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论文研究-一种基于自相似特性流量预测的AODV改进算法 .pdf

发布时间：2022-05-29 发布人：admin 分类：说明书 资料大小：0.41M 资料格式：pdf 举报 版权申诉
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    中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 一种基于自相似特性流量预测的 AODV 改 进算法 邵艳，李世银，孙珍** 5 10 （中国矿业大学信息与电气工程学院，徐州 221008） 摘要：由于 Ad Hoc 网络带宽有限，使用传统的路由协议，导致网络拥塞程度和数据重传增 加。为了提高整个无线自组织网络的性能，论文提出了基于自相似特性流量预测的 AODV 改进算法 BP-AODV，通过对 Ad Hoc 网络自相似特性的分析，结合流量预测的方法获得网 络可用带宽，由此设计新的路由度量，以避开网络拥塞较严重的节点。最后使用 OPNET 网 络仿真工具进行仿真，通过对仿真结果的分析，说明 BP-AODV 使得网络吞吐量、丢包率、 时延等都比原有协议有了一定程度的改善，尤其时延的降低比较明显。 关键词：无线通信技术；无线自组织网络；AODV；自相似特性；流量预测 中图分类号：TN915.04 15 An Optimized Routing Protocol Based on Self-similar Characteristics SHAO Yan, LI Shiyin, SUN Zhen 20 25 (China University of Mining Technology School,Information and Electrical Engineering University,Xuzhou 221008) Abstract: Ad Hoc network provides limited bandwidth,using traditional route protocols may make the network get low performance.Intended to improve the performance of Ad Hoc,this paper provided an optimized routing protocol based on self-similar characteristics:BP-AODV.Paper gets the available bandwidth through analy the self-similar and the traffic prediction of network,then designs new routing metric to avoide congested nodes.At last, paper uses OPNET to emulation.Through the analysis of the emulation,BP-AODV make the performance of network improved on throughput、packet Loss and delay,especially the delay. Key words: Wireless Communication Technology; Ad Hoc; AODV; Self-similar; Traffic Prediction 30 0 引言 Ad Hoc 网络作为一个多跳的网络，节点兼备了主机和路由器两种功能，而且由于节点 的移动性、无线信道的衰减及干扰等因素使得其路由问题与固定网络线相比要复杂得多，现 有的研究中，提出了一些适合于 Ad Hoc 网络的路由协议，如 DSDV、OLSR、DSR、AODV、 35 TORA 等，它们可以满足不同的网络需求。其中，AODV 协议实质上就是 DSR 和 DSDV 的 综合，它采用逐跳转发的方式，数据分组不需要包含从源到目的节点的路由信息，它不需要 缓存，路由表中只有一条到达目的节点的最优路径，支持组播功能，支持 QOS，而且 AODV 使用 IP 地址，便于同 Internet 连接。 在带宽有限的 Ad Hoc 网络中，很多情况下会导致网络的中间节点被多条链路公用，许 40 多节点因过多的负荷而导致拥塞和数据重发频繁产生，使得无线信道变得更加脆弱，从而影 响网络的端对端时延以及网络吞吐量，降低网络通信效率，同时也增加了节点的能量消耗。 通信联系人：李世银（1971-），男，教授，博士生导师，矿井通信与监控、煤矿信息化、无线通信技术. E-mail: valeryshao@126.com 作者简介：邵艳（1987-），女，研究生，计算机通信网络 - 1 -
