摘 要： 在MANET中節(jié)點必須依靠可攜帶的有限電源供電，為了盡可能延長節(jié)點及網(wǎng)絡(luò)的壽命,， 節(jié)能方法一直是專業(yè)人員致力研究的問題,。基于能量感知的最小能量動態(tài)源路由協(xié)議是針對最小能量動態(tài)源路由協(xié)議提出來的,。引入能量感知策略就是使路徑的剩余能量成為主要的度量指標(biāo)來選取最佳路徑,，選擇剩余能量最大的路徑轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，并且減少節(jié)點能源的浪費和過度使用等問題,。
關(guān)鍵詞： MANET,；最小能量動態(tài)源路由；能量感知
移動Ad hoc網(wǎng)絡(luò)MANET(Mobile Ad hoc Networks)是由一組具有路由功能的移動節(jié)點自組織成的無線多跳系統(tǒng),。由于網(wǎng)絡(luò)規(guī)模小,、無基礎(chǔ)設(shè)施和構(gòu)建快速等特點，MANET廣泛應(yīng)用于野外考察,、作戰(zhàn)現(xiàn)場,、災(zāi)難救助等場合。MANET中的節(jié)點一般通過電池供電,，而目前電池容量有限,。另一方面，隨著網(wǎng)絡(luò)終端性能的提升,、功能的不斷加強,，產(chǎn)生的能耗會越來越大，對能源的要求也會越來越高，能量問題可能成為Ad hoc網(wǎng)絡(luò)廣泛應(yīng)用的瓶頸,，從而使得節(jié)能策略成為當(dāng)前一個研究熱點,。
傳統(tǒng)路由協(xié)議都使用一組度量指標(biāo)來尋找維護最佳路徑，最常用的度量指標(biāo)是最少跳數(shù),。然而這個指標(biāo)沒有考慮節(jié)點和網(wǎng)絡(luò)的耗能和壽命問題,，可能導(dǎo)致節(jié)點能源的浪費和過度使用等問題，最終使得節(jié)點和網(wǎng)絡(luò)的壽命嚴重下降,。
動態(tài)源路由(DSR)[1]協(xié)議在轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)時,，使用最少跳數(shù)的路徑進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。在發(fā)射器以固定能量水平發(fā)送的Ad hoc網(wǎng)絡(luò)中,，DSR協(xié)議并沒有考慮路徑的剩余能量,。由于DSR協(xié)議始終選擇最少跳數(shù)的路徑進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，因此在最少跳數(shù)路徑上的節(jié)點被過度使用的可能性很大,。節(jié)點的過度使用極易使節(jié)點死亡造成網(wǎng)絡(luò)發(fā)生分割,，縮短網(wǎng)絡(luò)的使用壽命。
最小能量動態(tài)源路由MEDSR(Minimum Energy Dynamic Source Routing)[2]協(xié)議除了發(fā)射器的能量水平可調(diào)整外,，其余的都與DSR協(xié)議相同,，所以MEDSR協(xié)議也有DSR協(xié)議所面臨的問題。
本文針對DSR協(xié)議和MEDSR協(xié)議在節(jié)能策略方面存在的缺陷,，以減少節(jié)點的過度使用和延長網(wǎng)絡(luò)生存時間為設(shè)計目標(biāo),，以MEDSR路由協(xié)議為基礎(chǔ)，提出了一種基于能量感知的最小能量動態(tài)源路由協(xié)議,。引入能量感知策略就是使路徑的剩余能量成為主要的度量指標(biāo)來選取最佳路徑,。通過在路由發(fā)現(xiàn)過程中動態(tài)地進行路徑剩余能量的計算，選擇剩余能量最大的路徑轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù),，與傳統(tǒng)的按需路由協(xié)議相比,，大大減少了節(jié)點的過度使用，延長了網(wǎng)絡(luò)的生存時間,。
