基于泛洪区域限定的改进DSR 节能组网*

孟金林

(轨道交通工程信息化国家重点实验室(中铁一院)，陕西 西安 710043)

0 引言

动态源自组网(Dynamic Source Routing，DSR)是移动Ad hoc网络(Mobile Ad hoc Network，MANET)[1-2]的典型组网，其主要有组网发现和组网维护两个阶段[3-4]。在组网发现阶段，源节点通过链接RREQ，构建连通目的节点的组网。

然而，若盲目地泛洪RREQ 数据，增加了网络能耗，也容易引起链接风暴问题[5]。针对这些问题，研究人员提出不同的泛洪改进算法，如N 跳泛洪[6]、概率泛洪[7-8]。

本文针对源组网的RREQ 的泛洪问题，提出区域的组网发现机制的DSR 组网(Zone-based Route Discovery Mechanism，ZRDM)。ZRDM组网通过限定泛洪RREQ的区域，减少RREQ数据重传的次数，进而控制能耗，提高数据传递率。仿真结果表明，提出的ZRDM 组网降低了组网能耗，提高了数据传递率。

1 ZRDM 组网

ZRDM 组网主要由3 个阶段构成：(1)邻居节点分类；(2)RREQ 泛洪区域的选定；(3)组网发现。

1.1 邻居节点分类

令R 表示节点的传输范围。依据信号强度[9-10]将其划分为3 个子区域：最外区域(OutSide Rrea，OSR)、中间区域(InterMediate Rrea，IMR)、最内区域(InSide Rrea，ISR)，如图1 所示。将半径R～3R/4 内的环形区域作为OSR 区域；将半径3R/4～R/2 的环形区域作为IMR；将半径R/2的圆形区域作为ISR 区域。

图1 传输范围的区域划分

令γi←j表示源节点si从其邻居节点sj接收的信号强度，源节点si可通过式(1)计算γi←j：

式中：Pt表示发射功率，λ为控制参数，α表示衰减因素，d表示源节点si与邻居节点sj间距离。

1.2 RREQ 泛洪区域

传统的DSR 组网采用泛洪方式[11-12]传输RREQ 数据，如图2 所示。通过不断地传递RREQ，直到目的节点接收到RREQ。由于RREQ 数据中携带了其传输路径，目的节点可从RREQ 获取连通源节点的路径信息，目的节点再沿此路径向源节点传输回复数据(Route Reply，RREP)。最终，通过RREQ 和RREP 的传输构建了组网[13-14]。

图2 DSR 组网发现阶段

为了更好地减少控制能耗，对源节点传输方向划分为4 个象限。令(xi，yi)表示源节点si的位置坐标，将源节点si的传输区域划分为Q1、Q2、Q3和Q4，如图3 所示。

图3 泛洪区域的划分

对于任意邻居节点sj∈Ni，如果xj＞xi且yj＞yi，则邻居节点sj位于Q1，如式(3)所示：

如果满足式(4)，则邻居节点sj位于Q2：

若满足式(5)，则邻居节点sj位于Q3：

若满足式(6)，则邻居节点sj位于Q4：

为了避免形成组网循环，减少组网跳数，源节点泛洪RREQ 区域内至少数据含一个邻居节点；若未能数据含一个邻居节点，就选择其他区域传输RREQ 数据。

1.3 组网发现策略

首先，源节点(假定为节点si)先产生RREQ 数据，其数据含自己的序列号、目的地址和源节点的地址。如果目的节点在源节点一跳范围，则源节点直接将RREQ 数据传输至目的节点。接收RREQ 后，目的节点就向源节点传输RREP 数据，如图4 所示。

图4 传输RREQ 的流程

若目的节点不在自己一跳传输范围内，源节点就需向邻居节点泛洪RREQ 数据。但与DSR 组网不同，ZRDM 组网为了减少参与传输RREQ 数据和接收RREQ数据的节点数，ZRDM 组网并非向所有区域泛洪RREQ数据，而是依据算法1 设置泛洪RREQ 数据的区域。

