0 引言

    目前,，移動自組織網(wǎng)MANET(Mobile Ad Hoc Network)成為無線網(wǎng)絡(luò)研究的一個熱點,。構(gòu)建MANET的主要目的是通過一群帶有無線收發(fā)裝置的移動節(jié)點組成一個臨時性、無基礎(chǔ)設(shè)施的移動網(wǎng)絡(luò)^[1],，該網(wǎng)絡(luò)具有臨時性,、多跳路由等特點。

    在MANET中,，由于節(jié)點的通信范圍受限,，需要多跳方式向其他節(jié)點傳輸數(shù)據(jù),，并且節(jié)點隨機移動，網(wǎng)絡(luò)拓撲變化頻繁,，這使得在MANET中建立穩(wěn)定,、可靠的路由協(xié)議成為一項挑戰(zhàn)性的工作。為此,，研究人員針對MANET的路由協(xié)議進行了大量的研究工作,，提出不同策略的路由協(xié)議^[2-6]。

    通常,，MANET中的源節(jié)點需要向多點傳輸數(shù)據(jù),，即一點對多點，就采用了多播(Multicasting),。由于多播是向多個節(jié)點傳輸同樣的數(shù)據(jù),，降低了通信消耗，包括鏈路帶寬以及傳輸時延,。依據(jù)路由協(xié)議的特性,，可將現(xiàn)有的多播路由(multicast routing)協(xié)議分為基于樹形(tree-based)路由協(xié)議^[7]、基于mesh路由協(xié)議^[8-9]以及混合路由協(xié)議,。

    基于樹路由協(xié)議在源節(jié)點至目的節(jié)點間建立樹型拓撲,。典型的基于樹路由協(xié)議如自組織多播路由協(xié)議AMR(Ad Hoc Multicast Routing)、多播按需距離矢量路由協(xié)議MAODV(Multicast Ad Hoc on demand Distance Vector)^[10],、可靠多播RM(Reliable Multicast),。而基于mesh的多播路由協(xié)議在兩節(jié)點間建立多條路徑，即使鏈路失敗,，也沒有必要重新計算mesh結(jié)構(gòu),，典型的有CAMP(Core-Assisted Mesh Protocol)、按需組播ODM（On-Demand Multicast）以及DCMP(Dynamic Core based Multicast)路由協(xié)議,。

    盡管基于mesh路由協(xié)議能夠在源節(jié)點至目的節(jié)點間建立多條路徑,，但是這是以能量消耗為代價的。然而,，在MANET中,，每個節(jié)點的能量是受限的。在設(shè)計路由協(xié)議時,，應(yīng)考慮節(jié)點的能量受限的特性,。因為一旦節(jié)點能量耗盡,，鏈路就斷裂,，縮短了網(wǎng)絡(luò)壽命，必然會引用數(shù)據(jù)傳輸中斷,，增加了數(shù)據(jù)傳輸時延,，降低了數(shù)據(jù)傳輸?shù)男省?/p>

    為了最大化網(wǎng)絡(luò)壽命,，應(yīng)以最小的能量消耗實現(xiàn)有效的數(shù)據(jù)傳輸。為此,，研究人員也提出面向節(jié)點能量消耗的路由協(xié)議,，如最小傳輸功率MTP(Minimum Total Transmission Power)路由^[11]、最小-最大電池消耗MMBC(Min-Max Battery Cost)路由^[12]以及可選擇的最大-最小傳輸能量CMMBC(Conditional Max-Min transmission Battery Capacity)路由^[13],。

    為此,，本文考慮節(jié)點能量信息，并利用樹型拓撲以及多播路由特性,，提出基于樹的能量感知的多播路由MTMR(Energy of node Tree-based Multicast Routing)協(xié)議,。MTMR協(xié)議首先節(jié)點考慮節(jié)點的能量，若節(jié)點能量小于門限值,，則不允許該節(jié)點參與數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā),。然后，將節(jié)點構(gòu)建3種不同樹,，源節(jié)點依據(jù)這3種樹向目的節(jié)點傳輸數(shù)據(jù)包,，提高了數(shù)據(jù)傳輸效率。

1 能量消耗模型

    MTMR協(xié)議考慮了節(jié)點的傳輸能量信息,，節(jié)點在傳輸,、轉(zhuǎn)發(fā)以及接收數(shù)據(jù)時，均需消耗自身能量,。無線電能量消耗主要由兩部分組成：運行電子元器件,、功率放大器所消耗的能量和接收器所消耗的能量。為了在兩節(jié)點間傳輸q bit的數(shù)據(jù)信息,，且兩節(jié)點間的距離為d,，消耗的能量為：

    節(jié)點依據(jù)式(1)或式(2)計算自己剩余能量。  

2 MTMR協(xié)議

    MTMR協(xié)議是屬于能量感知協(xié)議,，提高了多播路由的穩(wěn)定性,，同時引用基于多樹路由協(xié)議的理念，進而提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)男?。為此,，假定網(wǎng)絡(luò)內(nèi)所有節(jié)點隨機劃分為三類，分別為組1(Group-1),、組2(Group-2),、組3(Group-3)。相應(yīng)地,，利用Group-1,、Group-2、Group-3節(jié)點分別構(gòu)建3種樹Tree-1、Tree-2,、Tree-3,。

