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基于能量感知和多路径的MANET可靠通信

Varun Mishra先生1, Gajendra Sonker先生2
  1. M.Tech。印度中央邦sehoore市Shri Satya Sai科学技术学院IT系学者
  2. 印度中央邦西霍尔市Shri Satya Sai科学技术学院信息技术系副教授
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摘要

在移动自组织网络(MANET)中,由于节点的可移动性,节点采用自激励网络拓扑进行电池式运行。因此,能源效率是延长网络寿命的重要设计考虑。与传统的自组织网络不同,基于MAX能量的多路径路由网络在路由策略设计中的关键问题是在保持网络连通性的情况下节约能量和延长网络寿命。在正常的基于能量的路由中,如果有一条路径中断,会导致严重的丢包,因为这种链路中断是突然发生的,或者没有任何信息,而且邻居也不知道这种情况。为了解决这一问题,我们提出了一种基于多路径MAX能量的路由方案,以减少拥塞,提高能量效率和数据传输的可靠性。在该方案中,多路径AOMDV协议利用动态队列的概念和基于MAX能量的路由始终选择能量最大的节点进行路由,从而减少了拥塞的可能性。根据所提出的方案,每个数据包通过一条或多条路径发送到邻居。在路径选择中进一步考虑了多条路径之间的平衡,并考虑了相邻节点的能量消耗,从而实现了中继节点的高效利用,避免了重度参与节点的早期死亡。仿真结果表明,提出的能量感知路径选择方法可以使节点间的最大能量消耗更均匀,从而延长网络寿命。



关键字

MANET, AOMDV,最大能量,动态队列长度

介绍

移动性和任何固定基础设施的缺乏使得移动自组织网络(manet)非常适合新时代的应用。在MANET网络的设计中存在许多问题和挑战。在传输层,终端系统可以收集关于每个使用路径的信息:拥塞状态、容量和延迟。然后,通过将流量移出阻塞路径[1],可以使用此信息对网络中的拥塞事件作出反应。
在MANET网络的设计中存在许多问题和挑战。由于活动拓扑结构和节点在其位置上每秒都在变化,测量的挑战之一是拥塞,在MANET中,如果发送节点想要将数据发送到某个特定的接收器,那么第一个广播路由数据包到网络上,并通过最短路径到达目的地,如果我们应用AODV)[2]或最小中间跳,如果我们在获取路径后使用DSR[3]发送方通过单路径链路发送实际数据,但同时多个发送方共享公共链路,因此网络上发生拥塞,这是MANET的测量问题。
在多路径技术中,发送方通过多条路径向接收节点发送数据,提高了网络的性能,控制了单共享路径的拥塞,并在传输层技术的基础上,分析了发送方速率大于接收节点时发送方的数据速率,从而最小化了发送速率。
为了应对这些挑战,MANET中的许多路由算法。它们有不同的分类维度:主动路由与按需路由,或单路径路由与多路径路由。在主动路由协议中,即使在需求中没有传输,每两个节点之间的路由也会提前建立,而在响应路由中,每两个节点之间的路由会在需要时建立。图1为自组织网络,首先在发送方S和目的方D之间建立连接,然后通过中间节点传输数据。
我们的动机是拥塞是manet中数据包丢失的原因,大多数数据包丢失只是拥塞造成的。我们的目标是控制MANET的拥塞和提高能源利用率。

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通常情况下,减少丢包包括拥塞控制[4]。manet中的路由拥塞可能会导致以下问题:
1.长时间的推迟:拥塞控制机制检测到拥塞需要一定的时间。在严重拥堵的情况下,使用一条新的路线可能会更好。随需应变路由协议的问题是搜索新路由所需的延迟。
2.高开销:如果需要新的路由,则需要处理和通信工作来发现它。如果使用多路径路由,虽然很容易找到替代路由,但维护多条路径需要花费精力。
3.多丢包:在发生拥塞或检测到拥塞时,许多数据包可能已经丢失。典型的拥塞控制解决方案将尝试通过降低发送方的发送速率或在中间节点丢弃包或两者同时进行来减少流量负载。

