一種Ad Hoc自組織網絡系統的設計與實現

李秀朋，李少輝

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

0 引言

隨著通信技術的不斷發展，人們對移動通信的要求越來越高，蜂窩移動通信系統的普及和發展很大程度上滿足了人們對移動通信的要求，但是這種移動通信技術是集中控制的，通常需要基站等預先架設的固定設備支持，在某些特殊場合，如災害現場、野外科考及礦產勘查臨時性的大型會場等，往往要求通信終端能夠迅速組網、高速地傳輸數據，并且具有較強的網絡健壯性，較大的網絡規模，支持節點移動性，這就需要建立一種大容量、分布式、自組織及快速收斂的無線通信網絡。Ad Hoc網絡技術可以滿足這些特殊場合的需求。本文對Ad Hoc網絡分別進行了DSDV、DSR和AODV三種路由協議的仿真，通過分析對比選取了AODV路由算法，并通過實驗系統證明了AODV路由算法的可行性［1，2］。

1 組網方案

近年來WLAN由于其簡單靈活的特點得到了廣泛的應用，使人們擺脫了有線的限制，其典型應用是單跳的方式，如圖1所示。而Ad Hoc網絡采用多跳的方式，如圖2所示［3］。兩種方案中是否連接到互聯網是可選的。

圖1 WLAN典型拓撲結構

圖2 Ad Hoc拓撲結構

由于WLAN的組網是一跳網絡，所以其網絡的最大覆蓋范圍是以無線傳輸設備的最大傳輸距離為半徑的區域，Ad Hoc網絡中每個節點具有路由功能，能實現多跳，其覆蓋范圍較WLAN網絡大;在實際布網環境中，有可能遇到山坡和墻壁等障礙物，Ad Hoc網絡可以在適當的位置放置一些無線終端，用于連接由于障礙物遮擋而不可直達的節點;Ad Hoc網絡具有較強的健壯性，如從節點6到節點3有多條路徑，即使某個鏈路發生了故障仍然通過其他鏈路進行通信。

根據以上對比發現，Ad Hoc的組網方式能夠有效地增加覆蓋范圍，提高系統的效率和可靠性，具有自組織的功能。因此這種組網方式更適合于災害現場、野外科考及礦產勘查等臨時性的大型場合的需求。

2 路由協議仿真

傳統的用于有線網絡的距離向量協議(RIP)和鏈路狀態路由協議(OSPF)并不適用于拓撲結構高度動態變化的Ad Hoc網絡，Ad Hoc網絡專用的路由協議可分為兩大類:① 表驅動的路由協議，優點是延遲時間短，缺點是需要定時更新路由信息，占用大量的網絡資源，適用于穩定的小規模網絡;② 按需路由，是在需要的時候搜索路由，優點是不用定時更新節點信息，占用網絡資源少，缺點是延時比較長［4］。目前用于 Ad Hoc網絡的路由主要包括DSDV、DSR 和 AODV。

本文通過 NS2仿真工具對 DSDV、DSR和AODV三種路由協議的3個重要指標進行了仿真，即PDF分組投遞率、平均端到端的延遲和歸一化的路由開銷。第1項和第2項指標對于盡力服務傳輸尤其重要，路由開銷指標是評價路由協議效率的。這些指標并不完全是獨立的，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。一般來說節點的移動會導致報文沖突的出現和鏈路的斷裂，導致分組投遞率的降低，鏈路的斷開使數據分組排隊等待路由發現過程較長，從而增加了時延。路由發現過程的增多會導致路由控制分組的增多從而使得歸一化路由開銷增大。

仿真中采用 TwoRayGround無線傳播模型［5］;網絡接口為 WirelessPhy;接口隊列為 DropTail/PriQueue CMUPriQueue;天線采用 QmniAntenna;移動節點個數為50個;路由協議有 AODV、DSR和DSDV三種;節點移動速度為0～20 m/s;節點到達目的地后暫停運動時間為 0 s，50 s，100 s，150 s，200 s，250 s和300 s;仿真時間為300 s;業務類型為CBR;帶寬為11 MHz;最大連接數10個，發送速率80 kbps。

圖3、圖4和圖5分別是對 DSDV、DSR、AODV三種路由協議的仿真結果［6］。由圖3可見，AODV和DSR的分組投遞率比較接近，而DSDV在節點移動性比較強時的分組投遞率較低。這是由于DSDV是表驅動路由，當節點移動性較強的時候，節點間的路由表不能迅速地更新路由信息，從而導致部分分組使用失效的路由，從而導致分組丟失，分組投遞率較低。AODV和DSDV由于擁有局部連接管理，鏈路斷開時通知受影響的節點，從而減少了分組的丟失。由圖4可見，AODV端到端的延時最小，DSDV在節點低速和靜止的情況下延時接近AODV，而DSR的延時較大。綜合圖1和圖2可得出，AODV的性能最好，而且能適應節點的快速移動。圖3是歸一化路由開銷的仿真結果，AODV看似相對較高，本文在統計開銷的時候，是按照控制路由分組數/數據路由分組數計算的，沒有將分組大小統計進去，AODV的控制分組是比較小的，因此在此統計中，歸一化路由參數只是粗略地反應了路由的開銷;另外，DSR是源路由，在普通數據包里包括了路由信息，圖5沒有將這些路由信息統計到路由開銷中去，而DSDV的開銷較低，但是由于它的收斂速度趕不上節點變化的速度，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 歸一化的路由開銷

3 系統實現

本系統使用4臺筆記本充當網絡節點，采用符合802．11g標準的TL-WN322G+的無線網卡作為傳輸模塊，為方便向嵌入式平臺移植，使用了Linux操作系統［8，9］，將 Uppsala University and Ericsson AB提供的AODV源碼aodv-uu-0．9．5植入網絡節點，實現無線路由功能。節點的拓撲結構如圖6和圖7所示［10］。

圖6 實驗測試1

圖7 實驗測試2

圖6從A點到D點進行通信時，數據經B點和C點的轉發，證實了此網絡確實是多跳網絡，節點間的數據傳輸速率和時延、節點距離、障礙物及節點本身速率模式有關，在一跳54 Mbps的模式的情況下，速率最高可達2．8 MB/s，時延最小約為 0．6 ms，隨著距離的增加時延變化比較明顯，在10 m左右時延達到 50 ms左右［11，12］。多跳對速率影響比較大，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。當網絡拓撲變為圖7的結構時，路由會做出動態調整，這時從A點到達D點有兩跳可能的路徑A－＞B－＞D或者A－＞C－＞D。當B點或者C點之一發生故障A點能繼續保持與D點的通信，證實了該網絡具有自組織能力和健壯性［13］。

4 結束語

通過對比WLAN和Ad Hoc兩種組網方式，得出Ad Hoc自組織網絡具有方便架設、高速率、自組織和健壯性等特點，本文以Ad Hoc自組織網絡為基礎，使用NS2仿真工具，對其進行了DSDV、DSR和AODV三種路由協議的仿真。通過仿真分析可得，AODV路由協議應用于Ad Hoc網絡中性能最優，能夠適應節點的快速移動。最后給出了基于Linux操作系統的AODV路由協議實物實現，并最終證實了網絡的自組織能力和健壯性。

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