基于WiFi的自組織網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議算法研究

畢海霞 魏志強 薛廣然 貫林林

(1.西安電子工程研究所 西安 710100;2.92995部隊 青島 266100)

0 引言

自組織網(wǎng)絡(luò)是近年來無線移動通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的一個熱點，其主要特征是無中心、自組織、多跳路由和動態(tài)拓撲，具有網(wǎng)絡(luò)快速部署、抗毀性強和組網(wǎng)靈活等優(yōu)點。網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點具有雙重角色，既是普通移動終端，又具有路由器的功能。當(dāng)通信的源節(jié)點和目的節(jié)點無法直接通信時，可通過中間節(jié)點進行報文轉(zhuǎn)發(fā)［1］，實現(xiàn)多跳無線通信的功能［2］。然而，在實際應(yīng)用中，通常存在無線信道傳輸速率低的瓶頸，這成為制約自組網(wǎng)發(fā)展的重要因素。WiFi(Wireless Fidelity)，又稱802.11標(biāo)準，由IEEE工作組于1999年9月提出，其最大特點即傳輸速度高，其中，802.11b的速率可達到11Mbps［3］。近年來，WiFi業(yè)務(wù)呈現(xiàn)爆炸式增長，新的WiFi標(biāo)準相繼出臺，802.11n的速度最大可至300Mbps，WiFi技術(shù)及產(chǎn)品亦日臻成熟。

將WiFi技術(shù)應(yīng)用于自組織網(wǎng)絡(luò)，建立高速的自組網(wǎng)移動網(wǎng)絡(luò)，能夠提高數(shù)據(jù)傳輸速率，充分發(fā)揮兩種技術(shù)的優(yōu)勢，具有非常廣闊的應(yīng)用前景，可用于戰(zhàn)場上部隊的快速部署和推進，地震或水災(zāi)后的搶險救災(zāi)，以及其他臨時組網(wǎng)應(yīng)用等。近年來，各國軍方都在積極論證將WiFi應(yīng)用于戰(zhàn)場車載自組織網(wǎng)系統(tǒng)。因為將基于WiFi的自組織網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于實際軍事，可以帶來很多突出優(yōu)點。比如，可提高戰(zhàn)術(shù)互聯(lián)網(wǎng)的無縫鏈接，提高數(shù)據(jù)傳輸和態(tài)勢感知能力。另外，其通信距離小，可提高系統(tǒng)的抗截獲能力等。路由算法是自組織網(wǎng)絡(luò)中最重要的一部分，其設(shè)計的高效與否直接影響到網(wǎng)絡(luò)性能。本文通過對典型的自組網(wǎng)路由協(xié)議進行仿真實驗分析，并針對戰(zhàn)場環(huán)境下的大規(guī)模組網(wǎng)以及火控數(shù)據(jù)傳輸需求，并提出了一種新的路由算法。

1 基于WiFi的自組網(wǎng)路由算法

按照自組網(wǎng)路由發(fā)現(xiàn)策略的方式，可將自組織無線網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議分為先應(yīng)式路由與反應(yīng)式路由。先應(yīng)式路由又稱為表驅(qū)動路由協(xié)議，在這種路由協(xié)議中，無論是否有通信需求，每個節(jié)點周期性的廣播路由分組，交換路由信息，維護到達其他節(jié)點的路由信息。當(dāng)檢測到網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)發(fā)生變化時，節(jié)點在網(wǎng)絡(luò)中發(fā)送更新消息。收到更新消息的節(jié)點將更新自己的路由表，以維護準確的路由信息。常用的先應(yīng)式路由算法包括 DSDV［4］、WRP、OLSR、FSR 等。反應(yīng)式路由協(xié)議又稱為按需路由協(xié)議，它根據(jù)網(wǎng)絡(luò)分組的傳輸請求，被動地搜索從源節(jié)點到目的節(jié)點的路由，當(dāng)沒有分組傳遞請求時，節(jié)點處于靜默狀態(tài)，并不需要交換路由信息。典型的反應(yīng)式路由算法包括 DSR［5］、AODV［6］、LAR［7］等。

