一種Ad Hoc自組織網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

李秀朋，李少輝

(1.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北石家莊050081;2.中國(guó)移動(dòng)通信集團(tuán)河北有限公司石家莊分公司，河北石家莊050000)

0 引言

隨著通信技術(shù)的不斷發(fā)展，人們對(duì)移動(dòng)通信的要求越來(lái)越高，蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)的普及和發(fā)展很大程度上滿(mǎn)足了人們對(duì)移動(dòng)通信的要求，但是這種移動(dòng)通信技術(shù)是集中控制的，通常需要基站等預(yù)先架設(shè)的固定設(shè)備支持，在某些特殊場(chǎng)合，如災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)、野外科考及礦產(chǎn)勘查臨時(shí)性的大型會(huì)場(chǎng)等，往往要求通信終端能夠迅速組網(wǎng)、高速地傳輸數(shù)據(jù)，并且具有較強(qiáng)的網(wǎng)絡(luò)健壯性，較大的網(wǎng)絡(luò)規(guī)模，支持節(jié)點(diǎn)移動(dòng)性，這就需要建立一種大容量、分布式、自組織及快速收斂的無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)。Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)技術(shù)可以滿(mǎn)足這些特殊場(chǎng)合的需求。本文對(duì)Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)分別進(jìn)行了DSDV、DSR和AODV三種路由協(xié)議的仿真，通過(guò)分析對(duì)比選取了AODV路由算法，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)證明了AODV路由算法的可行性［1，2］。

1 組網(wǎng)方案

近年來(lái)WLAN由于其簡(jiǎn)單靈活的特點(diǎn)得到了廣泛的應(yīng)用，使人們擺脫了有線的限制，其典型應(yīng)用是單跳的方式，如圖1所示。而Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)采用多跳的方式，如圖2所示［3］。兩種方案中是否連接到互聯(lián)網(wǎng)是可選的。

圖1 WLAN典型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

圖2 Ad Hoc拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

由于WLAN的組網(wǎng)是一跳網(wǎng)絡(luò)，所以其網(wǎng)絡(luò)的最大覆蓋范圍是以無(wú)線傳輸設(shè)備的最大傳輸距離為半徑的區(qū)域，Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)節(jié)點(diǎn)具有路由功能，能實(shí)現(xiàn)多跳，其覆蓋范圍較WLAN網(wǎng)絡(luò)大;在實(shí)際布網(wǎng)環(huán)境中，有可能遇到山坡和墻壁等障礙物，Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)可以在適當(dāng)?shù)奈恢梅胖靡恍o(wú)線終端，用于連接由于障礙物遮擋而不可直達(dá)的節(jié)點(diǎn);Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)具有較強(qiáng)的健壯性，如從節(jié)點(diǎn)6到節(jié)點(diǎn)3有多條路徑，即使某個(gè)鏈路發(fā)生了故障仍然通過(guò)其他鏈路進(jìn)行通信。

根據(jù)以上對(duì)比發(fā)現(xiàn)，Ad Hoc的組網(wǎng)方式能夠有效地增加覆蓋范圍，提高系統(tǒng)的效率和可靠性，具有自組織的功能。因此這種組網(wǎng)方式更適合于災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)、野外科考及礦產(chǎn)勘查等臨時(shí)性的大型場(chǎng)合的需求。

2 路由協(xié)議仿真

傳統(tǒng)的用于有線網(wǎng)絡(luò)的距離向量協(xié)議(RIP)和鏈路狀態(tài)路由協(xié)議(OSPF)并不適用于拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)高度動(dòng)態(tài)變化的Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)，Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)專(zhuān)用的路由協(xié)議可分為兩大類(lèi):① 表驅(qū)動(dòng)的路由協(xié)議，優(yōu)點(diǎn)是延遲時(shí)間短，缺點(diǎn)是需要定時(shí)更新路由信息，占用大量的網(wǎng)絡(luò)資源，適用于穩(wěn)定的小規(guī)模網(wǎng)絡(luò);② 按需路由，是在需要的時(shí)候搜索路由，優(yōu)點(diǎn)是不用定時(shí)更新節(jié)點(diǎn)信息，占用網(wǎng)絡(luò)資源少，缺點(diǎn)是延時(shí)比較長(zhǎng)［4］。目前用于 Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的路由主要包括DSDV、DSR 和 AODV。

