隨意無線網路中應用GPS 制定細胞結構之階層式路由策略

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隨意無線網路中應用 GPS 制定細胞結構之階層式

路由策略

黃宗傳紀宏宜黃士凱國立中山大學電機系

[email protected] [email protected] [email protected] 摘要摘要摘要 摘要―近年來發展了許多基於位置資近年來發展了許多基於位置資近年來發展了許多基於位置資訊近年來發展了許多基於位置資訊訊訊相關的路由相關的路由相關的路由相關的路由協定協定協定協定，，，，此種路由協定被此種路由協定被此種路由協定被此種路由協定被證證明在隨意式無線網路中證證明在隨意式無線網路中明在隨意式無線網路中明在隨意式無線網路中，，，，對於封對於封對於封對於封包的路由效率及延展性有很大的包的路由效率及延展性有很大的包的路由效率及延展性有很大的包的路由效率及延展性有很大的提升提升提升提升。。。欲利用位置資訊。欲利用位置資訊欲利用位置資訊欲利用位置資訊來來來來協助協助協助協助路由路由路由，路由，，，需要各個節點都能夠獲得與之通訊需要各個節點都能夠獲得與之通訊需要各個節點都能夠獲得與之通訊需要各個節點都能夠獲得與之通訊的的的的節點位節點位節點位節點位置置置置，，，，而此類任而此類任而此類任而此類任務通常藉由某種位置資訊服務來完成務通常藉由某種位置資訊服務來完成務通常藉由某種位置資訊服務來完成。務通常藉由某種位置資訊服務來完成。。。在本在本在本在本文中文中文中文中，，，，我們提出了一種我們提出了一種我們提出了一種我們提出了一種使用使用使用使用位置資訊位置資訊的新路由策略位置資訊位置資訊的新路由策略的新路由策略，的新路由策略，，，稱稱稱稱為為為為 HCR (Hierarchical Cell Relay)。。。我們。我們我們將網路範圍分割成許我們將網路範圍分割成許將網路範圍分割成許將網路範圍分割成許多相同面積的小區域多相同面積的小區域多相同面積的小區域多相同面積的小區域，，，，稱作稱作稱作稱作細胞細胞細胞細胞。。。。而網路中的節點則形成而網路中的節點則形成而網路中的節點則形成而網路中的節點則形成一種階層式的架構一種階層式的架構一種階層式的架構一種階層式的架構，，，並且利用某幾個選定的，並且利用某幾個選定的並且利用某幾個選定的並且利用某幾個選定的細胞細胞來細胞細胞來來轉傳來轉傳轉傳轉傳封封封封包包包包。。。。這種階層式這種階層式這種階層式架構讓這種階層式架構讓架構讓架構讓 HCR 特別適合在高密度的網路中特別適合在高密度的網路中特別適合在高密度的網路中特別適合在高密度的網路中運作運作運作運作。。。而且。而且而且，而且，，在，在 HCR 中的在在中的中的通訊中的通訊通訊負載通訊負載負載負載(traffic loads)會由所會由所會由所會由所有的網路節點來分擔有的網路節點來分擔有的網路節點來分擔有的網路節點來分擔，，，而不是只經由特定幾個網路節點來，而不是只經由特定幾個網路節點來而不是只經由特定幾個網路節點來而不是只經由特定幾個網路節點來負擔負擔負擔負擔，，，，也因此在也因此在也因此在高通訊也因此在高通訊高通訊負載高通訊負載負載負載的情況下能夠達到減少的情況下能夠達到減少的情況下能夠達到減少的情況下能夠達到減少 overhead 的目的的目的的目的的目的。。。模擬結果。模擬結果模擬結果顯示與模擬結果顯示與顯示與顯示與 LAR (Location-aid routing)協定協定協定協定相比相比相比相比，，，HCR 協定，協定在封包抵達率協定協定在封包抵達率在封包抵達率在封包抵達率、、、平均、平均平均封包之平均封包之封包之封包之點對點延遲點對點延遲點對點延遲點對點延遲以及以及以及以及 overhead 上上上均上均均均有較好的表現有較好的表現有較好的表現有較好的表現。。。。關鍵詞關鍵詞關鍵詞 關鍵詞―LAR;GPS;地理位置資訊地理位置資訊地理位置資訊地理位置資訊;階層式階層式階層式階層式路由路由路由路由