根據(jù)IETF RFC2501，自組網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)的仿真參數(shù)主要有端到端吞吐量和時延、尋由時延、分組投遞率、尋由開銷與效率以及平均跳數(shù)等。由于WiFi網(wǎng)絡(luò)的傳輸速率較高，路由開銷及尋由時延對網(wǎng)絡(luò)效率影響不大，分析中不考慮這兩個因素，而選擇端到端時延、報文投遞率和端到端吞吐量三個指標(biāo)作為主要評價參數(shù)。

a.報文投遞率(packet delivery ratio)，即目的節(jié)點接收到的數(shù)據(jù)包個數(shù)與源節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)包個數(shù)的比值，反映了網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)目煽啃?，報文投遞率越高，可靠性越大。

b.端到端時延(end-to-end data delay)，即報文從源節(jié)點到目的節(jié)點的平均延遲，反映了應(yīng)用層中分組的時間特性。它包括路由發(fā)現(xiàn)和端口排隊時分組在緩沖區(qū)中的延時，也包括MAC層進行重傳以及分組傳播的時間。

c.端到端吞吐量(throughput)，在較大程度上可反映應(yīng)用層數(shù)據(jù)的傳遞速率。

針對以上三個性能指標(biāo)，本文選用OPNET仿真平臺分別對AODV、DSR、LAR和OLSR路由協(xié)議進行分析比較。節(jié)點移動方式選取組移動模型(Group Mobility Model)，節(jié)點個數(shù)為50個，節(jié)點移動速度從1m/s到25m/s，范圍是10km×10km的區(qū)域。MAC層采用IEEE802.11協(xié)議，網(wǎng)絡(luò)帶寬為5.5Mbps，每個數(shù)據(jù)包大小為500bytes。

1.1 節(jié)點移動速度的影響分析

節(jié)點移動速度的不同反映了網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)變化的快慢。節(jié)點移動速度越快，則網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)變化越快。對基于 WiFi的自組織網(wǎng)絡(luò)而言，由于WiFi無線信號覆蓋的范圍較小，節(jié)點間的通信距離較短，因此，網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)的變化對于系統(tǒng)的影響較大。下面分析平均報文傳遞率、平均端到端時延和平均端到端吞吐量與節(jié)點移動速度的性能關(guān)系。

當(dāng)節(jié)點移動速度的增大時，四種協(xié)議的報文傳遞率均出現(xiàn)下降的趨勢，如圖1所示。三種反應(yīng)式路由算法AODV、DSR和LAR的報文傳遞率相差不大，而先應(yīng)式路由算法OLSR的報文傳遞率明顯低于三種反應(yīng)式路由算法，尤其是當(dāng)移動速度大于5m/s時，OLSR的報文傳遞率下降迅速。這是因為，隨著節(jié)點移動速度的加快，網(wǎng)絡(luò)拓撲變化頻繁，OLSR作為先應(yīng)式路由算法，其維護路由信息的開銷迅速增長，導(dǎo)致報文傳遞率的下降。

端到端的時延受節(jié)點移動速度影響。節(jié)點移動速度增大，時延亦隨著增加，如圖2所示。OLSR作為先應(yīng)式路由，由于周期性地維護最新的路由信息，在報文傳遞時，無需重新尋由，因此，其端到端時延的性能指標(biāo)優(yōu)于其他三種反應(yīng)式算法。反應(yīng)式路由DSR和LAR的端到端時延隨移動速度的增長呈現(xiàn)明顯的增長趨勢。這是由于隨著節(jié)點移動速度的增大，網(wǎng)絡(luò)拓撲變化增快，反應(yīng)式路由協(xié)議需不斷重新尋找路由及建立連接，從而導(dǎo)致報文傳輸?shù)亩说蕉藭r延增大。AODV雖然也是反應(yīng)式路由，但它維護了到目的節(jié)點的多條路由，即具有冗余路由的特性，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)拓撲變化頻繁且原路由失效時，該算法可迅速切換至其他活躍路徑上的路由。該特性使得AODV算法較其他反應(yīng)式路由在端到端時延性能上表現(xiàn)優(yōu)異。需注意的是，LAR算法的端到端時延性能曲線呈現(xiàn)出不穩(wěn)定增長的特征，這是由于LAR根據(jù)節(jié)點位置信息不斷變換查詢范圍所致。

