0 引言

　　移動(dòng)Ad Hoc無(wú)線網(wǎng)絡(luò)是由共享無(wú)線介質(zhì)的移動(dòng)節(jié)點(diǎn)組成，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)能夠根據(jù)需要構(gòu)建任意的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),，不需要固定的基礎(chǔ)設(shè)施及中央管理系統(tǒng)的加入[1-2],。由于移動(dòng)節(jié)點(diǎn)隨機(jī)分布，兩個(gè)無(wú)法直接進(jìn)行通信的節(jié)點(diǎn)還能夠通過(guò)其他節(jié)點(diǎn)協(xié)作進(jìn)行分組轉(zhuǎn)發(fā)[3-4],，不依賴于現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)施,，具有一定的獨(dú)立性，適合復(fù)雜環(huán)境通信及災(zāi)難救助等應(yīng)用[5-6],。文獻(xiàn)[7]提出Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中一種鏈路負(fù)載均衡的節(jié)能路由協(xié)議，協(xié)議通過(guò)考慮網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)生存時(shí)間和節(jié)點(diǎn)間鏈路通信效率兩個(gè)方面因素,，重新定義和計(jì)算鏈路性能,以達(dá)到優(yōu)化路由選擇的效果的目的,。文獻(xiàn)[8]提出一種基于平均場(chǎng)均衡的Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議，要求每個(gè)節(jié)點(diǎn)利用所有其他節(jié)點(diǎn)的信息來(lái)分析自己的最優(yōu)策略,而不需要知道每一個(gè)局中人的信息,并且在足夠大的局中人數(shù)目情況下性能更加近似馬爾科夫均衡,，在節(jié)點(diǎn)密集的無(wú)線自組織網(wǎng)絡(luò)中路由協(xié)議在包投遞率,、時(shí)延和歸一化開銷方面獲得了比較好的效果。文獻(xiàn)[9]提出TOAR：傳輸感知的機(jī)會(huì)Ad Hoc路由協(xié)議,，該協(xié)議通過(guò)數(shù)學(xué)模型求解OR協(xié)議產(chǎn)生重復(fù)數(shù)據(jù)包的總數(shù)量,，采用樹拓?fù)溥x擇轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)的優(yōu)先級(jí)次序，盡可能得減少數(shù)據(jù)包重傳數(shù)量,。文獻(xiàn)[10]提出PSR：一個(gè)輕量級(jí)的移動(dòng)Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)主動(dòng)源路由協(xié)議,，該協(xié)議基于鏈路狀態(tài)信息、距離信息對(duì)傳輸路由進(jìn)行優(yōu)化,，使源節(jié)點(diǎn)選擇開銷更小的數(shù)據(jù)傳輸鏈路,。

1 自適應(yīng)選擇gossiping概率方法

　　Gossiping路由協(xié)議是對(duì)Flooding路由協(xié)議的改進(jìn)，使用隨機(jī)原則,，節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)不再采用廣播形式,，而是根據(jù)概率隨機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包到鄰居節(jié)點(diǎn)，接著該鄰居節(jié)點(diǎn)再以相同的方式向其鄰近節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)該數(shù)據(jù)包,，直到數(shù)據(jù)包到達(dá)接收終端[11-12],。本文提出的方法旨在減少冗余路由數(shù)據(jù)包，減少網(wǎng)絡(luò)整體開銷,，節(jié)省能源消耗,。

　　假設(shè)網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景為移動(dòng)節(jié)點(diǎn)隨機(jī)分布的自組織網(wǎng)絡(luò)，該Ad Hoc無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)共享一個(gè)無(wú)線電信道,，節(jié)點(diǎn)可以通過(guò)無(wú)線信道在傳輸半徑r范圍內(nèi)互相通信,，并且可以通過(guò)多跳路徑的方式將信息傳輸給較遠(yuǎn)的節(jié)點(diǎn)，除非某一節(jié)點(diǎn)不在其他任何節(jié)點(diǎn)的通信范圍內(nèi),，這種情況該節(jié)點(diǎn)則無(wú)法與相鄰節(jié)點(diǎn)交換信息,。由于所有節(jié)點(diǎn)都均勻且獨(dú)立地分布于網(wǎng)絡(luò)區(qū)域中,，在范圍r內(nèi)一個(gè)節(jié)點(diǎn)找到n個(gè)鄰居節(jié)點(diǎn)的概率可以用二項(xiàng)概率密度函數(shù)來(lái)定義：

　　其中，V表示網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的總數(shù)量,，S表示網(wǎng)絡(luò)總覆蓋面積,。

　　由于，本文采用泊松分布均值可以將式(1)轉(zhuǎn)化為：

　　一個(gè)節(jié)點(diǎn)在其傳輸范圍r內(nèi)有至少一個(gè)相鄰節(jié)點(diǎn)的概率為：

　　因此,，一個(gè)節(jié)點(diǎn)在其傳輸范圍內(nèi)的預(yù)期平均鄰居節(jié)點(diǎn)數(shù)量可以表示為：

　　接下來(lái)討論在該gossiping概率下鄰居轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)的選擇問題,。

