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[導(dǎo)讀] 引言 自組網(wǎng)(Ad hoc network)是由一組帶有無線收發(fā)裝置的移動(dòng)節(jié)點(diǎn)組成的自治系統(tǒng)。其特點(diǎn)是自組織、多跳、可以臨時(shí)性建立鏈路,在該網(wǎng)絡(luò)中,信道的環(huán)境、網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)?、業(yè)務(wù)的模式都是

引言

自組網(wǎng)(Ad hoc network)是由一組帶有無線收發(fā)裝置的移動(dòng)節(jié)點(diǎn)組成的自治系統(tǒng)。其特點(diǎn)是自組織、多跳、可以臨時(shí)性建立鏈路,在該網(wǎng)絡(luò)中,信道的環(huán)境、網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)?、業(yè)務(wù)的模式都是隨節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)而動(dòng)態(tài)改變的。自組網(wǎng)為任意環(huán)境下的通信提供了較好的解決方案,在軍事領(lǐng)域和民用通信中有廣泛應(yīng)用。目前自組網(wǎng)與2.5G和3G移動(dòng)通信進(jìn)行了有效的結(jié)合,大規(guī)模寬帶無線自組網(wǎng)將會(huì)成為寬帶無線通信或未來移動(dòng)通信的重要形式。

在自組網(wǎng)環(huán)境中,由于節(jié)點(diǎn)的無線通信覆蓋范圍有限,兩個(gè)無法直接通信的移動(dòng)節(jié)點(diǎn)可以通過中間節(jié)點(diǎn)進(jìn)行報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信,因此該過程需要路由協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)決策,節(jié)點(diǎn)采取什么樣的策略轉(zhuǎn)發(fā)報(bào)文能獲得良好的通信效果顯得很重要。路由協(xié)議是近年的研究熱點(diǎn)和難點(diǎn),路由協(xié)議需要迅速適應(yīng)拓?fù)渥兓瓿陕酚山⒑途S護(hù)工作,盡量減少控制開銷以提高網(wǎng)絡(luò)吞吐量。目前適用于自組網(wǎng)的新協(xié)議一般以廣播或組播方式建立網(wǎng)絡(luò)路由,普遍得到認(rèn)可的代表性協(xié)議有DSDV(DestinaTIon sequenced distance vector)、DSR(Dynamic Sou rce RouTIng)和AODV(Ad hoc On-Demand Distance Vector RouTIng)。

1 無線網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議

按路由發(fā)現(xiàn)策略,自組網(wǎng)路由協(xié)議可分為主動(dòng)路由和按需路由兩類。主動(dòng)路由協(xié)議是節(jié)點(diǎn)通過定期地廣播路由信息數(shù)據(jù)包,路由器間交換路由信息,計(jì)算出相關(guān)路由,節(jié)點(diǎn)維護(hù)去往全網(wǎng)所有節(jié)點(diǎn)的路由,發(fā)現(xiàn)策略與傳統(tǒng)路由協(xié)議類似。主動(dòng)路由協(xié)議主要有DSDV、GSR、WRP等協(xié)議。按需路由協(xié)議是根據(jù)需要來發(fā)起路由查找,當(dāng)節(jié)點(diǎn)需要發(fā)送數(shù)據(jù),路由表中又沒有有效的路由信息時(shí),源節(jié)點(diǎn)才會(huì)向整網(wǎng)洪泛,尋找到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)的路由。拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和路由表信息都是按需建立,它可能僅僅是整個(gè)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)信息的一部分。按需路由協(xié)議在通信過程中需維護(hù)路由,通信完畢后便不再進(jìn)行維護(hù)。按需路由協(xié)議主要有DSR、AODV、TORA等。

1.1 DSDV

DSDV協(xié)議是一種點(diǎn)到點(diǎn)距離向量路由協(xié)議,它需要每個(gè)節(jié)點(diǎn)向鄰節(jié)點(diǎn)定期廣播路由信息,每個(gè)節(jié)點(diǎn)都維護(hù)一個(gè)路由表。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)溆凶兓灾劣诼酚杀碜兏鼤r(shí),結(jié)點(diǎn)也會(huì)主動(dòng)發(fā)送更新的路由給相鄰的節(jié)點(diǎn)。DSDV協(xié)議和互聯(lián)網(wǎng)上的DV協(xié)議基本相同,只是路由信息中多了目的節(jié)點(diǎn)序列號(hào)的記錄,引入目的節(jié)點(diǎn)序列號(hào)后,既能區(qū)別路由信息的新舊,又能有效避免產(chǎn)生路由環(huán)路和無限計(jì)數(shù)的問題,適合無線自組網(wǎng)這種節(jié)點(diǎn)快速變動(dòng)的網(wǎng)絡(luò)所需。當(dāng)節(jié)點(diǎn)收到多個(gè)不同的矢量表數(shù)據(jù)包時(shí),選用序列號(hào)較大的路由信息來計(jì)算,如果序列號(hào)相同則看誰的路徑短。