多路径路由

多路径路由已经在几个不同的上下文中进行了探讨。传统的电路交换电话网使用一种多路径路由,称为备用路径路由。在备用路径路由中,每个源节点和目的节点都有一组路径(或多路径),这些路径由一条主路径和一条或多条备用路径组成。为了降低呼叫阻塞概率,提高整体网络利用率,提出了备用路径路由。
AOMDV过程
AOMDV采用了基本的AODV路由构建过程。在这种情况下,需要进行一些扩展来创建多条链路不连接的路径。AOMDV的主要思想是在路由发现过程中计算多条路径。它由两部分组成:
?路由更新规则,用于在每个节点上建立和维护多条无环路径。
?一种分布式协议,用于查找链路断开路径。
在AOMDV[5]中,到达节点的每个RREQ分别定义了到源或目标的备用路径。仅仅接受所有这样的副本将导致路由循环的形成。为了消除任何循环的可能性,引入了“通告跳数”。节点i对目的节点d的通告跳数表示节点d在i处的多条路径的最大跳数。协议只接受低于通告跳数的备用路由,高于或相同跳数的备用路由将被丢弃。通告的跳数机制在每个节点上建立多条无循环路径。这些路径仍然需要分开。我们使用以下方法:
当节点S在网络中传播一个RREQ包时,每个RREQ通过S的不同邻居或S本身到达节点I,定义一条从I到S的节点分离路径。
在AOMDV中,这用于中间节点。RREQ的重复副本不会立即被丢弃。检查每个包,看它是否提供了一个到源的节点分离路径。对于节点不相交的路径,所有rreq都需要通过源的不同邻居到达。这是通过RREQ报文中的第一跳字段和节点上RREQ报文的第一跳列表来验证的。
在目的地使用一种稍有不同的方法,在那里确定的路径是链路不相交的,而不是节点不相交的。为了做到这一点,不管第一个跳是什么,目的地最多响应k个RREQ副本。rreq只需要通过唯一的邻居到达。

