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(fā)展，人們對移動通信的要求越來越高，蜂窩移動通信系統(tǒng)的普及和發(fā)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(xiàn)場、野外科考及礦產(chǎn)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(wǎng)、高速地傳輸數(shù)據(jù)，并且具有較強的網(wǎng)絡健壯性，較大的網(wǎng)絡規(guī)模，支持節(jié)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(wǎng)絡。Ad Hoc網(wǎng)絡技術可以滿足這些特殊場合的需求。本文對Ad Hoc網(wǎng)絡分別進行了DSDV、DSR和AODV三種路由協(xié)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(tǒng)證明了AODV路由算法的可行性［1，2］。

1 組網(wǎng)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(wǎng)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(lián)網(wǎng)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(wǎng)是一跳網(wǎng)絡，所以其網(wǎng)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(qū)域，Ad Hoc網(wǎng)絡中每個節(jié)點具有路由功能，能實現(xiàn)多跳，其覆蓋范圍較WLAN網(wǎng)絡大;在實際布網(wǎng)環(huán)境中，有可能遇到山坡和墻壁等障礙物，Ad Hoc網(wǎng)絡可以在適當?shù)奈恢梅胖靡恍o線終端，用于連接由于障礙物遮擋而不可直達的節(jié)點;Ad Hoc網(wǎng)絡具有較強的健壯性，如從節(jié)點6到節(jié)點3有多條路徑，即使某個鏈路發(fā)生了故障仍然通過其他鏈路進行通信。

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

2 路由協(xié)議仿真

傳統(tǒng)的用于有線網(wǎng)絡的距離向量協(xié)議(RIP)和鏈路狀態(tài)路由協(xié)議(OSPF)并不適用于拓撲結構高度動態(tài)變化的Ad Hoc網(wǎng)絡，Ad Hoc網(wǎng)絡專用的路由協(xié)議可分為兩大類:① 表驅動的路由協(xié)議，優(yōu)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(wǎng)絡資源，適用于穩(wěn)定的小規(guī)模網(wǎng)絡;② 按需路由，是在需要的時候搜索路由，優(yōu)點是不用定時更新節(jié)點信息，占用網(wǎng)絡資源少，缺點是延時比較長［4］。目前用于 Ad Hoc網(wǎng)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(xié)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(xié)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(jié)點的移動會導致報文沖突的出現(xiàn)和鏈路的斷裂，導致分組投遞率的降低，鏈路的斷開使數(shù)據(jù)分組排隊等待路由發(fā)現(xiàn)過程較長，從而增加了時延。路由發(fā)現(xiàn)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(wǎng)絡接口為 WirelessPhy;接口隊列為 DropTail/PriQueue CMUPriQueue;天線采用 QmniAntenna;移動節(jié)點個數(shù)為50個;路由協(xié)議有 AODV、DSR和DSDV三種;節(jié)點移動速度為0～20 m/s;節(jié)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(yè)務類型為CBR;帶寬為11 MHz;最大連接數(shù)10個，發(fā)送速率80 kbps。

圖3、圖4和圖5分別是對 DSDV、DSR、AODV三種路由協(xié)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(jié)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(jié)點移動性較強的時候，節(jié)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(jié)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(jié)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(jié)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(tǒng)計開銷的時候，是按照控制路由分組數(shù)/數(shù)據(jù)路由分組數(shù)計算的，沒有將分組大小統(tǒng)計進去，AODV的控制分組是比較小的，因此在此統(tǒng)計中，歸一化路由參數(shù)只是粗略地反應了路由的開銷;另外，DSR是源路由，在普通數(shù)據(jù)包里包括了路由信息，圖5沒有將這些路由信息統(tǒng)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(jié)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(tǒng)實現(xiàn)

本系統(tǒng)使用4臺筆記本充當網(wǎng)絡節(jié)點，采用符合802．11g標準的TL-WN322G+的無線網(wǎng)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(tǒng)［8，9］，將 Uppsala University and Ericsson AB提供的AODV源碼aodv-uu-0．9．5植入網(wǎng)絡節(jié)點，實現(xiàn)無線路由功能。節(jié)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(shù)據(jù)經(jīng)B點和C點的轉發(fā)，證實了此網(wǎng)絡確實是多跳網(wǎng)絡，節(jié)點間的數(shù)據(jù)傳輸速率和時延、節(jié)點距離、障礙物及節(jié)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(wǎng)絡拓撲變?yōu)閳D7的結構時，路由會做出動態(tài)調(diào)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(fā)生故障A點能繼續(xù)保持與D點的通信，證實了該網(wǎng)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(wǎng)方式，得出Ad Hoc自組織網(wǎng)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(wǎng)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(xié)議的仿真。通過仿真分析可得，AODV路由協(xié)議應用于Ad Hoc網(wǎng)絡中性能最優(yōu)，能夠適應節(jié)點的快速移動。最后給出了基于Linux操作系統(tǒng)的AODV路由協(xié)議實物實現(xiàn)，并最終證實了網(wǎng)絡的自組織能力和健壯性。

［1］ 郭建立，劉 剛．移動自組織網(wǎng)路由穩(wěn)定性分析［J］．無線電通信技術，2011，37(4):1 －3．

［2］ 林礪宗，王子異，劉 磊．基于Ad Hoc無線自組網(wǎng)測量系統(tǒng)組網(wǎng)技術研究［J］．計算機工程，2007，33(1):253－255．

［3］ 劉國鵬，劉 靜，姚大勇，等．一種新型的無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的設計［J］．工礦自動化，2008(2):60－61．

［4］ PERKINS C E，ROYER B，DAS S．Ad Hoc On-Demand Distance Vector(AODV)Routing［J］．RFC3561，2003(7):4－11．

［5］ WARREN W．Gay實戰(zhàn) Linux Socket編程［M］．西安:西安電子科技大學出版社，2002．

［6］ 喬 輝．關于WLAN覆蓋的研究［J］．無線電通信技術，2012，38(3):18 －19．

［7］ KARBASCHI G．FLADENMULLER A．A Link-quality and Congestion-aware Crosslayer Metric for Multi-hop Wireless Routing［J］．IEEE 2005，2005(11):649 － 655．

［8］ STEVENS W R，RAGO S A．Advanced Programming in the UNIX Enviroment［M］．北 京:人 民 郵 電 出 版社，2006．

［9］ 李江輝．基于Linux平臺的Ad Hoc網(wǎng)絡應用與設計實現(xiàn)．武漢:武漢科技大學碩士學位論文．2011．

［10］陳蜀波，劉 堃．Ad Hoc網(wǎng)絡協(xié)議仿真與分析［J］．中國儲運，2012(5):126－127．

［11］邱修峰，劉建偉，陳 杰，等．Ad Hoc網(wǎng)絡安全協(xié)議仿真系統(tǒng)設計與實現(xiàn)［J］．江西師范大學學報，2012，36(2):135－140．

［12］劉 洋，詹宜巨，蔡慶玲．空分復用無線自組網(wǎng)跨層設計的NS2仿真研究［J］．系統(tǒng)仿真學報，2012，24(7):1 412－1 417．

［13］常 揚，陳建民，馬鵬飛．高速無人機網(wǎng)絡MAC協(xié)議設計與性能分析［J］．無線電工程，2011，41(3):23－26．