文獻標識碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.2016.09.023
中文引用格式： 袁芬，陶琳，徐從富，等. 自適應選擇gossiping概率的多跳網絡數據廣播[J].電子技術應用，2016，42(9)：87-90，94.
英文引用格式： Yuan Fen，Tao Lin，Xu Congfu，et al. Multi-hop network data broadcast protocol based on adaptive selection gossiping probability[J].Application of Electronic Technique，2016，42(9)：87-90，94.
0 引言
移動Ad Hoc無線網絡是由共享無線介質的移動節(jié)點組成，移動節(jié)點能夠根據需要構建任意的拓撲結構，不需要固定的基礎設施及中央管理系統的加入[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)點協作進行分組轉發(fā)[3-4]，不依賴于現有的網絡通信設施，具有一定的獨立性，適合復雜環(huán)境通信及災難救助等應用[5-6]。文獻[7]提出Ad Hoc網絡中一種鏈路負載均衡的節(jié)能路由協議，協議通過考慮網絡中節(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網絡路由協議，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絡中路由協議在包投遞率、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路由協議，該協議通過數學模型求解OR協議產生重復數據包的總數量，采用樹拓撲選擇轉發(fā)節(jié)點的優(yōu)先級次序，盡可能得減少數據包重傳數量。文獻[10]提出PSR：一個輕量級的移動Ad Hoc網絡主動源路由協議，該協議基于鏈路狀態(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據傳輸鏈路。
1 自適應選擇gossiping概率方法
Gossiping路由協議是對Flooding路由協議的改進，使用隨機原則，節(jié)點發(fā)送數據時不再采用廣播形式，而是根據概率隨機轉發(fā)數據包到鄰居節(jié)點，接著該鄰居節(jié)點再以相同的方式向其鄰近節(jié)點轉發(fā)該數據包，直到數據包到達接收終端[11-12]。本文提出的方法旨在減少冗余路由數據包，減少網絡整體開銷，節(jié)省能源消耗。
假設網絡場景為移動節(jié)點隨機分布的自組織網絡，該Ad Hoc無線通信網絡的節(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，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絡區(qū)域中，在范圍r內一個節(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來定義：
其中，V表示網絡節(jié)點的總數量，S表示網絡總覆蓋面積。
由于
，本文采用泊松分布均值
可以將式(1)轉化為：
一個節(jié)點在其傳輸范圍r內有至少一個相鄰節(jié)點的概率為：
因此，一個節(jié)點在其傳輸范圍內的預期平均鄰居節(jié)點數量可以表示為：
接下來討論在該gossiping概率下鄰居轉發(fā)節(jié)點的選擇問題。
已知一個節(jié)點在其傳輸范圍內的預期鄰居節(jié)點數量為An，采用傳統的廣播泛洪的方法則會傳輸與路由相關的數據包至其傳輸范圍內的所有鄰居節(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據包至鄰居節(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，再根據網絡平均鄰居節(jié)點數與發(fā)送節(jié)點的實際鄰居節(jié)點數情況，通過自適應的概率條件傳輸數據包至鄰居節(jié)點。在節(jié)省能量開銷的同時保持傳輸成功率，是本文設計自適應選擇gossiping概率方法的目的。
式(4)已知預期平均鄰居節(jié)點數為An，本文首先定義網絡的自適應gossiping概率為
，則：
對于n>An的情況，如果?滋n過低，則說明總節(jié)點數量過少，總覆蓋面積過大，平均鄰居節(jié)點數量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，則網絡在發(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：
對于網絡的自適應選擇gossiping概率
，
表示任一個發(fā)送節(jié)點i的候選鄰居節(jié)點被選擇作為數據包轉發(fā)節(jié)點的概率，當候選鄰居節(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，當且僅當該節(jié)點的實際鄰居節(jié)點數量n大于預期平均鄰居節(jié)點數量，否則自適應選擇的gossiping概率為1。
2 能耗情況分析
令V表示節(jié)點總數，n表示一個節(jié)點在其通信半徑內的平均鄰居節(jié)點數量，Prece假設為廣播一個數據包的節(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)送的分組總數和每個節(jié)點接收的平均分組數量，分別用Ktrans和Krece表示。
采用泛洪的廣播數據方式，當節(jié)點接收到一個數據包時，它轉發(fā)n個數據包至其n個鄰居節(jié)點，因此采用泛洪的廣播數據方式的
。對應的節(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)送的數據包以及轉發(fā)數據包到鄰居節(jié)點是以概率性的方式，
K。對應的節(jié)點能量總開銷為：
而采用自適應選擇的gossiping概率方法進行廣播數據包，
，假設每個節(jié)點都有鄰居節(jié)點，當n>An，則對應的節(jié)點能量總開銷為：
當
，則對應的節(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，網絡中節(jié)點數量的變化范圍為(200，800)，其中有20個為數據發(fā)送端源節(jié)點，節(jié)點的通信半徑為100 m，所有節(jié)點都隨機分布于網絡場景中。源節(jié)點每一秒發(fā)送一個數據包，數據包大小為512 B，其他仿真參數如表1所示。
圖1顯示了在移動節(jié)點數量變化條件下的網絡節(jié)點總能耗情況，gossiping路由協議只是采取概率性的鄰居節(jié)點選擇策略，網絡節(jié)點總能耗情況取決于gossiping概率p。p越大，總能耗越大。TOAR算法通過減少數據包傳輸達到節(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)送數據包的開銷。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路由協議，TOAR協議和PSR協議分別減少了32.5%、14.6%和2.1%的總能耗。
圖2顯示了在移動節(jié)點數量增多條件下的數據包平均丟失率情況，從圖中可以看出，隨著移動節(jié)點數量的增多，數據包平均丟失率減小，這是由于每個節(jié)點的平均鄰居節(jié)點數量增多，gossiping路由協議可以將同一分組數據包傳遞給更多的鄰居節(jié)點，數據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。而本文算法數據包平均丟失率減少的原因與gossiping路由協議相同，但相比gossiping路由協議，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出更好的性能。
圖3顯示了在移動節(jié)點數量增加條件下的數據包傳輸延遲情況。從圖中的仿真結果來看，gossiping路由協議的數據包延遲情況較嚴重，而所有算法的數據包延遲時間都隨著節(jié)點數量的增加而增加，這是因為每個節(jié)點的平均鄰居節(jié)點增多，而Ad Hoc網絡采用的是多跳傳輸方式，跳數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，因此在跳數增加上并不明顯。
4 結束語
本文提出基于對gossiping路由協議的研究，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選擇gossiping概率的多跳網絡數據廣播協議。其中自適應選擇gossiping概率方法能夠對鄰居節(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gossiping概率進行數據包廣播，自適應gossiping概率基于發(fā)送節(jié)點實際鄰居節(jié)點數與網絡節(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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