0 引言

    目前，移動(dòng)自組織網(wǎng)MANET(Mobile Ad Hoc Network)成為無(wú)線網(wǎng)絡(luò)研究的一個(gè)熱點(diǎn)。構(gòu)建MANET的主要目的是通過(guò)一群帶有無(wú)線收發(fā)裝置的移動(dòng)節(jié)點(diǎn)組成一個(gè)臨時(shí)性、無(wú)基礎(chǔ)設(shè)施的移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)^[1]，該網(wǎng)絡(luò)具有臨時(shí)性、多跳路由等特點(diǎn)。

    在MANET中，由于節(jié)點(diǎn)的通信范圍受限，需要多跳方式向其他節(jié)點(diǎn)傳輸數(shù)據(jù)，并且節(jié)點(diǎn)隨機(jī)移動(dòng)，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓l繁，這使得在MANET中建立穩(wěn)定、可靠的路由協(xié)議成為一項(xiàng)挑戰(zhàn)性的工作。為此，研究人員針對(duì)MANET的路由協(xié)議進(jìn)行了大量的研究工作，提出不同策略的路由協(xié)議^[2-6]。

    通常，MANET中的源節(jié)點(diǎn)需要向多點(diǎn)傳輸數(shù)據(jù)，即一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)，就采用了多播(Multicasting)。由于多播是向多個(gè)節(jié)點(diǎn)傳輸同樣的數(shù)據(jù)，降低了通信消耗，包括鏈路帶寬以及傳輸時(shí)延。依據(jù)路由協(xié)議的特性，可將現(xiàn)有的多播路由(multicast routing)協(xié)議分為基于樹(shù)形(tree-based)路由協(xié)議^[7]、基于mesh路由協(xié)議^[8-9]以及混合路由協(xié)議。

    基于樹(shù)路由協(xié)議在源節(jié)點(diǎn)至目的節(jié)點(diǎn)間建立樹(shù)型拓?fù)?。典型的基于?shù)路由協(xié)議如自組織多播路由協(xié)議AMR(Ad Hoc Multicast Routing)、多播按需距離矢量路由協(xié)議MAODV(Multicast Ad Hoc on demand Distance Vector)^[10]、可靠多播RM(Reliable Multicast)。而基于mesh的多播路由協(xié)議在兩節(jié)點(diǎn)間建立多條路徑，即使鏈路失敗，也沒(méi)有必要重新計(jì)算mesh結(jié)構(gòu)，典型的有CAMP(Core-Assisted Mesh Protocol)、按需組播ODM（On-Demand Multicast）以及DCMP(Dynamic Core based Multicast)路由協(xié)議。

    盡管基于mesh路由協(xié)議能夠在源節(jié)點(diǎn)至目的節(jié)點(diǎn)間建立多條路徑，但是這是以能量消耗為代價(jià)的。然而，在MANET中，每個(gè)節(jié)點(diǎn)的能量是受限的。在設(shè)計(jì)路由協(xié)議時(shí)，應(yīng)考慮節(jié)點(diǎn)的能量受限的特性。因?yàn)橐坏┕?jié)點(diǎn)能量耗盡，鏈路就斷裂，縮短了網(wǎng)絡(luò)壽命，必然會(huì)引用數(shù)據(jù)傳輸中斷，增加了數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延，降低了數(shù)據(jù)傳輸?shù)男省?/p>

    為了最大化網(wǎng)絡(luò)壽命，應(yīng)以最小的能量消耗實(shí)現(xiàn)有效的數(shù)據(jù)傳輸。為此，研究人員也提出面向節(jié)點(diǎn)能量消耗的路由協(xié)議，如最小傳輸功率MTP(Minimum Total Transmission Power)路由^[11]、最小-最大電池消耗MMBC(Min-Max Battery Cost)路由^[12]以及可選擇的最大-最小傳輸能量CMMBC(Conditional Max-Min transmission Battery Capacity)路由^[13]。

    為此，本文考慮節(jié)點(diǎn)能量信息，并利用樹(shù)型拓?fù)湟约岸嗖ヂ酚商匦?，提出基于?shù)的能量感知的多播路由MTMR(Energy of node Tree-based Multicast Routing)協(xié)議。MTMR協(xié)議首先節(jié)點(diǎn)考慮節(jié)點(diǎn)的能量，若節(jié)點(diǎn)能量小于門(mén)限值，則不允許該節(jié)點(diǎn)參與數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。然后，將節(jié)點(diǎn)構(gòu)建3種不同樹(shù)，源節(jié)點(diǎn)依據(jù)這3種樹(shù)向目的節(jié)點(diǎn)傳輸數(shù)據(jù)包，提高了數(shù)據(jù)傳輸效率。