一

一、

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、序論

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序論

移動式隨意無線網路 (Mobile Ad Hoc Networks，簡稱 MANETs) 是一種動態 multi-hop 的無線網路，建立於一群利用無線通訊、沒有固定基地台之移動式節點上。MANETs 主要的應用包括災難救助、軍事通訊、會議交流以及環境感測等等。在 MANETs 中，設計一個路由策略最主要的考量因素包括動態變化的拓樸、不固定的網路鏈結、頻道安全、有限的頻寬以及電量消耗的控制…等等，目前已經有許多關於 MANETs 的路由協定被提出，例如：Ad hoc On-demand Distance Vector (AODV) [12]、Dynamic Source Routing (DSR) [8]、Location-Aided Routing (LAR) [9]、Zone Routing Protocol (ZRP) [6]。

然而，對上述幾種扁平及同質性的隨意式網路而言，通常其延展性較差，這表示一般的路由策略的效能會隨著網路範圍加大及節點數的增多而下降得很快[15]。而階層式架構將網路區域切割成數個層級來協助路由，其中最主要的優點在於可以大量減少路由表格的數量，以及有較佳的延展性。例如 Hierarchical State Routing Protocol (HSR) [13]以及 Fisheye State Routing Protocol (FSR) [14]等。另外，利用地理位置資訊 (Geographic Location Information)來擬定路由策略也已行之有年，很多研究提出了利用地理位置資訊來改進 MANETs 的路由效能。欲利用地理位置資訊來制定路由策略，必須在每一個移動節點都加裝 GPS (Global Positioning System)定位裝置。利用 GPS 定位的相關路由演算法比較常見的有 location-aid routing (LAR) protocol [9]、distance routing effect algorithm for mobility (DREAM) [2]，以及 greedy perimeter stateless routing (GPSR) [10]等。

本文中，我們利用 GPS 來協助定位並且設計 Hierarchical Cell Relay (HCR) 路由策略。HCR

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2 是一個適用於節點密度較高之網路環境的 on-demand 路由策略。其主要概念是利用來源端及目的端之間細胞中的節點來轉傳資料或路徑要求(RREQ)的封包，並經由事先計算及限定封包所經過的路徑，選擇經過某些節點，來達到減少整體網路負擔的目的。本文各節分配如下：在第二節中討論 MANETs 的相關文獻。第三節描述 HCR 的路由策略並加以討論。第四節提出 HCR 路由策略與相關路由協定比較之模擬數據。最後，第五節為本文的總結。

二

二、

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、相關研究

、

三

三、

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、HCR 協定

、

協定

HCR 路由策略的組成包含三大部分。第一個部分是區域的分配。為了更方便管理網路區域中的節點，HCR 協定將整個網路區域劃分成許多相同面積的虛擬正三角形，每個正三角形區域，稱之為細胞，其邊長由網路節點的傳輸半徑 R 來決定。每一個節點均有一個細胞識別碼(Cell ID)，來標示該節點屬於哪一個細胞。第二個部分是階層式架構。我們將網路中的節點分成三種類型，分別為中控節點 (Central Control Node)、細胞領導者 (Cell Leader)及一般節點(General Node)，此三種節點將整個網路組成一個三階層的架構。第三個部分為 HCR 之路由策略，我們將在第(四)小節中做詳細的說明。 (一) HCR 之架構組成本文假設網路區域是一個固定的矩形，且所有的移動節點只會在假設的網路範圍中移動，這在很多的隨意式無線網路中相當常見，例如：軍事戰場、大範圍災難現場或是大型的會議中心等等。如圖一，在網路範圍中的每一個細胞都會被由左而右、由下至上地標定個別之細胞識別碼，而細胞的大小和邊長則由節點的傳輸半徑 R 所決定，如圖二所示。 HCR 假設網路中所有節點的能力如：傳輸半徑、處理速度等完全相同，並將節點分成三類。不同類的節點所負責的任務不同，由此構成一個三個階層的階層式網路架構。網路區域中的所有移動節點可藉由 GPS 來獲得自己的座標位置，然後會根據給定之參考點(如圖三中之節點 O)來計算其細胞識別碼。細胞識別碼係提供路由時計算路徑所用。本文中所提及的名詞解釋如下： 1. Cell：細胞；由虛擬的正三角型區域所構成，如圖二。 2. General Node (GN)：一般節點；網路中的所有節點皆具有同樣的傳輸範圍和能力。 3. Cell Leader (CL)：細胞領導者；利用選舉演算法(於第(三)小節中詳細說明)由一般節點中選出，負責收集細胞內一般節點所廣播的資訊，並定期上傳給中控 R. S. 24 31. 32. 34. 36 1 41