    中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 基于以上分析，已经有不少学者对此展开了研究，如林志伟等人在 DSR 的基础上，提出了 基于 TCP 层和路由层的跨层协作的路由协议改进算法 RP-DSR[1]，接收方通过 ACK 定义了 参与路由请求的确认包 ACK-RREQ，使得源节点能够及时得到最新路由信息，从而避免由 45 于路由信息老化而造成的吞吐率下降的问题。文献[2]借鉴了包对算法测量可用带宽的思想， 提出了一种混合度量的 DSR 改进协议，文献[3]提出了利用网络自相似特性得到网络可用带 宽来控制来动态调整拥塞窗口，提高 TCP 在无线环境中的性能，而且，通过流量预测可以 获得网络的拥塞情况的变化趋势，在该思路的启示下，本节将结合跨层设计的思想，提出了 基于可用带宽预测的路由协议改进 BP-AODV（Bandwidth Predicting-AODV）。 50 1 基于自相似特性的流量预测 1.1 Ad Hoc 网络的自相似特性 55 60 65 近年来对现有网络的业务量特性的研究显示，以太网、ATM 网、WLAN 等都具有自相 似的特点，随后，大量的文章又在无线网络业务量自相似的实验和分析方面，例如，文献[4] 通过对 Ad Hoc 网络业务量的分析和研究指出 Ad Hoc 网络的业务量也存在自相似特性，并 由此对 Ad Hoc 网络的业务量进行了预测；文献[5]通过实验得出了 Ad Hoc 网络业务量具有 明显的自相似特性，并给出了产生自相似特性的原因；文献[6]给出了自相似流量特性下 Ad Hoc 网络路由协议的性能表现分析。 Ad Hoc 网络流量的自相似现象不同于几何学上的自相似，而是在不同的时间尺度上或 者时间序列的不同分辨率下，网络流量的特性的表现是相似的或者看起来是相同的，也可以 描述为网络流量分形体系内的任何独立部分，在一定程度上看是整体的缩影表现。 Ad Hoc 网络自相似现象的数学描述为，某物理特征量 x(t)满足 ，其中 a 是缩放比例，H 被称为 Hurst 参数。Hurst 参数是描述自相似度的唯一参数。自相似随机过 程具有如下特性： 自相似过程的平均值具有自相似特性； 自相似过程的自相关函数具有自相似特性； (1-1) (1-2) 自相似过程的功率谱密度服从幂律衰减，具有重尾特性。 (1-3) 70 作为自相似度的唯一参数 Hurst 参数吗，在 0
    中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 均流量值较小，那么下一个时间区间内的平均流量值很可能也较小。由此说明长相关自相似 80 特性的网络业务流在长时间尺度上是可以预测的。文献[8]研究证明，自相似的流量预测时 间尺度至少可以为一个 RTT（Round-Trip Time,往返时延），在传输层，TCP 连接在没有预 测的情况下达到拥塞控制优化点之前要经历若干次 AIMD（Additive Increase Multiplicative Decrease）阶段，而经过流量预测得到网络下一时刻的可用带宽 BWE（Bandwidth Estimated）， TCP 连接可以在一个 RTT 内达到优化点。本文提出的 BP-AODV 算法将预测的时间尺度设 85 置为一个 RTT。 利用流量预测得到可用带宽的具体方法是，将时间尺度设定为一个 RTT，对前一个 RTT 时间间隔内的流量取平均，然后用得到的平均流量作为下一个 RTT 的预测流量，即可用带 宽 BWE。而平均流量的获取方法是[9]，将一个 RTT 内收集 ACK 的序列号之差与所用时间 之比得到 ACK 速率，然后乘以分组的大小，再利用低通滤波技术得到网络的平均流量。部 90 分实现代码如下： if((op_sim_time()-retransmint_time) > measured_rtt) {byte_interval_retransmit = (seg_ack - retransmit_seq_ack); retransmit_seq_ack = seg_ack; time_interval_retransmit = (op_sim_time() - retransmint_time); 95 retransmint_time = op_sim_time(); rate_estimate = byte_interval_retransmit/time_interval_retransmit; bandwith_current =rate_estimate; bandwidth=(15.0/21)*last_bandwidth+(3.0/21)*(last_bandwidth_current+bandwith_current); 100 tcp_bandwidth_stat_update(); last_bandwidth = bandwidth; last_bandwidth_current = bandwith_current;} 2 BP-AODV 的算法描述与实现过程 2.1 BP-AODV 的算法描述 105 可用带宽是指在一段时间内，链路能够提供的最大数据传输速率。端到端链路瓶颈带宽 是指一条端到端路径上所有链路中最小的链路带宽[10]。通过对可用带宽的预测，可以得到 链路上最小的可用带宽，判断链路的拥塞情况，避开链路的瓶颈带宽。文献[11]给出了 Ad Hoc 网络可用带宽研究方法的进展，本文的可用带宽估计是以自相似特性流量预测为基础的。 增加可用带宽因素考虑后，算法 BP-AODV 的路由度量改为： 110 (2-1) 其中， 。H 代表跳数， 为路径 L 上可用带宽的最小值， 是路 径 L 上的可用带宽的最大值。如果 和 的值相差越大，说明拥塞情况越严重， 那么加权系数 应该越大， 越小，所以对于功率的考虑因素越少，加权系数的设置为 。如果所有的可用带宽值相同，则算法回归为最小跳数的路径 115 选择。 - 3 - minmaxmax-llliBweHcostBweH（1）+=1minlBwemaxlBweminlBwemaxlBwemaxminmax=-lllBweBweBwe