1 能量消耗模型

    MTMR協(xié)議考慮了節(jié)點(diǎn)的傳輸能量信息，節(jié)點(diǎn)在傳輸、轉(zhuǎn)發(fā)以及接收數(shù)據(jù)時(shí)，均需消耗自身能量。無(wú)線電能量消耗主要由兩部分組成：運(yùn)行電子元器件、功率放大器所消耗的能量和接收器所消耗的能量。為了在兩節(jié)點(diǎn)間傳輸q bit的數(shù)據(jù)信息，且兩節(jié)點(diǎn)間的距離為d，消耗的能量為：

    節(jié)點(diǎn)依據(jù)式(1)或式(2)計(jì)算自己剩余能量。  

2 MTMR協(xié)議

    MTMR協(xié)議是屬于能量感知協(xié)議，提高了多播路由的穩(wěn)定性，同時(shí)引用基于多樹(shù)路由協(xié)議的理念，進(jìn)而提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)男?。為此，假定網(wǎng)絡(luò)內(nèi)所有節(jié)點(diǎn)隨機(jī)劃分為三類(lèi)，分別為組1(Group-1)、組2(Group-2)、組3(Group-3)。相應(yīng)地，利用Group-1、Group-2、Group-3節(jié)點(diǎn)分別構(gòu)建3種樹(shù)Tree-1、Tree-2、Tree-3。

    此外，每節(jié)點(diǎn)保持兩個(gè)表：鄰居表(Neighbouring table)和多播路由表(Multicast routing table)。節(jié)點(diǎn)通過(guò)周期地交互Hello消息建立鄰居表。鄰居表用于保存鄰居節(jié)點(diǎn)的信息，包括鄰居節(jié)點(diǎn)的ID、位置信息。多播路由表用于保存?zhèn)鬏敂?shù)據(jù)的路徑，格式如圖1所示。

    其中，Source_ID、Destination_ID分別標(biāo)識(shí)源節(jié)點(diǎn)、目的節(jié)點(diǎn)。Route_class用于標(biāo)識(shí)路由組Group-1、Group-2、Group-3。Route_class=1、2、3分別代表Group-1、Group-2、Group-3。Next_node表示用于轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)的下一跳節(jié)點(diǎn)。

2.1 路由發(fā)現(xiàn)過(guò)程

    當(dāng)源節(jié)點(diǎn)需要向目的節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)包時(shí)，就向鄰居節(jié)點(diǎn)廣播路由請(qǐng)求RREQ(Route Request)控制包。RREQ控制包內(nèi)包含源節(jié)點(diǎn)、目的節(jié)點(diǎn)以及路徑信息（Path Information）等。

    當(dāng)節(jié)點(diǎn)接收了RREQ控制包，就將自己剩余能量E與門(mén)限值E_th進(jìn)行比較，如果大于E_th，就存儲(chǔ)RREQ，并重播RREQ，致使RREQ控制包傳輸?shù)酶h(yuǎn)。同時(shí)，將自己的ID加入到RREQ控制包的路徑區(qū)域（Path Information）。

    接收了控制包RREQ時(shí)，就將用于向源節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)路由回復(fù)控制包RREP(Route Reply Packet)，RREP控制包攜帶了、源節(jié)點(diǎn)、目的節(jié)點(diǎn)、返回路徑（Reverse Path Information）、Route_Class。其中，Reverse Path Information記載了傳輸RREP的路徑信息。

2.2 控制包傳輸過(guò)程

    鄰居節(jié)點(diǎn)不斷向目的節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)RREQ控制包，直到目的節(jié)點(diǎn)接收。當(dāng)目的節(jié)點(diǎn)接收到不同樹(shù)的RREQ控制包后，目的節(jié)點(diǎn)將沿著該樹(shù)向源節(jié)點(diǎn)傳輸回復(fù)RREP控制包。數(shù)據(jù)傳輸如圖2所示。

    接收到RREQ控制包后，目的節(jié)點(diǎn)P、Q、R將這3個(gè)樹(shù)的最后一跳節(jié)點(diǎn)作為傳輸RREP的上級(jí)節(jié)點(diǎn)，如圖2(b)所示。節(jié)點(diǎn)P、Q、R選擇I作為T(mén)REE-1的上級(jí)節(jié)點(diǎn)、H作為T(mén)REE-2的上級(jí)節(jié)點(diǎn)以及J作為T(mén)REE-3的上級(jí)節(jié)點(diǎn)。圖2(c)顯示了基于多樹(shù)的數(shù)據(jù)傳播過(guò)程。

3 性能分析

3.1 仿真參數(shù)

