多信道無線Mesh網絡中一種改進的DSDV路由算法

唐建清 鄒國霞

摘要：本文針對無線Mesh網絡主干網部署變動少的特性，設計了多信道無線Mesh網絡中DSDV路由算法，利用OMNeT++5.3對DSDV路由原算法和改進后算法進行仿真對比，在仿真時間、消息數量、網絡傳輸參數相同情況下，主要從丟包數量情況進行統計，仿真結果證明當消息都發往同一個地址時，算法改進前后沒有太大差別，當消息發往全網任意一個地址時，改進后的多信道DSDV算法丟包量明顯少于改進前的DSDV算法，而且在同等條件下，消息緩存容量大的丟包量會明顯減少。

關鍵詞：Mesh;DSDV路由;多信道;丟包量

中圖分類號：TP273 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2019）07-0122-03

0 引言

無線Mesh網絡（Wireless Mesh Network，WMN）骨干網絡節點基本靜止并且節點沒有能量限制，因此無線Mesh網絡與移動Ad hoc網絡（Mobile Ad hoc Network，MANET）與無線傳感器網絡（Wireless Sensor Network，WSN）有所不同，造成MANET和WSN中的路由技術無法直接應用于WMN，為此研究者提出了很多WMN路由協議。比如文獻[1]基于物理信道質量、流間和流內干擾的影響提出了EPBW（Expected Path Bandwidth），并在EPBW基礎上設計了一種分布式路由協議EPBWR（Expected Path Bandwidth Routing），在吞吐量和網絡的動態性的適應方面進行了仿真。文獻[2]提出了RHCA（Routing based on Hybrid Channel Assignment，RHCA），該算法是針對多射頻多信道的一種分布式路由算法。主要考慮網絡負載及節點位置實時變化等實際場景。

針對DSDV路由協議改進并應用于無線Mesh網絡只搜索到文獻[3]，其他大部分是DSDV路由在無線Mesh網絡中的應用或幾種路由仿真分析，如文獻[4-5]。其中文獻[3]基于DSDV提出了一種跨層路由設計方案，并從吞吐量，延時方面進行了仿真，仿真結果表明方案改進很好，但是由于增加了跨層功能，所以路由算法實現優點復雜。本文將從丟包率和多信道方面改進DSDV路由算法。

1 經典DSDV路由算法

WMN骨干網絡節點基本靜止并且節點沒有能量限制[1]。本文主要考慮網絡拓撲變化不大的Mesh網絡，因此采用表驅動協議，而在表驅動協議中，DSDV（Destination-Sequenced Distance-Vector ）路由是比較經典而且執行效率高的協議。

DSDV路由協議中，每個節點保存一個路由表，路由表維護著本節點到網絡內部所有可達目的節點的路由。路由表條目（目的節點IP，目的節點序列號，距離目的節點的路由跳數）中的節點序列號更新基于以下原則：當一個節點同時接收到多個不同序列號更新時，首選路由為序列號大的路由，序列號相同時，首選路由為跳數少的路由[4]。

2 用于多信道的改進DSDV算法

2.1 多信道

早期的無線Mesh網絡是基于單信道的，在單信道無線Mesh網絡中，會出現“饑餓”現象，即當跳數大于4跳以上，節點吞吐量為0。這樣就容易造成節點響應不公平和系統吞吐量小的問題。現在Mesh 路由器多采用多射頻多信道技術，可以有效減少碰撞和干擾，通過同時在不同信道上通信，可以提高響應速度和提升系統性能[7]。

多信道是將信道頻率帶寬分割成若干個更窄的子信道頻率帶寬，為了能夠在不同的子信道上同時傳輸數據，鄰近的無線路由器需要工作在互不重疊的信道，如此可有效避免信道重疊造成的相互干擾。例如IEEE 802.16a工作于2～11GHz的公開波段，2.4G頻段的工作頻率為2.4-2.4835GHz，將83.5MHz頻帶劃分為13個子信道，各子信道中心頻率相差5MHz，向下向上分別擴展11MHz，信道帶寬22MHz，相近無線路由器應選擇互不重疊的信道工作，如（1、6、11），（1、7、13），最多可用的正交信道為3條[8]。

2.2 改進算法思想

本文主要針對無線Mesh網絡的骨干網，網絡中每個節點具有多個射頻通信接口，采用靜態信道分配，依據具體的網絡規模以及節點間的邏輯連接關系，對每條邏輯無線鏈路進行信道分配。這樣Mesh網絡中每個節點就有多個邏輯無線鏈路。設計的改進DSDV算法中，每個節點需要維護一個路由表，路由表條目為：（目的節點IP，轉發的邏輯無限鏈路編號，目的節點序列號，距離目的節點的路由跳數）其中“轉發的邏輯無限鏈路編號”決定了數據的流向，數據從哪一個信道進行傳輸。當有n個信道時，就相當于有n個數據流向。這樣會大大提高網絡的利用效率。

3 改進算法性能仿真

3.1 邏輯網絡拓撲圖（圖1）

網絡采用3*9個節點，每個節點有四個信道，網絡延遲0.1ms， 數據傳輸率1Gbps。包大小4096 bytes。

3.2 仿真結果對比

3.2.1 消息隊列緩存為20時，網絡丟包情況對比

（1）當包都發往節點0時如圖2，圖3。

（2）當目的地址為網絡中任意節點時如圖4，圖5。

3.2.2 隊列緩存為5個消息時

（1）目的地址為0節點如圖6，圖7。

（2）目的為任意地址如圖8，圖9。

4 仿真結果分析

上圖中Mesh表示原始的DSDV路由算法，Mesh_ DSDV表示改進的DSDV路由算法。

當緩存為20時，圖2和圖3可以看出由于都往節點發送信息，因此造成了瓶頸，改進前后差別不多;圖4和圖5可以看出，當目的地址為任意節點時，改進后的算法丟包數量非常少，相對于原始DSDV路由網絡性能安全很多。

當緩存為5時，圖6和圖7由于目的節點固定一個，所以改進前后差別不大;圖8和圖9可以看出，當目的地址為任意節點時，改進后的算法丟包數量相對于原始DSDV路由減少很多。

在不同緩存下，同樣的算法性能也會不同，緩存小時網絡丟包量比較多。

5 結語

根據多信道原理，對DSDV算法進行改進，通過在原DSDV算法基礎上增加邏輯無限鏈路編號信息，采用OMNeT++5.3仿真，從改變緩存大小方面進行測試原DSDV和改進DSDV的丟包情況，仿真結果表明，無論在那種緩存情況下，改進DSDV路由性能比原DSDV要好，同時緩存越大網絡丟包情況越少。

參考文獻

[1] 鄧曉衡，劉強，李旭，陳志剛.鏈路質量與負載敏感的無線Mesh網絡路由協議[J].計算機學報，2013，36（10）：2109-2118.

[2] 鐘朗，李廣軍，楊學敏，楊云樂.無線Mesh網絡中一種分布式路由方案[J].電子技術應用，2015，41（7）：81-84.

[3] 張博，羅衛，賈方.基于DSDV的無線Mesh網絡跨層路由設計[J].計算機工程，2009，35（5）：91-93.

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[5] 陳珊珊，姚善化.礦災管理系統中DADV與AODV協議的仿真對比[J].煤礦安全，2013，44（5）：120-122.

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[8] 魏振春，吳亞偉，張本宏.一種用于多信道無線Mesh網絡的信道分配方法[J].電子測量與儀器學報，2015，29（8）：1144-1150.