：Packet delivery direction ：Node transmission range 2 ₃ ₄ ₅ 6 ₇ ₈ ₉ 10 12 11 15 25 26 28 51 ：CCN ：Cell Leader ：General Node 52 40 圖一. 節點 S 到節點 R 之路徑示意圖

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4 節點。

4. Central Control Node (CCN)：中控節點；於網路中選擇一個固定不動之節點成為中控節點，其負責收集整個網路中所有細胞領導者所上傳的資訊，並且回應細胞領導者所要求的位置資訊。 5. Cell ID：細胞識別碼；每一個細胞都會被指派一個唯一的 ID，在細胞內的每一個節點都會附帶此細胞識別碼。 (二) 網路區域的切割我們假設中控節點存在於一個固定的矩形隨意式無線網路範圍之中，為方便本文中細胞區 域之切割，假設此矩形的長、寬分別定為為 mR 及 3 nR/2 之形式(m,n 為大於零之變數)。且中控 節點會廣播以下訊息給網路範圍中所有的移動節點： (1) 此矩形範圍 (2) 參考點的座標位置 (3) 中控節點的座標位置 (4) 細胞的邊長當網路中的移動節點收到以上資訊之後，便會根據節點本身從 GPS 所獲得的座標及參考點的座標計算之自己的細胞識別碼。計算的步驟及演算法如下所示：步驟 1：如圖三，參考點 O 的座標給定為 (0, 0)而移動節點的座標為(x, y)，因此節點(x, y) 會落在第(a+1)列之第(c+1)或是(c+2)細胞內。 步驟 2：節點(x, y)必須計算斜率(以 M 表示) 以確定其屬於第(c+1) 或是第(c+2)細胞。若節點 (x, y)屬於左方的細胞，則斜率 M 會是M > 3或 3 M −> ，若節點(x, y)屬於右方的細胞，則斜率 M 會是M<− 3或M < 3。而計算斜率的公式如下所示： R x R y M mod ) 2 3 ( mod = (1) 令 N=| (xmodR)−R | (2) 若 N > (1/2R)；則 M 為正，若 N < (1/2R)； 則 M 為負。 (A) M 為正時；在(1)中，若M > 3則如圖四之 (a)，節點屬於左方的細胞；若M < 3則如圖四之(b)，節點屬於右方的細胞。 (B) M 為負時；在(1)中，若_{M −}_> 3則如圖四之 (c)，節點屬於左方的細胞；若M<− 3則如圖四之(d)，節點屬於右方的細胞。 O (0,0) node (x,y) d c R x ... 2 = ÷ b a R 2 3 y_÷( )₌ ... 圖三. 節點用座標(x, y)來計算其細胞識別碼 R Cell Cell Cell Cell Cell 圖二. 細胞之邊長由節點傳輸半徑 R 所決定