    利用網(wǎng)絡(luò)仿真軟件NS2.3.5構(gòu)建仿真平臺(tái)^[14]?？紤]1 000 m×1 000 m仿真區(qū)域，20～80個(gè)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)隨機(jī)分布于仿真區(qū)域。同時(shí)，選擇random way point 作為移動(dòng)模型，每個(gè)節(jié)點(diǎn)隨機(jī)地選擇移動(dòng)方向，移動(dòng)速度從1～25 m/s間選擇。節(jié)點(diǎn)的通信范圍為150 m。此外，隨機(jī)選擇移動(dòng)節(jié)點(diǎn)作為源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)。數(shù)據(jù)包的大小225 B。仿真時(shí)間為10 000 s。

    在分析仿真數(shù)據(jù)時(shí)，考慮的場(chǎng)景：移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的速度為20 m/s，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)數(shù)從20～80變化；考察端到端傳輸時(shí)延、數(shù)據(jù)包丟失率傳輸率以及控制路由開(kāi)銷(xiāo)作為評(píng)估路由協(xié)議的性能指標(biāo)。

3.2 數(shù)值分析

    為了更充分地分析MTMR協(xié)議性能，選用AODV進(jìn)行同步仿真，并進(jìn)行性能比較。選擇AODV協(xié)議作為參考，原因在于：AODV是經(jīng)典的按需路由協(xié)議，其也是采用RREQ控制包發(fā)現(xiàn)路由。在路由發(fā)現(xiàn)階段，當(dāng)源節(jié)點(diǎn)需要向目的節(jié)點(diǎn)傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，源節(jié)點(diǎn)先廣播路由請(qǐng)求RREQ控制包，含有目的節(jié)點(diǎn)地址、廣播ID以及遍歷的跳數(shù)。接收到RREQ數(shù)據(jù)包后，鄰居節(jié)點(diǎn)檢查自己是否有至目的節(jié)點(diǎn)的路由，如果有，就向源節(jié)點(diǎn)回復(fù)RREP控制包；否則，鄰居節(jié)點(diǎn)就轉(zhuǎn)播RREQ。圖3描述了AODV協(xié)議RREQ和RREP的傳輸過(guò)程。

    (1)某場(chǎng)景路由性能

    圖4(a)所示，MTMR的端到端傳輸時(shí)延比AODV下降了33.928%。圖4(b)所示，MTMR的數(shù)據(jù)包丟失率下降了55.655%。圖4(c)顯示MTMR和AODV歸一化的路由開(kāi)銷(xiāo)，這說(shuō)明MTMR在提高端到端傳輸時(shí)延、數(shù)據(jù)包丟失率時(shí)，并沒(méi)有增加路由負(fù)擔(dān)。

    (2)能量性能分析

    本次實(shí)驗(yàn)分析與節(jié)點(diǎn)能量相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定時(shí)長(zhǎng)和網(wǎng)絡(luò)壽命。其中，穩(wěn)定時(shí)長(zhǎng)等于從網(wǎng)絡(luò)初始開(kāi)始計(jì)算第一節(jié)點(diǎn)失效時(shí)所經(jīng)歷的時(shí)間。而網(wǎng)絡(luò)壽命數(shù)值等于網(wǎng)絡(luò)內(nèi)最后一個(gè)節(jié)點(diǎn)失效時(shí)所經(jīng)歷的時(shí)間，時(shí)間越長(zhǎng)，網(wǎng)絡(luò)壽命越長(zhǎng)。

    表1列舉了10次測(cè)試的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。從表1可知，AODV、CAMP、DCMP和MTMR協(xié)議的穩(wěn)定時(shí)長(zhǎng)分別為969 s、1 355 s、1 432 s和1 717 s，而網(wǎng)絡(luò)壽命分別為5 535 s、5 673 s、8 638 s和8 640 s。這些數(shù)據(jù)表明，提出的MTMR協(xié)議能夠有效地延長(zhǎng)穩(wěn)定時(shí)期，擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)壽命。

4 總結(jié)

    本文針對(duì)移動(dòng)自組織網(wǎng)絡(luò)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)能量受限問(wèn)題，提出基于樹(shù)的能量感知的多播路由MTMR協(xié)議。MTMR協(xié)議首先利用無(wú)線電能量消耗模型，計(jì)算移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的剩余能量。若移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的剩余能量小于門(mén)限值，則不參與路由，降低了因節(jié)點(diǎn)能量耗盡而中斷路由的概率。同時(shí)，MTMR協(xié)議引用樹(shù)，源節(jié)點(diǎn)依據(jù)3種樹(shù)實(shí)現(xiàn)多播路由。仿真結(jié)果表明，提出的MTMR協(xié)議在端到端傳輸時(shí)延、數(shù)據(jù)包丟失率以及路由開(kāi)銷(xiāo)性能方面有顯著的提高。

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