1 相關(guān)算法
最小最大鏈路功率路由協(xié)議(MLRP)算法旨在尋找一條低功率的路由,，其中每個節(jié)點都能根據(jù)自己要進行通信的鄰近節(jié)點自適應(yīng)地調(diào)整發(fā)射功率。在此算法中,，路由尋找的發(fā)起者決定轉(zhuǎn)發(fā)RREQ請求的中間節(jié)點的統(tǒng)一發(fā)射功率,，當(dāng)路由建立嘗試失敗時，能相應(yīng)地減小此功率值,。因此,，此路由進程主要考慮最小化每個參與節(jié)點消耗的能量，以及減小所選路徑消耗的能量,。最小電池開銷路由(MBCR)[3]算法中定義了節(jié)點電池開銷函數(shù),，從而計算出包含n個節(jié)點的路徑m的總電池開銷,，而最大剩余電池能量的路徑即是擁有最小電池開銷的那條路徑。有條件最大最小電池容量路由(CMMBCR)算法[4]也是對MBCR的改進,，設(shè)計CMMBCR的出發(fā)點是能夠使整個網(wǎng)絡(luò)的生命周期最大,，同時又公平地使用每個節(jié)點。其基本思想是首先找出從源節(jié)點到目的節(jié)點的所有電量充足的路徑(即路徑上的所有節(jié)點都具有大于某個閾值(0~100)的剩余電量),，然后從中選擇出總傳輸能量最小的那條路徑作為路由選擇的最終結(jié)果,。
2 最小能量動態(tài)源路由(MEDSR)
2.1 最小能量路由協(xié)議的背景
傳統(tǒng)的路由協(xié)議都是采用固定的發(fā)射功率進行數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā)，由于節(jié)點發(fā)射功率的大小直接影響到鄰近節(jié)點的通信,，發(fā)射功率太小雖然可以相對減少能量消耗,，但是有可能使得兩個節(jié)點的通信無法進行；發(fā)射功率太大雖然可以保證兩個節(jié)點之間的通信,，但是有可能會影響其他節(jié)點的通信,。
發(fā)射功率水平過高或者過低都會嚴重影響網(wǎng)絡(luò)的連通性，在保證節(jié)點通信成功的情況下,，采用最小發(fā)射功率水平不僅可以保證網(wǎng)絡(luò)的連通性，而且還減少節(jié)點的能量消耗,。
2.2 最小能量動態(tài)源路由簡介(MEDSR)
MEDSR協(xié)議是在DSR協(xié)議的基礎(chǔ)上,，采用可調(diào)整的發(fā)射功率，并且在DSR協(xié)議的路由發(fā)現(xiàn)過程當(dāng)中改進而得來的,。最小能量體現(xiàn)在保持通信質(zhì)量的情況下,，使得節(jié)點的發(fā)射功率水平達到最低。
MEDSR協(xié)議的路由發(fā)現(xiàn)過程當(dāng)中包含兩個機制：
(1)多功率水平路由發(fā)現(xiàn)機制
源節(jié)點首先使用低功率水平發(fā)送RREQ,，RREQ中包含功率水平信息,。如果使用低功率水平發(fā)送失敗，則選擇高功率水平發(fā)送,。下一跳節(jié)點也選擇可調(diào)整的功率水平將RREQ轉(zhuǎn)發(fā),，并且將自己的功率水平信息加到RREQ中。此過程一直操作下去,，直到RREQ到達目標(biāo)節(jié)點,。此時，目標(biāo)節(jié)點發(fā)送RREP,，RREP中同樣包含能量水平信息,。功率水平的調(diào)整過程就是通過轉(zhuǎn)發(fā)RREP進行的。此過程一直進行,，直到RREP到達源節(jié)點,。
(2)逐段功率水平調(diào)整機制
圖1(a)中節(jié)點C接收到目標(biāo)節(jié)點D發(fā)送過來的RREP，測量節(jié)點C接收到的能量水平Precv,。因為RREP中包含目的節(jié)點的發(fā)送功率水平信息Pt,。節(jié)點C計算到達目標(biāo)節(jié)點D所需最少的傳送能量：Pmin=Pt-Precv,，然后節(jié)點C將所需的最少傳送能量存儲在自己的能量表中。節(jié)點C再將RREP轉(zhuǎn)發(fā)給節(jié)點B,，重復(fù)同樣的工作,，直到RREP到達源節(jié)點S。