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5 步驟 3：經過前面兩個步驟，節點(x, y)會落在第(a+1)列的第(c+1)細胞內或是落在第(a+1)列的第(c+2)細胞內。節點計算其細胞識別碼的步驟如下；步驟 3.1 ：計算每一列之細胞個數為 ((2mR/R)+1) 步驟 3.2：計算 y÷( 3 R/2) = a…b，則節點(x, y) 位於第(a+1)列 步驟 3.3：計算 x÷(R/2) = c…d，則節點 (x, y) 位於某一列的第 (c+1)或是(c+2)細胞內步驟 3.4：令 2 1 N R mR a*( * ₊ )₌ (3) 在(3)中，經過步驟 2 的計算，若M > 3或是 3 M >− ，則節點位於第(N+(c+1))細胞內。若M < 3或是M<− 3，則節點位於第 )) ( (N₊ c₊2 細胞內。如此即得到該移動節點的細胞識別碼。 (三) 細胞內領導者的選取當節點取得本身的細胞識別碼之後便開始選取細胞領導者。一開始節點會廣播訊息給鄰近節點去詢問是否有細胞領導者存在。若沒有任何細胞領導者回應此訊息，節點便會選自己當作細胞領導者，反之則上傳其位置資訊給細胞領導者。若同一細胞內的範圍同時有一個以上的節點選擇自己成為細胞領導者，則在交換訊息之後會由 MAC 位址最小的成為細胞領導者。細胞領導者每隔一段時間會透過 GPS 系統來取得自己的位置資訊，並定期廣播其位置資訊給同一細胞內的一般節點。若細胞領導者因為移動而離開了原本的細胞區域，則其會停止繼續廣播訊息給之前細胞內的一般節點，並轉變成另外細胞內的一般節點。若一般節點在單位時間內都沒有收到來自細胞領導者的訊息，表示其細胞內的細胞領導者已經消失，則其會根據細胞領導者演算法重新選取一個細胞領導者。細胞領導者演算法如圖五。 (a) (b) (c) (d) 圖四. 用斜率 M 決定細胞識別碼

While node A obtained the Cell ID and without CL in the Cell

Begin

node A broadcasts the msg α to neighbor nodes and wait for a period time T;

