Egyptian Informatics Journal（2012）13，95开罗大学埃及信息学杂志www.elsevier.com/locate/eijwww.sciencedirect.com原创文章无线自组网中采用跨层方法R. MadhanMohan*，K. 塞尔瓦库马尔印度安纳马莱大学计算机科学与工程系接收日期：2012年3月14日;接受日期：2012年2012年6月1日可在线查阅摘要将功率控制应用于路由协议已成为研究的热点，本文提出了一种新的功率控制路由算法，并将其应用于无线自组网。该工作不仅降低了网络能耗，而且提高了网络吞吐量、分组投递率等性能。提出了一种基于功率控制的按需路由算法--功率控制Ad hoc按需距离矢量（PC-AODV）。该算法根据节点的功率水平按需建立不同的路由表项，选择功率水平最小的路由进行数据传输。该PC-AODV采用不同的功率控制策略来传输数据包，以及网络层和MAC层的控制包。仿真结果表明，该算法不仅降低了平均通信能耗，从而延长了网络生存时间，而且提高了平均端到端时延和分组投递率。©2012计算机和信息学院，开罗大学。由爱思唯尔公司制作和主持All rights reserved.1. 介绍*通讯作者。联系电话：+91 04144 238774/08903128494。电 子 邮 件 地 址 ： Madhanmohan_mithu@yahoo.com （ R.MadhanMohan），kskaucse@yahoo.co.in（K. Selvakumar）。1110-8665© 2012计算机和信息学院，开罗大学。制作和主办Elsevier B.V.保留所有权利。开罗大学计算机和信息系负责同行审查。http://dx.doi.org/10.1016/j.eij.2012.05.001无线自组织网络是由无线移动节点集合而成的自组织网络，没有固定的基础设施或集中的管理员。由于无线电功率限制、信道利用率和功率节省等方面的考虑，网络中的每个节点都可以作为路由器将数据包转发到其他节点。传统的路由协议不能直接应用于adhoc网络，因为adhoc网络具有动态拓扑结构、带宽受限、链路容量可变、能量受限等特点，与传统网络相比，adhoc网络具有不可避免的局限性。因此，研究adhoc网络关键词AODV;PC-AODV;功率电平;PLMAC;PLDATA制作和主办：Elsevier我我我我96河MadhanMohan，K. 塞尔瓦库马尔网络成为一个基本的和具有挑战性的任务[1现有的adhoc网络中流行的路由协议如动态源路由（DSR）[1]、目的地序列距离矢量（DSDV）[2]和adhoc按需距离矢量（AODV）[3]都是最短路径，即最小跳数路由。这些算法虽然易于实现，但都没有考虑网络的能量消耗。最小跳数路由不能保证数据包以最小的能耗到达目的节点。设计一个有效的功率控制策略，以减少网络的能量消耗是非常重要的和有用的，在一些应用环境，如战场，其中节点电池充电通常是不可能的。自组网中的功率控制决定了物理层链路的质量。MAC层的带宽和空间复用度，同时影响网络层的路由、传输层的拥塞控制和应用层的QOS等。[4-11]。基于功率控制的adhoc网络路由协议的研究近年来受到越来越多的关注。能量感知路由方案试图找到由消耗低能量的链路组成的路由或延长网络生命周期。在文献[4]中，Tan和Bose引入了一个基于AODV的代价函数，以找到源和目的地之间由最少数量的中间转发节点组成的路径。考虑到采用IEEE 802.11 CSMAICA MAC协议的AODV不能保证找到能量最小的路由，Lee等人在[5]中为Rack分组增加了一个等待时间，以建立一条比最短跳路由能耗更节能的路径，从而降低了网络能耗。在文献[6]中，Woo等人对DSR的路由发现过程进行了改进，每个节点根据自身的剩余能量来决定是否参与路由发现过程，从而延长了网络的生存时间。在[7]中，Narayanaswamy等人在不同的传输功率水平下建立并维护了多个路由表通过比较不同路由表中的条目，网络中的每个节点可以确定最小的公共功率，以确保最大数量的节点被连接。作者认为，如果每个节点使用维持网络连通性所需的最小公共功率，则整个网络的流量承载能力最大化，电池寿命延长，MAC层的竞争减少。考虑到在[7]中节点均匀分布时网络通信功率可能很大，Kawadia和Kumar在[8]中以最小功率水平将分组转发到下一个具有到目的节点的路由的节点，以节省能量消耗。