3 協(xié)議描述
3.1 能量感知
3.1.1 路由請求包(RREQ)的結(jié)構(gòu)
為了實現(xiàn)MEDSR協(xié)議中功率調(diào)整,，需要在RREQ中增添功率值列表字段Power list,，如表1所示。
3.1.2 路由回復(fù)包(RREP)的結(jié)構(gòu)
路徑的剩余能量是指該路徑中的節(jié)點剩余能量的最小值,。
能量感知的目的就是在返回的眾多路徑中選擇剩余能量最大的路徑,。
按需路由協(xié)議并不像表驅(qū)動路由協(xié)議那樣預(yù)先知道網(wǎng)絡(luò)全局的拓撲信息，按需路由協(xié)議是根據(jù)發(fā)送數(shù)據(jù)分組的需要按需進行路由發(fā)現(xiàn)過程,，所以MEDSR協(xié)議中路徑的剩余能量只能通過路由發(fā)現(xiàn)過程動態(tài)地獲得,。因此，需要在RREP中增添路徑剩余能量字段Path energy,，如表2所示,。
3.1.3 節(jié)點本地cache表的結(jié)構(gòu)
為了滿足能量感知的目標(biāo)，需要在MEDSR協(xié)議的基礎(chǔ)上,，對網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的cache表中再增加剩余能量值字段Residual energy和臨時剩余能量字段Temporary energy,，以及發(fā)射功率值字段Power level，如表3所示,。
Residual energy字段記錄節(jié)點當(dāng)前的剩余能量值,，Temporary energy字段記錄Residual energy字段與Power level字段的差值，用于和RREP中的Path energy字段比較,，Power level字段記錄經(jīng)調(diào)整的發(fā)射功率值,。
采用Temporary energy字段是因為MEDSR協(xié)議的發(fā)射功率是可調(diào)整的，即不同路徑上節(jié)點的發(fā)射功率大小不同,，如果此時簡單地使用Residual energy值作為比較對象,，有可能使Residual energy最大的節(jié)點由于Power level過大而造成節(jié)點能量的過快消耗。此時采用Temporary energy可預(yù)先考慮節(jié)點能量的消耗速率,，這樣對路徑剩余能量的比較更公平準(zhǔn)確,。
3.1.4 能量感知過程說明
變量說明:R代表cache中的Residual energy字段記錄的值；P代表cache中的Power level字段記錄的值,；T代表cache中的Temporary energy字段記錄的值(用于和RREP中的E比較),；E代表RREP的Path energy字段記錄的值。
(1)節(jié)點剩余能量的計算過程
每個節(jié)點都保存著自己剩余能量的數(shù)值R,，同時,，保存著臨時的發(fā)射功率水平數(shù)值P(P是MEDSR協(xié)議經(jīng)過能量水平調(diào)整而暫時存儲在本地cache表當(dāng)中的)。每轉(zhuǎn)發(fā)一個數(shù)據(jù)包,，節(jié)點就進行操作：R:=R-P,。
(2)路徑剩余能量的計算過程
在MEDSR協(xié)議路由應(yīng)答過程中,，目的節(jié)點的下一跳鄰居節(jié)點進行能量水平調(diào)整以及相應(yīng)的臨時剩余能量T計算。首先進行計算T：=R-P,，然后將自己的T賦值到RREP中的Path energy字段,。當(dāng)RREP到達目的節(jié)點的次下一跳鄰居節(jié)點時，該節(jié)點也進行能量水平調(diào)整和臨時剩余能量T計算,，然后將自己的T值和RREP中的E值進行比較：如果T<E,，則E:=T；如果T>=E,，則E不做任何改變,。