If no responses from any CL then in a period time T

node A choose itself to be the CL and broadcast the msg β to neighbor nodes and

If node A receives the msg β from node B

If MAC A < MAC B node A is CL else node B is CL

Else if node A receives the response message from a CL

node A updates the location information to the CL

End

Ps: msg α includes the message to ask for CL, node Cell ID

msg β includes the MAC address, node Cell ID, the candidate for CL

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6 (四) HCR 路由演算法 (1) HCR 之路徑搜尋機制步驟 1：以圖一為例，細胞 24 內之節點 S 想要傳送封包給細胞 31 內之節點 R。節點 S 會先詢問傳輸範圍內鄰近細胞中之細胞領導者(包含自己細胞內之細胞領導者)有無到 R 之路徑資訊。若有，取得路徑資訊後跳過步驟 2 直接到步驟 3；若無，則透過同一細胞內的細胞領導者去向中控節點取得 R 之位置資訊。步驟 2：當中控節點接收到來自節點 S 所傳送的要求封包後，中控節點會回傳節點 R 之位置資訊給細胞 24 之細胞領導者，細胞 24 之細胞領導者再將節點 R 之位置資訊回傳給節點 S。當節點 S 收到節點 R 之位置資訊後即開始計算到節點 R 的路徑。步驟 3：節點 S 獲得節點 R 之位置資訊後，節點 S 擁有以下的資訊： 1. 每列有 13 個細胞 2. 節點 S 位於 24 = 1×13＋11 第 2 排第 11 個細胞內 3. 節點 R 位於 31 = 2×13＋5 第 3 排第 5 個細胞內步驟 4：開始建立路徑；依據演算法，節點 S 要先到第 3 列，所以節點 S 會發 RREQ 封包給第 (24＋13 = 37) 細胞以及第 (24＋13－1 = 36) 細胞內的所有節點，其決定中繼節點的方式由單位時間內最晚收到的 RREP 封包來決定。因為細胞識別碼之值(36－31) < (37－31)，表示細胞 36 與節點 R 的距離比較近，所以收到細胞 36 內節點的 RREP 封包時間通常較晚，因此由細胞 36 內的節點繼續轉傳封包。若是沒收到細胞 36 內節點回傳之 RREP 封包，則由細胞 37 內的節點來繼續轉傳 RREQ 封包。步驟 5：重複步驟 4；細胞 36 內的中繼節點發出 RREQ 封包給細胞 35 及細胞 34 內所有的節點，等待一段時間後，由收到的 RREP 封包決定要由哪一個細胞內的節點當成中繼節點。直到轉傳至節點 R。當節點 R 收到節點 S 發出的 RREQ 封包後，會沿著送來的路徑回傳 RREP 封包給節點 S 以建立路徑。當路徑建立後，節點 S 就可以開始傳送資料給節點 R，沿途收到封包的節點會將路徑資訊傳給自己細胞內之細胞領導者。 (2) HCR 之路徑維護由於地形關係或是節點移動可能導致某些細胞內無節點或是節點之間的鏈結中斷，因此需要維護路徑。以下是兩種狀況的處理方式：狀況 1：細胞內沒有節點導致找不到路徑以(1)中步驟 4 為例，只有連續兩個細胞內均沒有節點回傳 RREP 封包時，才會找不到路徑，也就是收不到連續兩個細胞內節點的 RREP 封包。在此狀況，節點 S 會先傳遞 RREQ 封包給本身細胞內的其他節點，由其他節點再作一次路徑搜尋。若還是收不到 RREP 封包，則步驟 5 找尋路徑的方式會改成：先往左傳送到細胞 23 及 22 內的節點，再重複同樣的路徑搜尋步驟，直到找到節點 R。狀況 2：鏈結中斷 (Link Break) 當遇到傳輸過程中鏈結中斷時，以圖一為例，細胞 36 經過細胞 34 到細胞 32，而細胞 34 內的節點因移動而導致鏈結中斷，位於細胞 36 的 upstream node 會先嘗試在 downstream node 的同一細胞，也就是細胞 34 內，再找一個節點來當成中繼節點。若沒找到符合條件的節點，則回到步驟 4，來計算細胞 36 內之節點到細胞 32 內之中繼節點路徑。

四

四、

、

、模擬分析

模擬分析

本文使用 NS-2 為平台來模擬 HCR 協定與 LAR [9]協定之比較，模擬參數如表一所列。模擬的網路區域設為 1000 公尺×500 公尺，區域內有 200 個移動節點，而節點之傳輸半徑為 250 公

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7 表一. 模擬參數模擬平台 NS2 模擬時間 300 秒模擬空間 1000 公尺 x 500 公尺節點數 200 節點傳輸半徑 250 公尺最大速度 10 公尺/秒 Pause time 0, 100, 200, 300 秒 CBR flows 10, 20, 30, 40 封包大小 64 bytes 封包傳輸率 4 Kbps 移動模型 Random waypoint 尺。網路區域中節點的移動模式為 random waypoint model [1]。random waypoint model 的移動方式是指網路上的每一個節點先隨機選取一個網路區域中的座標，然後以預先設定的速度移動至目的地，移動完接著便休息一段時間(pause tme)，然後再隨機選取下一個座標，重複執行此模式到模擬時間結束為止。模擬之 pause time 定為 0、100、200 以及 300 秒，每個 pause time 產生 5 種不同的網路拓樸。模擬環境中利用 7、13、 20 及 25 個 source 分別產生 10、20、30 及 40 條 CBR flows，傳輸的封包大小為 64bytes，封包傳輸速率為每秒 4 個封包。本文從四個方面比較 HCR 協定及 LAR 協定：平均跳躍數 (average hop count)、封包抵達率 (packet delivery ratio) 、封包之點對點延遲 (end-to-end delay of data packets) 及 control overhead。平均跳躍數代表每一個來源節點找到目的節點所需要的路徑傳輸跳躍次數。平均跳躍數會影響到整體網路的效能，當每條傳輸路徑跳躍數愈少，表示幫忙轉送的節點數愈少，所表現出來的網路負載就下降，資料的傳送時間也會減少。反之傳輸路徑跳躍數愈多，則網路負載也會上升，較容易造成網路的擁塞。 0 1 2 3 4 5 6 7 10 20 30 40 LAR-Box LAR-Step HCR 封包抵達率是指抵達目的端節點之封包的比率，即抵達目的端節點之封包總數除以來源端節點所傳送的封包總數。封包之點對點延遲時間包含所有可能事件所引起延遲時間之總合，如路徑搜尋耗用的時間、儲存在 queue 中的時間、節點的處理時間、因 MAC 層引起的重傳延遲時間、廣播以及發送的時間等。Control overhead 表示在模擬期間所傳送的控制封包個數，包含所有傳送和重傳的 RREQ 及 RREP 封包。 (一) 平均跳躍數如圖六，模擬結果顯示當 CBR flow 數為 10、20、30 及 40 條時， HCR 協定的平均跳躍數介於 3.3 到 3.9 間，而 LAR 協定之 scheme 1 及 scheme 2 的平均跳躍數則介於 3.5 到 6.2 之間。HCR 協定之平均跳躍數明顯低於 LAR 協定的跳躍數。 (二) 封包抵達率圖七顯示出在不同的CBR flow下，HCR協定與 LAR協定的封包抵達率。圖七中LAR-Box表示 LAR scheme 1而LAR-Step則表示LAR scheme 2。當CBR flow為10的時候，HCR協定與LAR協定的封包抵達率均接近100%，而隨著CBR flow 的增加，LAR協定由於過多的封包在來源端和目的端之間遭到丟棄，再加上廣播的封包過多而造圖六. 不同 CBR flows 下平均跳躍數之比較 CBR flows A v er ag e h o p c o u n ts

