摘 要：本文介绍了一种改进的Ad hoc 网络节能机制。较以往的节能机制，其特点是大大
降低了空闲节点的能耗；将作为Agent 节点的概率由原来的50%下降为每个通信区域仅一
个；并通过功能划分，增加了边界Agent 节点。实验表明，它能有效的提高全网可达时间，
保证了网络传输的有效性及鲁棒性，使得Edge-Agent 的能耗趋向平衡。
关键词：Ad hoc 网络，QoS 路由协议，代理，节能
中图分类号：TP393.01
1. 引言
Ad hoc 网络的特点是各节点地位平等，能自由移动，并且通过无线信道进行通信[1,2]。
由于移动终端本身由电池供电，因此在Ad hoc 网络中采用各种节能机制成为延长电池工作
时间的一种重要手段。另外，从降低网络运行成本和节约自然资源的角度来说，采用节能机
制也是一项意义重大的措施。现阶段，Ad hoc 网络的节能机制已经提出不少方案，如利用
电源休眠[3]或者设置Agent 方式[4]节能。然而所提出的方案并不能完全解决Ad hoc 网络的节
能问题。如利用电源休眠，虽然可以达到一定的节能效果，但休眠状态电池同样有一定的耗
损，且这部分耗损并没有做任何有效功；再如采用设置能量代理方式，现有的能量代理方式
通常选择出的数量过多，有的达到了所有网络节点数量的一半，选择代理数量过多往往对网
络资源也会造成不必要的耗损。
2. 能量消耗模型
一般的，认为只有在发送和接收分组的时候才会有功率消耗,并且在研究MAC 协议时，
往往只考虑收发分组时消耗的能量。然而，节点在处于监听和空闲状态时，也同样消耗电量，
即
ei =
Σ.
=
.
1
1
( , 1)
k
i
T ni ni
+
Σ=
k
i
Ex
1 （1）
其中， T(a,b)表示从节点a 到节点b 的路由路径上所有节点所消耗的能量，Ex 是节点
处于监听和空闲所消耗的能量。之所以需要将监听和空闲状态的能量消耗计入总消耗是因为
电波有一个相当大的广播范围，再此范围内的所有节点都必须接收每个数据包以判断是否是
本地接收，虽然多数分组都被很快丢弃，但是接收它们是也需要消耗能量，研究表明[5]，空
闲、接收和发送状态三者能量消耗的比例是1：1.2：1.7。从公式（1）可知，在不关闭节点
的状态下，
Σ=
k
i
Ex
1 为一定值，因此，路由选择的跳数越少，总共消耗的能量就越少，但并不
能保证网络的全网可达时间最大。
然而，仅考虑全网能量消耗具有一定的片面性，因为Ad hoc 网络中的个别节点有可能
1本课题由国家自然科学基金（60672137，60773211）和教育部高校博士点基金（20060497015）资助。
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因为节点能量不足而无法完成转发任务，即在公式（1）中忽略了节点的能量状态，其定义
为：
Power_state= Pst
Pr e
(2)
其中，Pre 为节点现有能量，Pst 为节点理想状态下的能量最大值。
3. 改进方案
由公式（1）可知，整个网络的消耗由两部分组成，一部分是路由部分消耗的能量
Σ.
=
.
1
1
( , 1 )
k
i
T n i n i
，这部分能量只有通过改善路由算法，使尽量少的节点参与到路由过程之中；
另一部分是其余空闲节点的待机能量
Σ=
k
i
Ex
1 ，这部分能量可通过关闭其无线网卡实现。无线
网卡的关闭可分为两部分：一部分为路由建立过程之前网卡关闭模式，即网络中无数据流而
仅有控制流的时候，此时关闭网卡采用定时开启模式，每隔5 秒开启检查是否有数据传输要
求，若有，则全网节点开启，建立路由，路由建立完成后，将进入网卡关闭的第二部分，即
路由建立过程之后的网卡关闭模式，此时，没有转发任务的节点可关闭无线网卡，仅留有路
由任务的网络节点，这样，空闲节点的待机能量
Σ=
k
i
Ex
1 从理论上可接近于0。
另外，采用无线节点Agent 也是提高转发效率以及提高能量利用率的一个有效途径。移
动Agent 是一段程序代码，能控制自己在网络中移动，并能在每个节点独立地完成各种不同
的任务。移动Agent 在分布式应用中十分有效，特别适用于动态的网络环境，这些Agent
在节点之间跳动，在节点中收集信息，并能将这些信息给新的节点和Agent。这样，在短时
间内，每个节点都能接受到Agent 访问他们带来的更新信息，网络开始运行时，所有节点只
知道他们自己和邻居信息，而不知道别的节点的信息，当Agent 开始路由时，这些节点就会
得到别的节点的信息。
在本文中，每个节点均有属于自己的通信区域，在通信区域中，利用公式（2），将现有
节点能量状态最高者定为Agent，将收到两个及以上通信区域的能量状态最高节点设为边界
Agent，这样，较文献[4]中随机设定Agent 的方法，可大大减少网络中Agent 的数量。例如，
如图1 所示。
图1 中，节点名称后表示为节点现有能量状态，由改进的能量机制可得，区域A 中，
节点3 为Agent，区域B 中，节点6 为Agent 节点，在交叉区域中，节点5 为边界Agent。
改进后的能量机制将节点空闲以及待机时消耗能量降为最低，并且引入了Agent 模式，
有效的利用了全网能量，使能量状态高的节点得到充分利用，其工作流程如图2 所示。
