移动自组网络效率实证评估

陈 晔，杨 华

（常州纺织服装职业技术学院，江苏 常州 213164）

1 移动自组网络的模拟环境

移动自组网络结构一般分为两种：平面式体系和分级式体系。平面式体系可扩展性较差，适合中小规模网络；分级式体系结构可以减小那些由于拓扑变化对路由产生的影响，具有很好的可扩充性。

移动自组网络有单点跳跃路由与多点跳跃路由两种路由方式。单点跳跃路由是指来源端到目的端只需要跳跃1次就可将封包送至目的端。多点跳跃路由是封包从来源端到目的端，需要经过多个节点路由［1］。一般而言，多点跳跃路由比较常用，因为节点的传输范围有限，若来源端与目的端距离过远，彼此不在对方的传输范围内，那么势必要经由其他的节点转送。

目前，在移动自组网络中，大部分分层路由以距离当作选择路径的依据。虽然距离也是能量消耗的一个参考依据，但是对于在无线网络的传输媒介下，能量的耗损受到气候、地形、距离等的影响，所以只是将距离当作选择路径的依据，不足以反映一个最佳路径［2］。以能量的消耗总和作为一个路径选择时的参考依据，可以准确地评估路径所需要花费的功率。同时，将功率作为选择路径的基准，建立一个以功率为基础的网络模型。

模拟环境可分为网络平台的建立、移动式主机特性的定义以及路由算法3个部分。

1.1 网络平台

本文设计1个50×50矩阵来作为网络平台。该平台一共有2 500个点，每个点均可有1个移动终端。另外，本文假设泛洪时所需要的功率远比传送数据所需要的功率小得多，主要是因为泛洪时的数据包大小很小，而且量也不多，在此可以忽略。

1.2 主机特性

在本文模拟环境里，每一个移动式主机的坐标(x，y）为随机，每个移动式主机具有移动特性，如图1所示，每次移动后的新位置为(x＋△x，y＋△y），-2≤△x≤2，-2≤△y≤2。另外，本文假设主机每5秒移动1次，也就是说网络拓扑每5秒会改变1次。另外，每个主机分为5个功率位阶。假设传输的能量与传输的距离平方成正比，功率位阶1到位阶5所需消耗的功率分别为1，4，9，16，25单位，每个主机电池的功率为随机。另外，本文假设主机能量单位小于1 000时，则主机功率位阶5将会被关闭；能量单位小于800时，主机功率位阶4将会被关闭，以此类推。当主机功率单位小于200时，本文则定义该主机不可再使用。假设主机拥有2个数据封包需要传送，1个使用功率位阶2，1个使用功率位阶3，则在1秒后，主机一共消耗4＋9＝13个功率单位。

图1 主机移动特性及功率位阶示意

1.3 路由算法

本文模拟6种不同的路由算法，分别为不包含Power Control机制的Shortest Path(SP）路由算法，以及包含Power Control机制的Shortest Path(SPPC），Energy Based(EB），Energy Based with Route-Based Reroute(EBRB），Energy Based with Local-Based Reroute(EBLR）以及Energy Based with Route-Based and Local-Based Reroute(EBRBLR）等6种路由算法。

2 不同路由算法的模拟结果

本文模拟以上6种路由算法在不同的主机密度环境下所表现的效率并进行分析。

在100，200，300，400，500等不同个数的主机环境下来模拟6种路由算法的效率［12］。不同主机密度的模拟环境，会有50%的主机需要传送数据给其他主机，而数据传送的起始时间为1到30秒内，数据传送的时间会大于180秒，并且在模拟过程中，不会有新的数据被传送。本文分别就路径功率总消耗、重新寻找路径次数及所有传送路径的长度来做本文比较的依据。

2.1 路径功率总消耗

路径功率总和代表的是在t秒时，所有路径所花费的功率总和。在模拟结果图中的X轴均以秒为单位，而0～30秒为一个Cold Start，可省略；Y轴则代表主机电池消耗的功率。另外，EBRB、EBRBLR两个路由算法的β值为0.8。图2至图4为非功率和功率为基础的路由算法分别在100，300，500个主机环境下执行路径的功率［3］。就算法而言，没有Power Control机制的Shortest Path路由算法所需要花费的功率为最大，其次为有Power Control机制的Shortest Path路由算法，而以功率为基础的路由算法EB有最佳的效率。

图2 有100Mobile Hosts时，功率和非功率算法路径所消耗的功率

图4 有500Mobile Hosts时，功率和非功率算法路径所消耗的功率

图5至图7为以能量为基础的路由算法EB，EBRB，EBLR以及EBRBLR路径所消耗的功率比较图。由这3个图，本文可以看出以EBRBLR算法所节省的功率量多。

图3 有300Mobile Hosts时，功率和非功率算法路径所消耗的功率

图5 有100个主机时，以功率为基础路由算法路径所消耗的功率

图6 有300个主机时，以功率为基础路由算法路径所消耗的功率

图7 有500个主机时，以功率为基础路由算法路径所消耗的功率

另外，当有100个主机时，以功率为基础的路由算法所消耗的路径功率总和差不多，主要是因为主机数目少的时候，主机可以寻找的路径就会减少，即使重新绕送的路径，其路径所需能量也只能节省少量的能量。因此，以功率为基础的路由算法所能节省的功率有限。反之，当有500个主机时，节点密度大，节点间的连接功率位阶也变小，使路径消耗的功率也变小。

2.2 重新寻找路径次数

重新寻找替代路径对于网络的负担有着很大的影响。重新寻找路径机制启动过渡频繁将会造成网络的负担过重［4］。当主机数少时，每一种路由算法路径重新寻找的平均次数较为接近，依次数多到少依序为SP，SPPC，EBRBLR，EBRB，EB，EBLR。在主机数目变多时，可以发现非功率和功率为基础的路由算法路径重新寻找的次数差距较大，由多到少的顺序和主机数目小时相同。这个模拟结果可以发现以功率为基础的路由算法有较高的路径稳定性，可以降低路径重新寻找的次数，间接降低网络的负担。另外，EBRBLR以及EBRB两种算法的路径重新寻找的次数之所以会较EB，EBLR多，是因为EBRBLR，EBRB的一个路径变动率过高时，会启动路径重新寻找机制。虽然路径重新寻找的次数较高，EBRBLR，EBRB可找到较节省功率的路径。EBLR路由算法路径重新寻找的次数为6种算法中最少，是因为EBLR包含一个Local Based Reroute机制，可以延长一条路径传送的时间。因此，路径重新寻找机制较少被启动，但相对的其路径所消耗的功率较EB，EBRB，EBRBLR高［5-6］。

3 结语

影响一个网络的稳定性有许多的因素，其中包含网络是否分裂、路径中断的频率过高等，都会影响到网络的稳定性。造成路径中断的原因有2个：一个是因终端跨网移动所造成的路径中断，这种中断是无可避免的；另一个原因是因为某些主机因功率消耗过快而无法再传送数据，导致路径中断。本研究认为，模拟环境可以由节省主机功率的消耗来适当减少路径中断。因为有相应的网络协议支撑，移动自组网络已经从实验室理论逐步走向现实环境。在传输数据时，路径因为主机移动而中断的故障会时有发生。因此，路径维护机制将成为后期研究的难点。