一种 Ad hoc 网络中节约能耗的 QoS 路由协议

一种Adhoc网络中节约能耗的QoS路由协议

AbstractThispaperintroducesanadvancedsave-energymechanismforAdhocnetwork.Comparewiththeoldenergymechanism，itcouldeffectivelyreducetheenergyconsumptionofidlenodesinthenetanddeclinethenumberofAgentnodetoonlyoneineachcommunicationarea，whichis50%oftheoldmechanism，andcreateEdge-Agent，whichisclassifiedbyfunction.Theexperimentshows，thenewmechanismcouldimprovethelife-timeofthewholenet，guaranteetheefficiencyandrobustnessofthenetandbalancetheenergyoftheEdge-Agent.Keywords:Adhocnetwork，QoSroutingprotocol，Agent，Save-energy1.引言Adhoc网络的特点是各节点地位平等，能自由移动，并且通过无线信道进行通信[1，2]。由于移动终端本身由电池供电，因此在Adhoc网络中采用各种节能机制成为延长电池工作时间的一种重要手段。另外，从降低网络运行成本和节约自然资源的角度来说，采用节能机制也是一项意义重大的措施。现阶段，Adhoc网络的节能机制已经提出不少方案，如利用电源休眠[3]或者设置Agent方式[4]节能。然而所提出的方案并不能完全解决Adhoc网络的节能问题。如利用电源休眠，虽然可以达到一定的节能效果，但休眠状态电池同样有一定的耗损，且这部分耗损并没有做任何有效功；再如采用设置能量代理方式，现有的能量代理方式通常选择出的数量过多，有的达到了所有网络节点数量的一半，选择代理数量过多往往对网络资源也会造成不必要的耗损。2.能量消耗模型一般的，认为只有在发送和接收分组的时候才会有功率消耗，并且在研究MAC协议时，往往只考虑收发分组时消耗的能量。然而，节点在处于监听和空闲状态时，也同样消耗电量，即：其中，T(a，b)表示从节点a到节点b的路由路径上所有节点所消耗的能量，Ex是节点处于监听和空闲所消耗的能量。之所以需要将监听和空闲状态的能量消耗计入总消耗是因为电波有一个相当大的广播范围，再此范围内的所有节点都必须接收每个数据包以判断是否是本地接收，虽然多数分组都被很快丢弃，但是接收它们是也需要消耗能量，研究表明[5]，空闲、接收和发送状态三者能量消耗的比例是1：1.2：1.7。从公式（1）可知，在不关闭节点k然而，仅考虑全网能量消耗具有一定的片面性，因为Adhoc网络中的个别节点有可能UDP业务，该节点均不承担发送及转发任务，但能量消耗也非常严重。在未发送及转发任何数据的情况下，节点能量状态由0.80下降到0.64，消耗了16%的能量，却未对全网的数据传递起到作用，因此，该16%的能量消耗为无用功。而改进后的空闲节点由于采用了关闭电源及间歇式检测信号等机制，使得空闲消耗降低。图3表示了在该实验中节点1未改进和改进后的性能比较。对于非空闲节点，由于能量因素成为建立路由路径的必要条件，因此与原有的利用AODV建立起来的路由有所差别。改进后的路由机制重点关注全网可达的持续性及边界Agent节点的轮换工作，这样，每个节点的能量均可得到有效利用，而非仅仅有业务流量的节点消耗能量，而空闲节点不做功的情况下，也消耗能量。以节点3至节点6的UDP业务为例，利用AODV建立起来的路由路径为3—2—6。改进机制首先建立区域Agent及边界Agent，节点3的能量状态最大为0.97，因此当选Agent，负责区域内的信息传递及转发，在该例中，节点3既是Agent，又是业务起始节点；边界Agent由两区域信号交叉部分的能量状态最大者担任，在该例中，节点5为边界Agent，转发节点由原来的节点2变为节点5，路由路径变为3—5—6。当节点5的能量仅为原来的50%时，将重新选举边界Agent，此时节点4成为边界Agent，路由路径变为3—4—6。该选举过程将一直持续下去，直到边界节点能量不足以支持业务。如图4所示，全网可达的时间由原来的1178.90s升至3855.43s。因为节点能量不足而无法完成转发任务，即在公式（1）中忽略了节点的能量状态，其定义为：Pre其中，Pre为节点现有能量，Pst为节点理想状态下的能量最大值。3.