论文研究-Ad Hoc网络混合路由协议AOHR能耗分析.pdf

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对AODV与OLSR混合路由协议(AOHR)的能耗进行了分析。在AOHR中,每个节点维护指定跳数内的节点和路由信息,在和该区域内的节点通信时可以利用OLSR协议的先验特性直接获得路由信息;在和该区域外的节点通信时可以利用AODV协议的后验特性进行动态路由查询和建立。AOHR协议还利用了OLSR协议提供的多点中继转发MPR(Multipoint Relay)来减少AODV广播包的网络开销。此外,AOHR协议还可以采用区域半径动态调整的策略来提高协议的普适性。针对AOHR协议的这一特点,对区域半径动态维护的AOHR协议与AODV和OLSR协议在能耗方面的差异进行了理论和仿真分析。结果表明AOHR协议具有比AODV和OLSR协议更长的生存期,并且每个节点的能耗更加平均。
吴少川,王常虹,沙学军: Ad hoc网络混合路由协议AOHR能耗分析 2008,44(34)3 由表并计算MPR,如果MPR发生了变化,它将在本地广播一数据分组时,一块2.5mhAh的电池电量恰好可以在600秒仿真 个信息,其中包含了新来者的信息以及相应的MPR表,使它的结束时耗尽。所以本文的仿真就设定初始电量为25mAh(即 相邻节点知道它已经有了到新来者的一跳路由并更新自己的45J),这样可以保证所有节点都能够在仿真结束时耗尽电量, MPR选择者集合。 从而考核各协议在能量方面的性能。 (2)如果区域半径不是一个系统级的常数,而是一个本地3.1网络的生存期 变量,那么每个节点可以根据自己相邻的节点数动态的选择区 网络的生存期是指网络中第一个节点能量耗尽而退出网 域半径。如果在TC定时期满时,节点A发现它当前区域半径络的时间,通过这一指标可以从一个侧面衡量协议在能量均衡 r内的节点数量少于它预设的值n1,并且 max Hop_req,mm>方面的性能。从图1的仿真结果可以看出,在低负载场景下(5 2,那么A将会发送一个包含了 Hop_req和TL内容的TC信10个连接),AODV协议拥有比OLSR和AOHR协议更好的网 息。这里 Hop_req=1+1代表节点A想要获得 Hop_req跳内相络生存期,这是由AODV协议在没有分组要发送时不需要路 邻节点的路由信息;YL=-max{xA+1,h1}代表该T℃信息需要发由维护的后验特性决定的。在高负载场景下(35个连接), 送给A节点TL跳内的所有节点,这里h,代表所有需要A节OLSR协议拥有比AODV协议更好的网络生存期,这是由OL 点报告其路由信息的最远节点到A节点的跳数。发送过该TCSR协议实时维护路由信息先验特性决定的,即OLSR协议 信息后,节点A将会令h1=0。当节点B第一次收到这个TC信的杂项开销与其自身的参数设置有关而与网络负载无关。而 息,如果 Hop_req>hn,那么B将会令hn=Hpre,B将会改变AODV协议在没有可用路由发送某个分组时,为了进行路由建 TC信息中的 Hop_req和T分别为max{ Hop_req-1,0}和 立,必须要进行网络广播,因此网络负载越重,AODV协议的开 max(7y-1,O)。如果此时T℃C信息中的mTL>0,B将会继续转发销就越大,节点能量越容易耗尽。以上这些仿真结果和先前分 这个TC信息。通过这种方法,节点A就可以随后收到r+1跳 析的结论完全一致 内所有节点的路由信息,即节点A的区域半径扩展到了r1+1 480 跳。反之,如果节点A此时的区域半径为r1,但是它发现自己半 440 径r4-1跳内就有不少与n4个节点,并且max{ Hop_req,7小> -OAODV 一一AOHR 2,那么节点A将会发送一个包含了 Hop_req和TTL的TC信 400 - OLSR 息,这里 Hop_req=r1-1,mL=max{4-1,h1},通过这种方法就可 360 以把自己维护的区域半径缩减为r-1。综上,每个节点都可以 320 根据自己相邻的节点数动态的调整区域半径 综上,AOHR协议在路由查询时与AODV协议相比,减少 了广播冗余;而在路由表维护上的开销则要小于OISR协议。 Conection 从以上的分析也不难看出,当每个节点维护的区城半径r都为 图1不同网络负载下网络的生存时间 1时,AOHR协议就退化成了AODV协议;当每个节点维护的 区域半径r变成无穷大时,AOHR协议就退化成了OLSR协 由于AOHR协议和OLSR协议一样需要周期性地发送拓 议。需要指出的是当区域半径不大丁2时, HELLO信息将足够扑控制信息,即使网络负载很低时,仍然需要消耗一定的能量, 维持两跳内的路由信息因此节点将不会发送任何TC信息。所以在低负载场景下的网络生存期不如AODV。但是由于 AOHR发送的拓扑控制信息不需要像OLSR那样在全网广播, 3仿真结果及分析 只需要发送给指定区域内的节点,所以它在低负载场景下的开 本文利用Ns-2.31仿真软件对协议的能耗性能进行了仿销要远低于OSR。综合来看,在低负载场景下,AOHR协议和 真,场景如下:60个节点均匀分布在1000m×100m的网络AODV协议在冈络生存期上基本相当,而远好于OISR协议。 中;每个节点的无线覆盖半径为250m;运动方式采用了way-在中等负教场景下,AOHB协议由于很好地融合了AD协议 point模型,运动的间隔时间为10s;每个场景有5-35个业务的后验特性和OLSR协议的先验特性因此既避免了AODV协 流,每个业务流每秒钟产生4个52Bvte的CBR数据包,信道议大量进行全网路由建立广播,又避免了OLSR协议周期性地 速率为符合IE802.1b的11M/s。每个场景随机的仿真5全网广播拓扑控制信息,因此大大降低了协议开销。此外 次,每次600秒并对仿真结果取平均。