第32卷第2期2010年2月电子与信息学报JournalofV01.32No.2Feb.2010Electronics&InformationTechnology移动Adhoc网络中基于链路稳定性预测的按需路由协议胡曦李酷刘军(东北大学信息科学与工程学院沈阳110004)摘要:移动Adhoc网络拓扑的高度动态变化是造成传统按需路由协议的路由频繁通断的主要原因,因此在传统按需路由协议的基础上进行链路稳定性预测扩展,增强路由稳定性具有十分重要的意义。该文利用分组的接收功率把节点问的相对运动划分为靠近和远离两种类型,然后在不同相对运动类型下根据节点间距离得到了的链路平均维持时间。在路由过程中,中间节点利用得到的链路平均维持时间设置请求报文的转发延迟,通过一定转发规则选择稳定性较强的链路构成路径。仿真结果表明进行链路稳定性预测扩展后的按需路由协议能够有效增强路由的稳定性,并提高网络性能。关键词:移动Adhoc网络:按需路由协议;链路稳定性预测;链路平均维持时间中图分类号:TN915.04文献标识码:A文章编号:1009-5896(2010)02-0284-06DOI:10.3724/SP.J.1146.2009.00089ALinkStabilityPrediction-Basedon-DemandRoutingProtocolinMobileAdhocNetworksLiuJunHuXiLiZhe(College万InformationScienceandEngineering,NortheasternUniversity,8henyang110004,China)Abstract:Thehightraditionaldynamictopologychangeisthemainreasontocausethefrequentbreakagesofroutesofon-demandroutingprotocolsinmobileAdhocnetworks.Thereforeitissignificanttoextendthetraditionalon-demandroutingprotocolbytherinkstabilitypredictionwhichwillimproveroutestability.Basedonthereceivedsignalstrength,therelativemotionsofneighbornodesareclassifiedintotwocategories:separateandnear.Thenineachcategory,thelinkmeandurationwhichisusedtopredictthelinkstabilityiscalculatedonthebasisofthedistancebetweenpacketstwoneighbornodes.Inroutingprocess,mid-nodesforwardthereceivedRREQdelaywhichisdecidedbythelinkmeandurationpredicted,andthenwiththeforwardrulewhichisproposed,astableroutecanbefound.Simulationresultsshowthatthisextendedtraditionalon-demandroutingafteraprotocolc衄improvetheroutestabilityandthenetworkperformance.Keywords:MobileAdhocnetworks;On-demandroutingprotocol;Linkstabilityprediction;Linkmeanduration1引言移动Adhoc网络(MANET)dP的各个节点能够以任意可能的速度和移动模式移动,节点间通过无依靠节点自身能力3类以及一些其他方法。借助辅助设备(如GPS等)进行路由稳定性预测的路由协议,如文献[1-31。借助这些设备,节点能够获得详细的移动参数,如速度、位置等,通过一定的计算得到稳定性估计,从而选择稳定性较好的路径。但是这些设备的使用会受到环境的,并线信道形成的网络拓扑随时可能发生变化。