圖1 平均報文傳遞率與移動速度的關(guān)系

圖2 平均端到端時延與移動速度的關(guān)系

端到端吞吐量隨著節(jié)點移動速度的增大而呈下降趨勢，如圖3所示。三種反應(yīng)式路由算法的吞吐量性能優(yōu)于先應(yīng)式算法OLSR，這是因為作為先應(yīng)式算法，為使得路由信息及時更新，OLSR需要周期性地向其他節(jié)點發(fā)送路由信息，導(dǎo)致路由開銷花費較大。在三種先應(yīng)式路由算法中，LAR的性能略優(yōu)于AODV和DSR，這是由于LAR利用地理位置信息，縮小了搜索范圍，尋由開銷更小。

圖3 平均吞吐量與移動速度的關(guān)系

1.2 包發(fā)送間隔的影響分析

網(wǎng)絡(luò)負載是評估算法性能的重要因素，本文用報文的發(fā)送間隔的變化模擬網(wǎng)絡(luò)負載的變化，對三個性能指標(biāo)與報文發(fā)送間隔的關(guān)系進行了仿真，節(jié)點移動速度設(shè)為10m/s。

三種反應(yīng)式路由算法AODV、DSR和LAR的平均報文傳遞率隨包發(fā)送間隔的增大呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢，如圖4所示。網(wǎng)絡(luò)負載初始增大時，網(wǎng)絡(luò)逐漸變得擁塞，所以，報文傳遞率下降。當(dāng)包發(fā)送間隔較小時，由于節(jié)點在持續(xù)移動，網(wǎng)絡(luò)拓撲在不停地變化，導(dǎo)致反應(yīng)式路由算法需重新尋由。而當(dāng)包發(fā)送間隔的增大到一定程度時，路由在兩次包發(fā)送間隔之間變化較小，使得之前的路由可被重用，因此，報文傳遞率曲線重新上揚，AODV的增長趨勢尤其明顯。隨著網(wǎng)絡(luò)負載的增大，先應(yīng)式路由算法OLSR的維護路由的開銷持續(xù)增大，加劇了網(wǎng)絡(luò)負載的增長，報文傳遞率呈現(xiàn)下降趨勢。

隨網(wǎng)絡(luò)負載的增大，四種算法的端到端時延總體呈現(xiàn)上升趨勢，如圖5所示。其中，AODV和OLSR的延時明顯低于反應(yīng)式路由LAR和DSR，這是由于OLSR為先應(yīng)式路由，發(fā)送數(shù)據(jù)時無需重新尋由，而AODV則具有鏈路快速切換機制。

隨著網(wǎng)絡(luò)負載的增大，吞吐量總體呈現(xiàn)減小趨勢，如圖6所示。由于維護路由的開銷較大，OLSR的吞吐量較其他三種反應(yīng)式路由算法小。三種反應(yīng)式路由算法AODV、DSR和LAR的吞吐量性能相差不大，但當(dāng)負荷持續(xù)變大時，AODV的吞吐量性能略優(yōu)于其他兩種算法。

圖4 報文傳遞率與包發(fā)送間隔的關(guān)系

圖5 端到端時延與包發(fā)送間隔的關(guān)系

圖6 平均吞吐量與包發(fā)送間隔的關(guān)系曲線

從上述分析結(jié)果看，在基于WiFi的自組織網(wǎng)絡(luò)中，反應(yīng)式路由的性能優(yōu)于先應(yīng)式路由的性能。由于WiFi節(jié)點間的通信距離有限，當(dāng)節(jié)點處于移動速度狀態(tài)時，拓撲結(jié)構(gòu)變化頻繁，路由失效的幾率變大，先應(yīng)式路由算法維護路由的開銷也會增大，因此，反應(yīng)式路由的性能更強大。而AODV協(xié)議由于具有鏈路快速連接機制以及快速切換至活躍路徑的特性，在高節(jié)點移動速度及高負載的網(wǎng)絡(luò)中性能優(yōu)異，具有優(yōu)良的吞吐量和報文傳遞率，更小的端到端延時，以及高穩(wěn)定性。

