楊文利

（河北建材職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程系，秦皇島 066004）

一種基于DZR的Ad hoc網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議

楊文利

（河北建材職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程系，秦皇島 066004）

0 引言

Ad Hoc 網(wǎng)絡(luò)是一種特殊的無(wú)線移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)的地位平等，無(wú)需設(shè)置任何的中 心控制節(jié)點(diǎn)。但Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)存在網(wǎng)絡(luò)容量小、干擾嚴(yán)重、通信質(zhì)量差等問(wèn)題，如何提高Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)效率和信息傳遞效率，節(jié)省系統(tǒng)功耗等都是研究熱點(diǎn)。研究發(fā)現(xiàn)，應(yīng)用結(jié)合先驗(yàn)式和反應(yīng)式路由協(xié)議優(yōu)點(diǎn)的混合式路由協(xié)議是一種較好的折衷方 案。在局部范圍內(nèi)使用先驗(yàn)式路由協(xié)議，維護(hù)準(zhǔn)確的路由信息，并可縮小路由控制消息傳播的范圍，當(dāng)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)較過(guò)遠(yuǎn)，通過(guò)查找發(fā)現(xiàn)路由，這樣即可以減少路由協(xié)議的開(kāi)銷，時(shí)延特性也得到了改善。

1 DZR協(xié)議

DZR協(xié)議應(yīng)用MIMO技術(shù)復(fù)用和分集的鏈路優(yōu)勢(shì)，通過(guò)前導(dǎo)控制信息來(lái)調(diào)配下層。DZR協(xié)議是基于MIMO技術(shù)和“雙環(huán)”技術(shù)的一種新型的Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議。根據(jù)MIMO技術(shù)的特點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)內(nèi)維護(hù)兩個(gè)環(huán)：“分集環(huán)”和“復(fù)用環(huán)”。一般情況下，在發(fā)射功率相同的條件下，中心節(jié)點(diǎn)通過(guò)分集方式可以覆蓋更遠(yuǎn)的距離，而通過(guò)復(fù)用方式覆蓋的距離較小，但可以獲得更大的傳輸速率。所以可以用“復(fù)用環(huán)”和“分集環(huán)”確定區(qū)域內(nèi)部。在“分集環(huán)”的區(qū)域內(nèi)部，使用“魚眼技術(shù)”的表驅(qū)動(dòng)式路由算法，每個(gè)節(jié)點(diǎn)周期性的與鄰節(jié)點(diǎn)交換路由信息；在“分集環(huán)”的區(qū)域外部，使用按需路由算法，并不主動(dòng)維護(hù)區(qū)域外節(jié)點(diǎn)的路由。

1.1 分集區(qū)域內(nèi)部路由

在分集區(qū)域內(nèi)部，采用表驅(qū)動(dòng)路由策略，每個(gè)節(jié)點(diǎn)按照“魚眼策略”以不同的周期分別與分集鄰節(jié)點(diǎn)交換路由信息。路由表用來(lái)維護(hù)節(jié)點(diǎn)知道的路由信息，本路由協(xié)議中的每一個(gè)路由條目使用以下域：目的節(jié)點(diǎn)IP地址，目的節(jié)點(diǎn)序號(hào)，下一跳節(jié)點(diǎn)IP地址，Metric，跳數(shù)，擴(kuò)展因子，上游節(jié)點(diǎn)列表，有效時(shí)間，路由標(biāo)志位。鄰節(jié)點(diǎn)表主要用來(lái)維護(hù)中心節(jié)點(diǎn)的鄰節(jié)點(diǎn)信息，通過(guò)維護(hù)鄰節(jié)點(diǎn)信息，中心節(jié)點(diǎn)可以及時(shí)的處理由于節(jié)點(diǎn)移動(dòng)或者信息改變帶來(lái)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞淖兓?。本路由協(xié)議的鄰節(jié)點(diǎn)表?xiàng)l目主要有以下域：鄰節(jié)點(diǎn)IP地址，序號(hào)，有效時(shí)間，擴(kuò)展因子。

區(qū)域內(nèi)路由行為描述包括三部分：表維護(hù)、sop包發(fā)送處理和sop包接收處理。

其中sop包發(fā)送處理和接收處理是技術(shù)的關(guān)鍵部分，復(fù)用方式發(fā)送的sop包包含中心節(jié)點(diǎn)和中心節(jié)點(diǎn)的復(fù)用鄰節(jié)點(diǎn)的最優(yōu)路由信息。發(fā)送時(shí)向MAC層提供擴(kuò)展因子(0,1)；分集方式發(fā)送的sop包應(yīng)該包含中心節(jié)點(diǎn)知道的該分集區(qū)域內(nèi)所有鄰節(jié)點(diǎn)的最優(yōu)路由信息。組包時(shí)首先查詢路由表有效路由條目，并根據(jù)鄰節(jié)點(diǎn)表判斷是否是鄰節(jié)點(diǎn)。如果是根據(jù)路由條目信息填寫sop包，否則就繼續(xù)查詢下一個(gè)路由條目。路由表查詢完畢，計(jì)算條目信息數(shù)目，填入sop包中的條目數(shù)域，向MAC層提供擴(kuò)展因子(1,K)。中心節(jié)點(diǎn)會(huì)不斷的收到來(lái)自鄰節(jié)點(diǎn)的sop包，根據(jù)這些sop包，中心節(jié)點(diǎn)獲得對(duì)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞恼J(rèn)知，通過(guò)計(jì)算機(jī)獲得到區(qū)域內(nèi)節(jié)點(diǎn)的路由信息。