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图1 节点分布图
图2 改进的能量机制工作流程
4. 实验仿真与结果分析
实验使用学术界普遍认可的NS2 网络仿真软件，按无线网卡在各工作模式下的功率消
耗设置节点发送消耗能量为1.3272W，接收消耗能量0.97W，空闲时消耗能量0.84W。实验
在500m X 500m 的范围内进行，拓扑图及各节点能量状态如图1 所示。实验时间为20s，设
计进行4 次UDP 类型的业务流量：节点0 于2.56s 时向节点7 发送数据包，节点3 于5s 时
向节点6 发送数据包，节点4 于6.97s 时向节点6 发送数据包，节点6 于10.63s 向节点7 发
送数据包，以上数据包长度均为512bit，数据包总量不超过10000 个。理想的节点电池容量
相同且设为100Ah。
实验表明，在未进行能量机制改进时，空闲节点的耗能量非常大。以节点1 为例，4 次
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UDP 业务，该节点均不承担发送及转发任务，但能量消耗也非常严重。在未发送及转发任
何数据的情况下，节点能量状态由0.80 下降到0.64，消耗了16%的能量，却未对全网的数
据传递起到作用，因此，该16%的能量消耗为无用功。而改进后的空闲节点由于采用了关
闭电源及间歇式检测信号等机制，使得空闲消耗降低。图3 表示了在该实验中节点1 未改进
和改进后的性能比较。
对于非空闲节点，由于能量因素成为建立路由路径的必要条件，因此与原有的利用
AODV 建立起来的路由有所差别。改进后的路由机制重点关注全网可达的持续性及边界
Agent 节点的轮换工作，这样，每个节点的能量均可得到有效利用，而非仅仅有业务流量的
节点消耗能量，而空闲节点不做功的情况下，也消耗能量。以节点3 至节点6 的UDP 业务
为例，利用AODV 建立起来的路由路径为3—2—6。改进机制首先建立区域Agent 及边界
Agent，节点3 的能量状态最大为0.97，因此当选Agent，负责区域内的信息传递及转发，
在该例中，节点3 既是Agent，又是业务起始节点；边界Agent 由两区域信号交叉部分的能
量状态最大者担任，在该例中，节点5 为边界Agent，转发节点由原来的节点2 变为节点5，
路由路径变为3—5—6。当节点5 的能量仅为原来的50%时，将重新选举边界Agent，此时
节点4 成为边界Agent，路由路径变为3—4—6。该选举过程将一直持续下去，直到边界节
点能量不足以支持业务。如图4 所示，全网可达的时间由原来的1178.90s 升至3855.43s。
图3 改进前后空闲节点的能量消耗比较
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0
1000
2000
3000
4000
5000
AODV全网可达时间
修改后的全网可达时间
图4 全网可达时间比较
网络中转发节点的节能情况如图5 所示。
从图5 可知，两个通信区域之间的能量最大节点在能量状态仍然最大时，较原有的能量
消耗无异，但当能量消耗的一定水平时，启动边界能量代理（Edge-Agent）改选机制，通过
节点的轮流工作节省能量。在图5 中，转发节点的能量消耗在20s 之前并不能显示新能量模
型的优越性，但20s 时发生Edge-Agent 的改选，此时，能量状态最大的节点成为新的
Edge-Agent，开始转发数据包，这一过程在30s 时再次发生，转发工作又一次被其它高能量
节点所替代。
图5 转发节点的能量消耗比较
由于在Edge-Agent 切换过程中，分组的转发时间也有所延长，如图6 所示，分组到达
目的节点的时间有所滞后。
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图6 分组到达时间比较
但通过对分组到达时延进行研究后发现，虽然Edge-Agent 轮换工作方式对分组的到达
时间会有一定的影响，但分组的时延并没有因此而出现提高，图7 显示了利用新能量模型前
后分组的发送时延比较。
图7 发送时延的比较
从图7 中发现，在传送第4000 个数据包之前，新能量模型的时延小于原有模型的时延；
但在传送第5000 个包时，时延突然增大，随后的转送过程中会出现脉冲式的时延增大的情
况，但随后时延会逐渐减小，但任高于原有模型的网络时延。通过对实验的分析后得知，在
传送第4000 号至第5000 号包之间的时间间隔内，Edge-Agent 进行了改选，在改选过程中
的网络时延会有所增加，且随后的脉冲式时延增加也是由此所引起的，同时，在Edge-Agent
能量状态相近时，这种轮换会非常频繁，导致时延的增加。
而且，在一定范围内的网络规模的增大和节点数量的增加会改善新能量模型的运行效
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果，对节省网络的能量消耗较有效，但超过一定范围后，节能效果反而会下降，如图8 所示。
如图8 中，网络中的节点数达到20 时，节点剩余能量最多，若网络中节点数再继续增
大，节点剩余能量反而会减少。经研究后发现，这种节能性能的下降主要是因为Edge-Agent
的频繁的轮换工作所致。当网络节点数增加而所在范围一定时，节点的密度也相对增加，同