    此外，每節(jié)點保持兩個表：鄰居表(Neighbouring table)和多播路由表(Multicast routing table),。節(jié)點通過周期地交互Hello消息建立鄰居表,。鄰居表用于保存鄰居節(jié)點的信息，包括鄰居節(jié)點的ID,、位置信息,。多播路由表用于保存?zhèn)鬏敂?shù)據(jù)的路徑，格式如圖1所示,。

    其中,，Source_ID、Destination_ID分別標識源節(jié)點,、目的節(jié)點,。Route_class用于標識路由組Group-1、Group-2,、Group-3,。Route_class=1、2,、3分別代表Group-1,、Group-2、Group-3,。Next_node表示用于轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)的下一跳節(jié)點,。

2.1 路由發(fā)現(xiàn)過程

    當(dāng)源節(jié)點需要向目的節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)包時，就向鄰居節(jié)點廣播路由請求RREQ(Route Request)控制包,。RREQ控制包內(nèi)包含源節(jié)點,、目的節(jié)點以及路徑信息（Path Information）等。

    當(dāng)節(jié)點接收了RREQ控制包,，就將自己剩余能量E與門限值E_th進行比較,，如果大于E_th，就存儲RREQ,，并重播RREQ,，致使RREQ控制包傳輸?shù)酶h。同時,，將自己的ID加入到RREQ控制包的路徑區(qū)域（Path Information）,。

    接收了控制包RREQ時，就將用于向源節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)路由回復(fù)控制包RREP(Route Reply Packet),，RREP控制包攜帶了,、源節(jié)點、目的節(jié)點、返回路徑（Reverse Path Information）,、Route_Class。其中,，Reverse Path Information記載了傳輸RREP的路徑信息,。

2.2 控制包傳輸過程

    鄰居節(jié)點不斷向目的節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)RREQ控制包，直到目的節(jié)點接收,。當(dāng)目的節(jié)點接收到不同樹的RREQ控制包后,，目的節(jié)點將沿著該樹向源節(jié)點傳輸回復(fù)RREP控制包。數(shù)據(jù)傳輸如圖2所示,。

    接收到RREQ控制包后,，目的節(jié)點P、Q,、R將這3個樹的最后一跳節(jié)點作為傳輸RREP的上級節(jié)點,，如圖2(b)所示。節(jié)點P,、Q,、R選擇I作為TREE-1的上級節(jié)點、H作為TREE-2的上級節(jié)點以及J作為TREE-3的上級節(jié)點,。圖2(c)顯示了基于多樹的數(shù)據(jù)傳播過程,。

3 性能分析

3.1 仿真參數(shù)

    利用網(wǎng)絡(luò)仿真軟件NS2.3.5構(gòu)建仿真平臺^[14]?？紤]1 000 m×1 000 m仿真區(qū)域,，20～80個移動節(jié)點隨機分布于仿真區(qū)域。同時,，選擇random way point 作為移動模型,，每個節(jié)點隨機地選擇移動方向，移動速度從1～25 m/s間選擇,。節(jié)點的通信范圍為150 m,。此外，隨機選擇移動節(jié)點作為源節(jié)點和目的節(jié)點,。數(shù)據(jù)包的大小225 B,。仿真時間為10 000 s。

    在分析仿真數(shù)據(jù)時,，考慮的場景：移動節(jié)點的速度為20 m/s,，移動節(jié)點數(shù)從20～80變化；考察端到端傳輸時延,、數(shù)據(jù)包丟失率傳輸率以及控制路由開銷作為評估路由協(xié)議的性能指標,。

3.2 數(shù)值分析

    為了更充分地分析MTMR協(xié)議性能，選用AODV進行同步仿真，并進行性能比較,。選擇AODV協(xié)議作為參考,，原因在于：AODV是經(jīng)典的按需路由協(xié)議，其也是采用RREQ控制包發(fā)現(xiàn)路由,。在路由發(fā)現(xiàn)階段,，當(dāng)源節(jié)點需要向目的節(jié)點傳輸數(shù)據(jù)時，源節(jié)點先廣播路由請求RREQ控制包,，含有目的節(jié)點地址,、廣播ID以及遍歷的跳數(shù)。接收到RREQ數(shù)據(jù)包后,，鄰居節(jié)點檢查自己是否有至目的節(jié)點的路由,，如果有，就向源節(jié)點回復(fù)RREP控制包,；否則,，鄰居節(jié)點就轉(zhuǎn)播RREQ。圖3描述了AODV協(xié)議RREQ和RREP的傳輸過程,。

    (1)某場景路由性能

    圖4(a)所示,，MTMR的端到端傳輸時延比AODV下降了33.928%。圖4(b)所示,，MTMR的數(shù)據(jù)包丟失率下降了55.655%,。圖4(c)顯示MTMR和AODV歸一化的路由開銷，這說明MTMR在提高端到端傳輸時延,、數(shù)據(jù)包丟失率時,，并沒有增加路由負擔(dān)。