1.2 DSR

DSR協(xié)議是一種基于源路由方式的按需路由協(xié)議。在DSR協(xié)議中,當(dāng)源節(jié)點(diǎn)發(fā)送報(bào)文時(shí),在數(shù)據(jù)報(bào)頭部攜帶到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)的路由信息,該路由信息由網(wǎng)絡(luò)中的若干節(jié)點(diǎn)地址組成,源節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)報(bào)文就通過這些節(jié)點(diǎn)的中繼轉(zhuǎn)發(fā)到目的節(jié)點(diǎn)。DSR路由協(xié)議主要包括路由發(fā)現(xiàn)和路由維護(hù)過程。路由發(fā)現(xiàn)過程主要用于幫助源節(jié)點(diǎn)獲得到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)的路由。節(jié)點(diǎn)通過路由發(fā)現(xiàn)過程獲得到達(dá)網(wǎng)絡(luò)中其他節(jié)點(diǎn)的路由。在路由發(fā)現(xiàn)過程中源節(jié)點(diǎn)首先向鄰節(jié)點(diǎn)廣播“路由請(qǐng)求”數(shù)據(jù)報(bào)文。該數(shù)據(jù)報(bào)文中包括“請(qǐng)求ID”、“目的節(jié)點(diǎn)地址”和“路由記錄”等字段。其中“路由記錄”字段用于記錄從源節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)路由中的中間節(jié)點(diǎn)地址,當(dāng)路由請(qǐng)求報(bào)文到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)時(shí),該字段中的所有節(jié)點(diǎn)地址即構(gòu)成了從源節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)的路由。當(dāng)路由中的節(jié)點(diǎn)由于關(guān)機(jī)、移動(dòng)等原因無法保證到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)時(shí),當(dāng)前的路由就不再有效了。路由維護(hù)過程監(jiān)測當(dāng)前路由的可用情況,當(dāng)監(jiān)測到路由出現(xiàn)故障時(shí),將調(diào)用新一輪路由發(fā)現(xiàn)過程。

1.3 AODV

AODV協(xié)議借鑒了DSR協(xié)議的按需路由機(jī)制和DSDV協(xié)議的點(diǎn)到點(diǎn)路由機(jī)制。AODV協(xié)議采用逐跳的方式轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包,不需要在報(bào)文中攜帶完整的路由消息。AODV協(xié)議路由發(fā)現(xiàn)過程由源節(jié)點(diǎn)發(fā)起,當(dāng)某節(jié)點(diǎn)需要發(fā)送一個(gè)數(shù)據(jù)包時(shí),先檢查本節(jié)點(diǎn)的路由表是否存在一條到目的節(jié)點(diǎn)的有效路由。如果沒有,則需要向鄰節(jié)點(diǎn)廣播路由請(qǐng)求數(shù)據(jù)報(bào)文,其中記錄著發(fā)出的源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)的地址,鄰近節(jié)點(diǎn)收到路由請(qǐng)求數(shù)據(jù)報(bào)文,先判斷其中的目的節(jié)點(diǎn)是否就是本節(jié)點(diǎn),如果不是,再在路由表中查找是否有到目的節(jié)點(diǎn)的路由。每一條路由都對(duì)應(yīng)著一個(gè)序列號(hào),路由更新時(shí)序列號(hào)也隨著更新。AODV協(xié)議的路由維護(hù)是通過定期的廣播hello報(bào)文來實(shí)現(xiàn)的,發(fā)現(xiàn)某條鏈路斷開時(shí),節(jié)點(diǎn)就發(fā)送路由錯(cuò)誤消息報(bào)文通知那些因鏈路斷開而不可達(dá)的節(jié)點(diǎn)刪除相應(yīng)的路由記錄。

2 仿真實(shí)驗(yàn)及分析

NS2是由伯克利大學(xué)開發(fā)的一個(gè)離散的事件驅(qū)動(dòng)的仿真軟件,支持鏈路層及其以上的以數(shù)據(jù)包為單位的仿真,支持無線網(wǎng)絡(luò)和有線網(wǎng)絡(luò)。本實(shí)驗(yàn)采用NS2作為仿真平臺(tái),仿真實(shí)驗(yàn)的目的是研究不同場景的情況下DSDV、DSR和AODV協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)性能。

2.1 性能參數(shù)

(1)第一個(gè)包收到時(shí)間。第一個(gè)包收到時(shí)間可以用來反映路由表的收斂時(shí)間,越早收到,則表示收斂速度比較快,較早將第一個(gè)包從源節(jié)點(diǎn)送達(dá)目的節(jié)點(diǎn)。