在[9，10]中，Bing等人基于AODV动态调整了发射功率节点使用数据链路层信息来节省网络，工作能耗。然而，这些研究[4基于传输功率和节点距离之间的关系。基于功率控制的自组网路由协议中的大多数方法都有各自的特点。现有的研究虽然取得了一定的进展，但对adhoc网络中路由协议和功率控制的关系还没有一个准确有效的描述和解决方案。例如，一些研究试图降低能耗[4此外，许多研究[4针对上述问题，本文提出了一种基于功率控制的按需路由算法PC-AODV。PC-AODV在以下重要方面不同于上述协议。首先，它不需要节点的精确地理坐标和节点之间的距离来动态调整发射功率。第二，在几个离散的功率级上改变发射功率，同时考虑网络层和MAC层的能量消耗。这是一个重要的特征，并且对能量消耗具有深远的影响，能量消耗可以有利地维持网络移动性。将路由协议与功率控制相结合是adhoc网络中的一种有效途径。本文的其余部分 组织如下。第2节给出了算法的网络模型和定义。第三部分详细介绍了算法思想、路由发现和维护，分析了其特点。第4节给出了我们的算法与AODV算法的仿真和分析比较。第五部分是结论和今后的工作2. 网络模型和定义在这一节中，我们介绍了网络模型和描述本文算法的一些基本定义。2.1. 网络模型功率控制是一个非常复杂的问题，Kirousis等人。将其简化为传 输距离的分配 问题， 简称RA问题（ RangeAssignment）[12]，并详细分析了其计算复杂度 令N={u1，. . ..f<$ru]<$X<$ru]a1ui2N其主要缺点是只考虑网络层的能量消耗，而没有考虑相应的MAC层能量消耗，不能最大限度地降低网络能耗。其中26a6 5.RA问题是在保持网络连通性的同时最小化f[r（ui）]，即：工作能耗，一些跨层路由协议基于功率控制可以较好的解决这一问题。在[11]，Gomez和Andrew至少[füru]1/4minX 1/2r1/2minui2N功率电平，目标是降低在网络中传递数据包所需的总传输功率，这增加了源-目的节点之间的中继节点在一维情况下，（2）可以在O（n4）中求解时间，而在二维[13]和三维[12]网络的情况下，它被证明是NP-困难的。的min-PL;htc使用跨层方法的无线ad hoc网络中的功率控制路由实际的功率控制问题比RA问题更复杂。对于RA问题，本文尝试基于跨层的方法来降低分组发送功率以降低网络能耗，假设链路是对称的，最大发送功率Ptrnax是已知的，并且对于所有能够将其发送功率改变到低于它的节点都是相同的，那么用于发送分组的功率Pt和接收功率Pr之间的关系可以被描述为：cPt d-a¼ Pr30其中，c是常数，a是取决于无线介质的介于2和5之间的损耗常数。对于自由空间传播模型和双射线地面传播模型，α分别为2和4。假设为了接收分组，接收功率必须至少为T，即，cPt d-aPT4从（4）可以得出：PPTda 5为了在简化网络模型的同时有效地支持节点的移动性和降低网络能耗，我们只在多个不同的离散功率水平下调整节点的发射功率（参见定义1）。相应的支持硬件是CiscoAironet 350和1200系列卡[14]等，其中350系列有六个功率级（1、5、20、30、50和100 mW），1200系列有三个功率水平（5、10和30 mW）。当量(3)以及在等式(5)示出：不同的发射功率电平覆盖不同距离的节点。2.2. 定义为了便于表达，我们作如下定义：定义1（功率级）。功率电平（称为PL）被定义为节点传输功率的离散等级。节点A和节点B之间的功率电平表示为PL（A，B），节点A和节点B之间的最小功率电平表示为PLmin（A，B），节点发送数据包和MAC层控制包的功率电平分别表示为PLDATA和PLMAC定义2（路由选择规则1）。如果节点S有k条路由RT_S;D_N）向目的地节点D发送不同的功率电平，则首先介绍了算法的思想、路由发现，然后分析了其特点。3.1. 算法思想PC-AODV是一种按需路由协议，其基本思想是：根据需要建立不同功率等级的不同路由表项，节点根据路由选择规则1、2选择路由;采用不同的功率控制策略来传输数据包以及网络层和MAC层的控制包。PC-AODV包括两个主要阶段：路由发现和路由维护。我 们 假 设 每 个 节 点 使 用 IEEE 802.11 分 布 式 协 调 功 能（DCF）规定的MAC协议，该协议主要使用三种MAC层控制分组，包括RTS（请求发送）、CTS（清除发送）和ACK（确认）。