    中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 图 2-1 网络拓扑示意图 Figure 2-1 Schematic diagram of network topology 120 如图 2-1 所示，假设 Bwe1=4M, Bwe2=5M, Bwe3=5M, Bwe4=1M, Bwe5=5M,即节点 BC 中 间 发 生 严 重 拥 塞 ， 路 径 S-A-D 的 ， 路 径 S-B-C-D 的 ， ， ， ， ，根据路由度量 COST 值，选择路径 S-A-D，达到了避开拥 塞节点的效果。 125 2.2 BP-AODV 的实现过程 BP-AODV 算法继承了按需路由协议的一般特点，结合了可用带宽和最小跳数，通过加 权系数的动态设置实现了路由度量的动态管理，在路径寻找过程中避免了拥塞节点，实现了 网络整体性能的改善。 130 在 RREQ 分组中增加[ ， ]，分别表示路径 L 上的可用带宽最小值，可 用带宽最大值和路由度量，在路由应答 RREP 中添加路由度量 COST 项。具体步骤如下： （1）源节点 S 广播 RREQ 分组，将分组中的 ， 分别初始化为 1； （2）中间节点收到 RREQ 分组后，从网络层跨层获取可用带宽信息，更新 ， ，直到该 RREQ 分组到达目的节点 D； 135 （3）目的节点 D 按照式（2-1）计算得到所有路径中的最小路由度量，生成一个 RREP 分组沿反向路径单播给源节点 S； （4）源节点 S 按照 RREP 分组所提供的路径将数据发送给目的节点 D。 3 BP-AODV 的仿真分析 对于 BP-AODV 的建模模型如图 3-15 所示，但由于节点模型 manet_station 将 IP 层之上 140 的其它层综合为应用层以简化模型，少了 TCP 层的模块，所以节点模型选用 wlan_wkstn， 源节点发送的包大小设置为 constant(200000)，增大包的大小以增加网络拥塞概率来模拟可 用带宽估计的路由协议改进的仿真。参数设置如表 3-1 所示。 - 4 - SADCBBwe1Bwe2Bwe3Bwe4Bwe5minmax4=5llBweBweminmax1=5llBweBwe51455115441222cost1=-+=555375（1）411363cost2=-+=555375（1）minlBwemaxlBweminlBwemaxlBweminlBwemaxlBwe
    中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 145 表 3-1 参数设置 Table 3-1 Parameters set 参数名称 仿真区域 仿真时间 节点模型 数值 1000m*1000m 10min wlan_wkstn 包间隔 exponential(0.01) 包大小 constant(200000 ) 缓存大小 256000bits 数据速率 1Mbps、11Mbps 发射功率 接收功率门限 通信范围 0.005W -95dBm 1100m 2%丢包率网络的带宽估计如图 3-1 所示，可以看出，基于自相似特性的流量预测方法 150 得到的可用带宽能够较好地得到网络的可用带宽，为新的路由度量的选择提供基础。 图 3-1 丢包率为 2％的带宽估计的对比 Figure 3-1 Bandwidth estimated comparison of 2% packet loss rate 155 BP-AODV 和 AODV 在吞吐量、时延、丢包率和路由发现时间等性能参数的比较如图 3-2 所示。 (a)吞吐量对比 (b)时延对比 - 5 -
    中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 160 (c)丢包率对比 (d)路由发现时间对比 图 3-2 BP-AODV 与 AODV 的性能参数对比 Figure 3-2 Performance comparison between BP-AODV and AODV 165 可以看出，在这个有一定拥塞的网络环境中，BP-AODV 吞吐量、时延、丢包率等性能 有明显的改善，而路由发现时间稍有增加，这是因为 AODV 所选择的 2 跳的路径拥塞情况 严重，所以吞吐量、时延、丢包率的性能表现都不如 BP-AODV，但是 BP-AODV 选择了 3 跳的路径，使得发出路由请求到接收路由答复的时间即路由发现时间比原协议增加了。总而 言之，改进协议 BP-AODV 避开了拥塞严重的节点，使得网络整体性能优化。 170 在不同的网络规模下对两种协议的性能进行对比，网络模型如图 3-3（a）所示，节点数 分别为 25、50、75、100，其中业务配置的文件大小设置为 constant(10000)，仿真结果如图 3-3 所示。 175 （a） 吞吐量对比 180 （b）时延对比 - 6 -