將RREP繼續(xù)往源節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)，RREP中只儲存唯一的一個E值,。根據(jù)上面分析可知,，E儲存的是該路徑的剩余能量。
當(dāng)源節(jié)點接收到經(jīng)過多個RREP后,，比較它們當(dāng)中的E值,，源節(jié)點首先選擇E最大的的路徑進行數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā)，即選擇剩余能量最大的路徑進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā),。
3.1.5 能量感知形式化說明
圖2(a)和圖2(b)分別用無向圖和有向圖表示同一個網(wǎng)絡(luò)[5],。圖2(a)中節(jié)點旁邊的數(shù)字代表節(jié)點的剩余能量R，節(jié)點之間的數(shù)字代表經(jīng)過調(diào)整發(fā)射能量水平數(shù)值P,。圖2(b)中節(jié)點旁邊的數(shù)字代表節(jié)點的剩余能量R，節(jié)點之間的數(shù)字代表臨時剩余能量T,。
如圖2(b),，節(jié)點d和節(jié)點b進行通信，d,、b之間有兩條路徑,，分別是d-a-b和d-c-b，路徑d-a-b的剩余能量E是60,；路徑d-c-b的剩余能量E是55,，所以節(jié)點d和節(jié)點b進行通信時，會優(yōu)先選擇剩余能量值較大的d-a-b路徑,。再如,，節(jié)點a和節(jié)點c進行通信，a,、c之間有兩條路徑,，分別是a-b-c和a-d-c，路徑a-b-c的剩余能量E是35,；路徑a-d-c的剩余能量E是55,，所以節(jié)點a和節(jié)點c進行通信時,，會優(yōu)先選擇剩余能量值較大的a-d-c路徑。
3.2 路由算法
3.2.1 路由請求
(1)源節(jié)點S在本地路由緩存中檢查是否存在到達目的節(jié)點D的路由,。如果存在,，則轉(zhuǎn)(2)，否則開始路由請求過程：節(jié)點選擇可調(diào)整的功率水平轉(zhuǎn)發(fā)RREQ,。首先,，源節(jié)點S使用低功率水平發(fā)送路由請求數(shù)據(jù)包RREQ，如果發(fā)送成功,，則將功率水平信息存放到RREQ發(fā)射功率值列表字段Power list中,；否則，選擇高功率水平發(fā)送路由請求數(shù)據(jù)包RREQ,，如果發(fā)射成功,，進行如上述功率水平信息同樣的操作，并轉(zhuǎn)(3),。否則,，路由請求失敗。
(2)使用該路由發(fā)送數(shù)據(jù)分組,。
(3)下一跳鄰居節(jié)點接收到RREQ后,，首先檢查路由請求表中是否有對應(yīng)的表項，如果有,，直接丟棄該RREQ,；否則，檢查路由請求分組的路由記錄是否已含有該節(jié)點,，如果有,，丟棄該分組。然后,，如果路由請求分組的目的節(jié)點為節(jié)點本身,，即將自己的地址信息加到RREQ中，并將功率水平信息加到RREQ中發(fā)射功率值列表字段Power list中,，該節(jié)點同時反向轉(zhuǎn)發(fā)RREP,，RREP中保存RREQ中功率水平信息；如果不是節(jié)點本身,，也將自己的地址信息加到RREQ中,，該節(jié)點同樣選擇可調(diào)整的功率水平轉(zhuǎn)發(fā)RREQ，并且將自己的功率水平信息加到RREQ功率值列表字段Power list中,，并轉(zhuǎn)發(fā)RREQ,。
(4)次下一跳鄰居節(jié)點接收到RREQ后，重復(fù)操作(3),。
(5)所有中間節(jié)點按照步驟(3)操作,，直到所有RREQ到達目的節(jié)點D,。
3.2.2 路由應(yīng)答
(1)目的節(jié)點D將自己的地址信息和功率水平信息加到RREP中，并反向轉(zhuǎn)發(fā)RREP,，并轉(zhuǎn)（2）,，同時進行路徑剩余能量的計算。
