采用定向天線的移動自組網(wǎng)路由技術(shù)研究

王　維　李　穎　李洪生

【摘要】定向天線能有效提升移動自組網(wǎng)路由協(xié)議DRP的性能。文章對移動自組網(wǎng)中引入定向天線的好處作了簡要介紹,重點(diǎn)對其關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了歸納研究,最后對定向路由的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了小結(jié)。

【關(guān)鍵詞】移動自組織網(wǎng)絡(luò) 定向天線 路由技術(shù) DRP

1 引言

移動自組織網(wǎng)絡(luò)(MANET,Mobile Ad Hoc Network)路由協(xié)議是目前無線網(wǎng)絡(luò)研究的熱點(diǎn)之一,近年來人們對移動自組織網(wǎng)技術(shù)持續(xù)增長的興趣引發(fā)了許多路由協(xié)議方案的提出。移動自組網(wǎng)中路由設(shè)計(jì)出現(xiàn)困難的重要原因就是:網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的高動態(tài)性和無線信道的時(shí)變性。采用全向天線時(shí),路由發(fā)現(xiàn)過程中大量查詢包的全網(wǎng)洪泛,消耗了有限的無線帶寬資源,且可能會帶來廣播風(fēng)暴和信號干擾等諸多問題,限制了MANET的應(yīng)用。為此,大量的研究者改變了原始的在全向天線模式下進(jìn)行路由設(shè)計(jì)和改進(jìn)的思維模式,提出基于定向天線的移動自組網(wǎng)路由的思想,希望以此提升移動自組網(wǎng)的性能。

2 引入定向天線的好處

把定向天線引入移動自組網(wǎng)中的研究最早見于上世紀(jì)八十年代末,N.Pronios率先提出了此項(xiàng)技術(shù)[1]。采用定向天線,節(jié)點(diǎn)能夠把發(fā)射能量集中起來朝其目的節(jié)點(diǎn)的方向發(fā)送,在很大程度上減少了區(qū)域內(nèi)鄰近節(jié)點(diǎn)之間的干擾,在正確的方向上產(chǎn)生更高的信噪比SNR,增大了傳輸距離和數(shù)據(jù)率,增強(qiáng)了鏈路的魯棒性,也減少了相同傳輸距離下的節(jié)點(diǎn)功耗。它使多個(gè)節(jié)點(diǎn)可以同時(shí)傳輸,在很大程度上提高了網(wǎng)絡(luò)的空間復(fù)用度;而且通過定向傳輸和接收帶來的額外增益也使遠(yuǎn)距離節(jié)點(diǎn)間的通信成為可能,提高了網(wǎng)絡(luò)吞吐量。此外,定向通信可以很好地解決全向通信中的隱藏終端和暴露終端問題,以及文獻(xiàn)[2]提出的如何發(fā)現(xiàn)下一跳節(jié)點(diǎn)位置并與其波束相對、鄰節(jié)點(diǎn)由于運(yùn)動而引起其所在波束的變化、“聽不見”帶來的路由斷鏈等定向路由問題。

3 定向路由中的主要技術(shù)

對定向天線應(yīng)用于Ad hoc網(wǎng)絡(luò)的早期研究,較多的集中在物理層上的能量控制與波束形成方面,目前主要集中在MAC層和鏈路層協(xié)議的鄰節(jié)點(diǎn)發(fā)現(xiàn)機(jī)制及多址接入方式中采用定向傳輸控制,在路由協(xié)議中采用定向天線的研究則比較有限[3-5]。現(xiàn)有定向路由方案大多是對目前已有全向路由方案進(jìn)行修改,來適應(yīng)定向通信的要求,進(jìn)行包的定向傳送。其主要集中在對采用全向天線的反應(yīng)式(按需)路由的改進(jìn)來實(shí)現(xiàn),如利用方向估算來限制路由請求包定向洪泛范圍的按需型定向路由[4];或者是通過與MAC的跨層交互來實(shí)現(xiàn),如使用定向鄰節(jié)表DNT來和MAC層交互共享的DRP[2]、基于DiMAC多址協(xié)議的DDSR[3]等。此外,還有基于發(fā)送方向來限制路由請求洪泛范圍的先應(yīng)式路由。目前,還未有人提出完全適合定向通信環(huán)境的完整路由協(xié)議方案,現(xiàn)有基于定向天線的移動自組網(wǎng)路由協(xié)議解決的主要技術(shù)問題[6]有:

(1)路由環(huán)路避免

環(huán)路將導(dǎo)致路由錯(cuò)誤,浪費(fèi)大量的帶寬資源,嚴(yán)重影響路由協(xié)議的性能,無環(huán)路是保證路由協(xié)議正確性的一個(gè)基本要求。源路由協(xié)議中的路由信息標(biāo)記在數(shù)據(jù)分組和路由控制分組的頭部,本身能夠環(huán)路避免。鏈路狀態(tài)協(xié)議是在得到全部網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫畔⒌臈l件下進(jìn)行路由計(jì)算的,所以也不會產(chǎn)生環(huán)路。距離矢量路由協(xié)議采用信息標(biāo)識技術(shù)來解決路由環(huán)路問題?？梢?由于定向天線的特性,基于定向天線的移動自組網(wǎng)路由協(xié)議本身就具有路由環(huán)路避免的功能。

