文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.166813
中文引用格式： 姚玉坤，王宇，呂盼成. 基于節(jié)點(diǎn)編碼感知的機(jī)會(huì)轉(zhuǎn)發(fā)路由協(xié)議[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2017，43(9)：119-122.
英文引用格式： Yao Yukun，Wang Yu，Lv Pancheng. An opportunistic forwarding routing protocol based on node network coding-aware[J].Application of Electronic Technique，2017，43(9)：119-122.
0 引言
2000年，AHLSWEDE R等人首次提出了網(wǎng)絡(luò)編碼[1]的理論。網(wǎng)絡(luò)編碼允許中間節(jié)點(diǎn)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼后轉(zhuǎn)發(fā)，增加了單次轉(zhuǎn)發(fā)的信息量。相比于傳統(tǒng)的傳輸方式可以減少信息的傳輸次數(shù)，提高網(wǎng)絡(luò)吞吐量，實(shí)現(xiàn)理論上的最大傳輸容量。
編碼感知[2]是指在路由建立過程中把編碼機(jī)會(huì)考慮進(jìn)去，通過主動(dòng)探索、創(chuàng)造并利用網(wǎng)絡(luò)中潛在的編碼機(jī)會(huì)，使網(wǎng)絡(luò)的吞吐量得到進(jìn)一步的提高。將編碼感知與路由算法相結(jié)合已成為數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)策略的一個(gè)重要研究方向。隨著對(duì)無線多跳網(wǎng)絡(luò)中網(wǎng)絡(luò)編碼路由協(xié)議研究的不斷深入，學(xué)者們發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有的路由協(xié)議中編碼機(jī)會(huì)得不到充分的利用，并沒有讓網(wǎng)絡(luò)編碼的性能得到最大限度的利用。在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)過程中，如何發(fā)現(xiàn)并利用更多的編碼機(jī)會(huì)已成為科研人員研究的重點(diǎn)。
文獻(xiàn)[3]由KATTI S等人首次提出了適用于無線 mesh的網(wǎng)絡(luò)編碼路由協(xié)議COPE。在COPE協(xié)議中節(jié)點(diǎn)利用機(jī)會(huì)監(jiān)聽和網(wǎng)絡(luò)編碼減少了數(shù)據(jù)傳輸次數(shù)，提高了網(wǎng)絡(luò)吞吐量。但節(jié)點(diǎn)需要周期性地廣播控制報(bào)文信息，且只能探索兩跳范圍內(nèi)的編碼機(jī)會(huì)，限制了網(wǎng)絡(luò)編碼的性能。CORE[4]與CORMEN[5]是將編碼感知與機(jī)會(huì)式路由相結(jié)合，規(guī)定在轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)集內(nèi)選擇具有更多編碼機(jī)會(huì)的節(jié)點(diǎn)優(yōu)先轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包，這樣在一次傳輸過程中更加有效地利用網(wǎng)絡(luò)中的編碼機(jī)會(huì)。該類協(xié)議采用的編碼機(jī)制也是COPE，但它需要維護(hù)兩跳范圍內(nèi)所有節(jié)點(diǎn)緩存隊(duì)列中的數(shù)據(jù)包信息，編碼帶來的網(wǎng)絡(luò)開銷較大。文獻(xiàn)[6]根據(jù)節(jié)點(diǎn)間的社會(huì)屬性設(shè)計(jì)了一種編碼節(jié)點(diǎn)狀態(tài)感知的容遲網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制，該機(jī)制減少了網(wǎng)絡(luò)資源開銷，改善了網(wǎng)絡(luò)資源利用率。文獻(xiàn)[7]提出了一種適用于無線mesh網(wǎng)絡(luò)的編碼感知且負(fù)載均衡的多播路由，在編碼感知的基礎(chǔ)上增加了對(duì)路徑上所有節(jié)點(diǎn)通信密集程度與網(wǎng)絡(luò)擁塞程度的考慮。