    中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn （c）负载对比 图 3-3 不同网络规模下协议的性能参数对比 Figure 3-3 Performance comparison in different network size 185 BP-AODV 在吞吐量方面随着节点数的增多而略微增加，但是时延却大大下降了，这是 因为采取拥塞感知的路由判据对拥塞节点的避免，减少了路由缓存的排队时间，带来了时延 的下降，路由负载也因为路由发现机制的启动而缓慢增加。整体而言，基于自相似特性流量 预测的改进路由协议 BP-AODV 比原有协议有一定的改善，尤其是时延的降低。 4 结论 190 由于 Ad Hoc 网络的带宽有限，如果无线链路的负载过多，将会导致拥塞的频繁发生， 从而影响网络性能，增加节点能耗，本章增加对链路拥塞状况的考虑，通过网络自相似特性 而进行流量预测，得到可用带宽的估计，并将可用带宽引入路由度量，提出了 TCP 层和路 由层的基于带宽预测的节能路由协议的改进 BP-AODV（Bandwidth Predicting-AODV）。仿 真结果表明，该改进协议能够有效减少网络拥塞，提高网络吞吐量，改善网络的整体性能。 195 考虑到 MAC 层对多速率数据传输的支持问题，本章又提出了一种综合度量可用带宽、 链路速率和最小跳数的路由协议，使用跨层方法获得网络层和物理层参数，在选择路径时， 通过可用带宽的对比，并充分利用多速率传输的功能，避开拥塞严重的节点，来选择合适的 路由，仿真结果证明，该协议能够提高网络的吞吐量，减少时延，提高网络的整体性能。 200 [参考文献] (References) traffic-Self-similar and forecasting[J].Communications [1] 陈晨,裴昌幸,郭楠,陈南,易运晖.基于名声、可用带宽和最小跳数的多量度自适应 Ad Hoc 路由协议[J]. 电 子与信息学报.2007,29(5):1206-1210. [2] 林志伟,许力.基于收方参与的移动自组网 TCP 增强的路由协议[J],计算机应用,2005,25(3):515-517. [3] 孙 珍 , 李 世 银 , 王 秀 娟 , 徐京 . 基 于 自 相似 流 量 预 测 的 TCP 拥 塞 控 制 算 法 研 究 [J]. 计 算 机 工 程 与 设 计.2010,31(12) :2713-2715. [4] Qilian Liang.Ad Hoc wireless network Letters,IEEE,2002;6(7):297～299. [5] 陈晨,裴昌幸,朱畅华,陈南,易运晖.基于 opnet 的 Ad Hoc 网络业务量特性研究[J].计算机工程与应 用,2006,22:108-111. [6] Al-Maashri, A,Ould-Khaoua, M. Performance analysis of MANET routing protocols in the presence of self-similar traffic[C]. Proceedings of the 31st IEEE Conference on Local Computer Networks, November 2006: 801-807. [7] 王宇,赵千川.基于自相似业务的网络 TCP 拥塞控制算法[J].通信学报, 2001,22(5):33-38. [8] Guanghui He,Yuan Gao,Jennifer C. Hou, Kihong Park. A case for exploiting Self-similar of network traffic in TCP congestion control.[J].Computer Networks 2004,45:743-766. [9] Toh C-K.Maximum Battery Life Routing to Support Ubiq-uitous Mobile Computing in Wireless Ad Hoc Networks[C].IEEE Communications,2001. [10] 陈晨,裴昌幸,陈南,易运晖.基于网络分配矢量的 Ad Hoc 可用带宽测量方法[J].系统工程与电子技 术,2007,29(8):1245-1248. [11] 吴大鹏,武穆清,甄岩.移动自组织网络可用带宽估计方法研究进展[J].通信学报.2010,31(4):103-114. 205 210 215 220 - 7 -
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