一種基于DZR的Ad hoc網(wǎng)絡路由協(xié)議

楊文利

（河北建材職業(yè)技術(shù)學院 機電工程系，秦皇島 066004）

一種基于DZR的Ad hoc網(wǎng)絡路由協(xié)議

楊文利

（河北建材職業(yè)技術(shù)學院 機電工程系，秦皇島 066004）

0 引言

Ad Hoc 網(wǎng)絡是一種特殊的無線移動網(wǎng)絡。網(wǎng)絡中所有節(jié)點的地位平等，無需設置任何的中 心控制節(jié)點。但Ad Hoc網(wǎng)絡存在網(wǎng)絡容量小、干擾嚴重、通信質(zhì)量差等問題，如何提高Ad Hoc網(wǎng)絡組網(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。研究發(fā)現(xiàn)，應用結(jié)合先驗式和反應式路由協(xié)議優(yōu)點的混合式路由協(xié)議是一種較好的折衷方 案。在局部范圍內(nèi)使用先驗式路由協(xié)議，維護準確的路由信息，并可縮小路由控制消息傳播的范圍，當目標節(jié)點較過遠，通過查找發(fā)現(xiàn)路由，這樣即可以減少路由協(xié)議的開銷，時延特性也得到了改善。

1 DZR協(xié)議

DZR協(xié)議應用MIMO技術(shù)復用和分集的鏈路優(yōu)勢，通過前導控制信息來調(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)絡路由協(xié)議。根據(jù)MIMO技術(shù)的特點在網(wǎng)絡內(nèi)維護兩個環(huán)：“分集環(huán)”和“復用環(huán)”。一般情況下，在發(fā)射功率相同的條件下，中心節(jié)點通過分集方式可以覆蓋更遠的距離，而通過復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)動式路由算法，每個節(jié)點周期性的與鄰節(jié)點交換路由信息；在“分集環(huán)”的區(qū)域外部，使用按需路由算法，并不主動維護區(qū)域外節(jié)點的路由。

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)動路由策略，每個節(jié)點按照“魚眼策略”以不同的周期分別與分集鄰節(jié)點交換路由信息。路由表用來維護節(jié)點知道的路由信息，本路由協(xié)議中的每一個路由條目使用以下域：目的節(jié)點IP地址，目的節(jié)點序號，下一跳節(jié)點IP地址，Metric，跳數(shù)，擴展因子，上游節(jié)點列表，有效時間，路由標志位。鄰節(jié)點表主要用來維護中心節(jié)點的鄰節(jié)點信息，通過維護鄰節(jié)點信息，中心節(jié)點可以及時的處理由于節(jié)點移動或者信息改變帶來的網(wǎng)絡拓撲的變化。本路由協(xié)議的鄰節(jié)點表條目主要有以下域：鄰節(jié)點IP地址，序號，有效時間，擴展因子。

區(qū)域內(nèi)路由行為描述包括三部分：表維護、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，復用方式發(fā)送的sop包包含中心節(jié)點和中心節(jié)點的復用鄰節(jié)點的最優(yōu)路由信息。發(fā)送時向MAC層提供擴展因子(0,1)；分集方式發(fā)送的sop包應該包含中心節(jié)點知道的該分集區(qū)域內(nèi)所有鄰節(jié)點的最優(yōu)路由信息。組包時首先查詢路由表有效路由條目，并根據(jù)鄰節(jié)點表判斷是否是鄰節(jié)點。如果是根據(jù)路由條目信息填寫sop包，否則就繼續(xù)查詢下一個路由條目。路由表查詢完畢，計算條目信息數(shù)目，填入sop包中的條目數(shù)域，向MAC層提供擴展因子(1,K)。中心節(jié)點會不斷的收到來自鄰節(jié)點的sop包，根據(jù)這些sop包，中心節(jié)點獲得對網(wǎng)絡拓撲的認知，通過計算機獲得到區(qū)域內(nèi)節(jié)點的路由信息。

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，當源節(jié)點有業(yè)務要發(fā)送，但是路由表沒有對應路由條目或者路由條目無效時，發(fā)起路由請求信息，查找路由。源節(jié)點有數(shù)據(jù)發(fā)送時查詢路由表，當路由表沒表達到數(shù)據(jù)目的節(jié)點的路由條目，或者路由路由無效時，發(fā)起RREQ。如果路由表中沒有到達數(shù)據(jù)目的節(jié)點的路由條目，則目的節(jié)點序號初始化為0，否則填寫為路由條目中的目的節(jié)點序號，Metric和跳計數(shù)初始化為0。向MAC層提供擴展因子(1,K)。