以前的工作

该领域的各种研究都是为了最小化网络拥塞。在本节中,我们将重点介绍之前在该领域所做的工作。
本文[6]为多路径TCP开发了一种能量感知拥塞控制算法,称为ecMTCP。ecMTCP将流量从最拥挤的路径转移到负载更轻的路径,并从能耗较高的路径转移到能耗较低的路径,从而实现负载平衡和节能。仿真结果表明,ecMTCP与MPTCP相比可以实现更大的节能,并且保持了与常规TCP的公平性。
协议EOCTC[7]是一个用于拥塞容忍和控制的跨层节能路由拓扑,它是对我们早期的跨层节能路由拓扑(简称EOCC)的扩展。提出的协议可以被称为节能有序拥塞容忍和控制路由拓扑。实验结果证明了EOCTC的性能和可扩展性。在数据传输中可以观察到更好的资源利用和能源效率,并且由于路径恢复策略和拥塞控制有效而实现了拥塞容忍。
Suresh Singh和C. S. Raghavendra[8]提出了PAMAS协议,该协议使用两个不同的通道来分离数据和信号。Suresh Singh, Mike Woo和C.S. Raghavendra[9]提出了几个节能指标,这些指标确实可以产生节能路线。
最小总传输功率路由(MTPR)[10]最初是为了使参与获取路由的节点的总传输功率消耗最小化而开发的。MMBCR (Min-Max Battery Cost Routing)[11]将节点剩余电量作为获取路由的度量,以延长网络的生命周期。C.K.Toh[11]提出了条件最大-最小电池容量路由(CMMBCR)协议,这是一个混合协议,试图在MTPR和MMBCR之间进行仲裁。
开发了多种多路径主动路由协议。这些协议使用表驱动算法(链路状态或距离向量)来计算多条路由。但是他们没有考虑功率感知指标,这些协议会产生过多的路由开销,并且由于它们的主动性质而表现不佳。按需路由是MANET中最常用的路由方式。随需应变路由协议不需要定期交换路由消息来维护一个永久的全拓扑路由表,而是只在节点需要将数据包发送到目的地时才建立路由。
这种类型的标准协议是动态源路由(DSR)[3]和Ad hoc按需距离向量(AODV)[2]路由。但是,这些协议不支持多路径。提出了几种多路径随需应变路由协议。一些标准协议是Ad hoc Ondemand Multipath Distance Vector (AOMDV)[5]、Split Multipath Routing (SMR)[12]、Multipath Source Routing (MSR)[13]、Ad hoc Ondemand Distance Vector Multipath Routing (AODVM)[14]和Node- Disjoint Multipath Routing (NDMR)[15]。这些协议基于需求构建多条路由,但没有考虑功率感知指标。
近年来,一些能源感知的按需多路径路由协议被提出。基于网格的能量感知节点不相交多路径路由算法(GEANDMRA)[16]考虑了能量感知和节点不相交多路径,采用网格头选举算法选择负责转发路由信息和传输数据包的网格头。基于蚂蚁能量感知的不相交多路径路由算法(AEADMRA)[17]是基于群体智能,特别是基于蚁群的元启发式算法。
MEER (Multipath efficient Routing Protocol)[18]通过合理的功率控制机制延长了网络的生存时间,其路由发现阶段与SMR[12]相似。寿命感知多路径优化路由(LAMOR)[19]基于节点的生命周期,这与节点的剩余能量和当前流量状况有关。

问题陈述

移动自组织网络是在动态拓扑基础下工作,同时多个发送方共用一条不可避免的网络拥塞路径,从而激发了网络拥塞控制方法的创新思想,解决了网络拥塞问题,本文采用多路径路由的带宽估计(速率基)方案,通过网络控制拥塞。manet缺乏固定的基础设施,节点通常由能量供应有限的电池供电,当电池耗尽时,每个节点都停止工作。在这样的环境中,能源效率是一个重要的考虑因素。由于manet中的节点依赖有限的电池能量,因此应考虑旨在最小化组中所有节点的总功耗(最小化用于建立连接的节点数量,最小化控制开销等)和最大限度地延长寿命的节能技术。

