采用定向天線的移動自組網(wǎng)路由技術研究

王　維　李　穎　李洪生

【摘要】定向天線能有效提升移動自組網(wǎng)路由協(xié)議DRP的性能。文章對移動自組網(wǎng)中引入定向天線的好處作了簡要介紹,重點對其關鍵技術進行了歸納研究,最后對定向路由的研究現(xiàn)狀進行了小結(jié)。

【關鍵詞】移動自組織網(wǎng)絡 定向天線 路由技術 DRP

1 引言

移動自組織網(wǎng)絡(MANET,Mobile Ad Hoc Network)路由協(xié)議是目前無線網(wǎng)絡研究的熱點之一,近年來人們對移動自組織網(wǎng)技術持續(xù)增長的興趣引發(fā)了許多路由協(xié)議方案的提出。移動自組網(wǎng)中路由設計出現(xiàn)困難的重要原因就是:網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)的高動態(tài)性和無線信道的時變性。采用全向天線時,路由發(fā)現(xiàn)過程中大量查詢包的全網(wǎng)洪泛,消耗了有限的無線帶寬資源,且可能會帶來廣播風暴和信號干擾等諸多問題,限制了MANET的應用。為此,大量的研究者改變了原始的在全向天線模式下進行路由設計和改進的思維模式,提出基于定向天線的移動自組網(wǎng)路由的思想,希望以此提升移動自組網(wǎng)的性能。

2 引入定向天線的好處

把定向天線引入移動自組網(wǎng)中的研究最早見于上世紀八十年代末,N.Pronios率先提出了此項技術[1]。采用定向天線,節(jié)點能夠把發(fā)射能量集中起來朝其目的節(jié)點的方向發(fā)送,在很大程度上減少了區(qū)域內(nèi)鄰近節(jié)點之間的干擾,在正確的方向上產(chǎn)生更高的信噪比SNR,增大了傳輸距離和數(shù)據(jù)率,增強了鏈路的魯棒性,也減少了相同傳輸距離下的節(jié)點功耗。它使多個節(jié)點可以同時傳輸,在很大程度上提高了網(wǎng)絡的空間復用度;而且通過定向傳輸和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,提高了網(wǎng)絡吞吐量。此外,定向通信可以很好地解決全向通信中的隱藏終端和暴露終端問題,以及文獻[2]提出的如何發(fā)現(xiàn)下一跳節(jié)點位置并與其波束相對、鄰節(jié)點由于運動而引起其所在波束的變化、“聽不見”帶來的路由斷鏈等定向路由問題。

3 定向路由中的主要技術

對定向天線應用于Ad hoc網(wǎng)絡的早期研究,較多的集中在物理層上的能量控制與波束形成方面,目前主要集中在MAC層和鏈路層協(xié)議的鄰節(jié)點發(fā)現(xiàn)機制及多址接入方式中采用定向傳輸控制,在路由協(xié)議中采用定向天線的研究則比較有限[3-5]。現(xiàn)有定向路由方案大多是對目前已有全向路由方案進行修改,來適應定向通信的要求,進行包的定向傳送。其主要集中在對采用全向天線的反應式(按需)路由的改進來實現(xiàn),如利用方向估算來限制路由請求包定向洪泛范圍的按需型定向路由[4];或者是通過與MAC的跨層交互來實現(xiàn),如使用定向鄰節(jié)表DNT來和MAC層交互共享的DRP[2]、基于DiMAC多址協(xié)議的DDSR[3]等。此外,還有基于發(fā)送方向來限制路由請求洪泛范圍的先應式路由。目前,還未有人提出完全適合定向通信環(huán)境的完整路由協(xié)議方案,現(xiàn)有基于定向天線的移動自組網(wǎng)路由協(xié)議解決的主要技術問題[6]有:

(1)路由環(huán)路避免

環(huán)路將導致路由錯誤,浪費大量的帶寬資源,嚴重影響路由協(xié)議的性能,無環(huán)路是保證路由協(xié)議正確性的一個基本要求。源路由協(xié)議中的路由信息標記在數(shù)據(jù)分組和路由控制分組的頭部,本身能夠環(huán)路避免。鏈路狀態(tài)協(xié)議是在得到全部網(wǎng)絡拓撲信息的條件下進行路由計算的,所以也不會產(chǎn)生環(huán)路。距離矢量路由協(xié)議采用信息標識技術來解決路由環(huán)路問題。可見,由于定向天線的特性,基于定向天線的移動自組網(wǎng)路由協(xié)議本身就具有路由環(huán)路避免的功能。

