基于定向天線的移動自組網(wǎng)路由協(xié)議研究

王 維， 李 穎， 李洪生

（重慶通信學院 數(shù)據(jù)鏈教研室，重慶 400035）

0 引言

移動自組網(wǎng)（MANET）又稱移動分布式多跳無線網(wǎng)，是由若干帶有無線收發(fā)裝置的移動節(jié)點構(gòu)成的一個多跳的、點對點的、具有自組織功能的臨時性無線通信網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點之間是通過多跳數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)機制進行數(shù)據(jù)交換，需要路由協(xié)議進行分組轉(zhuǎn)發(fā)決策。當前大多數(shù)路由協(xié)議的設(shè)計都是基于全向天線發(fā)送/接收進行，全向路由對節(jié)點移動導致的網(wǎng)絡(luò)拓撲變化比較敏感，如果節(jié)點的運動速度較高,傳輸鏈路極易發(fā)生斷裂造成通信中斷,而重新發(fā)起的路由尋路過程又會帶來更大的時延，此外，還有信號干擾等問題。這與信息時代對通信迅速、準確、高效、安全的要求很不相適應(yīng)，特別是在軍事作戰(zhàn)、搶險救災(zāi)等需要保證通信鏈路快捷連通性和實時性的緊急場合下，設(shè)計適用方向性天線的移動自組網(wǎng)路由協(xié)議就顯得非常迫切。因此，基于定向天線的移動自組網(wǎng)路由協(xié)議逐漸成為當前自組網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)中的研究熱點。

1 定向天線簡介

定向天線是指發(fā)射及接收電磁波在某一個或某幾個特定方向上特別強，而在其它方向上則為零或極小的一種天線，即：有一個或多個輻射與接收能力最大方向的天線。它在水平方向圖上表現(xiàn)為一定角度范圍輻射，在垂直方向圖上表現(xiàn)為有一定寬度的波束，突出的方向性是其最顯著特點。根據(jù)定向天線波束形成方式的不同，可分為三大類[1]：波束切換天線、波束跟蹤天線和自適應(yīng)陣列天線 (也可分為預多波束形成和自適應(yīng)波束形成兩大類[2]，并統(tǒng)稱智能天線）。其主要原理[3]是利用數(shù)字信號處理技術(shù)，采用先進的波束轉(zhuǎn)換技術(shù)和自適應(yīng)空間數(shù)字處理技術(shù)，產(chǎn)生空間定向波束，使天線主波束即最大增益點對準用戶信號到達方向，旁瓣或零陷對準干擾信號到達方向，達到充分高效利用移動用戶信號并刪除或抑制干擾信號的目的。它除了具有一定數(shù)目的天線陣元外，還有一個組合/拆分網(wǎng)絡(luò)單元和一個控制單元，控制單元通常是通過一個數(shù)字信號處理器 DSP來工作,這也是智能天線的智能所在。

2 引入定向天線產(chǎn)生的路由問題

2.1 定向天線波束轉(zhuǎn)換

采用定向天線的節(jié)點需隨時知道其鄰節(jié)點處于自己的哪個天線波束內(nèi)，以及何時讓自己的波束指向目的加點，即如何發(fā)現(xiàn)下一跳節(jié)點并與其實現(xiàn)波束相對，這樣節(jié)點之間才能更好更快地選通路由，從而建立通信連接（這實際是天線波束對準問題）[4]。所以設(shè)計定向路由時，需注意傳輸范圍內(nèi)下一跳節(jié)點的位置移動,這時發(fā)送數(shù)據(jù)的節(jié)點需調(diào)整自己的波束單元,以便能夠繼續(xù)與目的節(jié)點的波束相對。這對采用波束切換天線的節(jié)點尤為重要,因為波束切換天線不能持續(xù)跟蹤下一跳節(jié)點的位置移動。為此,有些協(xié)議使用天線波束ID號[5]或天線單元方位標志符[6],來記錄不同的天線方向，在下一跳節(jié)點移出源節(jié)點通信范圍時，幫助源節(jié)點估算它與目的節(jié)點之間的相對角度方位，來進行波束轉(zhuǎn)換。此外還可采取與MAC層交互共享、借助輔助位置信息等。