因此,在MANET中选择一条相对稳定的路径进行路由,避免频繁的重路由操作,降低网络拓扑动态变化对路由协议性能的影响,成为MANET路由协议研究的热点。由于Adhoc网络中的传统路由协议缺乏保证路由稳定性的有效机制,因此近年来,研究人员对于增强传统路由协议的路由稳定性进行了研究。按照稳定性预测的方法对基于稳定性的路由协议进行分类,大致可以分为借助辅助设备、借助移动模型、2009-01.19收到,2009-09-25改回国家高技术研究发展计划项目(2007AA0742)资助课题通信作者:胡曦hx214412xh@163.com且设备本身的性能对路由算法的性能影响较大,同时要求每个节点配备这些设备,这会增加节点自身的消耗和组网的经费。借助移动模型进行路由稳定性预测的路由协议,如文献【4—7】。在预测过程中都利用了已有的节点移动模型。由于在模型中节点的移动一般都具有某种概率分布的特征,从而根据这些概率分布估计链路的稳定性。这些模型虽然是对节点在真实环境中的移动情况的模拟,但是任何一种模型都无法完全地模拟出节点移动的各种情况【8】。因此使得此类路万方数据 第2期胡曦等:移动Adhoc网络中基于链路稳定性预测的按需路由协议由算法也只能应用于某类的节点移动。依靠节点自身能力进行路由稳定性预测的路由协议是在路由过程中利用节点自身能够获得的某些参量对路由的稳定性做出估计,如文献[9-121。其中文献[9】是通过接收功率判断构成链路的两节点问的距离,在距离满足一定大小关系时认为此链路稳定,并优先选择这样的链路构成路径。文献[9-121是通过节点接收功率的变化来判断构成链路的两节点的相对运动,由此对链路的稳定性做出估计,并选择稳定性最好的链路构成路径。由于Adhoc网络具有不依赖于基础设施,自组织,多跳等特点,本文在依靠节点自身能力的基础上,用链路平均维持时间预测链路的稳定性,在按需路由协议的基础上进行扩展,提出了一种基于链路稳定性预测的按需路由协议fLinkStabilityPrediction-basedOn-DemandRoutingProtocol,LSP—ODRP)。LSP—ODRP根据节点间的不同相对运动类型利用节点间距离计算得到了链路平均维持时间。在路由选择过程中利用得到的链路平均维持时间设置请求报文的转发延迟,并通过一定转发规则选择稳定性较强的链路构成路径。由于不依赖于其他设备和移动模型,因此本文提出的LSP.ODRP具有更好的适应性。2.1链路稳定性预测定义1假设当前时刻t节点A和D之间存在链路厶。,那么从当前时刻t开始到厶。断开所经历的时间,称为链路维持时间见。。两个节点A和0间的相对运动可以等效为节点D静止,节点A以相对速度仇通过节点D的通信范围,如图1所示。在当前时刻t,节点A和0构成链路瓦,两节点间距离为d。节点A在移动r距离后k断开,则由定义1有k的维持时间玩:玩:三=一图l(a)坼一罴一图l(b)-l(a)两节点远离(b)两节点先靠近再远离图l节点间相对运动的两种不同情况万 方数据其中R表示节点的通信半径,诈和咖分别表示相对速度%的速率和方向角。定义2链路平均维持时间瓦是链路维持时间玩的期望。其定义式如下:D”(d)=捌上k(%,妒;回】(2)式(2)的计算分为以下3个步骤:(1)使用TwoRayGround模型【131来描述无线电波在自由空间中的传播,根据此模型,在获得节点接收功率后,可以计算得到两节点间的距离d。(2)无论两节点各自具有怎样的运动矢量,它们之间的相对运动最终都可以归结为远离和靠近两种情况,所以在只依靠节点自身能力的条件下对节点问的相对运动作如下划分:类型1两个节点之间远离,直到无法构成链路,如图1(a)所示。类型2两个节点之间先靠近,然后再远离。直到无法构成链路,如图1(b)所示。(3)由式(2)得到链路瓦的平均维持时间瓦(d)D”(d)=研上)0(%,妒;d)卜J孑fp。(%,如d),(%,qb)dvrd≯(3)其中玩(%,咖;d)由式(1)给出,而f(vr,≯)计算如下:由雅可比变换可以得到f(vr,川=怒搦:—乓.—;::::丝::::;:=・————,・——:=========:================f41I4-21rb2√《+《+2VoWcos≯、7其中%,%及吃相互,且%和%服从[o,b】的均匀分布(其中b表示节点最大移动速度),见服从【一丌,7r】的均匀分布。