1.2 分集環(huán)區(qū)域外部路由

分集環(huán)區(qū)域外部采用按需路由算法，當(dāng)源節(jié)點(diǎn)有業(yè)務(wù)要發(fā)送，但是路由表沒(méi)有對(duì)應(yīng)路由條目或者路由條目無(wú)效時(shí)，發(fā)起路由請(qǐng)求信息，查找路由。源節(jié)點(diǎn)有數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)查詢路由表，當(dāng)路由表沒(méi)表達(dá)到數(shù)據(jù)目的節(jié)點(diǎn)的路由條目，或者路由路由無(wú)效時(shí)，發(fā)起RREQ。如果路由表中沒(méi)有到達(dá)數(shù)據(jù)目的節(jié)點(diǎn)的路由條目，則目的節(jié)點(diǎn)序號(hào)初始化為0，否則填寫為路由條目中的目的節(jié)點(diǎn)序號(hào)，Metric和跳計(jì)數(shù)初始化為0。向MAC層提供擴(kuò)展因子(1,K)。

1.3 應(yīng)用層數(shù)據(jù)信息發(fā)送

源節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)層收到來(lái)自應(yīng)用層的數(shù)據(jù)包，首先給此數(shù)據(jù)包附一個(gè)ID_DATA，此ID_DATA與源節(jié)點(diǎn)IP地址唯一的標(biāo)識(shí)了一個(gè)應(yīng)用層數(shù)據(jù)包。然后提取數(shù)據(jù)包中的目的節(jié)點(diǎn)IP地址在路由表中查找是否存在有效路由。中間節(jié)點(diǎn)首先提取網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)包包頭中的下跳區(qū)域節(jié)點(diǎn)IP地址域，判斷自己是否就是此下跳邊界節(jié)點(diǎn)。如果是，則在路由表查找到達(dá)數(shù)據(jù)包目的節(jié)點(diǎn)的有效路由。

1.4 路由參數(shù)Metric設(shè)計(jì)

本協(xié)議中使用的路由Metric是基于對(duì)網(wǎng)絡(luò)吞吐率和端到端時(shí)延性能的綜合考試而提出的，主要包含了如下兩部分：

其中N為鄰節(jié)點(diǎn)表的長(zhǎng)度，Nd為鄰節(jié)點(diǎn)表中分集鄰節(jié)點(diǎn)的個(gè)數(shù)，Nm為鄰節(jié)點(diǎn)表中復(fù)用鄰節(jié)點(diǎn)的個(gè)數(shù)，QUdiv為數(shù)據(jù)緩存隊(duì)列中以分集方式發(fā)送的數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度之和；QUmax為數(shù)據(jù)緩存隊(duì)列中以復(fù)用方式發(fā)送的數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度之和；QUunknown為數(shù)據(jù)緩存隊(duì)列中發(fā)送方式未知的數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度之和。

2 仿真與結(jié)果分析

現(xiàn)在的主流網(wǎng)絡(luò)仿真軟件有OPNET和NS2，因?yàn)镺PNET可以支持大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)的仿真，本文采用OPNET作為仿真工具，在該工具上建立網(wǎng)絡(luò)模型，并對(duì)該模型進(jìn)行仿真。

接下來(lái)將DZR協(xié)議的仿真結(jié)果與SISO鏈路的ZRP協(xié)議（ZRP）、全復(fù)用鏈路的ZRP（MUX）協(xié)議和全分集鏈路的ZRP協(xié)議（DIV）進(jìn)行對(duì)分析，對(duì)DZR協(xié)議和ZRP協(xié)議的仿真采用的都是收發(fā)天線數(shù)K=2的MIMO傳輸系統(tǒng)。而MIR協(xié)議的仿真采用的是收發(fā)天線數(shù)K=4的MIMO傳輸系統(tǒng)。我們將從業(yè)務(wù)負(fù)載大小、節(jié)點(diǎn)密度變化以及節(jié)點(diǎn)移動(dòng)性等方面對(duì)網(wǎng)絡(luò)吞吐量性能和時(shí)延性能指標(biāo)進(jìn)行仿真分析。

2.1 業(yè)務(wù)量變化

業(yè)務(wù)量的變化我們可以通過(guò)先固定發(fā)包的節(jié)點(diǎn)數(shù)，變化上層數(shù)據(jù)包的到達(dá)率來(lái)看業(yè)務(wù)量的變化。我們仿真設(shè)置上層包到達(dá)率為4pks/s，6pks/s，8pks/s，10pks/s四種情況，仿真結(jié)果如圖1所示，可以得到DZR協(xié)議的吞吐量性能明顯高于其他幾種路由協(xié)議，其次高的是全分集鏈路的ZRP協(xié)議，而全復(fù)用鏈路的ZRP協(xié)議的吞吐性能只是略微高于SISO鏈路的ZRP協(xié)議，MIR協(xié)議的性能則一般。對(duì)于α=1和α=1/8的DZR協(xié)議來(lái)說(shuō)，在4pks/s時(shí)，α=1時(shí)DZR協(xié)議的吞吐性能略優(yōu)于α=1/8時(shí)DZR協(xié)議的吞吐性能，但隨著包到達(dá)的增大，這種優(yōu)勢(shì)不僅消失。

