[论文解读] Stateless and Delivery Guaranteed Geometric Routing on Virtual Coordinate System

Ke Liu, Nael Abu‐Ghazaleh|ArXiv.org|Mar 28, 2008

Energy Efficient Wireless Sensor Networks参考文献 33被引用 3

一句话总结

本文提出一种无状态、可保证交付的几何路由协议，采用一种新颖的广域路径虚拟坐标系统（SPVCS），通过单一锚点分配唯一虚拟坐标，确保在断连或稀疏网络中也能实现无环路路由。该协议在动态和易产生空洞的环境中，通过消除空洞并避免盲目搜索，实现了最优路径伸展，优于GPSR及其他基于VCS的协议。

ABSTRACT

Stateless geographic routing provides relatively good performance at a fixed overhead, which is typically much lower than conventional routing protocols such as AODV. However, the performance of geographic routing is impacted by physical voids, and localization errors. Accordingly, virtual coordinate systems (VCS) were proposed as an alternative approach that is resilient to localization errors and that naturally routes around physical voids. However, VCS also faces virtual anomalies, causing their performance to trail geographic routing. In existing VCS routing protocols, there is a lack of an effective stateless and delivery guaranteed complementary routing algorithm that can be used to traverse voids. Most proposed solutions use variants of flooding or blind searching when a void is encountered. In this paper, we propose a spanning-path virtual coordinate system which can be used as a complete routing algorithm or as the complementary algorithm to greedy forwarding that is invoked when voids are encountered. With this approach, and for the first time, we demonstrate a stateless and delivery guaranteed geometric routing algorithm on VCS. When used in conjunction with our previously proposed aligned virtual coordinate system (AVCS), it out-performs not only all geometric routing protocols on VCS, but also geographic routing with accurate location information.

研究动机与目标

• 解决在出现空洞时，虚拟坐标系统（VCS）中缺乏无状态、可保证交付的互补式路由的问题。
• 克服现有VCS协议在空洞中依赖洪泛或盲目搜索的局限性，此类方法会降低性能并无法保证交付。
• 系统分析由于网络连通性限制和维度退化导致的VCS中虚拟异常现象。
• 基于广域路径设计一种通用且唯一的节点身份系统，以确保在任何网络拓扑下均具备可路由性。

提出的方法

• 提出一种基于单一锚点的广域路径虚拟坐标系统（SPVCS），根据网络连通性而非物理位置分配唯一虚拟坐标。
• 构建一种无状态几何路由协议（广域路径几何路由，SPGR），利用SPVCS实现贪婪转发与空洞恢复。
• 提出一种优化的SPVCS（OSPVCS），用平衡的生成树替代不平衡的生成树，以减少路径伸展并降低对锚点的依赖。
• 将SPGR与先前提出的对齐虚拟坐标系统（AVCS）集成，形成AGSP（对齐贪婪广域路径）路由，以提升性能。
• 采用保守的1-连通网络假设，以确保节点身份的普遍唯一性与路由正确性。
• 通过模拟评估性能，测试不同密度、拓扑结构（包括C形空洞）及锚点位置下的路径伸展与交付可靠性。

实验结果

研究问题

• RQ1 为何在基于VCS的几何路由中会出现虚拟异常？网络连通性如何限制坐标唯一性？
• RQ2 单锚虚拟坐标系统是否能提供唯一的节点身份，并在所有网络拓扑中实现无状态、可保证交付的路由？
• RQ3 SPVCS路由与周边路由及GPSR相比，在路径伸展和空洞鲁棒性方面表现如何？
• RQ4 锚点位置对SPVCS性能有何影响？拓扑优化能否减少路径伸展？
• RQ5 SPGR与AVCS结合后，能否实现与使用精确位置信息的GPSR性能相当的路由表现？

主要发现

• SPVCS在任意1-连通网络中确保唯一节点身份，消除了传统VCS中因坐标冲突导致的路由失败。
• SPGR在无需状态信息或洪泛机制的情况下实现交付保证，在密集和稀疏网络中均优于周边路由。
• 在高密度网络中，SPGR相比周边路由减少了路径伸展，后者因平面化开销导致跳数持续增加。
• 在具有大空洞的C形拓扑中，SPGR保持高交付率与低路径伸展，而GPSR与LCR因贪婪比过低而性能显著下降。
• OSPVCS通过用平衡生成树替代不平衡生成树，相比标准SPVCS将路径伸展减少了20%–30%。
• AGSP（对齐贪婪广域路径）路由在稀疏场景下的路径伸展仅比最优最短路径高出5%，性能可与使用精确位置数据的GPSR媲美。