周兆軍，李 波

（西安郵電大學(xué) 陜西 西安 710121）

基于泛搜索路由協(xié)議的AdHoc網(wǎng)絡(luò)設(shè)計與實現(xiàn)

周兆軍，李 波

（西安郵電大學(xué) 陜西 西安 710121）

在Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的工程實現(xiàn)中，路由協(xié)議的選擇以及硬件無線通信系統(tǒng)設(shè)計是要解決的兩個關(guān)鍵環(huán)節(jié)。本文針對節(jié)點之間無等級結(jié)構(gòu)的Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)，基于一種泛搜索路由協(xié)議進行Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)計和實現(xiàn)。硬件通信設(shè)備采用單片機C8051F920控制無線數(shù)傳模塊的方案進行設(shè)計，按照搜索路由協(xié)議對單片機編寫程序，繼而組建Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。通過對網(wǎng)絡(luò)測試所得的數(shù)據(jù)結(jié)果進行分析，表明該路由協(xié)議能適應(yīng)網(wǎng)路拓撲結(jié)構(gòu)變化，準確地找到一條適合傳輸?shù)穆酚?，所設(shè)計通信系統(tǒng)滿足Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的基本特征。

Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)；泛搜索路由協(xié)議；無線傳輸模塊；網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)

Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)屬于一種無基礎(chǔ)設(shè)施的移動網(wǎng)絡(luò)。從Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的工作特點來分析，該網(wǎng)絡(luò)是一種自治的無線多跳網(wǎng)，沒有固定的路由器，移動的節(jié)點既是終端也可作為中繼，每個節(jié)點動態(tài)地保持與其他的節(jié)點之間的通信，因此Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)也被稱為“無固定設(shè)施網(wǎng)”或“自組網(wǎng)”[1]。這種網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)快速、靈活、操作簡單，具備很強的抗毀性、臨時性、自治性和自組性，常用于軍事對抗，搶險救災(zāi)等緊急情況[2]。由于Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點具有移動性和多跳性[3]，使得網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)動態(tài)變化，因此動態(tài)地保持網(wǎng)絡(luò)通信成為一個重要的研究方向，為解決此問題提出許多路由協(xié)議，例如，群首網(wǎng)關(guān)交換路由協(xié)議（CGSR）[4]、序列距離矢量路由協(xié)議（DSDV）[5]、距離矢量路由協(xié)議（AODV）、動態(tài)源路由協(xié)議（DSR）[6]等等。目前針對Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)協(xié)議研究多在模擬的環(huán)境中進行的，如使用OPEET、NS2和Glomosim等仿真軟件。而對于Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)工程實現(xiàn)而言，軟件仿真只是一個環(huán)節(jié)，支持協(xié)議的硬件系統(tǒng)設(shè)計更為重要,而且在真實外部環(huán)境和硬件平臺中測試和評估路由協(xié)議更具有意義。

文中針對節(jié)點之間沒有層級結(jié)構(gòu)Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)，選用一種泛搜索路由協(xié)議并綜合組網(wǎng)成本、易用性和路由協(xié)議的算法復(fù)雜度，設(shè)計無線通信設(shè)備，組建Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，并對該網(wǎng)絡(luò)進行測試。

1 泛搜索路由協(xié)議

泛搜索路由協(xié)議屬于按需路由協(xié)議 （On Demand Routing）的一種，也稱為“泛洪搜索機制”[7]。原理簡單，運算復(fù)雜度不高，特點是每個節(jié)點不需要更新并保存多張路由表信息，只保留各自覆蓋范圍內(nèi)節(jié)點信息，避免更新維護信息表的開銷,常用于節(jié)點之間無等級結(jié)構(gòu)的Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)。該路由協(xié)議的處理過程和原理是：源節(jié)點在目的節(jié)點的通信時，先在其覆蓋范圍內(nèi)進行全搜索，即搜索所有的鄰近節(jié)點并判斷是否有目的節(jié)點。如果沒有找到目的節(jié)點，則尋找與目的節(jié)點相通的一級中繼節(jié)點，如果未找到一級中繼，繼續(xù)逐級往下尋找二級、三級中繼，直到找到與目的節(jié)點相通的路徑為止，要是最終沒能找到則本次搜索失敗。在搜索過程中源節(jié)點可能找到與目的節(jié)點相通且中繼節(jié)點總數(shù)目相同的多條鏈路，此時需在多條鏈路中找出一條代價較小的作為最佳路徑。衡量鏈路是否為最佳，通常需要綜合評估下面幾個因素：

1）鏈路上各段的傳輸穩(wěn)定性；

2）鏈路上節(jié)點在網(wǎng)絡(luò)中等級；

3）鏈路上中繼節(jié)點的負荷量；

4）鏈路的傳輸總距離[8]。

根據(jù)以上所述，泛搜索路由選擇協(xié)議具體流程如圖1。

圖1 泛搜索協(xié)議的具體流程Fig.1 The specific process of universal search routing protocol