充分考慮節(jié)點(diǎn)編碼機(jī)會(huì)的編碼感知路由協(xié)議[8] ExCAR能有效地發(fā)現(xiàn)多跳范圍的編碼機(jī)會(huì)，但該協(xié)議在節(jié)點(diǎn)編碼機(jī)會(huì)計(jì)算時(shí)可能存在誤判以及在轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)集內(nèi)選擇最優(yōu)編碼節(jié)點(diǎn)時(shí)需要交換大量的數(shù)據(jù)包緩存信息，會(huì)導(dǎo)致較大的時(shí)延和網(wǎng)絡(luò)開銷。為解決ExCAR協(xié)議存在的問題，本文提出了一種適用于多跳無線網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)編碼感知機(jī)會(huì)轉(zhuǎn)發(fā)路由協(xié)議——NAOFP，并對(duì)該路由協(xié)議的性能進(jìn)行了理論分析和仿真驗(yàn)證。
1 ExCAR協(xié)議問題描述
經(jīng)深入研究，發(fā)現(xiàn)ExCAR協(xié)議存在以下缺陷：
（1）原協(xié)議為了判斷數(shù)據(jù)包在中間節(jié)點(diǎn)的編碼機(jī)會(huì)時(shí)，將發(fā)送節(jié)點(diǎn)的所有一跳鄰居節(jié)點(diǎn)的ID全部附加到即將發(fā)送的數(shù)據(jù)包上，沒有考慮實(shí)際的無線網(wǎng)絡(luò)鏈路存在不穩(wěn)定性，在判斷編碼機(jī)會(huì)時(shí)可能會(huì)造成誤判，導(dǎo)致到達(dá)的編碼包不能成功解碼，浪費(fèi)網(wǎng)絡(luò)資源。
（2）原協(xié)議在轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)集內(nèi)選擇轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)時(shí)，需要節(jié)點(diǎn)計(jì)算自己的編碼機(jī)會(huì)，而且集合內(nèi)的各個(gè)節(jié)點(diǎn)周期性地轉(zhuǎn)發(fā)各自擁有的數(shù)據(jù)包信息和偵聽緩存的數(shù)據(jù)包信息來計(jì)算其他節(jié)點(diǎn)的編碼機(jī)會(huì)，最后通過與其他節(jié)點(diǎn)的比較選擇出最佳轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)。在此過程中，每個(gè)節(jié)點(diǎn)的傳輸開銷和計(jì)算開銷比較大，同時(shí)由于計(jì)算轉(zhuǎn)發(fā)集內(nèi)其他節(jié)點(diǎn)的編碼機(jī)會(huì)也會(huì)增加數(shù)據(jù)包的處理時(shí)延。
（3）原協(xié)議在偵聽緩存時(shí)把附加信息packet holders也一并放入緩存中，但這些packet holders附加信息對(duì)解碼不起作用，且占據(jù)了一定的緩存空間。
2 NAOFP協(xié)議
本文提出的NAOFP協(xié)議通過引入基于偵聽概率的附加ID信息添加、最優(yōu)轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)選擇、數(shù)據(jù)包的高效緩存3個(gè)新的機(jī)制來解決ExCAR協(xié)議存在的上述3個(gè)問題。下面對(duì)NAOFP協(xié)議的編碼機(jī)會(huì)的判斷、提出的新機(jī)制以及該協(xié)議的具體執(zhí)行步驟進(jìn)行詳細(xì)介紹。
2.1 編碼機(jī)會(huì)的判斷
2.1.1 基于偵聽概率的附加ID信息添加機(jī)制
節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包時(shí)，將該節(jié)點(diǎn)的ID和一跳鄰居節(jié)點(diǎn)的ID添加在即將發(fā)送的數(shù)據(jù)包頭部。為保證編碼包的解碼成功率，在添加附加ID時(shí)需要將發(fā)送節(jié)點(diǎn)與其鄰居節(jié)點(diǎn)的鏈路情況考慮進(jìn)來。該機(jī)制具體步驟如下：
(1)計(jì)算。依次計(jì)算發(fā)送節(jié)點(diǎn)S與其各個(gè)一跳鄰居節(jié)點(diǎn)ni的偵聽概率P(s，ni)：
其中，P(s，ni)為鄰居節(jié)點(diǎn)ni成功偵聽到節(jié)點(diǎn)S發(fā)送數(shù)據(jù)包的概率，ni為發(fā)送節(jié)點(diǎn)S的第i個(gè)鄰居節(jié)點(diǎn)，Pf(s，ni)為節(jié)點(diǎn)S到其鄰居節(jié)點(diǎn)ni的鏈路正向丟包率；
(2)判斷。依次判斷每個(gè)鄰居節(jié)點(diǎn)的偵聽概率P(s，ni)與閾值Pth的大小；
(3)添加。如果某一鄰居節(jié)點(diǎn)的P(s，ni)比閾值Pth大，說明S到該鄰居節(jié)點(diǎn)ni的鏈路狀況良好，則將此鄰居節(jié)點(diǎn)的ID附加到待發(fā)數(shù)據(jù)包p的頭部。