2 分簇網(wǎng)絡(luò)路由算法

從上文的仿真結(jié)果看，AODV算法在基于WiFi的自組織網(wǎng)絡(luò)中性能較其他三種算法優(yōu)異，但對于戰(zhàn)場應(yīng)用環(huán)境，仍不滿足要求。首先，AODV算法是針對平面式拓撲結(jié)構(gòu)而設(shè)計的，而在戰(zhàn)場環(huán)境下，存在按照部隊編制進行擴展的需求，對網(wǎng)絡(luò)的擴展性要求較高，因此，需要將路由算法設(shè)計為分層路由算法;再次，火控數(shù)據(jù)對端到端時延要求較高，一般要求控制在一百毫秒以內(nèi)，而AODV路由算法在節(jié)點移動速度較高時，無法滿足該要求。為滿足戰(zhàn)場環(huán)境下的上述需求，結(jié)合AODV算法的優(yōu)勢，本文引入建立分簇結(jié)構(gòu)的思想，提出了一種新的分簇路由算法CRP(Cluster Route Protocol)。

該算法包括分簇算法和路由協(xié)議兩部分。分簇算法描述如下:

CRP對節(jié)點進行傳輸功率的判別，只有滿足一定傳輸功率的節(jié)點才能參與簇頭的選舉。簇頭選舉算法設(shè)計的原則為選擇節(jié)點密度大處的節(jié)點作為簇頭，綜合考慮節(jié)點度數(shù)以及與鄰居節(jié)點的距離和。對每個滿足功率約束的節(jié)點，進行綜合權(quán)值結(jié)算，選擇權(quán)值最小的節(jié)點作為簇頭。權(quán)值計算公式如下:

其中，Wi代表節(jié)點 i的權(quán)值，w(j=1，2，3)代表不同影響因素的權(quán)值系數(shù);N為節(jié)點i的鄰居節(jié)點個數(shù)，D為該節(jié)點與其鄰居節(jié)點的距離和。從該權(quán)值判斷規(guī)則可知，若某節(jié)點的鄰居節(jié)點個數(shù)越多，與其鄰居節(jié)點距離越近，則其更適合成為簇頭。

網(wǎng)絡(luò)初始化流程如下:所有的節(jié)點廣播自己的ID，其輻射范圍內(nèi)的節(jié)點收到此廣播后，記錄此ID，之后，兩者互發(fā)消息，告知對方節(jié)點自己的發(fā)射功率，通常發(fā)射功率的衰減與距離的四次方成正比，因此，通過對發(fā)射功率衰減的測量，可估算出兩節(jié)點間的距離。這樣，所有的節(jié)點均維護了其鄰居節(jié)點的ID以及它們之間的相對距離。此時，根據(jù)上文提出的分簇算法，每個節(jié)點進行權(quán)值計算，權(quán)值最小的節(jié)點成為簇頭。但是，簇不可無限制地增大，因為如果簇的節(jié)點過多，則分簇路由的性能得不到體現(xiàn)，會導(dǎo)致整個網(wǎng)絡(luò)吞吐量的降低。本文利用跳數(shù)限定簇的大小，簇頭與簇內(nèi)節(jié)點之間的跳數(shù)必須小于兩跳。分簇結(jié)束后，簇內(nèi)非簇頭節(jié)點需維護自己所在簇ID以及其簇頭節(jié)點的信息。

