一種基于DZR的Ad hoc網絡路由協議

楊文利

（河北建材職業技術學院 機電工程系，秦皇島 066004）

一種基于DZR的Ad hoc網絡路由協議

楊文利

（河北建材職業技術學院 機電工程系，秦皇島 066004）

0 引言

Ad Hoc 網絡是一種特殊的無線移動網絡。網絡中所有節點的地位平等，無需設置任何的中 心控制節點。但Ad Hoc網絡存在網絡容量小、干擾嚴重、通信質量差等問題，如何提高Ad Hoc網絡組網效率和信息傳遞效率，節省系統功耗等都是研究熱點。研究發現，應用結合先驗式和反應式路由協議優點的混合式路由協議是一種較好的折衷方 案。在局部范圍內使用先驗式路由協議，維護準確的路由信息，并可縮小路由控制消息傳播的范圍，當目標節點較過遠，通過查找發現路由，這樣即可以減少路由協議的開銷，時延特性也得到了改善。

1 DZR協議

DZR協議應用MIMO技術復用和分集的鏈路優勢，通過前導控制信息來調配下層。DZR協議是基于MIMO技術和“雙環”技術的一種新型的Ad Hoc網絡路由協議。根據MIMO技術的特點在網絡內維護兩個環：“分集環”和“復用環”。一般情況下，在發射功率相同的條件下，中心節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”和“分集環”確定區域內部。在“分集環”的區域內部，使用“魚眼技術”的表驅動式路由算法，每個節點周期性的與鄰節點交換路由信息；在“分集環”的區域外部，使用按需路由算法，并不主動維護區域外節點的路由。

1.1 分集區域內部路由

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

區域內路由行為描述包括三部分：表維護、sop包發送處理和sop包接收處理。

其中sop包發送處理和接收處理是技術的關鍵部分，復用方式發送的sop包包含中心節點和中心節點的復用鄰節點的最優路由信息。發送時向MAC層提供擴展因子(0,1)；分集方式發送的sop包應該包含中心節點知道的該分集區域內所有鄰節點的最優路由信息。組包時首先查詢路由表有效路由條目，并根據鄰節點表判斷是否是鄰節點。如果是根據路由條目信息填寫sop包，否則就繼續查詢下一個路由條目。路由表查詢完畢，計算條目信息數目，填入sop包中的條目數域，向MAC層提供擴展因子(1,K)。中心節點會不斷的收到來自鄰節點的sop包，根據這些sop包，中心節點獲得對網絡拓撲的認知，通過計算機獲得到區域內節點的路由信息。

1.2 分集環區域外部路由

分集環區域外部采用按需路由算法，當源節點有業務要發送，但是路由表沒有對應路由條目或者路由條目無效時，發起路由請求信息，查找路由。源節點有數據發送時查詢路由表，當路由表沒表達到數據目的節點的路由條目，或者路由路由無效時，發起RREQ。如果路由表中沒有到達數據目的節點的路由條目，則目的節點序號初始化為0，否則填寫為路由條目中的目的節點序號，Metric和跳計數初始化為0。向MAC層提供擴展因子(1,K)。

1.3 應用層數據信息發送

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

1.4 路由參數Metric設計

本協議中使用的路由Metric是基于對網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為鄰節點表的長度，Nd為鄰節點表中分集鄰節點的個數，Nm為鄰節點表中復用鄰節點的個數，QUdiv為數據緩存隊列中以分集方式發送的數據的長度之和；QUmax為數據緩存隊列中以復用方式發送的數據的長度之和；QUunknown為數據緩存隊列中發送方式未知的數據的長度之和。

2 仿真與結果分析

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

接下來將DZR協議的仿真結果與SISO鏈路的ZRP協議（ZRP）、全復用鏈路的ZRP（MUX）協議和全分集鏈路的ZRP協議（DIV）進行對分析，對DZR協議和ZRP協議的仿真采用的都是收發天線數K=2的MIMO傳輸系統。而MIR協議的仿真采用的是收發天線數K=4的MIMO傳輸系統。我們將從業務負載大小、節點密度變化以及節點移動性等方面對網絡吞吐量性能和時延性能指標進行仿真分析。

2.1 業務量變化

業務量的變化我們可以通過先固定發包的節點數，變化上層數據包的到達率來看業務量的變化。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，仿真結果如圖1所示，可以得到DZR協議的吞吐量性能明顯高于其他幾種路由協議，其次高的是全分集鏈路的ZRP協議，而全復用鏈路的ZRP協議的吞吐性能只是略微高于SISO鏈路的ZRP協議，MIR協議的性能則一般。對于α=1和α=1/8的DZR協議來說，在4pks/s時，α=1時DZR協議的吞吐性能略優于α=1/8時DZR協議的吞吐性能，但隨著包到達的增大，這種優勢不僅消失。

圖2 端到端時延性能曲線

從圖2可知幾種協議在包到達率等于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協議，以及MIR協議的MAC層接入時延性能已經惡化到我們所設定的最大值，而使用全復用鏈路的ZRP協議的MAC層接入時延也增長很多，但是DZR協議的端到端時延雖然有所增長，但是增長不多。

2.2 節點密度變化

節點密度的大小和吞吐性能有直接的關系，當節點密度很低時，會出現源節點無法成功尋找到目的節點的路由。我們對節點數100的網絡進行仿真，采用隨機分布模型，隨機選擇15個節點發送數據包，每個節點的發包頻率為4pkts/s，每個數據包的大小為4Kbits，物理信道速率為2Mbps。

從圖3中可以看出，在網絡邊長為500m和600m時，DZR協議的性能為最優，其次為MIR協議和全分集鏈路的ZRP協議，性能最差的為ZRP協議和使用全復用鏈路的ZRP協議。當網絡邊長繼續增加到700m和800m時， =1/8的DZR協議的吞吐性能出現了急劇惡化，網絡密度的減少對 =1/8時的DZR協議產生了嚴重的影響，而對 =1時的DZR協議則影響很小。

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

圖3 網絡吞吐率-網絡場景邊長線性圖

圖4 端到端時延性能曲線

[1]張敏華,顧劍峰,倪衛明.基于交叉層設計的MIMO Ad-hoc網絡的MAC層調度算法[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網絡DSR路由協議的優化設計[J].計算機工程,2009,35(4):97-99.

[3]張祖凡,張紅兵.LTE-Advanced系統中的MIMO技術性能評估[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復用技術和分集技術的研究 ，提出一種DZR ( Double Zone Routing ) 雙區域路由協議，有效的將路由技術和 MIMO傳輸技術相結合，提升了網絡吞吐性能。最后在OPNET仿真軟件中，從業務負載、節點場景密度以及移動性方面對其進行了網絡仿真，在結果分析中驗證了DZR協議的綜合性能優勢，并在測試平臺下驗證了DZR協議的可實用行。

MIMO技術；DZR協議；Ad Hoc網絡；路由協議

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