1.3 應用層數(shù)據(jù)信息發(fā)送

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

1.4 路由參數(shù)Metric設計

本協(xié)議中使用的路由Metric是基于對網(wǎng)絡吞吐率和端到端時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)點表的長度，Nd為鄰節(jié)點表中分集鄰節(jié)點的個數(shù)，Nm為鄰節(jié)點表中復用鄰節(jié)點的個數(shù)，QUdiv為數(shù)據(jù)緩存隊列中以分集方式發(fā)送的數(shù)據(jù)的長度之和；QUmax為數(shù)據(jù)緩存隊列中以復用方式發(fā)送的數(shù)據(jù)的長度之和；QUunknown為數(shù)據(jù)緩存隊列中發(fā)送方式未知的數(shù)據(jù)的長度之和。

2 仿真與結(jié)果分析

現(xiàn)在的主流網(wǎng)絡仿真軟件有OPNET和NS2，因為OPNET可以支持大規(guī)模網(wǎng)絡的仿真，本文采用OPNET作為仿真工具，在該工具上建立網(wǎng)絡模型，并對該模型進行仿真。

接下來將DZR協(xié)議的仿真結(jié)果與SISO鏈路的ZRP協(xié)議（ZRP）、全復用鏈路的ZRP（MUX）協(xié)議和全分集鏈路的ZRP協(xié)議（DIV）進行對分析，對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)務負載大小、節(jié)點密度變化以及節(jié)點移動性等方面對網(wǎng)絡吞吐量性能和時延性能指標進行仿真分析。

2.1 業(yè)務量變化

業(yè)務量的變化我們可以通過先固定發(fā)包的節(jié)點數(shù)，變化上層數(shù)據(jù)包的到達率來看業(yè)務量的變化。我們仿真設置上層包到達率為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。對于α=1和α=1/8的DZR協(xié)議來說，在4pks/s時，α=1時DZR協(xié)議的吞吐性能略優(yōu)于α=1/8時DZR協(xié)議的吞吐性能，但隨著包到達的增大，這種優(yōu)勢不僅消失。

圖2 端到端時延性能曲線

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

2.2 節(jié)點密度變化

節(jié)點密度的大小和吞吐性能有直接的關(guān)系，當節(jié)點密度很低時，會出現(xiàn)源節(jié)點無法成功尋找到目的節(jié)點的路由。我們對節(jié)點數(shù)100的網(wǎng)絡進行仿真，采用隨機分布模型，隨機選擇15個節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)包，每個節(jié)點的發(fā)包頻率為4pkts/s，每個數(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)絡邊長為500m和600m時，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)議和使用全復用鏈路的ZRP協(xié)議。當網(wǎng)絡邊長繼續(xù)增加到700m和800m時， =1/8的DZR協(xié)議的吞吐性能出現(xiàn)了急劇惡化，網(wǎng)絡密度的減少對 =1/8時的DZR協(xié)議產(chǎn)生了嚴重的影響，而對 =1時的DZR協(xié)議則影響很小。

DZR協(xié)議由于可以同時使用分集和復用鏈路，當網(wǎng)絡節(jié)點密度變化時，吞吐性能和時延性能受影響最小，因此性能表現(xiàn)最優(yōu)。而使用SISO鏈路和全復用鏈路的ZRP協(xié)議，節(jié)點的通信范圍不能擴展，受網(wǎng)絡節(jié)點密度影響最大，性能也就表現(xiàn)最差。

圖3 網(wǎng)絡吞吐率-網(wǎng)絡場景邊長線性圖

圖4 端到端時延性能曲線

[1]張敏華,顧劍峰,倪衛(wèi)明.基于交叉層設計的MIMO Ad-hoc網(wǎng)絡的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.無線Ad Hoc網(wǎng)絡DSR路由協(xié)議的優(yōu)化設計[J].計算機工程,2009,35(4):97-99.

[3]張祖凡,張紅兵.LTE-Advanced系統(tǒng)中的MIMO技術(shù)性能評估[J].重慶郵電大學學報(自然科學版),2010,22(2).

An Ad hoc network routing protocol base on DZR

YANG Wen-li

本文通過對MIMO復用技術(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)絡吞吐性能。最后在OPNET仿真軟件中，從業(yè)務負載、節(jié)點場景密度以及移動性方面對其進行了網(wǎng)絡仿真，在結(jié)果分析中驗證了DZR協(xié)議的綜合性能優(yōu)勢，并在測試平臺下驗證了DZR協(xié)議的可實用行。

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

楊文利（1970 -），男，河北秦皇島人，副教授，研究方向為計算機技術(shù)及應用。

TN915

A

1009-0134(2011)5(上)-0093-03

10.3969/j.issn.1009-0134.2011.5(上).32

2010-12-30