2.2 定向洪泛開銷問題

雖然利用定向天線來限制查詢包的定向洪泛區(qū)域，比全網(wǎng)洪泛具有很大優(yōu)勢，但如果定向洪泛路由發(fā)現(xiàn)失敗，路由重構(gòu)過程中的定向掃描會造成包的廣播冗余，并引起路由發(fā)現(xiàn)時延增長和額外的能量消耗。因此，提高定向洪泛路由發(fā)現(xiàn)的成功率，盡量少掃描或不掃描，盡快恢復或重構(gòu)路由，并保證激活流不被丟棄，是降低定向洪泛開銷的重要手段。目前提出的解決方法主要有：①局部斷鏈路由修復法。如文獻[5]提出利用兩跳方向局部恢復階段和帶狀區(qū)域路由修復法進行斷鏈修復；②預先位置估計法。如文獻[6]提出利用源節(jié)點所存儲的路由信息，來估算目的節(jié)點與源節(jié)點的相對位置，判斷目的節(jié)點的大概方向；③負載度量準則法。如采用路徑上所有節(jié)點的隊列長度集合作為進行路由選擇負載準則的LSR協(xié)議[7]等。

3 現(xiàn)有定向路由協(xié)議的分類和介紹

3.1 現(xiàn)有定向路由協(xié)議的分類

根據(jù)路由策略和角度的不同, 可把定向路由如下分類(如圖1示)。

①根據(jù)路由發(fā)現(xiàn)的時機不同，可分為主動型(或先應(yīng)式)路由和按需型(或反應(yīng)式)路由；

②根據(jù)是否使用輔助條件獲取節(jié)點位置信息，可分為地理位置輔助型和非地理位置輔助型路由。前者主要是指需借助 GPS、北斗等導航定位系統(tǒng)的路由；后者主要指基于拓撲的路由，如采用估計法進行預先位置估測的路由、與MAC層進行交互共享的路由等；

③根據(jù)節(jié)點通信時的數(shù)據(jù)傳輸模式不同，可分為混合型路由和單一型路由。前者主要是指采用定向發(fā)送/全向接收、定向接收/全向發(fā)送混合控制方式的路由；后者是指發(fā)送和接收都采用定向模式的純定向通信路由；

④根據(jù)路由獲取的策略不同，可分為單路徑型路由和多路徑型路由(如文獻[8-9])；

⑤根據(jù)路由壓縮[10]時采用的路由度量的不同，可分為以路徑長度(跳數(shù))、鏈路狀態(tài)(主要是指鏈路的穩(wěn)定性和可靠性)、能量消耗等參數(shù)或它們的組合作為標準來進行評估的路由。

圖1 Ad Hoc定向路由的分類

3.2 現(xiàn)有的一些典型定向路由協(xié)議

目前對于在路由協(xié)議中采用定向天線的研究還比較有限[6]，還未有人提出一個針對純定向通信環(huán)境完全適合的完整的定向路由協(xié)議方案?，F(xiàn)有比較典型的定向路由方案有：

（1）采用定向天線的按需型定向路由方案

文獻[6]中Nasipuri等.以波束轉(zhuǎn)換天線為例，提出利用源節(jié)點所存儲的路由信息，通過估算目的節(jié)點相對于源節(jié)點的位置，判斷目的節(jié)點的大概方向，在路由發(fā)現(xiàn)階段有選擇性的選用合適的天線方向發(fā)送，來限制查詢包的傳播和新路由建立的發(fā)現(xiàn)搜索區(qū)域，并提出了兩個路由再發(fā)現(xiàn)時限制定向發(fā)送查詢包搜尋的方案，減少了路由包的發(fā)送數(shù)量，節(jié)省了無線帶寬，從而降低了路由開銷。當定向搜索成功時該方案的路由發(fā)現(xiàn)時間和端對端平均時延均會降低，但當由于移動性等因素目的節(jié)點不在搜索區(qū)時，定向搜索失敗后轉(zhuǎn)向全網(wǎng)泛洪時則時延增長。

