0 引言

　　移動Ad Hoc無線網(wǎng)絡(luò)是由共享無線介質(zhì)的移動節(jié)點組成，移動節(jié)點能夠根據(jù)需要構(gòu)建任意的拓撲結(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]。由于移動節(jié)點隨機分布，兩個無法直接進行通信的節(jié)點還能夠通過其他節(jié)點協(xié)作進行分組轉(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[7]提出Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中一種鏈路負載均衡的節(jié)能路由協(xié)議，協(xié)議通過考慮網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點生存時間和節(jié)點間鏈路通信效率兩個方面因素，重新定義和計算鏈路性能,以達到優(yōu)化路由選擇的效果的目的。文獻[8]提出一種基于平均場均衡的Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議，要求每個節(jié)點利用所有其他節(jié)點的信息來分析自己的最優(yōu)策略,而不需要知道每一個局中人的信息,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)點密集的無線自組織網(wǎng)絡(luò)中路由協(xié)議在包投遞率、時延和歸一化開銷方面獲得了比較好的效果。文獻[9]提出TOAR：傳輸感知的機會Ad Hoc路由協(xié)議，該協(xié)議通過數(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，采用樹拓撲選擇轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點的優(yōu)先級次序，盡可能得減少數(shù)據(jù)包重傳數(shù)量。文獻[10]提出PSR：一個輕量級的移動Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)主動源路由協(xié)議，該協(xié)議基于鏈路狀態(tài)信息、距離信息對傳輸路由進行優(yōu)化，使源節(jié)點選擇開銷更小的數(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Flooding路由協(xié)議的改進，使用隨機原則，節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)時不再采用廣播形式，而是根據(jù)概率隨機轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包到鄰居節(jié)點，接著該鄰居節(jié)點再以相同的方式向其鄰近節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)該數(shù)據(jù)包，直到數(shù)據(jù)包到達接收終端[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)場景為移動節(jié)點隨機分布的自組織網(wǎng)絡(luò)，該Ad Hoc無線通信網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點共享一個無線電信道，節(jié)點可以通過無線信道在傳輸半徑r范圍內(nèi)互相通信，并且可以通過多跳路徑的方式將信息傳輸給較遠的節(jié)點，除非某一節(jié)點不在其他任何節(jié)點的通信范圍內(nèi)，這種情況該節(jié)點則無法與相鄰節(jié)點交換信息。由于所有節(jié)點都均勻且獨立地分布于網(wǎng)絡(luò)區(qū)域中，在范圍r內(nèi)一個節(jié)點找到n個鄰居節(jié)點的概率可以用二項概率密度函數(shù)來定義：

　　其中，V表示網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的總數(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：

　　一個節(jié)點在其傳輸范圍r內(nèi)有至少一個相鄰節(jié)點的概率為：

　　因此，一個節(jié)點在其傳輸范圍內(nèi)的預(yù)期平均鄰居節(jié)點數(shù)量可以表示為：

　　接下來討論在該gossiping概率下鄰居轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點的選擇問題。

　　已知一個節(jié)點在其傳輸范圍內(nèi)的預(yù)期鄰居節(jié)點數(shù)量為An，采用傳統(tǒng)的廣播泛洪的方法則會傳輸與路由相關(guān)的數(shù)據(jù)包至其傳輸范圍內(nèi)的所有鄰居節(jié)點，能量開銷較大，而gossiping路由則是以隨機概率的形式傳輸數(shù)據(jù)包至鄰居節(jié)點，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，則是首先排除掉無下一跳節(jié)點的鄰居節(jié)點，再根據(jù)網(wǎng)絡(luò)平均鄰居節(jié)點數(shù)與發(fā)送節(jié)點的實際鄰居節(jié)點數(shù)情況，通過自適應(yīng)的概率條件傳輸數(shù)據(jù)包至鄰居節(jié)點。在節(jié)省能量開銷的同時保持傳輸成功率，是本文設(shè)計自適應(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：

　　對于n>An的情況，如果?滋n過低，則說明總節(jié)點數(shù)量過少，總覆蓋面積過大，平均鄰居節(jié)點數(shù)量An過少，此時即使發(fā)送節(jié)點的實際鄰居節(jié)點n較多，但該發(fā)送節(jié)點的鄰居節(jié)點可能過少甚至沒有，此時路由請求信息可能會消失；如果過高，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，提高任一個發(fā)送節(jié)點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i的下一跳鄰居節(jié)點集為，且鄰居節(jié)點，為增加選擇能力，則表達式優(yōu)化為：