簇的維護流程如下:簇頭與簇內(nèi)每個普通節(jié)點定期進行心跳包交互。當(dāng)簇頭在一定時間段內(nèi)未收到某節(jié)點的心跳包時，則認為該節(jié)點已離開該簇，將該節(jié)點從簇內(nèi)成員列表中刪除;當(dāng)收到新的節(jié)點的入網(wǎng)申請時，則判斷該節(jié)點是否滿足入簇條件，比如與簇頭節(jié)點是否兩跳內(nèi)可達，該簇的節(jié)點數(shù)是否超出限制等，若滿足入簇條件，則將該節(jié)點加入本簇;若不滿足條件，則通知該節(jié)點繼續(xù)尋找新的簇頭，若尋找不到，則自立新簇。當(dāng)移動的兩簇之間的距離小于等于某一規(guī)定要求，且滿足簇合并條件時，需對其進行合并。

CRP路由協(xié)議部分描述如下:

a.協(xié)議幀的結(jié)構(gòu)與AODV路由協(xié)議的幀結(jié)構(gòu)類似，只是在協(xié)議頭中新增2個bit，一個bit用于標(biāo)識本節(jié)點的角色，即本節(jié)點是否為簇頭、普通節(jié)點或者網(wǎng)關(guān)節(jié)點，另一個bit用于標(biāo)識節(jié)點所在簇的簇ID。因此，當(dāng)傳輸?shù)脑垂?jié)點和目的節(jié)點在同一個簇內(nèi)時，則直接在簇內(nèi)進行轉(zhuǎn)發(fā);若源節(jié)點和目的節(jié)點不在同一個簇內(nèi)，則通過簇頭節(jié)點或者網(wǎng)關(guān)節(jié)點進行轉(zhuǎn)發(fā)，以至到達目的簇中的目的節(jié)點。

b.當(dāng)源節(jié)點需要和目的節(jié)點通信時，如果在路由表中可查詢到對應(yīng)的路由時，不進行任何操作。當(dāng)源節(jié)點需要和新的目的通信時，就會發(fā)起路由發(fā)現(xiàn)過程，通過廣播RREQ信息來查找相應(yīng)路由。當(dāng)這個RREQ到達目的節(jié)點本身，或者是一個擁有足夠新的到目的節(jié)點路由的中間節(jié)點時，路由確定。目的節(jié)點或中間節(jié)點通過原路返回一個RREP信息來向源節(jié)點確定路由的可用性。轉(zhuǎn)發(fā)RREQ的節(jié)點將根據(jù)RREQ是否設(shè)置了快速轉(zhuǎn)發(fā)標(biāo)記來決定采用快速路由查找或與AODV相同的普通路由查找?？焖俾酚刹檎沂前创豂D和簇節(jié)點ID的方式實施的。如在規(guī)定的時間內(nèi)未找到路由，再采用普通的路由查找方法。

c.AODV采用的是超時刪除路由機制，因此即使路由未失效，在超時時限后也將被刪除。CRP將路由超時刪除機制修改如下:若路由超過時限，則判斷路由是否有效，若有效，則此路由繼續(xù)保持;若無效，則刪除。

d.當(dāng)鏈路破壞時，節(jié)點并不立即發(fā)送RERR給源節(jié)點，而由其下游節(jié)點嘗試進行局部路由修復(fù)。若局部路由可成功修復(fù)，則可將網(wǎng)絡(luò)的鏈路壞區(qū)局限在一個小的范圍內(nèi)，避免了大規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)，提高了網(wǎng)絡(luò)修復(fù)效率。如果路由局部修復(fù)不成功，再向源節(jié)點發(fā)送RERR信息。

e.該協(xié)議兼容AODV算法。當(dāng)由于節(jié)點移動等原因，使得之前的簇結(jié)構(gòu)遭到破壞，無法滿足數(shù)據(jù)傳輸要求時，則不再使用分簇結(jié)構(gòu)，而是利用AODV的路由進行廣播，并在此過程中重新建簇。