改进方案由公式（1）可知，整个网络的消耗由两部分组成，一部分是路由部分消耗的能量，这部分能量只有通过改善路由算法，使尽量少的节点参与到路由过程之中；k另一部分是其余空闲节点的待机能量i1，这部分能量可通过关闭其无线网卡实现。无线网卡的关闭可分为两部分：一部分为路由建立过程之前网卡关闭模式，即网络中无数据流而仅有控制流的时候，此时关闭网卡采用定时开启模式，每隔5秒开启检查是否有数据传输要求，若有，则全网节点开启，建立路由，路由建立完成后，将进入网卡关闭的第二部分，即路由建立过程之后的网卡关闭模式，此时，没有转发任务的节点可关闭无线网卡，仅留有路k由任务的网络节点，这样，空闲节点的待机能量i1从理论上可接近于0。另外，采用无线节点Agent也是提高转发效率以及提高能量利用率的一个有效途径。移动Agent是一段程序代码，能控制自己在网络中移动，并能在每个节点独立地完成各种不同的任务。移动Agent在分布式应用中十分有效，特别适用于动态的网络环境，这些Agent在节点之间跳动，在节点中收集信息，并能将这些信息给新的节点和Agent。这样，在短时间内，每个节点都能接受到Agent访问他们带来的更新信息，网络开始运行时，所有节点只知道他们自己和邻居信息，而不知道别的节点的信息，当Agent开始路由时，这些节点就会得到别的节点的信息。在本文中，每个节点均有属于自己的通信区域，在通信区域中，利用公式（2），将现有节点能量状态最高者定为Agent，将收到两个及以上通信区域的能量状态最高节点设为边界Agent，这样，较文献[4]中随机设定Agent的方法，可大大减少网络中Agent的数量。例如，如图1所示。图1中，节点名称后表示为节点现有能量状态，由改进的能量机制可得，区域A中，节点3为Agent，区域B中，节点6为Agent节点，在交叉区域中，节点5为边界Agent。改进后的能量机制将节点空闲以及待机时消耗能量降为最低，并且引入了Agent模式，有效的利用了全网能量，使能量状态高的节点得到充分利用，其工作流程如图2所示。网络中转发节点的节能情况如图5所示。由于在Edge-Agent切换过程中，分组的转发时间也有所延长，如图6所示，分组到达目的节点的时间有所滞后。但通过对分组到达时延进行研究后发现，虽然Edge-Agent轮换工作方式对分组的到达时间会有一定的影响，但分组的时延并没有因此而出现提高，图7显示了利用新能量模型前后分组的发送时延比较。从图7中发现，在传送第4000个数据包之前，新能量模型的时延小于原有模型的时延；但在传送第5000个包时，时延突然增大，随后的转送过程中会出现脉冲式的时延增大的情况，但随后时延会逐渐减小，但任高于原有模型的网络时延。通过对实验的分析后得知，在传送第4000号至第5000号包之间的时间间隔内，Edge-Agent进行了改选，在改选过程中的网络时延会有所增加，且随后的脉冲式时延增加也是由此所引起的，同时，在Edge-Agent能量状态相近时，这种轮换会非常频繁，导致时延的增加。而且，在一定范围内的网络规模的增大和节点数量的增加会改善新能量模型的运行效果，对节省网络的能量消耗较有效，但超过一定范围后，节能效果反而会下降，如图8所示。如图8中，网络中的节点数达到20时，节点剩余能量最多，若网络中节点数再继续增大，节点剩余能量反而会减少。经研究后发现，这种节能性能的下降主要是因为Edge-Agent的频繁的轮换工作所致。当网络节点数增加而所在范围一定时，节点的密度也相对增加，同时，在一定区域内出现相近能量节点的概率也增加了，而过多次的决定哪个节点是转发Edge-Agent时，必然会消耗更多的能量。因此，在多个能量相近节点成为或可能成为Edge-Agent时，这种轮换机制反而对网络的节能性能有消极影响。另外，在新能量模型中，节点数与网络平均时延也存在着一定的关系。如图9所示，无论是原能量模型还是新的能量模型，其网络平均时延都会随节点数的增加而增加。但新的能量节点的网络时延增加的更为明显。研究后发现，其主要原因仍是由于Edge-Agent的轮换机制造成的。当某个Edge-Agent因其能量消耗而被其它节点取代时，它们之间会发生切换过程，此时，数据包是不能被转发的。当节点数增加，其轮换工作机制会频繁发生，从而导致网络平均时延的增大。由以上实验所得数据可知，采用Edge-Agent的节能机制对小规模的Adhoc网络确实能起到一定的节省电池消耗，提高网络生存时间的效果，但不适用于网络节点数较多的Adhoc网络，否则会出现网络平均时延增加和转发节点能量消耗增加等问题。5.小结本文介绍了一种改进的Adhoc网络节能机制。较以往的节能机制，其特点是大大降低了空闲节点的能耗；将作为Agent节点的概率由原来的50%下降为每个通信区域仅一个；并通过功能划分，增加了边界Agent节点。实验表明，虽然该节能机制对Agent节点的依赖较一般Adhoc网络路由对单个节点的依赖有所增加，但其能有效的提高全网可达时