(2)路由選擇

路由選擇是指根據(jù)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)信息和用戶業(yè)務(wù)狀態(tài)信息選擇最佳的路徑,負(fù)責(zé)確定把所收到的分組轉(zhuǎn)發(fā)到哪一個(gè)鏈路接口。影響路由選擇判決的主要因素:①故障:當(dāng)一個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)生故障或中繼鏈路斷鏈時(shí),就不能被用作路由的一部分。②擁塞:當(dāng)網(wǎng)絡(luò)十分擁塞時(shí),最好讓分組繞道而行,而不是從發(fā)生擁塞的區(qū)域穿過。為此,定向路由選擇策略需滿足以下原則:①以路徑長度、穩(wěn)定性、鏈路狀態(tài)等參數(shù)或它們的組合作為路由度量,選擇滿足負(fù)載最輕或延遲最短等約束條件的最優(yōu)路徑。②使用有關(guān)擁塞的參數(shù)(如隊(duì)列長度),而不只采用跳數(shù)來評估路由,選擇網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)流量較小的路徑,從而減少端到端時(shí)延。

(3)路由重構(gòu)

路由重構(gòu)實(shí)質(zhì)上是對網(wǎng)絡(luò)動態(tài)性的適應(yīng)。移動自組網(wǎng)的高度動態(tài)性必將導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)間鏈路變化,路由失效或斷鏈,需以最快的速度通知其它節(jié)點(diǎn),來重新調(diào)整和計(jì)算最短路由。通常路由重構(gòu)有3種方法:備份路由,路由失效節(jié)點(diǎn)通知源節(jié)點(diǎn)重新計(jì)算路由,在路由失效節(jié)點(diǎn)處進(jìn)行局部路由修復(fù)。在自組網(wǎng)中,更適合采用局部鏈路修復(fù)技術(shù),將這種變化限制在局部區(qū)域內(nèi)。這實(shí)際上是放棄對最優(yōu)路徑的追求,在保持路由連通性的前提下,減少路由開銷,縮短路由恢復(fù)時(shí)間。文獻(xiàn)[4]就是結(jié)合定向天線采用局部路由修復(fù)的方法,對由網(wǎng)絡(luò)動態(tài)性引起的斷鏈問題進(jìn)行恢復(fù)。

(4)路由開銷

路由開銷是衡量移動自組網(wǎng)路由協(xié)議性能的重要指標(biāo),可以用單位時(shí)間內(nèi)路由控制分組的傳輸量來表示。自組網(wǎng)的無線信道所能提供的網(wǎng)絡(luò)帶寬資源十分有限,大量的路由控制開銷會造成網(wǎng)絡(luò)擁塞,引發(fā)數(shù)據(jù)延遲甚至丟失。因此,必須控制路由協(xié)議開銷,提高網(wǎng)絡(luò)的整體性能。定向路由協(xié)議的設(shè)計(jì)過程也就是對現(xiàn)有路由協(xié)議的優(yōu)化過程,即在滿足分組傳輸要求的基礎(chǔ)上盡量減少路由開銷,從而提高網(wǎng)絡(luò)的吞吐量。

(5)路由表維護(hù)

由于節(jié)點(diǎn)的移動性,路由信息不斷變化,存儲在節(jié)點(diǎn)中的路由表很可能會過時(shí),因此需要不斷更新維護(hù)。定向路由協(xié)議中表的維護(hù)需考慮天線的不同波束號,如文獻(xiàn)[2]中的定向路由協(xié)議包含一個(gè)定向路由表DRT的建立與維護(hù)機(jī)制,維護(hù)到不同目的節(jié)點(diǎn)的路由信息,以及節(jié)點(diǎn)在傳輸過程中用來接收包所用的天線波束的ID號。

4 小結(jié)

由于移動自組網(wǎng)具有一般自組網(wǎng)的共性,如:網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的動態(tài)變化、無線傳輸帶寬有限、移動終端受限、存在單向信道等,采用定向天線的移動自組網(wǎng)路由技術(shù)問題一直存在。目前的研究主要集中在對路由的選擇和維護(hù)進(jìn)行改進(jìn),最終目標(biāo)是獲得網(wǎng)絡(luò)性能指標(biāo)的提高。

參考文獻(xiàn)

[1]Pronios N. Performance considerations for slotted spread-spectrum random access network with directional antennas[C]. IEEE GLOBECOM,Nov. 1989.

[2]Hrishikesh Gossain,Tarun Joshi,Carlos De Morais Cordeiro,et al. DRP: An Efficient Directional Routing Protocol for Mobile Ad Hoc Networks[J]. IEEE TRANSACTIONS ON PARALLEL AND DISTRIBUTED SYSTEMS, 2006,17(12).

[3]Romit Roy Choudhury,Nitin H. Vaidya. Ad Hoc Routing Using Directional Antennas[R]. Illinois Computer Systems Symposium(ICSS),Technical Report August May 2002,UIUC.

[4]Nasipuri A,et al. On-Demand Routing Using Directional Antennas in Mobile Ad Hoc Networks[C]. Proc. of the IEEE WCNC,2000.

[5]Choudhury R R,Vaidya N. Impact of Directional Antennas on Ad Hoc Routing[C]. Eighth International Conference on Personal Wireless Communication(PWC), Venice,Italy,September 2003.

[6]于宏毅,等. 無線移動自組織網(wǎng)[M]. 北京: 人民郵電出版社,2005.★

【作者簡介】

王維:重慶通信學(xué)院在讀研究生,主要研究方向?yàn)闊o線移動自組織網(wǎng)絡(luò)。

李穎:重慶通信學(xué)院軍事信息工程系副教授,主要研究方向?yàn)閿?shù)據(jù)鏈技術(shù)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息安全等。

李洪生:重慶通信學(xué)院在讀研究生,主要研究方向?yàn)榛诙ㄏ蛱炀€的Ad hoc網(wǎng)絡(luò)。