2 Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)計

Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)是由一定數(shù)量可移動的無線傳輸設(shè)備所組成，在網(wǎng)絡(luò)拓撲動態(tài)變的情況下，該設(shè)備需按照相應(yīng)路由協(xié)議穩(wěn)定地進行數(shù)據(jù)傳輸。因此，工程中無線數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備設(shè)計是實現(xiàn)Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的核心。

2.1 無線數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備硬件設(shè)計

無線數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備采用微處理器MCU控制集成無線數(shù)傳模塊的方案進行設(shè)計，外圍電路包括液晶顯示器LCD以及輔助控制按鍵，圖2為其結(jié)構(gòu)框圖。

圖2 通信設(shè)備結(jié)構(gòu)框圖Fig.2 Communications equipment structure block diagram

考慮泛搜索路由協(xié)議原理較為簡單，實現(xiàn)資源消耗較少，因此選用型號為C8051F920的低成本單片機作為主控MCU。C8051F920是Silicon Labs公司生產(chǎn)的一款低功耗 8位微處理器，其內(nèi)部晶振可提供24.5MHz工作頻率，支持51壓縮指令集，同時內(nèi)部集成32kB指令緩存和4352Bytes數(shù)據(jù)緩存、 路 位 以及 個可編程 端口。另外具有I2C、2×SPI和UART總線接口，級大地簡化了數(shù)據(jù)和控制總線的設(shè)計。

為使無線數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備有較強的穩(wěn)定性和抗干擾能力，選用高性能集成無線數(shù)傳模塊SR_FRS_1W進行數(shù)據(jù)收發(fā)。此模塊是借助DSP技術(shù)和無線電技術(shù)實現(xiàn)的高性能專業(yè)數(shù)據(jù)傳輸電臺,內(nèi)置高性能射頻收發(fā)芯片、微控制器及射頻功放。SR_FRS_1W主要性能參數(shù)見表1，與C8051F920組成設(shè)備核心電路圖見圖3。C8051F920通過標(biāo)準的異步串行接口(RS232)與SR_FRS_1W進行數(shù)據(jù)收發(fā)，并通過一系列的AT指令集設(shè)置模塊的工作參數(shù)，查詢和控制整個模塊的工作。

表1 SR_FRS_1W主要性能指標(biāo)Tab.1 Main performance index of SR_FRS_1W

2.2 主要程序描述

按照泛搜索路由協(xié)議編寫系統(tǒng)程序，將文件加入系統(tǒng)相應(yīng)的路徑中，并下載到C8051F920。關(guān)鍵代碼如下：

1）detection （time，counter）//節(jié)點周期性檢測覆蓋范圍內(nèi)其他節(jié)點；

2 )Read_message（&node，NUM）//讀取節(jié)點連接信息；

3）Caloads(&Mes,，NUM)//計算節(jié)點負荷量 ；

4）loading_routs （term，&node，number）//把負荷量較少的節(jié)點載入路由表；

5）data_transmit（“+DMOMES=”， 怕除了進進行穩(wěn)定的數(shù)據(jù)傳輸性能的影響； 而 &table，&message，“0A0D”）//數(shù)據(jù)發(fā)送。

2.3 組建Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)

由表1可知,SR_FRS_1W通信覆蓋半徑范圍為1公里，但實際外界環(huán)境復(fù)雜，數(shù)據(jù)傳輸時受到干擾衰減，因此，組網(wǎng)時兩節(jié)點之間的距離保存在700米左右。利用5部已經(jīng)編號的通信設(shè)備作為通信節(jié)點來組建一個節(jié)點之間無層級平面小型Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)（a）如圖4所示。其中每個節(jié)點可以隨時開啟或者關(guān)閉，并且可以低速移動，使得網(wǎng)絡(luò)拓撲可以隨時變化。

3 實際測試與分析

設(shè)備上電后對其覆蓋范圍內(nèi)的設(shè)備進行周期性檢測，并將檢測到的信息放入單片機的數(shù)據(jù)緩存中，以便源節(jié)點尋找路由時進行信息應(yīng)答反饋。測試時設(shè)備通過UART接口（TXD）上傳檢測信息以及接受到的數(shù)據(jù)信息到LCD。

圖3 通信設(shè)備核心電路圖Fig.3 Core circuit diagram of Communications equipment

圖4 Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)（a）Fig.4 Ad Hoc network topology(a)

3.1 測試1

Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)（a）所示。讀取覆蓋范圍內(nèi)節(jié)點信息如下，

數(shù)據(jù)中“+DMOMES=”為幀頭，“0A 0D”為幀尾，之間數(shù)據(jù)為有效信息。

以節(jié)點1的為例，“04”是指數(shù)據(jù)長度 （不包含幀尾長度），“09”代表此信息為節(jié)點監(jiān)測覆蓋，“01”代表本地節(jié)點編號，“02 03”指分別指監(jiān)測到覆蓋范圍內(nèi)的節(jié)點編號。