该算法采用不同的功率控制策略发送数据包，并对网络层和MAC层的数据包进行控制，即采用不同的PL发送网络层控制包，并根据路由表项设置发送实际数据包的发送功率。此外，根据发送网络层控制分组和实际数据分组的传输功率来设置和改变发送MAC层控制分组的传输功率。3.2. 路由发现和维护(1) 路由发现：PC-AODV通过添加功率控制度量来扩展AODV。在我们的算法中有如下四个主要步骤。步骤1确定是否存在到目的节点的路由。当节点S希望向目的地节点D发送消息时，它首先搜索路由表。如果存在到目的节点D的有效路由，则执行步骤4，否则执行步骤2。步骤2在不同的功率水平下建立到目的节点的路由。如果源节点S有数据分组要发送，并且目的地节点D不知道路由。 它立即在不同的PL = i（i = 1，2，.. . ，n），以建立路由到目的地节点D，其中n是功率的总量异丙肾上腺素节点S选择最小功率电平的路由来发送数据程度. 因此，形成m条路线RTS;D异丙肾上腺素 （m6n）在不同功率包裹。定义3（路由选择规则2）。如果节点S具有以相同的功率电平到达目的地节点D的多于一个路由（RT=S;D），则节点选择具有最小跳数的路由来发送数据分组。3. PC-AODV算法在这一节中，我们详细介绍了基于AODV路由协议的PC-AODV的工作原理。水平PL = i（i = nm +1，. ，n）从源节点S到目的节点D。同一PL路由发现的发射功率是统一的，与发送相应MAC层控制报文的发射功率等级PLMAC相同，即：PLMAC¼ PL600在不同PL处的路由发现的传输功率是不相同的。PC-AODV的单功率级路由发现与AODV的单功率级路由发现之间的差异总结如下：●●！F●BC河98号MadhanMohan，K. 塞尔瓦库马尔我 们 将 PL 添 加 到 RREQ ， RREP ， ERROR 和HELLO包分别。分组的发送功率电平与其对应的PL相同，而AODV没有考虑功率控制。中间节点转发的RTP分组是根据（ID，BroadcastID，PL）确定的，而AODV是根据（ID，BroadcastID）确定的。PC-AODV 已经考虑了MAC 层控制分组的功率控制，而AODV没有。步骤3：根据路由选择规则1、2选择到目的节点的路由。UJ令Uj-1D表示由节点Uj-1选择的目的地节点D根据路由选择规则1、2.其中，节点Uj是节点Uj-1在从节点S到目的地节点D的路由上的下一跳，16j6k6d，k是路由跳的总数，d是网络直径，U0是源节点S，并且Uk是目的地节点D。节点根据以下选择到目的地节点D的路由：路由选择规则1、2，即：3.3. 样品分析如图 PLmin（A，B）= 1，PLmin（B，C）= 2，PLmin（C，D）= 3，PLmin（A，D）= 3，PLmin（A，C）=3，PLmin（C，E）= 1，PLmin（C，F）= 2，PLmin（D，E）= 3，PLmin（E，F）= 3. 当节点有数据要发送，我们尝试在PL=1，2，3建立三条路由，分析路由发现和路由维护以及数据传输过程。(1) 在图1a中，节点A是源，节点F是目的地。节点A首先在其路由表中搜索是否存在到节点F的路由，如果是，则立即向实际数据包发送节点A否则，节点A必须分别在PL=1或2或3处找到到节点F的路由。因为PL=1PLmin（B，C）=2且PL=SU0D.D.1PLmin（A，D）=3，节点A无法找到路由！DS2RTPL;h;U12RTPL;h在PL = 1处的节点F。示出了PL = 2、3处的路线UU2D-1;D-2[化]2;D在图1b和c中。一个！DU1 2 RTPL;h; U2 2 RTPL;h.. .UUK-1uk-2;DUk-2;D根据路由选择规则1、2、A！F，B！F、C！节点A、B、C和F选择PL = 2处的路由发送k-2！ DUk-22 RTPL;h; Uk-12 RTPPL;h数据分组，示出了节点A、B和C的路由表UUK-1Uk-1;DUk-1;D在图2中，其有效路由以粗体字指示。k-1！DUk-12RTPL;h ;U22RTPL;h哪里PLminS;U1PPLminU1;U2P· ··PPLminUk-3;Uk-2PPLminUk-2;Uk-1PPLminUk-1;D从而形成从源S到目的地节点D的不增加且最小功率电平的路由。步骤4使用不同的功率控制策略来传输数据分组和MAC层控制分组。路由建立后，主路由上的节点Uj根据各自的路由表开始发送数据包，并且发送数据包的功率电平PLData被设置为与其路由表的功率电平PL相同，即：PL数据表 Ui; Uj PL数据表其中，节点Uj+1是节点U j的下一跳，节点Uj的功率电平在其路由表中表示为PL，06j6k6d，k，d，U0和Uk与上述参数相同。