然后在式(4)中对%积分,得到以%,≯)=J以%,咖,vo)dvo2寺Z丽Jv2+—v2+鱼2roY,cosdp“5)从而,由式(1),式(3)和式(5)可计算出链路平均维持时间瓦。其中如图1所示,≯∈[一丌'一吖2】u【仃/2,霄】,且区间具有对称性,所以:(1)在类型1,即两个节点远离的情况下瓦(d)=2£2r%(%,≯;d),(%,咖)dr,de。=丢r*dc08≯+厨碉dvod咖(2)在类型2,即两个节点靠近的情况下286电子与信息学报第32卷弘d)=2£正。。D。(vr,咖;d)f(vr,≯)d珥却=上,rb2Jr0们r(搬咖+厅蕊)dvod咖由此,得到了不同相对运动类型下链路平均维持时间厦。与节点间距离d的准确表达式(6)和式(7)。对于典型的LucentWaveLAN环境,节点能识别的最低能量值为3.65×10。oW,此时的通信范围为250m[11],因此,在后面的讨论中取节点的传输半径R=250in。节点最大移动速度b=20m/s,最小移动速度为0m/s。2.2对豆。计算公式的近似由于Adhoc网络节点的自身特点,若直接应用式(6),式(7)计算链路的平均维持时间会造成很大的开销。所以利用非线性拟合方法对它们进行近似。这里使用的是lstOpt综合优化软件包。利用lstOpt软件分别得到了式(6),式(7)的近似表达式(8),式(9)。面。(d)=21.9043—0.071.d一2.553×10~7.d3(8)西。(d)=21.9043+0.0637・d一2.553×10—7・d3(9)式(8),式(9)不仅能够很好的近似式(6),式(7),而且表达式简单,易于计算。因此在应用中完全可以使用它们作为计算或。的公式。2.3LSP.ODI潆描述利用前面提出的链路稳定性预测算法,本文设计了一种基于链路稳定性预测的按需路由协议(LSP.ODRP)。LSP—ODRP使用按需路由的方式进行路由,主要包括路由建立和路由维护两个部分:2.3.1路由建立网络中节点周期发送hello分组,收到heuo分组的节点建立邻居列表,记录邻居ID和对应的接收时刻和接收功率。以后利用收到的heno分组对这个邻居列表进行更新。当某个节点(源节点)要与网络中的另一节点(目的节点1通信,但源节点的路由表中没有到目的节点的可用路由信息时,采用反应式机制,由源节点发起路由寻找过程。路由寻找步骤如下:(1)源节点广播路由请求报文(RREQ),其中包含源地址、源序列号、广播序列号、目的地址、目的序列号、跳数和链路最小平均维持时间等参数。(2)中间节点收到RREQ报文后,操作如下:(a)判断是否是重复的剐陋Q分组:如果是则丢弃,以防止发生环路;如果不是,则利用接收功率计算出此时刻的两节点间距离d。万 方数据(b)检查邻居列表中是否有此RREQ经过的上一跳节点ID,若没有则增加一条表项,记录上一跳节点的ID和此时的时刻和接收功率;若有,则将此RPmQ的接收功率与邻居列表中同一节点对应的接收功率作比较:如果接收功率减小,说明这两个节点正在远离,则按照式(8)计算出此链路的巨。;如果接收功率变大,说明这两个节点正在靠近,则按照式(9)计算出此链路的厩。。(c1根据更新规则更新RREQ中的最小链路平均维持时间域,更新规则如下:若域值为NULL,则域值设为当前得到的晓。;若域值不为NuLL,则将域值与当前得到的豌。进行比较,若域值小于当前屁。则不更新;反之,则用当前晚。更新域值。(d)转发RREQ。根据最小链路平均维持时间域的域值万min计算节点转发aREQ的延迟,计算公式如下:delay=0.5-告(10)由式(10)可知:域值面面。越小,转发延迟越大;反之,转发延迟越小。如果接收功率变大,则节点在delay时间后立即转发aPmQ报文;如果接收功率变小,则判断在delay时间内,此节点是否收到至少m个邻居节点转发的相同RREQ报文,如果是,则认为其邻居节点的转发已足够RREQ的传播,并将此RREQ丢弃;否则,在delay时间后就立即转发该aaEQ报文。(3)目的节点收到RREQ后,经反向路由向源节点发送RREP。(4)在RREP通过反向路径发送给源节点的过程中,这条路径上的节点更新它们的路由表,建立(5)RREP到达源节点,完成寻路过程,源节点即可使用得到的路由发送数据。(1)由发现不可达节点或链路的节点在自己缓(2)当没有可以的替代路径时就由发现不可达本文分别使用路由有效时间、路由失效次数考起通向目的节点的正向路径。