时，在一定区域内出现相近能量节点的概率也增加了，而过多次的决定哪个节点是转发
Edge-Agent 时，必然会消耗更多的能量。因此，在多个能量相近节点成为或可能成为
Edge-Agent 时，这种轮换机制反而对网络的节能性能有消极影响。
图8 节点数与剩余能量的关系
另外，在新能量模型中，节点数与网络平均时延也存在着一定的关系。如图9 所示，无
论是原能量模型还是新的能量模型，其网络平均时延都会随节点数的增加而增加。但新的能
量节点的网络时延增加的更为明显。研究后发现，其主要原因仍是由于Edge-Agent 的轮换
机制造成的。当某个Edge-Agent 因其能量消耗而被其它节点取代时，它们之间会发生切换
过程，此时，数据包是不能被转发的。当节点数增加，其轮换工作机制会频繁发生，从而导
致网络平均时延的增大。
由以上实验所得数据可知，采用Edge-Agent 的节能机制对小规模的Ad hoc 网络确实能
起到一定的节省电池消耗，提高网络生存时间的效果，但不适用于网络节点数较多的Ad hoc
网络，否则会出现网络平均时延增加和转发节点能量消耗增加等问题。
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图9 节点数与网络平均时延的关系
5. 小结
本文介绍了一种改进的Ad hoc 网络节能机制。较以往的节能机制，其特点是大大降低
了空闲节点的能耗；将作为Agent 节点的概率由原来的50%下降为每个通信区域仅一个；并
通过功能划分，增加了边界Agent 节点。实验表明，虽然该节能机制对Agent 节点的依赖较
一般Ad hoc 网络路由对单个节点的依赖有所增加，但其能有效的提高全网可达时间，保证
了网络传输的有效性及鲁棒性，使得Edge-Agent 的能耗趋向平衡，但同时实验研究表明，
该节能机制并不适用于节点数较多的大规模Ad hoc 网络，否则会出现节能性能下降以及网
络平均时延增加等问题。而且，将该节能机制加入到现有的Ad hoc 网络路有协议中，只能
满足延长电池工作时间的要求，对网络时延等对传输多媒体数据有实质性影响的参数，并没
有太大的积极作用。因此，研究提高网络传输能力，减小时延等QoS 参数的路由协议是下
一步的重点。
参考文献
[1] 李腊元,李春林.计算机网络技术.第2 版,北京:国际工业出版社, 2004.7.
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Science, Rich University, 2002
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Department of Computer Science, Darmouth College, Hanover NH 03755, 1996
[5] Chen B,Jamieson K, Balakrishnan H,et al. Span: An energy-efficient coordination algorithm for topology
maintenance in ad hoc wireless networks[J]. ACM Wireless Networks, 2002, 8(5):481~494
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A Save-Energy QoS Routing Protocol in Ad hoc Network
Feng Zhenxin, Li Layuan
Wuhan University of Technology, Wuhan（430063）
Abstract
This paper introduces an advanced save-energy mechanism for Ad hoc network. Compare with the old
energy mechanism, it could effectively reduce the energy consumption of idle nodes in the net and
decline the number of Agent node to only one in each communication area, which is 50% of the old
mechanism, and create Edge-Agent, which is classified by function. The experiment shows, the new
mechanism could improve the life-time of the whole net, guarantee the efficiency and robustness of the
net and balance the energy of the Edge-Agent.
Keywords: Ad hoc network, QoS routing protocol, Agent, Save-energy
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