此外，发送相应MAC层控制分组的功率电平PLMAC与其路由表的PL一致，即：PLMAC-(2) 路线维护：PC-AODV的路由维护只适用于活动路由，与AODV使用Hello数据包和RERR数据包相似。与AODV的不同之处在于：当路由上的某个节点监测到路由不可用时，它会通知源节点S修复路由。将节点发送Hello分组和RERR分组的发射功率电平设置为与现有有效路由表的PL相同，同时对应的MAC层控制分组具有相同的发射功率电平。在发送数据包和网络层控制包的整个传输过程中，节点A、B、C和F使用功率电平PL=2，此外，发送相应MAC层控制包的功率电平PL MAC为2。如果在PL=2处的路由发现过程中，节点C已经在PL=1处获知到节点F的路由，则用于将数据分组从节点A发送到节点F的路由由两部分组成图1样品分析图。●●●●无线自组织网络中使用跨层方法的功率控制路由图2路由上所有节点的路由表根据路由选择规则1、2，如图1d所示。图3中列出了节点A、B、C和E的路由表，其有效路由用粗体字表示。从节点A到节点F的整个路由是A节点A、B和C在第一部分中在PL=2处发送数据分组和网络层控制分组，并且在PL=2处发送相应的MAC层控制分组。而C、E、F节点在最后一部分PL=1时发送数据包和网络层控制包，PL=2时发送相应的MAC层控制包。当B、C、E、F节点中的任何一个监测到路由失败时，将通知源节点A进行修复。(2)当源节点在PL=1，2，3处没有发现任何路由时，则丢弃数据包。4. 模拟与分析在本节中，我们通过仿真来评估PC-AODV的性能。首先描述了仿真环境和性能评估指标，然后在给定的环境和参数下评估性能。最后，我们将该方案与AODV方案进行了比较4.1. 模拟条件在 仿 真 中 ， 我 们 随 机 选 择 源 节 点 和 目 的 节 点 在 NS2（Network Simulator）[15]上模拟我们的方案和AODV，100个节点的初始能量为2001分别随机分布在1000·1000平方米的区域内。详细的模拟参数列于表1中。4.2. 性能度量以下指标用于评估不同的协议：数据包传输率（Packet Delivery Ratio）平均端到端延迟-这被定义为数据包在源处发起的时间与它到达目的地的时间之间的延迟。不考虑在途中丢失的数据包。延迟度量中包括由于路由发现、排队和重传引起的延迟网络寿命[16，17]-这被定义为第一个节点发生故障的时间，即某些节点的能量储备减少到零的时间。网络剩余能量[18]4.3. 仿真结果在我们的模拟场景中，曲线上的每个结果都是100次模拟运行的平均值。图3路由上所有节点的路由表●●●●PC-AODVAODVPC-AODVAODVAODV100 R. MadhanMohan，K. 塞尔瓦库马尔160140120100806040200512 1024 1536 2048 2560数据速率（KBPS）图5网络剩余能量。4.3.1. 网络寿命和剩余能量图图4和图5分别显示了三种算法在不同流量负载下的网络寿命和剩余能量。当网络流量较小时，两种协议在网络生存时间和剩余能量上几乎相同。随着网络平均负载的增加，所有网络的生存时间和剩余能量. 图4中的结果表明，在相同条件下，PC-AODV的网络寿命高于AODV。同时，图5中的结果表明，CPC-AODV剩余能量大于AODV在同样的情况下。这是因为AODV没有对网络能耗采取措施，仅仅使用默认的最大功率传输数据会消耗更多的能量。部分负载重的节点过度消耗能量，由于能量消耗不均，相应的剩余能量较少，缩短了网络寿命。而CPC-AODV协议由于采用了功率控制策略，能耗较低。相比PC-AODV平均节能15%，从而延长了网络寿命。这些结果表明，PC-AODV协议可以节省网络能耗，延长网络寿命。4.3.2. 平均端到端延迟图6显示了不同平均流量负载下三种算法的平均端到端延迟。随着网络平均负载的增加，两种算法的平均端到端延迟都会增加。在图6中，我们可以看到，与AODV相比，CPC-AODV提供了明显更低的网络延迟。在同等条件下，与其他AODV协议相比，CPC-AODV协议可以减少时延。这是由于CPC- AODV使用较小的传输功率沿路由发送数据包的事实。在无线Ad Hoc网络中，采用较小的发射功率发送数据包可以减少干扰和碰撞，有利于减少重传次数，从而减少响应队列和传输时延。