（2）定向路由協(xié)議DRP

DRP是一個能實現(xiàn)路由和MAC跨層交互的按需定向路由協(xié)議，其主要特征是包含了一個高效的路由發(fā)現(xiàn)機制、定向路由表DRT和定向鄰節(jié)表DNT的建立與維護機制以及新的路由恢復機制。與DSR不同的是：DRP[4-5]除了維護在傳輸路徑中的節(jié)點ID號外，還要維護存儲在DRT中的節(jié)點用來接收包時所用的天線波束的ID號，而DNT中的信息用來在進行RTS-CTS掃描時和MAC層交互共享使用。路由發(fā)現(xiàn)時，如果目的節(jié)點不在源節(jié)點的DNT中，DRP會對網(wǎng)絡(luò)中的RREQ包進行一個廣播最優(yōu)化來減少包冗余和路由發(fā)現(xiàn)延遲。其對下一跳節(jié)點位置的維護主要存在三個階段：①位置跟蹤階段②兩跳方向局部恢復階段③路由恢復階段。

（3）采用定向天線的動態(tài)源路由協(xié)議DDSR

為了和某個鄰節(jié)點通信，源節(jié)點利用存儲在節(jié)點緩存中的查詢表，根據(jù)其記錄的上次成功與目的節(jié)點傳輸?shù)奶炀€陣元(i)發(fā)起定向RREQ，當查詢失敗后，混合使用DiMAC中的全網(wǎng)掃描搜索機制，但這會產(chǎn)生比全向廣播時多N倍的額外時延，減少了因傳輸范圍的增加而帶來的路由跳數(shù)減少的好處。雖然DDSR[11-12]采用定向天線實現(xiàn)較長距離、較小跳數(shù)的傳輸，但吞吐量卻不高，主要原因有兩個： ①次佳路由的選用；②節(jié)點的線性拓撲排列使定向天線的性能變差。做出的改進是： ①利用路由回復延時來提高吞吐量；②利用定向選擇傳輸來控制路由開銷；③局部搜索。

（4）DAPR協(xié)議

DAPR[13]是一個基于發(fā)送方向的先應(yīng)式路由協(xié)議，對于某個目的節(jié)點，它只知道包的發(fā)送方向，選用該方向上的一個鄰節(jié)點，利用每個節(jié)點存儲的路由表來進行數(shù)據(jù)包傳遞。路由表包含著所有已知目的節(jié)點及其方向，使用目的節(jié)點序列號來避免路由環(huán)路。DAPR和MAC層相獨立，任何能在采用定向天線下工作并能提供方向信息的MAC協(xié)議都能與之兼容。由于DAPR中的包傳遞是基于方向而不是基于下一跳的，鏈路中斷并不改變目的節(jié)點的方向信息，所以斷鏈對DAPR的影響不大，當鏈路中斷頻繁時能減少其路由開銷。

（5）DAPOS協(xié)議

以往的定向路由方案關(guān)注的大多都是網(wǎng)絡(luò)吞吐量或連通性方面的提高增強，DAPOS[14]則是一個能發(fā)現(xiàn)更高效路由的新方案，它使每個節(jié)點通過利用定向天線的高接收增益來優(yōu)化路由。洪泛時，接收到請求包的節(jié)點首先判斷它與轉(zhuǎn)播該包的上一跳中間節(jié)點之間的鏈路狀態(tài)：假設(shè)每個節(jié)點都能通過GPS等位置探測裝置來獲知自己的位置信息，轉(zhuǎn)播RREQ包的節(jié)點就把其位置信息和發(fā)送功率水平添加到請求包中，接收到請求包的節(jié)點就能根據(jù)包中所含的位置信息及其自己的位置信息，利用公式，算出其與上一跳轉(zhuǎn)播RREQ包的中間節(jié)點之間的距離d及接收功率 PR，如果 PR大于門限值RX-THresh ,則認為這兩個節(jié)點之間是定向鏈接，也就意味著它們之間可以不需要中間節(jié)點就能直接通信，這樣接收到請求包的節(jié)點就會從該路由上刪除其上一跳節(jié)點，實現(xiàn)自動路由縮短，這個過程一直重復直到最終到達目的節(jié)點。