提出工作

逐步解释问题及其解决方案
在MANET中,我们主要关注的是能源,这就是为什么我们首先讨论能源消耗的不同方式。
节点能耗可通过以下方式实现:—
?发射功率(T x)
?接收功率(R x)
?理想的力量
?感知能力
?睡眠(睡眠模式下的功耗)
给出的例子显示了MANET的能量消耗
图2显示了一个示例,其中S是发送方,它希望通过中间节点I向接收方R发送数据。
?(T X)是传输单个包所需的传输功率
?(R X)是接收单个包所需的接收功率
发送方(S)只需要传输功率(T X)即可发送数据包。接收机(R)只需要接收功率(R X)就可以接收数据包。
(R X) = 1焦耳/包
(T X) = 1.5焦耳/包
?对于发送者,
初始能量(可用功率)= 100焦耳
传输1个包所需功率= 1焦耳
= 100/1
= 100包
?接收器,
初始能量(可用功率)= 100焦耳
接收1个包所需功率= 1.5焦耳
= 100/1.5
= 66个数据包
?对于中间节点,
初始能量(可用功率)= 70焦耳
中间节点接收和发送数据包,因此中间节点每个数据包所消耗的能量= (R X + T X)
= 1 +1.5
= 2.5焦耳/包g
= 70/2.5
= 28个数据包
从上面的计算可以清楚地看出,
1)发送方可以发送100个数据包
2)接收端可以接收67个报文
3)中间节点可以转发28个报文
传输1包后能量,
1)对于Sender = total - =100-1 = 99焦耳
上式分别给出了发送端、接收端和中间节点经过传输时间(time)后,数据包传输后的剩余能量。
讨论了基于阈值和最大能量值的最佳路径选择方案。但这两种方案都有一些缺点,在某些情况下会失败。因此,我们需要一个在所有情况下都能很好地工作的方案,在本节中,我们将提供一个方案,它利用了该方案的优点以及AOMDV算法和Max min方案的优点来选择最佳路径。我们提出的方案是一个组合,该方案总是给出寿命最大化的最佳路径,并解决了其他方案的问题和缺点。它在所有场景下都能很好地工作,并且总是给出最佳路径的选择。
A.拟议方案的工作情况
对于给定的网络拓扑结构,当某个节点想要向另一个节点发送数据包时,它首先会使用AODV算法找到发送方和接收方之间的所有可能路径。现在我们可以使用任何路径传输数据包,但我们的目标是选择寿命最大化的最佳路径。这就是为什么首先应用基于阈值的方案,过滤掉能量值小于阈值的节点的路径。现在,下一步是计算每个可用路径的平均能量值,并选择具有最大平均能量值以及每条路径的最大-最小能量的路径。表示该路径从剩余路径中选择具有最大平均能量值和最大-最小能量值的最佳路径,以实现寿命最大化。
现在我们将使用上面的示例图3来解释这个方案是如何工作的
路径1= S-1-2-3-R
路径2= S-4-5-R
路径3 =S-6-7-8-R
在找到所有可能的路径数后,第一步是应用基于阈值的方案。
当阈值α=10时,路径3和路径4的所有节点都将通过(因为它们的能量值为> α),但路径2将被丢弃,因为节点4和节点5的能量值小于阈值。现在还剩下路径1和路径3。现在采用最大能量值法。
对于路径1,平均能量= (50+30+40)/3
= 120 / 3
= 40焦耳
对于路径3,平均能量= (80+10+100)/3
= 190 / 3
= 63焦耳
?现在,我们还将应用Max-Min能量方案,然后基于平均能量值方案选择任何路径。
?对于路径1,节点1= 50j,节点2= 30j,节点3= 40j路径1的最小能量节点为节点2的30j。因此,使用路径1可以传输的最小数据包数= 30 /2.5 = 12个数据包(意味着生命周期为12秒)。
?对于路径3,
节点6= 80j,节点7= 10j,节点8= 100j路径2的最小能量节点为节点7的10j。因此,使用路径3可以传输的最小数据包数= 10 /2.5 = 4个数据包(意味着4秒的生命周期)。
因此,基于最大能量的方案将选择路径1,因为它具有最大或最小能量值(例如30 J),这是最大寿命为12秒的最佳路径。虽然路径3的平均能量值比路径1大,但它没有被选中,因为它没有给我们最大的生命周期(例如,路径3的生命周期只有4秒)。