(2)平均延時(shí)。平均延時(shí)統(tǒng)計(jì)的是一個(gè)數(shù)據(jù)包從源節(jié)點(diǎn)成功到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)經(jīng)過的平均時(shí)間。它是反映數(shù)據(jù)包到達(dá)目的地時(shí)間長短的性能指標(biāo)。延時(shí)包含鏈路上數(shù)據(jù)傳播延時(shí)、MAC層的重傳延時(shí)、數(shù)據(jù)排隊(duì)等候延時(shí)、發(fā)現(xiàn)路徑緩沖延時(shí)、網(wǎng)絡(luò)中處理數(shù)據(jù)延時(shí)等。為了準(zhǔn)確地反映網(wǎng)絡(luò)的實(shí)際情況,常常用平均延時(shí)來度量網(wǎng)絡(luò)中的延時(shí),延時(shí)越小則說明網(wǎng)絡(luò)越通暢。

(3)數(shù)據(jù)包投遞率。數(shù)據(jù)包投遞率由成功到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)包數(shù)目與源節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)包傳送數(shù)目的比值,反映了網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)目煽啃?,投遞率越高網(wǎng)絡(luò)可靠性越大。

2.2 實(shí)驗(yàn)場景

由于需要對(duì)仿真環(huán)境進(jìn)行設(shè)置,可用cbrgen與setdest兩個(gè)NS2提供的工具進(jìn)行參數(shù)設(shè)置。本文所設(shè)計(jì)的仿真場景是一個(gè)300m×300m的矩形區(qū)域,在區(qū)域內(nèi)隨機(jī)分布了100個(gè)節(jié)點(diǎn),這也與現(xiàn)實(shí)中隨機(jī)布點(diǎn)是類似的。仿真時(shí)間持續(xù)100s,節(jié)點(diǎn)發(fā)送功率為0.00 5 W,信道帶寬為2 MHz,MAC層使用IEEE802.11b協(xié)議,路由協(xié)議分別采用DSDV、DSR和AODV協(xié)議。CBR業(yè)務(wù)連接數(shù)為10,數(shù)據(jù)包大小為512Byte,發(fā)送速率為每秒發(fā)送10數(shù)據(jù)包,數(shù)據(jù)類型選擇的是CBR流。在給定的仿真場景中每個(gè)節(jié)點(diǎn)隨機(jī)選擇運(yùn)動(dòng)方向和運(yùn)動(dòng)速度,最大運(yùn)動(dòng)速度為10m/s。具體的場景設(shè)置參數(shù)如表1所示。

2.3 仿真分析

當(dāng)節(jié)點(diǎn)靜止時(shí)統(tǒng)計(jì)到的數(shù)據(jù)如表2所示,當(dāng)節(jié)點(diǎn)移動(dòng)時(shí)統(tǒng)計(jì)到的數(shù)據(jù)如表3所示。從表2和表3可以看出,若節(jié)點(diǎn)靜止時(shí),使用DSDV路由協(xié)議可以較早收到第一個(gè)數(shù)據(jù)包,這是因?yàn)樵跀?shù)據(jù)發(fā)送前,DSDV已經(jīng)有已知路徑,不需要重新尋找新的路徑,因此會(huì)較早收到第一個(gè)數(shù)據(jù)包。若節(jié)點(diǎn)移動(dòng)時(shí),AODV年ODSR路由協(xié)議收到第一個(gè)包時(shí)間比DSDV路由協(xié)議短得多,這是因?yàn)镈SDV的路由中可能會(huì)沒有可用的路徑,等到更新路由表后,花費(fèi)一段時(shí)間再找到有效的路徑,所以收到第一個(gè)數(shù)據(jù)包時(shí)間值會(huì)比較大。所以DSDV路由協(xié)議適合用于節(jié)點(diǎn)靜止的網(wǎng)絡(luò)場景,AODV和DSR路由協(xié)議適合用于節(jié)點(diǎn)快速移動(dòng)的網(wǎng)絡(luò)場景。

3 結(jié)束語

自組網(wǎng)作為無線通信技術(shù)的一個(gè)重要發(fā)展方向,在未來的通信技術(shù)中占據(jù)著重要的地位,已成為眾多學(xué)者研究的對(duì)象。在實(shí)際應(yīng)用中,考慮使用某個(gè)路由協(xié)議時(shí)首先需要了解該協(xié)議的性能是否符合需要,因此需在不同的參數(shù)下對(duì)協(xié)議進(jìn)行仿真和性能分析。我們通過對(duì)第一個(gè)包收到時(shí)間、平均延時(shí)和包投遞率這些性能指標(biāo)的統(tǒng)計(jì)與比較,發(fā)現(xiàn)在移動(dòng)環(huán)境下使用AODV租DSR路由協(xié)議比使用DSDV協(xié)議有更好的吞吐率和穩(wěn)定性。

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