(2)下一跳鄰居節(jié)點接收到RREP后,，首先根據(jù)MEDSR協(xié)議中的功率水平調(diào)整機制進行功率的調(diào)整,，并將計算得到的Pmin存放到本地cache中的Power level字段。然后進行臨時剩余能量的計算T：=R-P,，將自己的T賦值到RREP中的Path energy字段,。最后繼續(xù)轉(zhuǎn)發(fā)RREP。
(3)次下一跳鄰居節(jié)點接收到RREP后,，首先根據(jù)MEDSR協(xié)議中的功率水平調(diào)整機制進行功率的調(diào)整,，并將計算得到的Pmin存放到本地cache中的Power level字段。然后進行臨時剩余能量的計算T：=R-P,，將自己的T值和RREP中的E值進行比較：
如果T<E,，則E:=T；如果T>=E,，則E不做任何改變,。最后繼續(xù)轉(zhuǎn)發(fā)RREP。
(4)所有中間節(jié)點按照步驟(3)操作后,，向下一鄰居節(jié)點繼續(xù)轉(zhuǎn)發(fā)RREP,，直到RREP到達源節(jié)點S。
(5)源節(jié)點S選取Path energy值最大的RREP提供的路由信息進行數(shù)據(jù)分組的轉(zhuǎn)發(fā),。
3.3 路由過程
3.3.1 路由請求過程
(1)從如圖3可以看到源節(jié)點S在路由緩存中并沒有發(fā)現(xiàn)到達目的節(jié)點D的緩存路由,。源節(jié)點S開始路由請求過程：節(jié)點S使用可調(diào)整的功率水平發(fā)送路由請求數(shù)據(jù)包RREQ，將功率水平信息存放到RREQ功率值列表字段Power list中,，并轉(zhuǎn)發(fā)RREQ。圖3中(S,，B)的功率水平值為20,，(S，E)的功率水平值為15,。
(2)下一跳鄰居節(jié)點B和E接收到RREQ后,，首先，節(jié)點B和E檢查路由請求表并沒有發(fā)現(xiàn)對應(yīng)的表項,；同時檢查路由請求分組的路由記錄也沒有發(fā)現(xiàn)含有該節(jié)點,，則不丟棄RREQ。然后,，節(jié)點B和E檢查路由請求分組的目的節(jié)點不是節(jié)點B和E本身,，同時將自己的地址信息加到RREQ中,，該節(jié)點同樣選擇可調(diào)整的功率水平轉(zhuǎn)發(fā)RREQ，將自己的功率水平信息加到RREQ功率值列表字段中,，并轉(zhuǎn)發(fā)RREQ,。圖3中(E，F(xiàn))的功率水平值為15,，(B,，C)的功率水平值為20。
(3)次下一跳鄰居節(jié)點F和C接收到RREQ后,，首先,，節(jié)點F和C檢查路由請求表并沒有發(fā)現(xiàn)對應(yīng)的表項；同時檢查路由請求分組的路由記錄也沒有發(fā)現(xiàn)含有該節(jié)點,，則不丟棄RREQ,。然后，節(jié)點F和C檢查路由請求分組的目的節(jié)點不是節(jié)點F和C本身,，同時將自己的地址信息加到RREQ中,，該節(jié)點同樣選擇可調(diào)整的功率水平轉(zhuǎn)發(fā)RREQ，將自己的功率水平信息加到RREQ功率值列表字段中,，并轉(zhuǎn)發(fā)RREQ,。圖3中(F，G)的功率水平值為15,。
但是,，次下一跳鄰居節(jié)點H接收到節(jié)點B和E轉(zhuǎn)發(fā)過來的RREQ，如圖3中節(jié)點H先接收到節(jié)點B轉(zhuǎn)發(fā)過來的RREQ,，并且不丟棄,，節(jié)點H檢查路由請求分組的目的節(jié)點不是節(jié)點H本身，同時將自己的地址信息加到RREQ中,，該節(jié)點同樣選擇可調(diào)整的功率水平轉(zhuǎn)發(fā)RREQ,，將自己的功率水平信息加到RREQ功率值列表字段中，并轉(zhuǎn)發(fā)該RREQ,。此后,，節(jié)點H接收節(jié)點E轉(zhuǎn)發(fā)過來的RREQ，發(fā)現(xiàn)路由請求表中有對應(yīng)的表項,，丟棄掉該RREQ,。