針對平均報文傳遞率、平均端到端時延和平均吞吐量三個性能指標(biāo)，本文選用OPNET仿真平臺分別對本文提出的CRP路由算法、AODV路由算法和經(jīng)典的分簇路由協(xié)議ZRP［8，9］進行仿真和比較。節(jié)點移動方式選取組移動模型(Group Mobility Model)，節(jié)點個數(shù)為50個，節(jié)點移動速度從1m/s到25m/s，范圍是10km×10km的區(qū)域。MAC層采用IEEE802.11協(xié)議，網(wǎng)絡(luò)帶寬為5.5Mbps，每個數(shù)據(jù)包大小為500bytes。仿真結(jié)果如圖7所示。隨著節(jié)點移動速度及網(wǎng)絡(luò)負載的增大，CRP協(xié)議的平均包傳送率，平均端到端時延以及平均吞吐量三個性能均優(yōu)于AODV算法。

隨著節(jié)點移動速度的增大，網(wǎng)絡(luò)的拓撲變化加快，導(dǎo)致需要頻繁的重新尋找路由，所以，協(xié)議的時延會增加，而CRP協(xié)議中的節(jié)點增加了快速轉(zhuǎn)發(fā)標(biāo)記，使得路由查找的速度大為提高，從而能夠更好地適應(yīng)高速移動的場景;并且，在路由修復(fù)方面由于路由能夠很快被修復(fù)，大大提高了準確率，從而減少了數(shù)據(jù)包的丟失;隨著網(wǎng)絡(luò)負載的增大，由于CRP協(xié)議采用了分簇結(jié)構(gòu)，減少了節(jié)點移動對路由算法的影響和路由發(fā)現(xiàn)過程中的洪泛開銷，加速了路由的查找過程，增加了網(wǎng)絡(luò)吞吐量，緩解了網(wǎng)絡(luò)局部擁塞，保證了分組傳遞的成功進行。端到端時延降低了約30%，在節(jié)點移動速度為25m/s時，仍小于100ms，滿足了火控數(shù)據(jù)的傳輸要求。

經(jīng)典分簇路由協(xié)議ZRP在簇內(nèi)運行先應(yīng)式路由協(xié)議，需要周期性的發(fā)送廣播來維護和更新路由表;簇間運行反應(yīng)式路由協(xié)議。在節(jié)點移動速度較小時，網(wǎng)絡(luò)拓撲變化小，路由維持開銷小，且先應(yīng)式路由協(xié)議可以快速地尋由，因此，ZRP算法的性能總體優(yōu)于CRP算法。但隨著節(jié)點移動速度的加快，網(wǎng)絡(luò)拓撲變化頻繁，簇內(nèi)先應(yīng)式路由協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)開銷迅速增大，此外，在進行簇間路由查找時，邊界節(jié)點收到路由請求無法回應(yīng)后，就需要把請求向未查找過的簇轉(zhuǎn)發(fā)，勢必會產(chǎn)生大量的多播或廣播數(shù)據(jù)，網(wǎng)絡(luò)的運行效率降低，因此，ZRP算法的性能比CRP算法差。

圖7 AODV、CRP和ZRP性能比較

3 結(jié)束語

本文利用仿真平臺OPNET對基于WiFi的自組織網(wǎng)絡(luò)中的AODV、DSR、LAR和OLSR四種路由協(xié)議進行了仿真比較。通過對平均包傳送率，平均端到端時延以及平均吞吐量三個性能指標(biāo)的綜合比較發(fā)現(xiàn)，AODV協(xié)議的性能優(yōu)于其他三種算法。針對戰(zhàn)場環(huán)境下，車載自組網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)擴展性以及火控數(shù)據(jù)傳輸時延的要求，基于AODV算法，本文提出了一種新的分簇自組網(wǎng)路由算法CRP，其分簇網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的設(shè)計減少了節(jié)點移動對路由算法的影響和路由發(fā)現(xiàn)過程中的洪泛開銷;其快速轉(zhuǎn)發(fā)機制加速了尋由過程;其局部路由修復(fù)機制限制了鏈路壞區(qū)的擴展，提高了網(wǎng)絡(luò)的修復(fù)速度。實驗仿真結(jié)果證明了該算法的優(yōu)越性。

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