此外，CPC-AODV协议还可以在移动环境下及时更新路由表，从而减少排队时延。这说明CPC-AODV协议可以改善网络时延。10009008007006005004003002001000512 1024 1536 2048 2560数据速率（KBPS）图4网络寿命。300250200150100500512 1024 1536 2048 2560数据速率（KB）图6平均端到端延迟。表1模拟参数。参数值NS版本2.34节点数量100地形范围（m2）1000· 1000移动模型随机路径点传播模型双射线地面反射发射功率级数5对应于PL（m）的范围90，130，170，210，250平均节点度5节点信道速率（Mbps）2传输TCP类型FTP数据流数量10数据包大小（字节）1400MAC IEEE 802.11模拟时间（s）1000寿命（秒）延迟（ms）剩余能量（J）使用跨层方法的无线ad hoc网络中的功率控制路由10510095908580757020 40 60 80 100节点数量图7数据包交付率。延迟和能量消耗。将其与时延、丢包率等指标结合起来优化网络性能.我们希望在未来的研究中，不仅可以提供满足QoS要求的多条路由，还可以在单一路由不可用时，使用满足QoS要求的复合路由。引用[1] Johnson DJ，Maltz DA，Hu YC. 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Modifying AODY for efficient power awarerouting in MANNETWORK.参加：TENCON 2005，墨尔本，澳大利亚; 2005年。p. 1比6[5] 李世石、蔡伊、曹德熙.基于定时器的电力广播4.3.3. 分组投递率图7示出了当节点从10增加到100时两种算法的分组递送比率。对于所有方法，当负载增加时，分组传递率会降低。图7所示的结果表明，在相同条件下，PC-AODV的分组投递率高于AODV。数据包传输率显著提高的关键是PC-AODV考虑了功率控制，而AODV只使用默认的最大功率来传输数据。由于传输范围越大，局部冲突就越严重，因此最大功率传输导致分组投递率下降。随着网络负载的增加，一次成功传输的概率将急剧降低。PC-AODV采用功率控制策略，每个节点尽量以较低的功率发送数据包，减少了局部冲突，提高了数据包的投递率。从这些可以看出，PC-AODV可以提高网络分组投递率，降低网络分组丢失率。5. 结论和今后的工作提出了一种基于功率控制的按需路由算法。该算法根据节点的功率水平按需建立不同的路由表项，选择功率水平最小的路由进行数据传输。此外，PC-AODV采用不同的功率控制策略来传输数据包，以及网络层和MAC层的控制包。仿真结果表明，该算法不仅降低了平均通信能耗，延长了网络生存时间，而且提高了分组投递率和平均端到端时延。将路由协议与功率控制相结合是adhoc网络中的一个必要途径。今后我们的研究将在上述研究成果的基础上进一步完善。因此，功率控制是一个典型的跨层问题，影响从物理到传输的协议栈的所有层，并影响几个关键性能测量，包括吞吐量的三位一体，功率控制无线自组织网络中的感知路由。Commun Lett 2005;9（3）：222[6] 吴庆泰，余灿秀。移动自组网中能量消耗均衡的无阻塞局部路由算法。2001年：IEEE计算机和电信系统建模、分析和仿真国际研讨会，MASCOTS 2001，美国俄亥俄州; 2001年。p.117比24[7] Narayanaswamy S，Kawadia Y，Sreenivas RS. adhoc网络功率控制的理论、体系结构、算法和COMPOW协议的实现。参加：2002年欧洲无线会议，意大利佛罗伦萨; 2002年。p. 156比62[8] 王晓云，李晓云，等.无线自组织网络中IEEE J Select AreasCommun 2005;23（1）：76[9] 李兵，靳志刚，舒烟台。节能AODV路由协议的跨层设计。天津大学学报2009;15（5）：343-9.[10] 李兵，靳志刚，舒烟台。CEMAODY：节能多播AODV路由协议的跨层设计。参加：第三届中国通信与网络国际会议，ChinaCom 2008，杭州，中国; 2008年。p. 743-47[11] 放大图片作者：Andrew T. 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