    (2)能量性能分析

    本次實驗分析與節(jié)點能量相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定時長和網(wǎng)絡(luò)壽命,。其中,，穩(wěn)定時長等于從網(wǎng)絡(luò)初始開始計算第一節(jié)點失效時所經(jīng)歷的時間。而網(wǎng)絡(luò)壽命數(shù)值等于網(wǎng)絡(luò)內(nèi)最后一個節(jié)點失效時所經(jīng)歷的時間,，時間越長,，網(wǎng)絡(luò)壽命越長。

    表1列舉了10次測試的實驗數(shù)據(jù),。從表1可知,，AODV、CAMP,、DCMP和MTMR協(xié)議的穩(wěn)定時長分別為969 s,、1 355 s、1 432 s和1 717 s,，而網(wǎng)絡(luò)壽命分別為5 535 s,、5 673 s,、8 638 s和8 640 s。這些數(shù)據(jù)表明,，提出的MTMR協(xié)議能夠有效地延長穩(wěn)定時期,，擴展網(wǎng)絡(luò)壽命。

4 總結(jié)

    本文針對移動自組織網(wǎng)絡(luò)移動節(jié)點能量受限問題,，提出基于樹的能量感知的多播路由MTMR協(xié)議,。MTMR協(xié)議首先利用無線電能量消耗模型，計算移動節(jié)點的剩余能量,。若移動節(jié)點的剩余能量小于門限值，則不參與路由,，降低了因節(jié)點能量耗盡而中斷路由的概率,。同時，MTMR協(xié)議引用樹,，源節(jié)點依據(jù)3種樹實現(xiàn)多播路由,。仿真結(jié)果表明，提出的MTMR協(xié)議在端到端傳輸時延,、數(shù)據(jù)包丟失率以及路由開銷性能方面有顯著的提高,。

參考文獻

[1] BALLARDIE T，F(xiàn)RANCIS P,，CROWCROFT J.Core based trees(CBT)[J].ACM SIGCOMM Computer Communication Review,，2013，23(4)：85-95.

[2] DAS S K,，MANOJ B S,，MURTHY C S R.A dynamic core based multicast routing protocol for ad hoc wireless networks[C].In Proceedings of the ACM International Symposium on Mobile Ad Hoc Networking and Computing，2012：24-35.

[3] WU C W,，TAY Y C,，TOH C K.Ad hoc multicast routing protocol utilizing increasing id-numbers(AMRIS) functional specification. Internet draft[J].IETF MANETWorking Group，2012,，3(4)：32-39.

[4] CHIANG C C,，GERLA M，ZHANG L.Forwarding group multicast protocol(FGMP) for multihop, mobile wireless networks[J].Cluster Computing,，2012,，1(2)：187-196.

[5] GARCIA-LUNA-ACEVES J J，MADRUGA E L.The coreassisted mesh protocol[J].IEEE Journal on Selected Areas in Communications,，2011,，17(8)：1380-1394.

[6] WANG N C.Power-aware dual-tree-based multicast routing protocol for mobile ad hoc networks[J].IET Communications，2012,，6(7)：724-732.

[7] Sun Baolin,，Li Layuan.On the reliability of MAODV in ad hoc networks[J].In IEEE International Symposium on Microwave,，Antenna，Propagation and EMC Technologies for Wireless Communications,，2005,，23(2)：1514-1517.

[8] XIE J，TALPADE R R,，MCAULEY A,，et al.AMRoute：ad hoc multicast routing protocol[J].Mobile Networks and Applications，2012,，7(6)：429-439.

[9] CALVERT K L,，ZEGURA E W，DONAHOO M J.Core selection methods for multicast routing[C].In Proceedings of Fourth International IEEE Conference on Computer Communications and Networks,，2009：638-642.

[10] GUI C,，MOHAPATRA P.Efficient overlay multicast for mobile ad hoc networks[C].In proceedings of IEEE Wire-less Communications and Networking Conference(WCNC)，2013：1118-1123.

[11] SINHA P,，SIVAKUMAR R,，BHARGHAVAN V.MCEDAR：Multicast core-extraction distributed ad hoc routing[C].In Proceedings of IEEE Wireless Communications and Networking Conference，2009：1313-1317.

[12] SINGH S,，WOO M,，RAGHAVENDRA C S.Power-aware routing in mobile ad hoc networks[C].In Proceedings of the 4 Annual ACM/IEEE International Conference on Mobile Computing and Networking，2008：181-190.

[13] TOH C K,，COBB H,，SCOTT D A.Performance evaluation of battery-life-aware routing schemes for wireless ad hoc networks[C].In Proceedings of IEEE International Conference on Communications，2010：2824-2829.

[14] KIM B,，LEE D,，CHOI T.Performance evaluation for Modbus/TCP using Network simulator NS3[C].2015 IEEE Region 10 Conference，2015：1-6.