模拟及结果

NS2是一个开源的事件驱动模拟器,专门为计算机通信网络的研究而设计。我们用来模拟ad-hoc路由协议的模拟器是Berkeley[20]的Network simulator 2 (ns)。
A.仿真参数
表1给出了路由协议场景的仿真参数。详细的仿真模型基于网络模拟器-2 (ver-2.31)[20],用于评价。NS指令可用于定义网络的拓扑结构和节点的运动方式,配置服务源和接收方等。
B.性能参数
考虑了以下不同的性能指标,通过仿真对这些协议进行了比较研究。
1)路由开销:这个指标描述了为了传播数据包,需要发送多少路由包来进行路由发现和路由维护。
2)平均延迟:该指标表示平均端到端延迟,并表示数据包从源传输到目的地的应用层所花费的时间。它以秒为单位。
3)吞吐量:该指标表示每秒转发到更高层的比特总数。它的测量单位是bps
4)分组投递比:输入数据包的数量与实际接收数据包的数量之比。
结果
本节表示必须在模拟参数和性能矩阵的基础上测量的结果。
C. udp报文接收分析
该图表示用户数据报包(UDP)的分析。UDP连接的行为是成功接收数据后不发送任何确认,也有数据丢失的情况,UDP报文的图形以连续的方式显示。为了提高网络寿命和节点能量利用率,提出了基于最大能量的节能路由。为了避免拥塞,本文采用了基于随机队列长度的多路径协议。现在,在正常的多路径路由的情况下,大约1100个数据包在网络中传递,但在建议的基于最大能量的路由的情况下,超过1200个数据包在网络中传递。现在,在30秒到60秒之间,由于选择了可靠的路由,与之前的方案相比,发送的数据包数量减少了,但与图5所示的提议方案相比,之前的情况下丢包更多。
D. udp报文丢失分析。
用户数据报协议(UDP)在图5中显示的是网络的可靠性,因为该协议对于通信是不可靠的,因为该协议完全取决于网络条件。有许多不同的丢包区域,如拥塞碰撞等。现在,这个图表表示在以前和建议的基于最大能量的路由情况下的数据包丢失。这里,在以前的方案的情况下,超过5000个数据包在网络中掉落;这是一个巨大的损失。而本文提出的基于最大能量的节点选择方案,采用变队列长度方法对每个节点进行负载处理,仅减少了约700个数据包,提高了网络的性能和能量利用率。
E.分组传送比
数据包传输比(Packet Delivery Ratio, PDR)是衡量网络性能的重要性能参数之一。该图表示了两种方案在PDR方面的性能。与已有的方案相比,该方案的性能有了很大提高。由于网络中数据包的巨大损失,以前的方案的性能下降,这里的PDR约为50%,但在提出的方案中,我们在队列长度估计的基础上包括了数据包丢失的因素,这没有包括在以前的方案中,提出的基于最大能量的方案给出了约90%的PDF。网络性能在PDF方面表现出较大的差距,大约相差40%。这意味着与原有方案相比,网络性能有所提高。
图7是对网络中建立连接或发送路由数据包数量的分析。路由包在网络中传递,在发送方和目的地之间建立连接,在发送方和接收方之间开始传递数据包。这里的情况下,以前的工作和建议的工作在网络中传递的路由数据包几乎相等,这意味着路由数据包略有不同。但在这里,在提出的基于最大能量的方案的情况下,成功的数据包传递比以前的方案要多。这意味着在路由包数相等的情况下,所提出的方案性能较好,并且利用了网络中包的泛洪性。

结论及未来工作

充电或更换电池通常是不可能的。这使得功耗感知路由的研究变得至关重要。自组织网络中的争议在于,即使一台主机自己不进行通信,它通常仍然为其他主机转发数据和路由数据包,这减少了它的电量。本文提出的多路径路由方案在每个节点上构造多条路径,以减少拥塞的可能性。每个数据包通过其中一条路径发送到节点数或邻居数,并建立最少两条以上路径。本文提出的基于能量的多路径路径选择算法提供了在节点间消耗的最大能量路径,从而最大化了网络的生存期。在MAX能量选择的基础上,将MAX能量消耗分配给其他遵循路由程序的节点来建立路由。在性能指标方面进行了性能提升,证明了所提方案的性能优于比较方案。
此外,在路径选择中考虑了多条路径之间的能量利用平衡。多路径和能量感知多路径方案在高效利用通信节点、均匀降低能量消耗和提供最优路径方面具有很大潜力。
今后,我们将该方案应用于任何位置感知协议,如DREAM或LAR,并分析了位置感知协议对能量消耗的影响,并将WIMAX技术中的节能路由方案应用于WIMAX技术中,以找到合适的能量消耗。

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图1 图2 图3 图4
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图5 图6 图7

参考文献





















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