（6）SO-FSR協(xié)議

SO-FSR[15]是對FSR的改進，不同的是：除了鏈路狀態(tài)信息和相應(yīng)的序列號，還維護一個拓撲表TT，來存儲位置信息。發(fā)送數(shù)據(jù)時，SO-FSR先在表中查找，如果目的節(jié)點是第一跳鄰節(jié)點，則采用全向發(fā)送；否則，從目的節(jié)點開始，分析路由上的每一個節(jié)點，一旦發(fā)現(xiàn)某個距離小于 R R(φ,θ,方位角θ的節(jié)點，就用保密功率控制算法來看節(jié)點是否可達，如可達則通知MAC層使用指定的最大發(fā)送功率進行定向發(fā)送，否則，繼續(xù)分析下一個節(jié)點，直到有第一跳鄰節(jié)點被發(fā)現(xiàn)，然后就進行全向發(fā)送[16]。對SO-FSR進行了性能仿真的擴展研究。

（7）采用定向天線的LSR協(xié)議

LSR[7]采用路徑上所有節(jié)點的隊列長度集合作為進行路由選擇的負載準則,它對DSR作了修改，其負載是指在節(jié)點中排隊的包的數(shù)量。當源節(jié)點要發(fā)送數(shù)據(jù)時，它先在其路由表中查詢，若存在到目的節(jié)點的路由則就使用，否則就產(chǎn)生一個RREQ信息，目的節(jié)點只對以前沒收到過的或比已有更好的RREQ包做出回復（為避免負載信息過時，中間節(jié)點不緩存來自RREQ或RREP的路由，也不做出回復）。在數(shù)據(jù)傳送時，如果擁塞高過門限，目的節(jié)點就會向源節(jié)點發(fā)出RREQ包，源節(jié)點利用RREQ包上的負載信息來選擇最佳路由，不需回復。為了減少目的節(jié)點發(fā)出的RREQ包開銷，目的節(jié)點維持一個總量計時器(10 s)，來限制其產(chǎn)生的RREQ包數(shù)量，另外，還維護一個可根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的負載狀況進行動態(tài)調(diào)整的總量門限值。

（8）DA-MLAR協(xié)議

DA-MLAR[17]是對MLAR在定向天線條件下的擴展。它采用定向天線使只在目標節(jié)點方向上的節(jié)點參與通信，矩形區(qū)域內(nèi)外的節(jié)點相互獨立、互不影響，提高了空間復用度，且避免了網(wǎng)絡(luò)分割。為避免“聽不見(Deafness)”問題, DA-MLAR中節(jié)點一直保持全向模式，除了當發(fā)送數(shù)據(jù)包時和發(fā)生路由錯誤或失敗重新廣播時應(yīng)用定向通信，以保證數(shù)據(jù)包可以發(fā)送到接收節(jié)點，因為即使它運動出節(jié)點全向通信的范圍，但仍在定向通信范圍內(nèi)。文獻[9]對DA-MLAR進行了優(yōu)化,提出了一個按需功率發(fā)送的多路徑位置輔助路由DA-MLAR-ODTP。它有三個不同的發(fā)送模式：低功率發(fā)送模式、默認發(fā)送模式和高功率發(fā)送模式，根據(jù)計算的發(fā)送節(jié)點和目的節(jié)點或下一條節(jié)點之間的距離，來選擇不同的發(fā)送功率，從而得到更好的性能。結(jié)果表明：在總功耗相同的情況下，它比DA-MLAR的分組投遞率提高了37 %，端到端時延減少了57 %。

