比較了網(wǎng)絡(luò)從運(yùn)行7 200s開始至仿真結(jié)束時的節(jié)點(diǎn)剩余能量均方差值。

圖4 節(jié)點(diǎn)剩余能量均方差比較

隨著時間推移，網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)由于轉(zhuǎn)發(fā)能力的差異而造成彼此剩余能量差異性增大，因而各個機(jī)制中節(jié)點(diǎn)剩余能量均方差都開始增大，網(wǎng)絡(luò)能量分布變得不均勻。從圖中不難看出，NREB機(jī)制的能量分布較SLABR和Bubble Rap相比更為均勻，這是由于NREB機(jī)制在決定是否轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)時，將自身剩余能量以及在全網(wǎng)中活躍度結(jié)合來作為轉(zhuǎn)發(fā)依據(jù)，避免了某些活躍節(jié)點(diǎn)頻繁轉(zhuǎn)發(fā)致使自身能量值降低過快，而另一些轉(zhuǎn)發(fā)次數(shù)較少的節(jié)點(diǎn)依然保持較高能量值，導(dǎo)致整個網(wǎng)絡(luò)能量不均衡的現(xiàn)象，故而能有效平衡網(wǎng)絡(luò)中的能量。

3.3 數(shù)據(jù)產(chǎn)生間隔對網(wǎng)絡(luò)性能的影響

圖5～圖9給出不同數(shù)據(jù)產(chǎn)生間隔下的網(wǎng)絡(luò)性能指標(biāo)，數(shù)據(jù)產(chǎn)生間隔能夠直觀地反應(yīng)出網(wǎng)絡(luò)負(fù)載狀態(tài)。圖5比較了各種機(jī)制在不同數(shù)據(jù)產(chǎn)生間隔值下的數(shù)據(jù)投遞率。由圖可知，隨著數(shù)據(jù)產(chǎn)生間隔值的增加，3種機(jī)制的數(shù)據(jù)成功投遞率都逐漸提高。原因在于數(shù)據(jù)生成間隔越大，給定時間內(nèi)網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)總量降低，節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)的能量消耗也隨即減小，節(jié)點(diǎn)能量耗盡而死亡的節(jié)點(diǎn)數(shù)也進(jìn)一步降低，因而成功投遞率不斷增加。NREB機(jī)制采用節(jié)點(diǎn)活躍度和剩余能量來衡量節(jié)點(diǎn)綜合轉(zhuǎn)發(fā)能力，數(shù)據(jù)能被投遞到活躍度較高且能量充足可以保證數(shù)據(jù)可靠投遞的節(jié)點(diǎn)處。NREB網(wǎng)絡(luò)中存活的節(jié)點(diǎn)數(shù)量多于其他兩種機(jī)制，避免了節(jié)點(diǎn)能量不足而丟棄消息，因此投遞率比SLABR提高了4%，比Bubble Rap提高了11%。

圖5 不同數(shù)據(jù)產(chǎn)生間隔對投遞率的影響

圖6表明了隨著數(shù)據(jù)產(chǎn)生間隔增大，各個機(jī)制的負(fù)載率整體上升。隨著數(shù)據(jù)生成間隔增加，網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)總量減少，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)次數(shù)和成功投遞的數(shù)據(jù)數(shù)量均有所下降，而前者下降的趨勢較小，使得負(fù)載率隨著數(shù)據(jù)生成間隔的增加而上升。相比于SLABR在社區(qū)間的多次轉(zhuǎn)發(fā)和社區(qū)內(nèi)對數(shù)據(jù)副本的擴(kuò)散，NREB機(jī)制通過控制數(shù)據(jù)的復(fù)制轉(zhuǎn)發(fā)條件，原本就具有較小的轉(zhuǎn)發(fā)次數(shù)，因而有效降低了負(fù)載率。結(jié)果表明，NREB機(jī)制的負(fù)載率相比于SLABR降低了18%，比Bubble Rap降低了35%。

圖7反映了各種機(jī)制在不同數(shù)據(jù)產(chǎn)生間隔下的平均時延，可以看出各機(jī)制的平均時延隨著數(shù)據(jù)產(chǎn)生間隔的增大而表現(xiàn)出下降趨勢，并且趨于平穩(wěn)，由于網(wǎng)絡(luò)中存在的數(shù)據(jù)數(shù)量較少，這樣不僅使數(shù)據(jù)獲得更多的轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)會，同時也避免了網(wǎng)絡(luò)擁塞現(xiàn)象。數(shù)據(jù)產(chǎn)生間隔較小時，網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)數(shù)量較多，有限的節(jié)點(diǎn)能量隨著頻繁地數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)而迅速降低，死亡節(jié)點(diǎn)數(shù)目增加，導(dǎo)致數(shù)據(jù)獲得的轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)會更少。NREB機(jī)制由于考慮了節(jié)點(diǎn)能量均衡，在轉(zhuǎn)發(fā)的時候避免了最活躍的節(jié)點(diǎn)，而通過綜合能力較強(qiáng)的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，這個過程增加了一定的等待時間，因而時延高于對比機(jī)制。