如圖1所示，節(jié)點(diǎn)S1需發(fā)送數(shù)據(jù)包p到目的節(jié)點(diǎn)D1，節(jié)點(diǎn)S2需發(fā)送數(shù)據(jù)包q到目的節(jié)點(diǎn)D2。當(dāng)S1在發(fā)送數(shù)據(jù)包p前，利用基于偵聽概率的附加ID信息添加機(jī)制將符合要求的節(jié)點(diǎn)ID添加到數(shù)據(jù)包P的頭部，假設(shè)其鄰居節(jié)點(diǎn)R1、R2、D2的偵聽概率均滿足上述要求，則數(shù)據(jù)包p的附加ID信息的添加情況如圖2所示。
在數(shù)據(jù)包相遇時(shí)，可由packet holders信息得知哪些節(jié)點(diǎn)已緩存了該數(shù)據(jù)包的備份。
2.1.2 編碼機(jī)會(huì)判斷規(guī)則
數(shù)據(jù)包能在一起編碼的前提是目的節(jié)點(diǎn)已緩存了能用于解碼的數(shù)據(jù)包，保證編碼包在目的節(jié)點(diǎn)能成功解碼。本文利用附加ID信息來判斷數(shù)據(jù)包在編碼前目的節(jié)點(diǎn)是否已緩存了用于解碼的數(shù)據(jù)包。假設(shè)中間節(jié)點(diǎn)收到來自不同數(shù)據(jù)流的兩個(gè)數(shù)據(jù)包p、q，若同時(shí)滿足式(2)和式(3)成立，則數(shù)據(jù)包p、q可進(jìn)行編碼發(fā)送。
2.2 最優(yōu)轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)選擇機(jī)制
轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)集內(nèi)的節(jié)點(diǎn)各自計(jì)算本節(jié)點(diǎn)的編碼機(jī)會(huì)，然后各節(jié)點(diǎn)間只需通過交換各自的編碼機(jī)會(huì)次數(shù)選擇出次數(shù)最多的節(jié)點(diǎn)。
假設(shè)轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)集內(nèi)有x、y兩個(gè)節(jié)點(diǎn)，當(dāng)收到帶有附加ID信息的數(shù)據(jù)包p時(shí)，從轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)集內(nèi)選擇出最優(yōu)轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)的具體步驟如下：
第一步：轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)集內(nèi)的每個(gè)節(jié)點(diǎn)各自計(jì)算編碼機(jī)會(huì)次數(shù)count，即節(jié)點(diǎn)x、y的發(fā)送隊(duì)列中能與數(shù)據(jù)包p一起編碼發(fā)送的數(shù)據(jù)包個(gè)數(shù)。以節(jié)點(diǎn)x為例，具體計(jì)算過程如下所示。
輸入：p ； //節(jié)點(diǎn)x收到帶有附加ID的數(shù)據(jù)包p
輸出：count(x) ； //節(jié)點(diǎn)x的輸出隊(duì)列中能與P一起編碼的數(shù)據(jù)包個(gè)數(shù)
Procedure：
count(x)=0；
while(node x output queue !=Null) {
for(i=1；i<n；i++) {
//判斷是否滿足編碼機(jī)會(huì)判斷規(guī)則，其中pi表示節(jié)點(diǎn)
x的輸出隊(duì)列中的第i個(gè)數(shù)據(jù)包
If(Dest_p∈Setpi && Dest_pi∈Setp) {
pcode1=p⊕pi；//進(jìn)行編碼，獲得編碼包pcode1
Count(x) ++；//更新編碼包pcode1的附加信息
Setpcode1=Setp∩Setpi；
Dest_pcode1=Dest_p∪Dest_pi；
pcode1 is stored to the buffer；
remove pi from output queue；
p=pcode1； }
continue； }
return count(x)； }
同理，節(jié)點(diǎn)y也可以通過上述過程計(jì)算出能與p一起編碼的數(shù)據(jù)包個(gè)數(shù)count(y)。
第二步：轉(zhuǎn)發(fā)集內(nèi)節(jié)點(diǎn)交換各自的編碼機(jī)會(huì)。此時(shí)，節(jié)點(diǎn)x知道count(y)的值，節(jié)點(diǎn)y知道count(x)的值；
第三步：轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)集內(nèi)的節(jié)點(diǎn)通過與其他節(jié)點(diǎn)的count值比較，如果發(fā)現(xiàn)自己的count值最大，則選為最優(yōu)轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)。
2.3 數(shù)據(jù)包高效緩存機(jī)制