共仿真了3组协议,分别AOHR协议利用了OISR协议的多点中继特性也可以从另 是:(1)AoV(即区域半径为1的AOHR),该仿真模型是NsS-个侧面减少AODV协议全网广播的开销。因此在中等负载场 allinone-2.3l1自带的模块;(2)OIsR(即区域半径为无穷大的景下,AOHR协议在网络生存期上具有压倒性的优势。大量的 AOHR),该仿真模型是由 francisco J ros.提供的版本号为研究表明,绝大多数的通信都集中在临近节点之间。所以在高 0.88的模块;(3)以覆盖17个节点为目标的动态调整区域半负载场景下,AOHR协议利用区域半径内OISR协议的先验特 径的AOHR。 性就可以完成绝大部分数据分组的发送,因此具有不逊于 关于电池能量的设定,参考了无线网卡 Cisco aironet350OLSR而好于AODV协议的网络生存期。综上,AOHR协议在 的数据手册,该无线网卡的供电电压是5V,发送数据时电流各种网络负载场景中,拥有比AODV协议和OISR协议更好的 是450mA,接收数据时电流是270mA,睡眠模式时是15mA。普适性,并且在网络生存期上也具有明显的优势,非常适合于 如果在整个仿真阶段网卡完全工作在睡眠模式,即不收发任何 Ad hoc网络复杂的应用背景。 42008,44(34) Computer Engineering and Applications计算机工程与应用 32分组发送成功 分组发送成功率是指网络中接收到的数据包数量与发送 40 数据包数量的比值,通过这一指标可以从一个侧面衡量随着 Hr- AOHR OLSR 些节点能量耗尽,整个网络的连通性。图2的仿真结果示例了 在网络中有30个连接时,各时间段数据包发送成功率。从图中 可以看出,在仿真的初始阶段(0~300s),三个协议的发送成功 率大体相当;而在仿真的中间阶段(300~500s),由于节点能量 陆续耗尽,因而节点相继退出网络,此时可以看出AOHR协议 100200300400500 00 的分组发送成功率具有一定的优势。 Simulation time/s 图4各时间点生存节点剩余能量的均值 80 存节点的剩余能量的方差。可以看出,在网络中所有节点均生 存时(仿真时间小于350s),AOHR协议的剩余能量方差最小, O- AODV -k- AOHR 之后随着节点电量陆续耗尽退出网络,三个协议的剩余能量方 ×OLSR 差基本一致。因此在生存节点剩余能量的方差性能上,AOHR 要优于AODV和OLSR协议。 100200300400500600 mulation time/s AODV 图2各时间段分组发送成功率 AOHR OLSR 3.3能量耗尽节点数 能量耗尽节点数是指在各时间点电池电量耗尽而退出网 6 络的节点数日。这个统计值越低说明协议的能耗越低。图3的 仿真结果示例了在网络中有30个连接时,各时间点能量耗尽 0 节点数。从图3的仿真结果不难看出,AOHR协议能量耗尽的 100200300400500600 Simulation time/s 节点数在这些协议中是最少的,具有最低的能耗。 图5各时间点生存节点剩余能量的方差 4结束语 AODV AOHR 由于AOHR协议很好地综合了AODV和OISR协议的特 ×OISR 点,所以在各种性能上取得了很好的平衡。尤其是在能耗方面, AOHR无论在网络生存期、分组发送成功率、能量耗尽节点数、 剩余能量的均值和方差几方面均具有比较出色的性能,非常适 合于对能耗敏感的应用场景。此外,AOHR协议还能够动态调 整区域半径,所以网络的疏密程度对该协议的性能影响不大, 200250300350400450500550600 使该协议相对AODV和OLSR具有更好的普适性,便于工程设 Simulation time/s 图3各时间点能量耗尽节点数 计人员进行网络规划和展开。今后的研究将主要致力于如何综 合考虑AOHR协议中相邻节点数和剩余能量来决定区域半径 3.4生存节点剩余能量的均值 的方法来提高AOHR协议在能耗方面的性能。 生存节点利余能量的均值是指电池电量仍有剩余,能够继 续在网络中生存的所有节点的剩余能量的均值。在生存节点数参考文献: 量相同的前提下,剩余能量的均值越高,说明剩余的能量越多, Wieselthier J E, Nguyen G D, Ephremides A Energy- awre wireless 协议的能耗越低。图4的仿真结果示例了在网络中有30个连 networking with directional antennas the case of session-based broad- 接时,各时间点生存节点剩余能量的均值。从图4可以看出 casting and multicasting J.IEEE Transactions on Mobile Computing 2002,1(3):176-191 AOHR协议剩余能量的均值略好于AODV协议和OLSR协议。 [2] Shih E, Cho S H, Lckcs N Physical laycr driven protocol and algo 3.5生存节点剩余能量的方差 rithm design for energy -efficient wireless sensor networks[CViACM 生存节点剩余能量的方差是指电池电量仍有剩余,能够继 MOBICOM,2001:272-286 续在网络中生存的所有节点的剩余能量的方差。这个统计值反3余旭涛张在琛,毕光国一种提高能量效率的 Ad hoc网络MAC 映了各节点能量使用的均衡性,数值越低代表能量均衡性越 层协议J计算机学报,2006,29(2):256-266 好。图5是网络中有30个业务流时,随仿真时间流逝网络中生 (下转14页)

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