　　已知一個(gè)節(jié)點(diǎn)在其傳輸范圍內(nèi)的預(yù)期鄰居節(jié)點(diǎn)數(shù)量為An，采用傳統(tǒng)的廣播泛洪的方法則會(huì)傳輸與路由相關(guān)的數(shù)據(jù)包至其傳輸范圍內(nèi)的所有鄰居節(jié)點(diǎn),，能量開銷較大,，而gossiping路由則是以隨機(jī)概率的形式傳輸數(shù)據(jù)包至鄰居節(jié)點(diǎn)，能量開銷小,，但傳輸成功率不可靠,。而本文采用自適應(yīng)選擇的gossiping概率方法，則是首先排除掉無(wú)下一跳節(jié)點(diǎn)的鄰居節(jié)點(diǎn),，再根據(jù)網(wǎng)絡(luò)平均鄰居節(jié)點(diǎn)數(shù)與發(fā)送節(jié)點(diǎn)的實(shí)際鄰居節(jié)點(diǎn)數(shù)情況,，通過(guò)自適應(yīng)的概率條件傳輸數(shù)據(jù)包至鄰居節(jié)點(diǎn)。在節(jié)省能量開銷的同時(shí)保持傳輸成功率,，是本文設(shè)計(jì)自適應(yīng)選擇gossiping概率方法的目的,。

　　式(4)已知預(yù)期平均鄰居節(jié)點(diǎn)數(shù)為An，本文首先定義網(wǎng)絡(luò)的自適應(yīng)gossiping概率為,，則：

　　對(duì)于n>An的情況,，如果?滋n過(guò)低，則說(shuō)明總節(jié)點(diǎn)數(shù)量過(guò)少,，總覆蓋面積過(guò)大,，平均鄰居節(jié)點(diǎn)數(shù)量An過(guò)少，此時(shí)即使發(fā)送節(jié)點(diǎn)的實(shí)際鄰居節(jié)點(diǎn)n較多,，但該發(fā)送節(jié)點(diǎn)的鄰居節(jié)點(diǎn)可能過(guò)少甚至沒有,，此時(shí)路由請(qǐng)求信息可能會(huì)消失；如果過(guò)高,，則網(wǎng)絡(luò)在發(fā)送路由信息上存在著巨大的開銷,。為了避免這種情況，提高任一個(gè)發(fā)送節(jié)點(diǎn)i的傳輸可靠性及減少能量開銷,。本文假設(shè)發(fā)送節(jié)點(diǎn)i的下一跳鄰居節(jié)點(diǎn)集為,，且鄰居節(jié)點(diǎn)，為增加選擇能力,，則表達(dá)式優(yōu)化為：

　　對(duì)于網(wǎng)絡(luò)的自適應(yīng)選擇gossiping概率,，表示任一個(gè)發(fā)送節(jié)點(diǎn)i的候選鄰居節(jié)點(diǎn)被選擇作為數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)的概率，當(dāng)候選鄰居節(jié)點(diǎn)其自身的下一跳鄰居節(jié)點(diǎn)集為空集時(shí)，則該候選鄰居節(jié)點(diǎn)將被徹底排除作為轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)的可能性,。而,，1則是優(yōu)化了的能量開銷問題，當(dāng)且僅當(dāng)該節(jié)點(diǎn)的實(shí)際鄰居節(jié)點(diǎn)數(shù)量n大于預(yù)期平均鄰居節(jié)點(diǎn)數(shù)量,，否則自適應(yīng)選擇的gossiping概率為1,。

2 能耗情況分析

　　令V表示節(jié)點(diǎn)總數(shù)，n表示一個(gè)節(jié)點(diǎn)在其通信半徑內(nèi)的平均鄰居節(jié)點(diǎn)數(shù)量,，Prece假設(shè)為廣播一個(gè)數(shù)據(jù)包的節(jié)點(diǎn)接收功率,，Ptrans表示節(jié)點(diǎn)發(fā)射功率。對(duì)于每個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送的分組總數(shù)和每個(gè)節(jié)點(diǎn)接收的平均分組數(shù)量,，分別用Ktrans和Krece表示,。

　　采用泛洪的廣播數(shù)據(jù)方式，當(dāng)節(jié)點(diǎn)接收到一個(gè)數(shù)據(jù)包時(shí),，它轉(zhuǎn)發(fā)n個(gè)數(shù)據(jù)包至其n個(gè)鄰居節(jié)點(diǎn),，因此采用泛洪的廣播數(shù)據(jù)方式的。對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn)能量總開銷為：

　　而采用gossiping概率隨機(jī)廣播的方式,，則節(jié)點(diǎn)接收到上一個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)包以及轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包到鄰居節(jié)點(diǎn)是以概率性的方式，K,。對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn)能量總開銷為：

　　而采用自適應(yīng)選擇的gossiping概率方法進(jìn)行廣播數(shù)據(jù)包,，，假設(shè)每個(gè)節(jié)點(diǎn)都有鄰居節(jié)點(diǎn),，當(dāng)n>An,，則對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn)能量總開銷為：