由于無線鏈路的廣播特性，網(wǎng)絡(luò)中有數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)，位于該節(jié)點(diǎn)的鄰居節(jié)點(diǎn)能夠以一定的概率偵聽到該數(shù)據(jù)包并放入緩存中，用于編碼數(shù)據(jù)包的解碼。在NAOFP協(xié)議中，網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)偵聽到數(shù)據(jù)包時(shí)，去掉附加在數(shù)據(jù)包上的packet holders信息后放入緩存。由于去掉了packet holders附加信息，在節(jié)點(diǎn)緩存大小相同的情況下能夠緩存更多數(shù)量的數(shù)據(jù)包用于解碼，提高了編碼包的解碼成功率，進(jìn)而提高了網(wǎng)絡(luò)的實(shí)際吞吐量。
2.4 NAOFP協(xié)議的執(zhí)行步驟
NAOFP協(xié)議各階段的具體執(zhí)行步驟如下。
（1）附加ID信息的添加
當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)有數(shù)據(jù)包要發(fā)送時(shí)，按照2.1.1節(jié)所述的基于偵聽概率的附加ID信息添加機(jī)制將該發(fā)送節(jié)點(diǎn)的ID和符合要求的鄰居節(jié)點(diǎn)ID添加在即將發(fā)送的數(shù)據(jù)包的頭部，用于編碼機(jī)會(huì)的判斷。
（2）轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)集的選取
在NAOFP協(xié)議中不預(yù)先使用指定的節(jié)點(diǎn)對(duì)數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)，而是在數(shù)據(jù)包發(fā)送前預(yù)先選取多個(gè)節(jié)點(diǎn)作為數(shù)據(jù)包的潛在轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)，這些節(jié)點(diǎn)的集合即為轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)集。以下為轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)集內(nèi)節(jié)點(diǎn)選取所必須滿足的條件：
①該節(jié)點(diǎn)必須是發(fā)送節(jié)點(diǎn)的下一跳鄰居節(jié)點(diǎn)；
②為了避免數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā)遠(yuǎn)離目的節(jié)點(diǎn)，該節(jié)點(diǎn)必須距離目的節(jié)點(diǎn)更近。本文使用ETX度量值來衡量，即轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)集內(nèi)節(jié)點(diǎn)的ETX度量值要小于發(fā)送節(jié)點(diǎn)的ETX度量值；
③在轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)集內(nèi)的節(jié)點(diǎn)必須能夠相互偵聽；
④轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)集選取節(jié)點(diǎn)的個(gè)數(shù)不應(yīng)超過6個(gè)。
（3）最優(yōu)轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)的選擇
將帶有附加ID信息的數(shù)據(jù)包發(fā)送到轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)集內(nèi)的節(jié)點(diǎn)后，按照2.2節(jié)所述的最優(yōu)轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)選擇機(jī)制，選擇出具有編碼機(jī)會(huì)數(shù)量最大的節(jié)點(diǎn)選作該數(shù)據(jù)包的下一跳轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)。如果轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)集內(nèi)出現(xiàn)具有相同編碼機(jī)會(huì)次數(shù)的多個(gè)節(jié)點(diǎn)時(shí)，應(yīng)選擇ETX度量值最小的節(jié)點(diǎn)來進(jìn)行數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā)。轉(zhuǎn)發(fā)集內(nèi)的其他節(jié)點(diǎn)偵聽到該數(shù)據(jù)包被成功發(fā)送后，將該數(shù)據(jù)包從發(fā)送隊(duì)列中刪除。