本文通過(guò) NS2仿真工具對(duì) DSDV、DSR和AODV三種路由協(xié)議的3個(gè)重要指標(biāo)進(jìn)行了仿真，即PDF分組投遞率、平均端到端的延遲和歸一化的路由開(kāi)銷(xiāo)。第1項(xiàng)和第2項(xiàng)指標(biāo)對(duì)于盡力服務(wù)傳輸尤其重要，路由開(kāi)銷(xiāo)指標(biāo)是評(píng)價(jià)路由協(xié)議效率的。這些指標(biāo)并不完全是獨(dú)立的，如果分組投遞率較高，一般端到端的延遲和歸一化路由較低。一般來(lái)說(shuō)節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)會(huì)導(dǎo)致報(bào)文沖突的出現(xiàn)和鏈路的斷裂，導(dǎo)致分組投遞率的降低，鏈路的斷開(kāi)使數(shù)據(jù)分組排隊(duì)等待路由發(fā)現(xiàn)過(guò)程較長(zhǎng)，從而增加了時(shí)延。路由發(fā)現(xiàn)過(guò)程的增多會(huì)導(dǎo)致路由控制分組的增多從而使得歸一化路由開(kāi)銷(xiāo)增大。

仿真中采用 TwoRayGround無(wú)線傳播模型［5］;網(wǎng)絡(luò)接口為 WirelessPhy;接口隊(duì)列為 DropTail/PriQueue CMUPriQueue;天線采用 QmniAntenna;移動(dòng)節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)為50個(gè);路由協(xié)議有 AODV、DSR和DSDV三種;節(jié)點(diǎn)移動(dòng)速度為0～20 m/s;節(jié)點(diǎn)到達(dá)目的地后暫停運(yùn)動(dòng)時(shí)間為 0 s，50 s，100 s，150 s，200 s，250 s和300 s;仿真時(shí)間為300 s;業(yè)務(wù)類(lèi)型為CBR;帶寬為11 MHz;最大連接數(shù)10個(gè)，發(fā)送速率80 kbps。

圖3、圖4和圖5分別是對(duì) DSDV、DSR、AODV三種路由協(xié)議的仿真結(jié)果［6］。由圖3可見(jiàn)，AODV和DSR的分組投遞率比較接近，而DSDV在節(jié)點(diǎn)移動(dòng)性比較強(qiáng)時(shí)的分組投遞率較低。這是由于DSDV是表驅(qū)動(dòng)路由，當(dāng)節(jié)點(diǎn)移動(dòng)性較強(qiáng)的時(shí)候，節(jié)點(diǎn)間的路由表不能迅速地更新路由信息，從而導(dǎo)致部分分組使用失效的路由，從而導(dǎo)致分組丟失，分組投遞率較低。AODV和DSDV由于擁有局部連接管理，鏈路斷開(kāi)時(shí)通知受影響的節(jié)點(diǎn)，從而減少了分組的丟失。由圖4可見(jiàn)，AODV端到端的延時(shí)最小，DSDV在節(jié)點(diǎn)低速和靜止的情況下延時(shí)接近AODV，而DSR的延時(shí)較大。綜合圖1和圖2可得出，AODV的性能最好，而且能適應(yīng)節(jié)點(diǎn)的快速移動(dòng)。圖3是歸一化路由開(kāi)銷(xiāo)的仿真結(jié)果，AODV看似相對(duì)較高，本文在統(tǒng)計(jì)開(kāi)銷(xiāo)的時(shí)候，是按照控制路由分組數(shù)/數(shù)據(jù)路由分組數(shù)計(jì)算的，沒(méi)有將分組大小統(tǒng)計(jì)進(jìn)去，AODV的控制分組是比較小的，因此在此統(tǒng)計(jì)中，歸一化路由參數(shù)只是粗略地反應(yīng)了路由的開(kāi)銷(xiāo);另外，DSR是源路由，在普通數(shù)據(jù)包里包括了路由信息，圖5沒(méi)有將這些路由信息統(tǒng)計(jì)到路由開(kāi)銷(xiāo)中去，而DSDV的開(kāi)銷(xiāo)較低，但是由于它的收斂速度趕不上節(jié)點(diǎn)變化的速度，所以綜合考慮還是AODV路由的性能最佳［7］。