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8 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 10 20 30 40 LAR-Box LAR-Step HCR 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 10 20 30 40 LAR-Box LAR-St ep HCR 0 20 40 60 80 100 120 140 160 10 20 30 40 LAR-Box LAR-St ep HCR 成網路的壅塞，導致LAR協定的封包抵達率比 HCR協定低。 (三) 平均封包之點對點延遲圖八顯示出在不同的CBR flow下，HCR協定與LAR協定的平均封包點對點延遲。當CBR flow 為10時，HCR協定與LAR協定相去不遠。但是，當CBR flow增加時，LAR協定的平均跳躍數會隨之上升，表示LAR協定在尋找路徑上必須轉送更多次的RREQ封包以及花更長的時間來等待回應之RREP封包。從圖八可看出LAR協定的平均封包之點對點延遲比HCR協定要高。 (四) Overhead 圖九顯示在不同的CBR flow下，HCR協定與 LAR協定control overhead之比較。HCR協定雖然需要比較多的控制封包來維持細胞領導者與中控節點之間的路徑，但LAR協定則因為較高的平均跳躍數而需要轉傳更多的RREQ封包及資料封包，導致隨著CBR flow的增加，需要轉傳的封包數量上升的更快。圖九顯示在不同的CBR flow 下，HCR協定的control overhead比LAR協定來得少。

五

五、

、

、結論

結論

本文提出一個適用於高密度網路環境的 Hierarchical Cell Relay (HCR)路由策略。此協定有兩個優點，第一：藉由將網路範圍切成許多正三角形的細胞區域來幫助轉傳封包可以有效的減少平均跳躍數(average hop count)，而使得網路的負載降低。第二：每一個節點都能夠各自去計算路徑而不需要都透過細胞領導者來計算路徑，能夠有效的減少細胞領導者的負擔。模擬結果顯示與 LAR 相較，HCR 協定具有較高的封包抵達率、較低的封包點對點延遲以及較少 control overhead 的優點。此模擬結果顯示在高網路流量的情況下 HCR 協定的效能比 LAR 協圖八. 不同 CBR flows 下之封包點對點延遲

圖九. 不同 CBR flows 下之 Control overhead 圖七. 不同 CBR flows 下之封包抵達率 D at a p ac k et d el iv er y r at io ( % ) CBR flows A v er ag e E n d -t o -E n d d el ay ( se c) CBR flows C o n tr o l P ac k e ts T ra n sm it te d / D at a P ac k et s D e li v er ed CBR flows

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9 定要好。

六

六、

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、參考文獻

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參考文獻

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