　　對于網(wǎng)絡(luò)的自適應(yīng)選擇gossiping概率，表示任一個發(fā)送節(jié)點i的候選鄰居節(jié)點被選擇作為數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點的概率，當(dāng)候選鄰居節(jié)點其自身的下一跳鄰居節(jié)點集為空集時，則該候選鄰居節(jié)點將被徹底排除作為轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點的可能性。而，1則是優(yōu)化了的能量開銷問題，當(dāng)且僅當(dāng)該節(jié)點的實際鄰居節(jié)點數(shù)量n大于預(yù)期平均鄰居節(jié)點數(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)點總數(shù)，n表示一個節(jié)點在其通信半徑內(nèi)的平均鄰居節(jié)點數(shù)量，Prece假設(shè)為廣播一個數(shù)據(jù)包的節(jié)點接收功率，Ptrans表示節(jié)點發(fā)射功率。對于每個節(jié)點發(fā)送的分組總數(shù)和每個節(jié)點接收的平均分組數(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)點接收到一個數(shù)據(jù)包時，它轉(zhuǎn)發(fā)n個數(shù)據(jù)包至其n個鄰居節(jié)點，因此采用泛洪的廣播數(shù)據(jù)方式的。對應(yīng)的節(jié)點能量總開銷為：

　　而采用gossiping概率隨機廣播的方式，則節(jié)點接收到上一個節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)包以及轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包到鄰居節(jié)點是以概率性的方式，K。對應(yīng)的節(jié)點能量總開銷為：

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

　　當(dāng)，則對應(yīng)的節(jié)點能量總開銷為：

　　則。

3 實驗仿真及分析

　　在本文實驗的部分，采用的仿真模擬器為NS2，仿真實驗場景為500×500的正方形區(qū)域，網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點數(shù)量的變化范圍為(200，800)，其中有20個為數(shù)據(jù)發(fā)送端源節(jié)點，節(jié)點的通信半徑為100 m，所有節(jié)點都隨機分布于網(wǎng)絡(luò)場景中。源節(jié)點每一秒發(fā)送一個數(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顯示了在移動節(jié)點數(shù)量變化條件下的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點總能耗情況，gossiping路由協(xié)議只是采取概率性的鄰居節(jié)點選擇策略，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點總能耗情況取決于gossiping概率p。p越大，總能耗越大。TOAR算法通過減少數(shù)據(jù)包傳輸達到節(jié)省能耗的目的，PSR算法則是通過傳輸鏈路優(yōu)化來節(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顯示了在移動節(jié)點數(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，隨著移動節(jié)點數(shù)量的增多，數(shù)據(jù)包平均丟失率減小，這是由于每個節(jié)點的平均鄰居節(jié)點數(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，數(shù)據(jù)包成功傳遞到目的節(jié)點的成功率大大增加。對于TOAR和PSR算法來說，則是可以選擇的下一跳節(jié)點增多，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顯示了在移動節(jié)點數(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)包延遲時間都隨著節(jié)點數(shù)量的增加而增加，這是因為每個節(jié)點的平均鄰居節(jié)點增多，而Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)采用的是多跳傳輸方式，跳數(shù)的增加伴隨而來的是傳輸時間的增多。由于本文算法的gossiping概率考慮了節(jié)點密度，當(dāng)鄰居節(jié)點越多，gossiping概率越小，相鄰較近的節(jié)點不一定被選中，因此在跳數(shù)增加上并不明顯。

4 結(jié)束語

　　本文提出基于對gossiping路由協(xié)議的研究，針對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)點進行篩選，排除可能帶來中斷鏈路的鄰居節(jié)點，減少傳輸中斷概率，提高能量效率。對候選的鄰居節(jié)點采用自適應(yīng)gossiping概率進行數(shù)據(jù)包廣播，自適應(yīng)gossiping概率基于發(fā)送節(jié)點實際鄰居節(jié)點數(shù)與網(wǎng)絡(luò)節(jié)點密度的對比情況而定，避免發(fā)送節(jié)點廣播過多的信息，節(jié)省廣播信息的能量開銷。

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