0 引言

    目前，移動自組織網MANET(Mobile Ad Hoc Network)成為無線網絡研究的一個熱點。構建MANET的主要目的是通過一群帶有無線收發裝置的移動節點組成一個臨時性、無基礎設施的移動網絡^[1]，該網絡具有臨時性、多跳路由等特點。

    在MANET中，由于節點的通信范圍受限，需要多跳方式向其他節點傳輸數據，并且節點隨機移動，網絡拓撲變化頻繁，這使得在MANET中建立穩定、可靠的路由協議成為一項挑戰性的工作。為此，研究人員針對MANET的路由協議進行了大量的研究工作，提出不同策略的路由協議^[2-6]。

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

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

    盡管基于mesh路由協議能夠在源節點至目的節點間建立多條路徑，但是這是以能量消耗為代價的。然而，在MANET中，每個節點的能量是受限的。在設計路由協議時，應考慮節點的能量受限的特性。因為一旦節點能量耗盡，鏈路就斷裂，縮短了網絡壽命，必然會引用數據傳輸中斷，增加了數據傳輸時延，降低了數據傳輸的效率。

    為了最大化網絡壽命，應以最小的能量消耗實現有效的數據傳輸。為此，研究人員也提出面向節點能量消耗的路由協議，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)協議。MTMR協議首先節點考慮節點的能量，若節點能量小于門限值，則不允許該節點參與數據轉發。然后，將節點構建3種不同樹，源節點依據這3種樹向目的節點傳輸數據包，提高了數據傳輸效率。

1 能量消耗模型

    MTMR協議考慮了節點的傳輸能量信息，節點在傳輸、轉發以及接收數據時，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。為了在兩節點間傳輸q bit的數據信息，且兩節點間的距離為d，消耗的能量為：

    節點依據式(1)或式(2)計算自己剩余能量。  

2 MTMR協議

    MTMR協議是屬于能量感知協議，提高了多播路由的穩定性，同時引用基于多樹路由協議的理念，進而提高數據傳輸的效率。為此，假定網絡內所有節點隨機劃分為三類，分別為組1(Group-1)、組2(Group-2)、組3(Group-3)。相應地，利用Group-1、Group-2、Group-3節點分別構建3種樹Tree-1、Tree-2、Tree-3。

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

    其中，Source_ID、Destination_ID分別標識源節點、目的節點。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表示用于轉發數據的下一跳節點。

2.1 路由發現過程

    當源節點需要向目的節點發送數據包時，就向鄰居節點廣播路由請求RREQ(Route Request)控制包。RREQ控制包內包含源節點、目的節點以及路徑信息（Path Information）等。

    當節點接收了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控制包傳輸得更遠。同時，將自己的ID加入到RREQ控制包的路徑區域（Path Information）。

    接收了控制包RREQ時，就將用于向源節點轉發路由回復控制包RREP(Route Reply Packet)，RREP控制包攜帶了、源節點、目的節點、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

    鄰居節點不斷向目的節點轉發RREQ控制包，直到目的節點接收。當目的節點接收到不同樹的RREQ控制包后，目的節點將沿著該樹向源節點傳輸回復RREP控制包。數據傳輸如圖2所示。

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

3 性能分析

3.1 仿真參數

    利用網絡仿真軟件NS2.3.5構建仿真平臺^[14]。考慮1 000 m×1 000 m仿真區域，20～80個移動節點隨機分布于仿真區域。同時，選擇random way point 作為移動模型，每個節點隨機地選擇移動方向，移動速度從1～25 m/s間選擇。節點的通信范圍為150 m。此外，隨機選擇移動節點作為源節點和目的節點。數據包的大小225 B。仿真時間為10 000 s。

    在分析仿真數據時，考慮的場景：移動節點的速度為20 m/s，移動節點數從20～80變化；考察端到端傳輸時延、數據包丟失率傳輸率以及控制路由開銷作為評估路由協議的性能指標。

3.2 數值分析

    為了更充分地分析MTMR協議性能，選用AODV進行同步仿真，并進行性能比較。選擇AODV協議作為參考，原因在于：AODV是經典的按需路由協議，其也是采用RREQ控制包發現路由。在路由發現階段，當源節點需要向目的節點傳輸數據時，源節點先廣播路由請求RREQ控制包，含有目的節點地址、廣播ID以及遍歷的跳數。接收到RREQ數據包后，鄰居節點檢查自己是否有至目的節點的路由，如果有，就向源節點回復RREP控制包；否則，鄰居節點就轉播RREQ。圖3描述了AODV協議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的數據包丟失率下降了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、數據包丟失率時，并沒有增加路由負擔。

    (2)能量性能分析

    本次實驗分析與節點能量相關的網絡穩定時長和網絡壽命。其中，穩定時長等于從網絡初始開始計算第一節點失效時所經歷的時間。而網絡壽命數值等于網絡內最后一個節點失效時所經歷的時間，時間越長，網絡壽命越長。

    表1列舉了10次測試的實驗數據。從表1可知，AODV、CAMP、DCMP和MTMR協議的穩定時長分別為969 s、1 355 s、1 432 s和1 717 s，而網絡壽命分別為5 535 s、5 673 s、8 638 s和8 640 s。這些數據表明，提出的MTMR協議能夠有效地延長穩定時期，擴展網絡壽命。

4 總結

    本文針對移動自組織網絡移動節點能量受限問題，提出基于樹的能量感知的多播路由MTMR協議。MTMR協議首先利用無線電能量消耗模型，計算移動節點的剩余能量。若移動節點的剩余能量小于門限值，則不參與路由，降低了因節點能量耗盡而中斷路由的概率。同時，MTMR協議引用樹，源節點依據3種樹實現多播路由。仿真結果表明，提出的MTMR協議在端到端傳輸時延、數據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，FRANCIS 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.