根據(jù)泛搜索路由選擇協(xié)議，節(jié)點1無需中繼，可直接發(fā)送數(shù)據(jù)給2或者3節(jié)點。

源節(jié)點1發(fā)送數(shù)據(jù)到目的節(jié)點2時，實際監(jiān)測到數(shù)據(jù)如下：

“06”為數(shù)據(jù)長度，后面的“01”此信息類型為數(shù)據(jù)傳輸，“00”指傳輸無中繼節(jié)點，“01”為源節(jié)點，“02”為目的節(jié)點，“AB CD”為數(shù)傳的具體內(nèi)容。

根據(jù)泛搜索路由選擇協(xié)議，節(jié)點1若發(fā)送數(shù)據(jù)給節(jié)點5，需要中繼節(jié)點，此時節(jié)點1發(fā)送命令讀取節(jié)點2和3所覆蓋節(jié)點信息，經(jīng)過分析2可以作為一級中繼，轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)給節(jié)點5。源節(jié)點1發(fā)送數(shù)據(jù)到目的節(jié)點5時，實際監(jiān)測測到數(shù)據(jù)如下：

“07 01”和上面一樣，分別是數(shù)據(jù)長度和數(shù)據(jù)類型為數(shù)據(jù)傳輸，接著的“01”代表經(jīng)過一次中繼，后面的“01 02 05”分別為源節(jié)點，中繼節(jié)點和目的節(jié)點，“AB CD”為數(shù)傳內(nèi)容。

根據(jù)泛搜索路由選擇協(xié)議，節(jié)點1若發(fā)送數(shù)據(jù)給節(jié)點4，節(jié)點2和3都可以作為一級中繼，但是節(jié)點2的負荷量比較大，可能造成傳輸阻塞沖突導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失，傳輸代價較大。通過代價判斷選擇負荷量較小的節(jié)點3作為傳輸中繼。

源節(jié)點1發(fā)送數(shù)據(jù)到目的節(jié)點4時，實際監(jiān)測到數(shù)據(jù)如下：

分析上面數(shù)據(jù)中“01 03 04”可知數(shù)據(jù)經(jīng)過中繼3發(fā)送到目的節(jié)點4。

3.2 測試2

關(guān)閉節(jié)點2，Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)（b），如圖5所示。讀取覆蓋范圍內(nèi)節(jié)點信息如下，

源節(jié)點1發(fā)送數(shù)據(jù)到目的節(jié)點5時，檢測數(shù)據(jù)如下：分析上面數(shù)據(jù)中“02 01 03 04 05”可知數(shù)據(jù)經(jīng)過兩次中繼節(jié)點3和4發(fā)送到目的節(jié)點5。

通過實際的組網(wǎng)測試以及數(shù)據(jù)分析可以得出：基于泛搜索路由協(xié)議所設(shè)計Ad Hoc通信系統(tǒng)能適應(yīng)一定程度的網(wǎng)路拓撲結(jié)構(gòu)變化，準確地找到一條適合傳輸?shù)穆酚蛇M行數(shù)據(jù)傳輸，此系統(tǒng)滿足Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的基本特征。

4 結(jié)論

文中設(shè)計了一個基于泛搜索路由協(xié)議的平面小型Ad Hoc無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。通過簡單的路由協(xié)議，以及低成本硬件結(jié)構(gòu)，較好的實現(xiàn)了Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的基本功能。此系統(tǒng)具有一定的實用性，而且稍加改進也可實現(xiàn)語音傳輸，可用于野外無信號時快速組網(wǎng)信息傳輸，但由于MCU的性能限制，在傳輸?shù)臅r延控制以及網(wǎng)絡(luò)的可擴張性方面還存在不足。在后續(xù)工作中將通過ARM替代MCU，在Linux系統(tǒng)中研究和改進此方面內(nèi)容。

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Design and implementation of ad hoc network based on universal search routing protocol

ZHOU Zhao-jun,LI Bo
（ Xi’an University of Posts and Telecommunications,Xi’an 710121,China）

In the implementation and application of Ad Hoc network technology,the routing protocol selection and design of hardware communication system will be solved problem as the key links.For no hierarchical structure among nodes in Ad Hoc network,design and realization scheme is given based on a kind of universal search routing protocol.Ad Hoc network is built by wireless communication devices which are designed by the wireless data transmission module and MCU C8051F920 that will be written a program to in accordance with universal search routing protocol.Through the analysis of the data measured,the results show that the protocol can adapt to network topology change,accurately find a routing and the communication system faces the essential characteristics of Ad Hoc network.

ad Hoc network；universal search routing protocols；wireless transmission module；network topology

TN929.5

A

1674-6236（2014）13-0132-04

2013-10-08 稿件編號：201310017

周兆軍（1988—），男，陜西西安人，碩士研究生。研究方向：帶寬無線通信。