網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)偵聽到的數(shù)據(jù)包按照2.3節(jié)所述的數(shù)據(jù)包高效緩存機(jī)制進(jìn)行處理。
3 仿真實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析
3.1 仿真場(chǎng)景及參數(shù)設(shè)置
本文采用網(wǎng)絡(luò)仿真軟件OPNET 14.5版本搭建仿真平臺(tái)，對(duì)NAOFP協(xié)議與ExCAR協(xié)議的性能進(jìn)行分析與比較。實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景是在500 m×500 m的區(qū)域范圍內(nèi)隨機(jī)分布15個(gè)無線節(jié)點(diǎn)，其中MAC層使用較為普遍的IEEE 802.11b標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議。具體的仿真參數(shù)設(shè)置如表1所示。
3.2 仿真結(jié)果分析
3.2.1 網(wǎng)絡(luò)吞吐量
如圖3所示，NAOFP協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)吞吐量在不同的網(wǎng)絡(luò)負(fù)載下均高于ExCAR協(xié)議。這是由于NAOFP協(xié)議在進(jìn)行數(shù)據(jù)包附加ID信息添加的過程中考慮了無線鏈路的不穩(wěn)定性，發(fā)送節(jié)點(diǎn)與其鄰居節(jié)點(diǎn)的偵聽概率P(s，ni)小于閾值Pth，則不將此鄰居節(jié)點(diǎn)的ID添加，這樣在目的節(jié)點(diǎn)保障了較高的解碼率，避免了編碼包不能成功解碼而造成的網(wǎng)絡(luò)資源浪費(fèi)，從而使網(wǎng)絡(luò)吞吐量得到了有效的提高。
3.2.2 平均端到端時(shí)延
如圖4所示，NAOFP協(xié)議的數(shù)據(jù)包平均端到端時(shí)延在不同的網(wǎng)絡(luò)負(fù)載下均低于ExCAR協(xié)議。這是因?yàn)镹AOFP協(xié)議在轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)集內(nèi)選擇編碼機(jī)會(huì)數(shù)量最大的節(jié)點(diǎn)時(shí)，并不需要節(jié)點(diǎn)間相互交換各自的數(shù)據(jù)包信息，也不需要計(jì)算其他節(jié)點(diǎn)的編碼機(jī)會(huì)次數(shù)，這樣減少了數(shù)據(jù)包在轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)的處理和等待時(shí)間，從而使網(wǎng)絡(luò)中的平均端到端時(shí)延得到明顯的降低。
3.2.3 編碼包的解碼成功率
如圖5所示，NAOFP協(xié)議的編碼包的解碼成功率在不同的網(wǎng)絡(luò)負(fù)載下均高于ExCAR協(xié)議。這是因?yàn)樵贜AOFP協(xié)議的步驟一中采用了基于偵聽概率的附加ID信息添加機(jī)制，保障了編碼包的可解性。另外，節(jié)點(diǎn)在偵聽緩存網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)包時(shí)，將數(shù)據(jù)包的附加信息去掉后緩存，這樣在緩存大小一定的情況下可以緩存更多的數(shù)據(jù)包用于解碼，從而使網(wǎng)絡(luò)中編碼包的解碼成功率得到有效的提高。
4 結(jié)論
本文針對(duì)ExCAR路由協(xié)議在無線鏈路不穩(wěn)定的情況下，節(jié)點(diǎn)在計(jì)算編碼機(jī)會(huì)時(shí)存在誤判，以及在選擇最佳編碼節(jié)點(diǎn)時(shí)需要交換大量的數(shù)據(jù)包緩存信息，提出了一種節(jié)點(diǎn)編碼感知的機(jī)會(huì)轉(zhuǎn)發(fā)路由協(xié)議NAOFP，且在該協(xié)議中引入了基于偵聽概率的附加ID信息添加機(jī)制和最優(yōu)轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)選擇機(jī)制。仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，與ExCAR路由協(xié)議相比，NAOFP協(xié)議在網(wǎng)絡(luò)吞吐量、平均端到端時(shí)延、編碼包的解碼成功率等方面的性能均得到了有效的改善。
參考文獻(xiàn)
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作者信息：
姚玉坤，王 宇，呂盼成
(重慶郵電大學(xué) 移動(dòng)通信技術(shù)重慶市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶400065)