移动自组网络的自适应多路径路由协议研究

王勇智,范 钦,戴 华

(湖南理工学院 信息科学与工程学院,湖南 岳阳 414006)

近年来,移动自组网络(MANET)已经成为移动通信领域的研究热点,而视频通信技术也已经成为移动自组网络研究领域中的热点问题[1,2].由于移动自组网络的拓扑变化较快,常规的静态路由及单路径路由算法不适用于此应用场景,多路径路由策略依然存在很大的改进空间[3,4].

在分析现有移动自组网络路由机制的基础上,针对移动自组网络路径使用效率较低、丢包率较大等问题,基于无线自组网按需多路径距离矢量路由协议(AOMDV),提出了一种新的自适应多路径优化路由算法.该算法引入节点负荷率等限制条件,选择更优化的路径,将部分流量映射到其它负荷较轻的链路,从而在一定程度上能减轻网络拥塞,提高通路建立的成功率,有利于网络资源的优化.

1 按需多路径距离矢量路由协议

基于传统单路径的按需距离矢量路由协议(AODV),按需多路径距离矢量路由协议(AOMDV)得到了发展[5].

1.1 路由发现过程

在路由发现过程中,尽管两者都使用了目的序列号机制来表明路由的更新情况,但为了确保发现的路径尽可能无环,AOMDV 协议放弃了跳数字段,而采用广告跳数字段(advertised hop count)以表示到目的节点的最大跳数.为了确保找到的路由尽可能无节点相交的情况,AOMDV 协议将源节点的邻居节点记录在了路由请求帧中的第一跳字段.通过比对RREQ 帧与已有路径的第一跳字段,就可以知道该数据帧是否来自一条新路径.

1.2 路由维护过程

AOMDV 是一种多路径路由协议,与AODV 协议不同,它仅在所有备用路径都失效的情况下才会进行路由维护.路由维护的方式与AODV 协议相同,都是采用路由错误帧(RERR)进行错误情况的修复,寻找新的路由信息.

1.3 协议局限性

在移动自组网络环境中,每个节点同时扮演终端和路由两种角色.电池供能的特性导致了其传输功率与运转算力有限.AOMDV 协议在路径选择的过程中并没有考虑节点负荷率这一因素,只有当一条路径失效的时候才会启用备用路径,但这在视频传输的情况下并不适用.因为视频传输的数据量大,编解码方式复杂,集中在一条路径传输容易造成中间节点负荷率过高,从而增加传输延时,造成网络拥塞,降低网络视频传输的服务质量.

2 AOMDV 协议的改进

2.1 改进思路

针对上述AOMDV 协议的不足,需要在中间节点负载过高的时候将部分数据进行分流,减缓该节点的压力.本文引入一种基于节点负荷率(Node Load Rate)的拥塞预警与控制机制,并设计了一种基于路径长度、路径使用次数以及路径总剩余能量的流量分流机制,提出一种新的负载均衡的多路径路由协议AOMDV-NLR.该协议的主要改进思路为:通过在网络传输过程中不断检测中间节点的负荷率,对路径当前的传输情况进行控制,并根据节点当前情况将数据分流至其他备用路径.

2.2 拥塞预警机制

为衡量中间节点的工作负载,引入节点负荷率的概念,以表示节点当前状态下工作负载的程度.节点负荷率由通过该节点的流量要求与该节点设备的吞吐量决定,即

其中α为中间节点的负荷率,f为通过当前节点的流量要求,t为当前节点设备的吞吐量.由式(1)可知,通过当前节点设备的流量要求越高,则节点工作负载越高.当α值高于预先设定的阈值k时,则可将该中间节点设置为拥塞状态,其所在路径即为拥塞路径,并广播通知网络中的其他节点.该机制的流程如图1所示.

2.3 分流机制

在大量数据传输的过程中,为了避免单一路径负载过大造成网络拥塞,需要将部分流量分摊到其他备用路径上去,以均衡网络负载,从而提高数据包投递成功率,降低路由平均延迟和路由负载,并增加自组网络路径使用效率.出于对负载均衡以及节点生命周期的考虑,本文提出一种基于路径使用次数、路径长度以及路径节点剩余能量的分流机制.在介绍该机制前,先引入节点的能量模型.在网络传输过程中,节点每传输1 bit 的数据到距离为d的节点上,所消耗的能量

图1 拥塞预警机制流程

其中Eelec为收发1 bit 数据电路损耗的能量,εfs为放大器能量,εamp为路径上的能量衰减,d0为传输距离的阈值.同理,节点接收1 bit 数据所消耗的能量为

消耗的总能量为

所以,1 bit 数据通过路径p从节点ni传输到节点nj所消耗的能量E(p)为

若节点的初始能量为Einit,则路径p的剩余能量E r(p)为

根据式(6),本文提出分流到路径p上的代价

其中N(p)为利用路径p进行数据传输的次数,L(p)为路径p的长度,即跳数.不难看出,路径p的使用次数越小,长度越短,剩余能量越大,则代价越小,越有可能被选为分流的路径.从而增加了传输效率、路径利用率以及生命周期.

3 仿真实验与分析

3.1 仿真工具与环境参数

使用网络仿真工具NS-2.35 进行本协议的仿真与比较,参数设置见表1.

实验采用20条固定码率比特流生成UDP数据流,节点运动模型采用Random-Way-Point 模型.所有节点的初始能量均为50 J,最大移动速度分别为5 m/s,10 m/s,15 m/s,20 m/s,25 m/s 和30 m/s.节点的运动场景通过setdest 进行设置,传输负载通过cbrgen 进行设置.为减小随机误差的影响,数据采用五次实验的平均值.

表1 仿真参数设置

3.2 仿真结果与性能分析

本文提出的改进协议AOMDV-NLR 在网络传输过程中的丢包率基本低于 AOMDV 协议,如图2所示.由于AOMDV-NLR 协议的分流机制,多条路径共同传输数据,减小了节点移动造成的主路径失效所带来的报文丢弃的影响,降低了丢包率.随着节点速度的不断提升,节点的已有路径会很容易断开(主备路径均是如此),所以在速度足够快的时候,AOMDV-NLR 协议也不再具有优势.

端到端时延的仿真结果如图3所示.由于AOMDV-NLR 协议的拥塞控制与分流机制,网络中已建立的路径得到了更为有效的利用,从而有效降低了网络传输的时延.

图2 丢包率

图3 端到端时延

由式(7)可知,本改进协议在选择分流路径的时候考虑了路径的剩余能量,避开了能量较低的路径,从而提高了链路所有设备的平均生存期.随着速度的提升,分流的需求不断增加,该分流机制在能耗方面的优势不断扩大,有效地提高了网络生存期,如图4所示.最后当节点速度过快的时候,备用路径也难以维持正常工作状态,该协议的优势也逐渐消失殆尽.

得益于多路径协同合作机制,AOMDV-NLR 协议的路由控制分组并不多,有效地维护了网络的稳定,如图5所示.

图4 网络生存期

图5 归一化路由开销

4 结论

本文针对移动自组网络使用场景中存在的路径使用效率较低、丢包率较大等问题,综合考虑视频传输使用场景中数据量大、编解码复杂的特性,提出了一种基于AOMDV 协议的移动自组网络的自适应多路径路由协议AOMDV-NLR.仿真实验表明,该协议能动态地根据移动自组网络各节点状态的变化进行多路径优化,能有效提高数据包投递成功率,降低路由平均延迟,较好地解决了在无线自组网络视频传输过程中的路由效率问题.