(4)同理，中間節(jié)點C接收到節(jié)點B和H轉(zhuǎn)發(fā)過來的RREQ,，圖3中節(jié)點C先接收到節(jié)點B轉(zhuǎn)發(fā)過來的RREQ,，并且不丟棄，節(jié)點C檢查路由請求分組的目的節(jié)點不是節(jié)點C本身，同時將自己的地址信息加到RREQ中,，該節(jié)點同樣選擇可調(diào)整的功率水平轉(zhuǎn)發(fā)RREQ,，將自己的功率水平信息加到RREQ功率值列表字段中，并轉(zhuǎn)發(fā)該RREQ,。此后,，節(jié)點C接收節(jié)點H轉(zhuǎn)發(fā)過來的RREQ，發(fā)現(xiàn)路由請求表中有對應(yīng)的表項,，丟棄掉該RREQ,。圖3中(C，D)的功率水平值為15,。
(5)最后,，直到所有RREQ到達目的節(jié)點D。如圖3中(S,，E,，F(xiàn)，G)和(S,，B,，C)到達目的節(jié)點D。
3.3.2 路由應(yīng)答過程
(1)目的節(jié)點D將自己的功率水平信息加到RREP中,，并反向轉(zhuǎn)發(fā)RREP,，如圖4所示。
(2)下一跳鄰居節(jié)點C和G接收到RREP后,，首先根據(jù)MEDSR協(xié)議中的功率水平調(diào)整機制進行功率的調(diào)整,，并將計算Pmin存放到cache中的Power level字段。圖4中C和G的Pmin都是15,。然后進行臨時剩余能量的計算 T：=R-P,， C的剩余能量R是85，因此,，C的T值為70,。同理，G的T值為75,，然后將自己的T賦值到RREP中的Path energy字段,。(S，B,，C，D)中,，M:=70,；(S，E,，F(xiàn),，G,，D)中，M:=75,。最后繼續(xù)轉(zhuǎn)發(fā)RREP,。
(3)次下一跳節(jié)點B和F接收到RREP后，首先根據(jù)MEDSR協(xié)議中的功率水平調(diào)整機制進行功率的調(diào)整,，并將計算Pmin存放到cache中的Power level字段,。如圖4，B和F的Pmin都是15,。然后進行臨時剩余能量的計算T：=R-P,，B的剩余能量R是70,因此B的T值為55。同理,，F(xiàn)的T值為65,，然后將自己的T值和RREP中的M值進行比較：
(S，B,，C,，D)中，55<70則E:=55,；
(S,，E，F(xiàn),，G,，D)中，65<75則E:=65,。
(4)所有中間節(jié)點進行臨時剩余能量計算以及路徑剩余能量計算操作后,，向下一節(jié)點繼續(xù)轉(zhuǎn)發(fā)RREP，直到RREP到達源節(jié)點S,。
(5)源節(jié)點S選取Path energy最大的RREP提供的路由信息進行數(shù)據(jù)分組的轉(zhuǎn)發(fā),。
(S，B,，C,，D)中，E=55,；
(S,，E，F(xiàn),，G,，D)中，E=65。
所以源節(jié)點S選取(S,，E,，F(xiàn)，G,，D)進行數(shù)據(jù)分組的轉(zhuǎn)發(fā),，并不是選擇跳數(shù)較少的(S，B,，C,，D)進行數(shù)據(jù)分組的轉(zhuǎn)發(fā)。
本文針對MEDSR協(xié)議中存在的問題對路由發(fā)現(xiàn)過程進行改進,，加入能量感知策略,，能量感知可使數(shù)據(jù)流平均地分布在網(wǎng)絡(luò)的各個節(jié)點中，減少網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的過度使用,，使網(wǎng)絡(luò)分割的可能性減小,，延長網(wǎng)絡(luò)的使用壽命。減少了路徑上中間節(jié)點的能量消耗,，從而降低了由于能量消耗殆盡導(dǎo)致的網(wǎng)絡(luò)分割或拓撲變化發(fā)生的概率,。
下一步工作是深入模擬和分析該協(xié)議的性能，并與DSR協(xié)議和MEDSR協(xié)議進行比較,。
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