圖6 不同數(shù)據(jù)產(chǎn)生間隔對負(fù)載率的影響

圖7 不同數(shù)據(jù)產(chǎn)生間隔對平均時延的影響

圖8中，各個機(jī)制的節(jié)點(diǎn)平均剩余能量隨數(shù)據(jù)產(chǎn)生間隔的增加而呈上升趨勢。數(shù)據(jù)產(chǎn)生間隔較短時，網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)數(shù)量較大，頻繁的節(jié)點(diǎn)間數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)造成節(jié)點(diǎn)自身能量消耗也更大，從而剩余能量較低。NREB機(jī)制中節(jié)點(diǎn)在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)決策過程中考慮了自身剩余能量在鄰居節(jié)點(diǎn)中的等級，且減少了兩節(jié)點(diǎn)都處于低能量情況下的不必要轉(zhuǎn)發(fā)，有效地保護(hù)了能量偏低的節(jié)點(diǎn)，使節(jié)點(diǎn)平均剩余能量得以提高，較SLABR和Bubble Rap分別提升了13%和19%。

圖8 不同數(shù)據(jù)產(chǎn)生間隔對節(jié)點(diǎn)剩余能量的影響

圖9描述了數(shù)據(jù)產(chǎn)生間隔與能耗效用之間的關(guān)系。由圖可知，隨著數(shù)據(jù)產(chǎn)生間隔增大，單位時間內(nèi)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)數(shù)逐漸減少，節(jié)點(diǎn)能耗隨之降低，而成功投遞率卻在不斷增加，網(wǎng)絡(luò)對能量的利用率更高。NREB機(jī)制充分地利用了節(jié)點(diǎn)有限的能量得到較高的投遞率，能耗效用值相對SLABR和Bubble Rap分別提升了18%和25%。

圖9 不同數(shù)據(jù)產(chǎn)生間隔對能耗效用的影響

4 結(jié) 論

本文針對社區(qū)機(jī)會網(wǎng)絡(luò)中部分活躍節(jié)點(diǎn)耗能較快這一特點(diǎn)，提出了一種基于節(jié)點(diǎn)剩余能量均衡的路由機(jī)制。在考慮節(jié)點(diǎn)剩余能量的基礎(chǔ)上，結(jié)合節(jié)點(diǎn)活躍度，使數(shù)據(jù)副本向綜合能力更強(qiáng)的節(jié)點(diǎn)擴(kuò)散，從而提高數(shù)據(jù)投遞的成功率。經(jīng)仿真驗證，在不同的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，本文機(jī)制與同是社區(qū)機(jī)會網(wǎng)絡(luò)的節(jié)能路由SLABR相比，在保證網(wǎng)絡(luò)投遞性能的前提下有效地均衡了全網(wǎng)能耗，延長了網(wǎng)絡(luò)生命值。未來的主要工作是優(yōu)化節(jié)點(diǎn)在探測掃描過程中的能耗，設(shè)計帶有自適應(yīng)調(diào)整節(jié)點(diǎn)工作占空比的節(jié)能路由機(jī)制。

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Node residual energy balanced routing mechanism for opportunistic networks

YANG Peng1，2，LIU Dou1，WANG Ru-yan1，YAN Jun-jie1
（1.Broadband Ubiquitous Network Research Laboratory，Chongqing University of Posts and Telecommunications，Chongqing 400065，China；2.China Academy of Telecommunications Research，Beijing 100191，China）

In opportunistic networks，the node energy is limited and hard to recharge，and the energy consumption has a determinant impact on the network lifetime and performance.To solve the problem that socially popular nodes may quickly deplete their energy resources and consequently not participate in the routing process，the node activity and residual-energy are exploited to evaluate the comprehensive forwarding ability，and then an node residual energy balanced routing mechanism（NREB）for opportunistic networks is introduced.The NREB saves energy by rationally choosing the next-hop node to avoid unnecessary forwarding，which can also balance the network overhead.Simulation results show that the proposed mechanism can ensure the delivery ratio while balancing the energy consumption between nodes and thus to prolong the network lifetime.

opportunistic networks；node energy consumption；residual-energy；comprehensive ability

TP 393.04

A

10.3969／j.issn.1001-506X.2015.08.27

楊 鵬（1980－），男，高級工程師，主要研究方向為下一代移動通信技術(shù)、無線泛在網(wǎng)絡(luò)、下一代互聯(lián)網(wǎng)理論與技術(shù)。

E-mail：yangpeng＠catr.cn

劉 豆（1990－），女，碩士研究生，主要研究領(lǐng)域為機(jī)會網(wǎng)絡(luò)綠色數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。

E-mail：nuanliu1234＠sina.com

王汝言（1969－），男，教授，博士，主要研究領(lǐng)域為泛在網(wǎng)絡(luò)、全光網(wǎng)絡(luò)理論與技術(shù)、多媒體信息處理。

E-mail：wangry＠cqupt.edu.cn

閆俊杰（1990－），男，碩士研究生，主要研究方向為無線泛在網(wǎng)絡(luò)。

E-mail：cqupt2013yjj＠sina.com

1001－506X201508－1894－08

網(wǎng)址：www.sys－ele.com

2014－09－11；

2014－11－06；網(wǎng)絡(luò)優(yōu)先出版日期：2014－12－11。

網(wǎng)絡(luò)優(yōu)先出版地址：http：／／www.cnki.net／kcms／detail／11.2422.TN.20141211.1524.001.html

國家自然科學(xué)基金（61371097）；重慶市自然科學(xué)重點(diǎn)基金（CSTC2013JJB40001，CSTC2013JJB40006）；重大專項（2013ZX03001007）資助課題