(2)路由選擇

路由選擇是指根據(jù)網(wǎng)絡狀態(tài)信息和用戶業(yè)務狀態(tài)信息選擇最佳的路徑,負責確定把所收到的分組轉(zhuǎn)發(fā)到哪一個鏈路接口。影響路由選擇判決的主要因素:①故障:當一個節(jié)點發(fā)生故障或中繼鏈路斷鏈時,就不能被用作路由的一部分。②擁塞:當網(wǎng)絡十分擁塞時,最好讓分組繞道而行,而不是從發(fā)生擁塞的區(qū)域穿過。為此,定向路由選擇策略需滿足以下原則:①以路徑長度、穩(wěn)定性、鏈路狀態(tài)等參數(shù)或它們的組合作為路由度量,選擇滿足負載最輕或延遲最短等約束條件的最優(yōu)路徑。②使用有關擁塞的參數(shù)(如隊列長度),而不只采用跳數(shù)來評估路由,選擇網(wǎng)絡中數(shù)據(jù)流量較小的路徑,從而減少端到端時延。

(3)路由重構(gòu)

路由重構(gòu)實質(zhì)上是對網(wǎng)絡動態(tài)性的適應。移動自組網(wǎng)的高度動態(tài)性必將導致節(jié)點間鏈路變化,路由失效或斷鏈,需以最快的速度通知其它節(jié)點,來重新調(diào)整和計算最短路由。通常路由重構(gòu)有3種方法:備份路由,路由失效節(jié)點通知源節(jié)點重新計算路由,在路由失效節(jié)點處進行局部路由修復。在自組網(wǎng)中,更適合采用局部鏈路修復技術,將這種變化限制在局部區(qū)域內(nèi)。這實際上是放棄對最優(yōu)路徑的追求,在保持路由連通性的前提下,減少路由開銷,縮短路由恢復時間。文獻[4]就是結(jié)合定向天線采用局部路由修復的方法,對由網(wǎng)絡動態(tài)性引起的斷鏈問題進行恢復。

(4)路由開銷

路由開銷是衡量移動自組網(wǎng)路由協(xié)議性能的重要指標,可以用單位時間內(nèi)路由控制分組的傳輸量來表示。自組網(wǎng)的無線信道所能提供的網(wǎng)絡帶寬資源十分有限,大量的路由控制開銷會造成網(wǎng)絡擁塞,引發(fā)數(shù)據(jù)延遲甚至丟失。因此,必須控制路由協(xié)議開銷,提高網(wǎng)絡的整體性能。定向路由協(xié)議的設計過程也就是對現(xiàn)有路由協(xié)議的優(yōu)化過程,即在滿足分組傳輸要求的基礎上盡量減少路由開銷,從而提高網(wǎng)絡的吞吐量。

(5)路由表維護

由于節(jié)點的移動性,路由信息不斷變化,存儲在節(jié)點中的路由表很可能會過時,因此需要不斷更新維護。定向路由協(xié)議中表的維護需考慮天線的不同波束號,如文獻[2]中的定向路由協(xié)議包含一個定向路由表DRT的建立與維護機制,維護到不同目的節(jié)點的路由信息,以及節(jié)點在傳輸過程中用來接收包所用的天線波束的ID號。

4 小結(jié)

由于移動自組網(wǎng)具有一般自組網(wǎng)的共性,如:網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)的動態(tài)變化、無線傳輸帶寬有限、移動終端受限、存在單向信道等,采用定向天線的移動自組網(wǎng)路由技術問題一直存在。目前的研究主要集中在對路由的選擇和維護進行改進,最終目標是獲得網(wǎng)絡性能指標的提高。

參考文獻

[1]Pronios N. Performance considerations for slotted spread-spectrum random access network with directional antennas[C]. IEEE GLOBECOM,Nov. 1989.

[2]Hrishikesh Gossain,Tarun Joshi,Carlos De Morais Cordeiro,et al. DRP: An Efficient Directional Routing Protocol for Mobile Ad Hoc Networks[J]. IEEE TRANSACTIONS ON PARALLEL AND DISTRIBUTED SYSTEMS, 2006,17(12).

[3]Romit Roy Choudhury,Nitin H. Vaidya. Ad Hoc Routing Using Directional Antennas[R]. Illinois Computer Systems Symposium(ICSS),Technical Report August May 2002,UIUC.

[4]Nasipuri A,et al. On-Demand Routing Using Directional Antennas in Mobile Ad Hoc Networks[C]. Proc. of the IEEE WCNC,2000.

[5]Choudhury R R,Vaidya N. Impact of Directional Antennas on Ad Hoc Routing[C]. Eighth International Conference on Personal Wireless Communication(PWC), Venice,Italy,September 2003.

[6]于宏毅,等. 無線移動自組織網(wǎng)[M]. 北京: 人民郵電出版社,2005.★

【作者簡介】

王維:重慶通信學院在讀研究生,主要研究方向為無線移動自組織網(wǎng)絡。

李穎:重慶通信學院軍事信息工程系副教授,主要研究方向為數(shù)據(jù)鏈技術、計算機網(wǎng)絡信息安全等。

李洪生:重慶通信學院在讀研究生,主要研究方向為基于定向天線的Ad hoc網(wǎng)絡。