2.3.2路由维护存的路由信息中选择出不包含不可达节点或链路的满足要求的替代路径,并立即回送错误信息,使源节点选择新的路径进行传输,这条替代路径在传输完由于断路产生的缓存数据后,立即释放。节点或链路的节点向源节点或目的节点回送错误分组,以使源节点或目的节点重新选择可用路由。3性能仿真3.1性能指标的计算察路由的稳定性和分组递交率、路由开销考察网络第2期胡曦等:移动Adhoc网络中基于链路稳定性预测的按需路由协议性能。(1)路由有效时间是在仿真时间内每条路由的平均使用时长。(2)路由失效次数是在仿真时间内可用路由的改变次数。议对路由稳定性的影响。从图2(a),2(b)可以看出,由于节点停留时间的增大使得网络拓扑的动态性不断降低,因此4种路由协议的路由稳定性都随着节点停留时间的增大而变好。AODV由于没有考虑稳定性的问题,所以获得了最差的路由稳定性:而其他3种协议中都考虑了路由的稳定性问题,所以路由的稳定性都好于AODV,其中SSA路由的稳定性要差于PChUR路由的稳定性,这是由于SSA中只根据节点间距离判断链路稳定性,使得判断的准确度较差,PChUR中根据接收功率变化判断链路稳定(3)分组递交率是仿真时间内目的节点收到的数据分组数与源节点发送的数据分组数的百分比。(4)路由开销是仿真时间内控制分组数与数据分组数的百分比。3.2仿真及性能分析仿真采用Ns2软件。仿真场景是一个1000X1000性的准确度要更好一些。而LSP.ODRP由于能够准确地预测链路平均维持时间,因此获得了最好的路m2的平面网络,节点随机放置,每个节点的通信范围为250m,无线传输模型采用TwoRay由稳定性。从图2(c),2(d)可以看到,由于节点数目的增加或减少,都会增加网络的不确定性,因此曲线没有出现一致的变化趋势。但是能够看出,AODV具有最差的路由稳定性,然后是SSA和PChUR,最好的是LSP-ODRP。这是因为不同协议选择稳定路由的方法和机制都不相同,因此对路Ground模型,节点移动速度为0~20m/s。仿真中设置一对源节点和目的节点,使用恒定比特率CBR流来模拟数据流量,分组长度为512字节,发包率为5packets/s,。仿真时间为500S。每种仿真情况都进行10次仿真。在改变节点停留时间时,设置的节点数目为90;在改变节点数目时,节点的停留时间设为2s。由稳定性的预测上就存在着不同的误差,预测误差小的协议往往能获得较好的路由稳定性。(2)网络的性能图3给出了不同路由协议对网这里分别选择了经典AODV路由协议【14]文献【9】中基于节点间距离的路由协议,这里称为SSA;文献【lo】中基于节点接收功率变化的单播路由协议,这里称为PChUR及本文提出的基于节点间相对运动和距离的LSP.ODRP,这里m=l。对于SSA,设置的距离阈值为0.8R。对于PChUR,设置每跳链路完成一次通信所需的时间为38。络性能的影响。从图3(a)可以看到4种路由协议的分组递交率随着节点停留时间的增大成上升趋势,但差别不大,原因是网络负载较轻,网络拓扑的动态性对网络性能的影响不大,但LSP—ODRP仍获得了最高的分组递交率,PChUR高于SSA,而AODV的分组递交率最低。从图3(b)可以看到4种路由协议的路由开销随着节点停留时间的增大呈下降趋50(1)路由稳定性的性能图2给出了不同路由协120岔100屉80籁40羹60鸳40密200囊30誉20斑10O0100200,300400500节点停留时间(s)(a)节点停留时间对路由有效时间的影响7060节点停留时间(s)(b)节点停留时f|!j1对路由失效次数的影响萋:萋凳100节点数目(个)(c)节点数目对路由有效时间的影响节点数目(个)(d)节点数目对路由失效次数的影响图2不同路由协议对路由稳定性的影响万方数据 288电子与信息学报100120100第32卷嚣99静98纠翻97熹求96950100200300400500笆80差60固40密200100300200400500节点停留时间(s)(a)节点停留时间对分组递交率的影响节点停留时间(s)(b)节点停留时间对路由开销的影响节点数日(个)(c)节点数目对分组递交率的影响节点数目(个)(d)节点数目对路由开销的影响图3不同路由协议对网络性能的影响势,其中AODv由于路由变化的频繁而具有最大的路由开销,LSP.ODRP由于转发条件的获得了最小的路由开销,而SSA与PChUR差别不大。