4 現(xiàn)有典型定向路由協(xié)議的比較

移動自組網(wǎng)定向路由協(xié)議也應(yīng)滿足可分布式運行、提供無環(huán)路由、支持單向信道、可擴展性等要求（表1是根據(jù)以上要求對現(xiàn)描述的典型定向路由協(xié)議特點進行的比較）。衡量路由協(xié)議性能好壞的兩個重要指標是路由發(fā)現(xiàn)時延和路由開銷，此外還有分組投遞率、端到端平均時延、平均跳數(shù)(又稱路徑長度)、吞吐量、路由生存時間(也稱路由壽命）等參數(shù)[18](表2是定向路由協(xié)議與全向路由相比性能優(yōu)劣的比較)。為方便和統(tǒng)一起見，表中用很小、較小、小、一般、大五個等級標準來詳細描述路由性能的優(yōu)劣。

表 1 移動自組網(wǎng)定向路由協(xié)議特點比較

表 2 移動自組網(wǎng)定向路由協(xié)議性能比較(與全向路由相比)

從上述分析可以看出：大部分定向路由協(xié)議是對目前已有全向路由方案進行修改，利用定向天線的窄波束高增益特征來擴充網(wǎng)絡(luò)容量或減少沖突比率，來適應(yīng)定向通信的要求，僅有小部分定向路由協(xié)議是利用定向天線的其他特征(如：高功率強度，這能導致比較大的通信范圍及較遠的通信距離或較短的路由)；不同的天線輻射方向圖影響著不同路由協(xié)議的設(shè)計，由于可以工作在定向和全向兩種模式下，波束切換天線是目前設(shè)計定向路由時采用較為普遍的定向天線；如何快速高效地適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)的動態(tài)變化仍是基于定向天線的移動自組網(wǎng)路由協(xié)議的主要問題；提供無環(huán)路由和分布式運行是設(shè)計路由協(xié)議的基本要求；按需操作是多數(shù)協(xié)議的基本特性；位置信息對于采用方向性天線的移動自組網(wǎng)路由非常有利；采用定向天線對網(wǎng)絡(luò)性能指標的優(yōu)化提高影響較大。此外，網(wǎng)絡(luò)場景的選擇對協(xié)議性能的影響也很大，如文獻[19]通過仿真證明：采用定向天線的DSR協(xié)議不大適合高密度和線性拓撲結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)，但在稀疏節(jié)點條件下的網(wǎng)絡(luò)場景中性能較好。

5 結(jié)語

采用定向天線，節(jié)點能夠把發(fā)射能量朝其目的節(jié)點的方向進行集中發(fā)送，減少了不必要方向上的干擾，能夠獲得更好的信噪比(SNR)和更高的數(shù)據(jù)率，提高了網(wǎng)絡(luò)的空間復用度和吞吐量，而且通過定向傳輸或接收帶來的額外增益也使遠距離節(jié)點間的通信成為可能。但定向路由在路由開銷控制、端到端平均時延、吞吐量等方面存在折中[19]：天線方向性帶來的低跳數(shù)和高空間復用度降低了路由發(fā)現(xiàn)延遲，但波束掃描及次佳路由的存在卻增加了延遲，及網(wǎng)絡(luò)和底層硬件切換開銷。這里因為采用定向天線進行路由發(fā)現(xiàn)策略時會存有矛盾[11-12]：定向天線更長的傳輸距離需要更窄的波束寬，更窄的波束寬度需要更多的天線陣元，更多的天線陣元帶來更大的掃描時延及更多聾節(jié)點。所以，選用天線模型的陣元多少、節(jié)點移動的快慢、發(fā)起路由的頻率等網(wǎng)絡(luò)動態(tài)信息是基于定向天線的移動自組網(wǎng)路由協(xié)議實現(xiàn)最優(yōu)所要尋找的平衡點，要結(jié)合不同的實際需要及定向天線的特點，盡可能在期望的網(wǎng)絡(luò)性能指標參數(shù)上得到所需的結(jié)果。

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