　　當(dāng)，則對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn)能量總開銷為：

　　則,。

3 實(shí)驗(yàn)仿真及分析

　　在本文實(shí)驗(yàn)的部分,，采用的仿真模擬器為NS2，仿真實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景為500×500的正方形區(qū)域,，網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)數(shù)量的變化范圍為(200,，800)，其中有20個(gè)為數(shù)據(jù)發(fā)送端源節(jié)點(diǎn),，節(jié)點(diǎn)的通信半徑為100 m,，所有節(jié)點(diǎn)都隨機(jī)分布于網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景中。源節(jié)點(diǎn)每一秒發(fā)送一個(gè)數(shù)據(jù)包,，數(shù)據(jù)包大小為512 B,，其他仿真參數(shù)如表1所示。

　　圖1顯示了在移動(dòng)節(jié)點(diǎn)數(shù)量變化條件下的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)總能耗情況,，gossiping路由協(xié)議只是采取概率性的鄰居節(jié)點(diǎn)選擇策略,，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)總能耗情況取決于gossiping概率p。p越大，總能耗越大,。TOAR算法通過(guò)減少數(shù)據(jù)包傳輸達(dá)到節(jié)省能耗的目的,，PSR算法則是通過(guò)傳輸鏈路優(yōu)化來(lái)節(jié)省發(fā)送數(shù)據(jù)包的開銷。本文提出的AS-gossiping算法通過(guò)使gossiping概率具有選擇能力從而避免傳輸中斷的情況,，減少不必要的能量開銷,，同時(shí)自適應(yīng)gossiping概率也減少了在路由信息上的開銷，因此節(jié)能性能更好,，相比gossiping路由協(xié)議,，TOAR協(xié)議和PSR協(xié)議分別減少了32.5%、14.6%和2.1%的總能耗,。

　　圖2顯示了在移動(dòng)節(jié)點(diǎn)數(shù)量增多條件下的數(shù)據(jù)包平均丟失率情況,，從圖中可以看出，隨著移動(dòng)節(jié)點(diǎn)數(shù)量的增多,，數(shù)據(jù)包平均丟失率減小,，這是由于每個(gè)節(jié)點(diǎn)的平均鄰居節(jié)點(diǎn)數(shù)量增多，gossiping路由協(xié)議可以將同一分組數(shù)據(jù)包傳遞給更多的鄰居節(jié)點(diǎn),，數(shù)據(jù)包成功傳遞到目的節(jié)點(diǎn)的成功率大大增加,。對(duì)于TOAR和PSR算法來(lái)說(shuō)，則是可以選擇的下一跳節(jié)點(diǎn)增多,，傳輸鏈路的能量效率大大提高,。而本文算法數(shù)據(jù)包平均丟失率減少的原因與gossiping路由協(xié)議相同，但相比gossiping路由協(xié)議,，本文算法還減少了傳輸中斷情況,，因此在減少丟包率上表現(xiàn)出更好的性能。

　　圖3顯示了在移動(dòng)節(jié)點(diǎn)數(shù)量增加條件下的數(shù)據(jù)包傳輸延遲情況,。從圖中的仿真結(jié)果來(lái)看,，gossiping路由協(xié)議的數(shù)據(jù)包延遲情況較嚴(yán)重，而所有算法的數(shù)據(jù)包延遲時(shí)間都隨著節(jié)點(diǎn)數(shù)量的增加而增加,，這是因?yàn)槊總€(gè)節(jié)點(diǎn)的平均鄰居節(jié)點(diǎn)增多,，而Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)采用的是多跳傳輸方式，跳數(shù)的增加伴隨而來(lái)的是傳輸時(shí)間的增多,。由于本文算法的gossiping概率考慮了節(jié)點(diǎn)密度,，當(dāng)鄰居節(jié)點(diǎn)越多，gossiping概率越小,，相鄰較近的節(jié)點(diǎn)不一定被選中,，因此在跳數(shù)增加上并不明顯。

4 結(jié)束語(yǔ)

　　本文提出基于對(duì)gossiping路由協(xié)議的研究,，針對(duì)gossiping概率廣播信息開銷較大及傳輸中斷概率較大的情況,，提出一種基于自適應(yīng)選擇gossiping概率的多跳網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)廣播協(xié)議,。其中自適應(yīng)選擇gossiping概率方法能夠?qū)︵従庸?jié)點(diǎn)進(jìn)行篩選，排除可能帶來(lái)中斷鏈路的鄰居節(jié)點(diǎn),，減少傳輸中斷概率,，提高能量效率。對(duì)候選的鄰居節(jié)點(diǎn)采用自適應(yīng)gossiping概率進(jìn)行數(shù)據(jù)包廣播,，自適應(yīng)gossiping概率基于發(fā)送節(jié)點(diǎn)實(shí)際鄰居節(jié)點(diǎn)數(shù)與網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)密度的對(duì)比情況而定,，避免發(fā)送節(jié)點(diǎn)廣播過(guò)多的信息，節(jié)省廣播信息的能量開銷,。

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