1.4 算法1

如果节点si的4 个区域(Q1、Q2、Q3和Q4)内均有节点，就只选节点si的OSR 区域作为泛洪区域。具体而言，若满足式(7)，则将OSR 子区域作为泛洪RREQ 的区域：

若不满足式(7)，为了保证构建稳定组网，先将OSR 作为泛洪RREQ 的区域，然后，再考虑是否将IMR 区域作为泛洪区域。如果IMR 区域内4 个象限区域均有节点，就将IMR 区域作为泛洪区域。即再判断式(8)，若满足式(8)，则将IMR 和OSR 区域共同作为泛洪RREQ 的区域：

若既不满足式(7)，也不满足式(8)，就将OSR、IMR和ISR 3 个子区域都作为泛洪RREQ 的区域，即={OSR，IMR，ISR}。在这种情况下，ZRDM 组网与DSR 组网一样，向所有区域泛洪RREQ 数据。

1.5 选择泛洪区域的示例

为了更好地理解算法1 所选择的泛洪RREQ 区域，图5 给出示例说明。接下来分别考虑了Case1、Case2 和Case3 3 种情况。

(1)Case1：节点密度较高，如图5 所示。OSR 区4 个象限内均有邻居节点。在这种情况，就只将OSR 区域作为泛洪区域，只在OSR 区内泛洪RREQ 数据。

图5 泛洪RREQ 数据的区域示例(Case1)

(2)Case2：节点密度不高，如图6 所示。并非OSR 区的4 个象限内均有邻居节点，而IMR 区的4 个象限内都有邻居节点。在这种情况，只在OSR 区和IMR 内泛洪RREQ 数据。

图6 泛洪RREQ 数据的区域示例(Case2)

(3)Case3：节点密度稀疏，如图7 所示。OSR 和IMR区域内的Q4 象限内没有邻居节点。在这种情况下，为了提高建立可靠组网，将OSR、IMR 和ISR 3 个区作为泛洪RREQ 的区域。

图7 泛洪RREQ 数据的区域示例(Case3)

1.6 邻居节点接收RREQ 的处理策略

一旦收到RREQ 数据后，邻居节点从RREQ 数据中提取NRR 的信息，并判断自己是否在NRR 内。

若不在NRR 列表内，就直接丢失RREQ 数据；若自己在NRR 列表内，就继续判断自己是否为目的节点。若是目的节点，就直接向该目的节点传输RREQ 数据；若自己不是目的节点，就利用算法1 选择泛洪RREQ 数据区域。处理RREQ 数据的流程如图8 所示。

图8 接收RREQ 数据后的处理流程

2 数值分析

2.1 仿真场景

通过NS3 仿真软件建立仿真平台[15]。N 个节点随机分布于300 m×1 500 m 区域，节点的传输范围为250 m。具体的仿真参数如表1 所示。

表1 仿真参数

为了更好地分析ZRDM 组网性能，选择文献[3]提出的可靠DSR 组网(DSR)作为参照，并分析数据传递率和归一化的吞吐量。

2.2 数据传递率

首先分析节点数的变化对数据传递率的影响，其中数据传递率等于目的节点成功接收了的数据数与源节点发送的数据数之比[16]。

从图9 可知，在节点数从20～40 变化区间，ZRDM 组网与DSR 组网的数据传递率相近，它们的数据传递率分别约为88%、86%。原因在于：当节点数较少，节点密度分布较低时，DSR 和ZRDM 组网一样，都采用OSR、IMR 和ISR 区作为泛洪RREQ 数据区。

图9 数据传递率

然而，随着节点数的增加，ZRDM 组网的数据传递率逐步优于DSR 组网。因为节点数的增加，使OSR 区域内的4 个象限均有节点的概率增加，从而实现了只在OSR区域内泛洪RREQ 数据，减少了节点传递RREQ 数据的次数，降低了拥塞概率，增加了数据传递率。当节点数增加至140 时，相比于DSR 组网，ZRDM 组网数据传递率提高至2.78%。