圖3 分組投遞率

圖4 平均端到端的延遲

圖5 歸一化的路由開(kāi)銷(xiāo)

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

本系統(tǒng)使用4臺(tái)筆記本充當(dāng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，采用符合802．11g標(biāo)準(zhǔn)的TL-WN322G+的無(wú)線網(wǎng)卡作為傳輸模塊，為方便向嵌入式平臺(tái)移植，使用了Linux操作系統(tǒng)［8，9］，將 Uppsala University and Ericsson AB提供的AODV源碼aodv-uu-0．9．5植入網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)無(wú)線路由功能。節(jié)點(diǎn)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖6和圖7所示［10］。

圖6 實(shí)驗(yàn)測(cè)試1

圖7 實(shí)驗(yàn)測(cè)試2

圖6從A點(diǎn)到D點(diǎn)進(jìn)行通信時(shí)，數(shù)據(jù)經(jīng)B點(diǎn)和C點(diǎn)的轉(zhuǎn)發(fā)，證實(shí)了此網(wǎng)絡(luò)確實(shí)是多跳網(wǎng)絡(luò)，節(jié)點(diǎn)間的數(shù)據(jù)傳輸速率和時(shí)延、節(jié)點(diǎn)距離、障礙物及節(jié)點(diǎn)本身速率模式有關(guān)，在一跳54 Mbps的模式的情況下，速率最高可達(dá)2．8 MB/s，時(shí)延最小約為 0．6 ms，隨著距離的增加時(shí)延變化比較明顯，在10 m左右時(shí)延達(dá)到 50 ms左右［11，12］。多跳對(duì)速率影響比較大，2跳的情況下速率大概是1跳的1/8共享信道，退避算法和丟包的累積是造成速率下降的主要原因。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥優(yōu)閳D7的結(jié)構(gòu)時(shí)，路由會(huì)做出動(dòng)態(tài)調(diào)整，這時(shí)從A點(diǎn)到達(dá)D點(diǎn)有兩跳可能的路徑A－＞B－＞D或者A－＞C－＞D。當(dāng)B點(diǎn)或者C點(diǎn)之一發(fā)生故障A點(diǎn)能繼續(xù)保持與D點(diǎn)的通信，證實(shí)了該網(wǎng)絡(luò)具有自組織能力和健壯性［13］。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)比WLAN和Ad Hoc兩種組網(wǎng)方式，得出Ad Hoc自組織網(wǎng)絡(luò)具有方便架設(shè)、高速率、自組織和健壯性等特點(diǎn)，本文以Ad Hoc自組織網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)，使用NS2仿真工具，對(duì)其進(jìn)行了DSDV、DSR和AODV三種路由協(xié)議的仿真。通過(guò)仿真分析可得，AODV路由協(xié)議應(yīng)用于Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中性能最優(yōu)，能夠適應(yīng)節(jié)點(diǎn)的快速移動(dòng)。最后給出了基于Linux操作系統(tǒng)的AODV路由協(xié)議實(shí)物實(shí)現(xiàn)，并最終證實(shí)了網(wǎng)絡(luò)的自組織能力和健壯性。

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