圖2 端到端時(shí)延性能曲線

從圖2可知幾種協(xié)議在包到達(dá)率等于4pks/s的MAC層接入時(shí)延性能基本一致，當(dāng)包到達(dá)率增大到8pks/s時(shí)，基于全分集鏈路和SISO鏈種的ZRP協(xié)議，以及MIR協(xié)議的MAC層接入時(shí)延性能已經(jīng)惡化到我們所設(shè)定的最大值，而使用全復(fù)用鏈路的ZRP協(xié)議的MAC層接入時(shí)延也增長(zhǎng)很多，但是DZR協(xié)議的端到端時(shí)延雖然有所增長(zhǎng)，但是增長(zhǎng)不多。

2.2 節(jié)點(diǎn)密度變化

節(jié)點(diǎn)密度的大小和吞吐性能有直接的關(guān)系，當(dāng)節(jié)點(diǎn)密度很低時(shí)，會(huì)出現(xiàn)源節(jié)點(diǎn)無(wú)法成功尋找到目的節(jié)點(diǎn)的路由。我們對(duì)節(jié)點(diǎn)數(shù)100的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行仿真，采用隨機(jī)分布模型，隨機(jī)選擇15個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)包，每個(gè)節(jié)點(diǎn)的發(fā)包頻率為4pkts/s，每個(gè)數(shù)據(jù)包的大小為4Kbits，物理信道速率為2Mbps。

從圖3中可以看出，在網(wǎng)絡(luò)邊長(zhǎng)為500m和600m時(shí)，DZR協(xié)議的性能為最優(yōu)，其次為MIR協(xié)議和全分集鏈路的ZRP協(xié)議，性能最差的為ZRP協(xié)議和使用全復(fù)用鏈路的ZRP協(xié)議。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)邊長(zhǎng)繼續(xù)增加到700m和800m時(shí)， =1/8的DZR協(xié)議的吞吐性能出現(xiàn)了急劇惡化，網(wǎng)絡(luò)密度的減少對(duì) =1/8時(shí)的DZR協(xié)議產(chǎn)生了嚴(yán)重的影響，而對(duì) =1時(shí)的DZR協(xié)議則影響很小。

DZR協(xié)議由于可以同時(shí)使用分集和復(fù)用鏈路，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)密度變化時(shí)，吞吐性能和時(shí)延性能受影響最小，因此性能表現(xiàn)最優(yōu)。而使用SISO鏈路和全復(fù)用鏈路的ZRP協(xié)議，節(jié)點(diǎn)的通信范圍不能擴(kuò)展，受網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)密度影響最大，性能也就表現(xiàn)最差。

圖3 網(wǎng)絡(luò)吞吐率-網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景邊長(zhǎng)線性圖

圖4 端到端時(shí)延性能曲線

[1]張敏華,顧劍峰,倪衛(wèi)明.基于交叉層設(shè)計(jì)的MIMO Ad-hoc網(wǎng)絡(luò)的MAC層調(diào)度算法[J].信息與電子工程,2008,6(6).

[2]屠梓浩,吳榮泉,錢立群.無(wú)線Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)DSR路由協(xié)議的優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)工程,2009,35(4):97-99.

[3]張祖凡,張紅兵.LTE-Advanced系統(tǒng)中的MIMO技術(shù)性能評(píng)估[J].重慶郵電大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2010,22(2).

An Ad hoc network routing protocol base on DZR

YANG Wen-li

本文通過(guò)對(duì)MIMO復(fù)用技術(shù)和分集技術(shù)的研究 ，提出一種DZR ( Double Zone Routing ) 雙區(qū)域路由協(xié)議，有效的將路由技術(shù)和 MIMO傳輸技術(shù)相結(jié)合，提升了網(wǎng)絡(luò)吞吐性能。最后在OPNET仿真軟件中，從業(yè)務(wù)負(fù)載、節(jié)點(diǎn)場(chǎng)景密度以及移動(dòng)性方面對(duì)其進(jìn)行了網(wǎng)絡(luò)仿真，在結(jié)果分析中驗(yàn)證了DZR協(xié)議的綜合性能優(yōu)勢(shì)，并在測(cè)試平臺(tái)下驗(yàn)證了DZR協(xié)議的可實(shí)用行。

MIMO技術(shù)；DZR協(xié)議；Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)；路由協(xié)議

楊文利（1970 -），男，河北秦皇島人，副教授，研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)技術(shù)及應(yīng)用。

TN915

A

1009-0134(2011)5(上)-0093-03

10.3969/j.issn.1009-0134.2011.5(上).32

2010-12-30