2.3 归一化能耗率

接下来，分析归一化能耗率随节点数的变化情况，如图10 所示。

图10 归一化组网能耗

从图10 可知，相比于ZRDM 组网，DSR 组网产生更多的RREQ 数据。原因在于：每个节点都接收RREQ 的复本。例如，当节点数为80 时，DSR 组网的归一化能耗率近11.93%，而ZRDM 组网的归一化能耗率近8.10%，比DSR 组网下降近3.83%。

2.4 节点移动速度对数据传递率的影响

分析节点移动速度对数据传递率的影响，其中节点移动速度从5 m/s～35 m/s 变化，如图11 所示。

图11 节点移动速度对数据传递率的影响

从图11 可知，ZRDM 组网和DSR 组网的数据传递率均随节点移动速度增加而下降。原因在于：节点移动速度越快，网络拓扑变化加快，降低链路的连通时间。相比于DSR 组网，提出的ZRDM 组网提高了数据传递率。例如，当节点移动速度增加至10 m/s，ZRDM 组网的数据传递率达到98%，而DSR 组网的数据传递率约88%，提高了近10.2%。原因在于：节点移动速度的增加，加剧了链路断裂数，这影响了DSR 组网的数据传递率。而ZRDM 组网构建组网时考虑了链路的可靠性。

当节点移动速度增至15 m/s 时，ZRDM 组网数据传递率约83.1%，而DSR 组网数据传递率只有50.1%。相比DSR 组网，ZRDM 组网将数据传递率提升了约65.9%。当节点移动速度分别增加至20 m/s、25 m/s、30 m/s、35 m/s 时，ZRDM 和DSR组网数据传递率迅速下降。但ZRDM组网的数据传递率的下降速度低于DSR 组网。

2.5 节点移动速度平均端到端时延的影响

接下来，分析节点的移动速度对端到端传输时延的影响，其中节点移动速度从5 m/s～35 m/s 变化，如图12所示。

图12 节点移动速度对平均端到端时延的影响

从图12 可知，在节点移动速度为10 m/s、20 m/s、25 m/s 和35 m/s 时，提出的ZRDM 组网的平均端到端时延低于DSR 组网的时延。例如，在节点移动速度为10 m/s时，ZRDM 组网的平均端到端时延约为7.45 ms，而DSR组网的平均端到端时延达到18.13 ms。相比于DSR 组网，ZRDM 组网的平均端到端时延下降了10.68 ms。并且随着移动速度的提升,ZRDM 组网在时延性能方面的优势越明显。

2.6 节点移动速度归一化组网能耗的影响

最后，分析节点移动速度对归一化组网能耗的影响，其中节点移动速度从5 m/s～35 m/s 变化，如图13 所示。

图13 节点移动速度对归一化组网能耗的影响

当节点移动速度为5 m/s 时，ZRDM 组网的归一化组网能耗为8.44%，而DSR 组网的归一化组网能耗达到17.73%。相比之下，ZRDM 组网将归一化组网能耗下降了51%。当节点移动速度增加时，链路断开的概率也随之增加，这就增加了消息传输失败的次数。一旦消息传输失败，就需要源节点重新构建新的组网，这就增加了组网能耗。而ZRDM 组网通过限定RREQ 的传输区域，降低了组网能耗。

3 结论

本文针对DSR 组网盲目地泛洪问题，提出基于区域的组网发现机制ZRDM。ZRDM 组网先依据信号强度将邻居节点划分为3 个子区域，并依据每个子区域的节点分布情况再选择泛洪RREQ 数据的区域，进而控制重播RREQ 的次数。仿真结果表明，提出的ZRDM 组网降低了能耗，并提高了数据传递率。