从图3(c)可以看到,4种路由协议的分组递交率都出现了较小的起伏变化,路由稳定性的差异使得LSP.ODRP获得了最高的分组递交率,PChUR和SSA次之,AODV最低。从图3fd)可以看到,4种路由协议的开销都随着节点数目的增多而增大,但AODV具有最大的路由开销而且开销增加较快,SSA和PChUR具有相近的路由开销,而LSP—ODRP由于不仅路由稳定性最好而且请求报文的转发,使其获得了最小的路由开销。但无论是分组递交率还是路由开销,都随着路由稳定性的增强而提高。【31【2】predictioninwirelessnetworks[C】.IEEEMilitaryCommunicationsV01.1:491—495.Conference,LosAngeles,CAUSA,2000谭长庚,陈松乔,龚晓霞.移动自组网中基于预测机制的一种稳定路由算法设计【J】.小型微型计算机系统,2007,28(1):9-14.TanChang-geng,ChertSong-qiao,andGongXiao-xia.SteadyroutingprotocolwithpredictioninmobileAdhocnetworks[J】JournalJino/ChineseComputerSystems,2007,28(1):9-14.Li,andLian,LayuanX.moyanZhu.Amulti-constraintonQoSroutingprotocol丽throute-requestselectionbasedmobilepredictinginMANET[C].IntexnationalConferenceonWorkshops,Harbin,ComputationalIntelligenceandSecurityHeUongjiangChina,2007:342-345.【4】MingYu,AniketMalvankar,andWeiSu,et8工.AlinkQoS-awareroutingprotocolformobileadCommunications,2007,4结论本文提出的基于链路稳定性预测的按需路由协议在只依靠节点接收功率的前提下,利用不同节点间的相对运动情况和节点间距离计算得到了链路平均维持时间,由此对链路稳定性做出预测。在路由选择过程中利用链路稳定性决定RPmQ的转发延迟,选择出稳定性更好的路径,从而提高了网络性能。在本文研究中,我们并未考虑路由过程中节点移动状态的改变对路由稳定性的影响,因此研究在路由过程中如何根据节点移动状态的改变自适应调整路由是我们的下~步工作。参考文献【1】WilliamSuSung-Ju,Sung-juLee,andMarioGerla.Mobilityavailability-basedhocsensornetworks[J].Computer30(18):3823-3831.【5】肖百龙,郭伟,刘军等.移动自组织网络基于链路稳定性的伪流言路由算法[J】.通信学报,2008,29(6):26—33.XiaoBai-long,GuoroutingWei,andLiuJun,et以.PseudogossipalgorithmbasedlinkstabilityinmobileAdhocnetworks[J].JournalonCommunications,2008,29(6):26-33.[6】ChenJK,ChenC,andtimeanalysisinJanRH,et吐.ExpectedlinklifeMANETunderManhattangridmobilityonmodel【C】.TheanalysmandllthinternationalsymposiumofwirelessModeling,simulationandmobilesystems,Vancouver,BC【7】ChoSungsoonCanada,2008:162—168.andHayesJAdhocP.ImpactofmobilityOnconnectioninnetworks【c1.IEEEWireless万方数据 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