一种基于DZR的Ad hoc网络路由协议

杨文利

（河北建材职业技术学院 机电工程系，秦皇岛 066004）

一种基于DZR的Ad hoc网络路由协议

杨文利

（河北建材职业技术学院 机电工程系，秦皇岛 066004）

0 引言

Ad Hoc 网络是一种特殊的无线移动网络。网络中所有节点的地位平等，无需设置任何的中 心控制节点。但Ad Hoc网络存在网络容量小、干扰严重、通信质量差等问题，如何提高Ad Hoc网络组网效率和信息传递效率，节省系统功耗等都是研究热点。研究发现，应用结合先验式和反应式路由协议优点的混合式路由协议是一种较好的折衷方 案。在局部范围内使用先验式路由协议，维护准确的路由信息，并可缩小路由控制消息传播的范围，当目标节点较过远，通过查找发现路由，这样即可以减少路由协议的开销，时延特性也得到了改善。

1 DZR协议

DZR协议应用MIMO技术复用和分集的链路优势，通过前导控制信息来调配下层。DZR协议是基于MIMO技术和“双环”技术的一种新型的Ad Hoc网络路由协议。根据MIMO技术的特点在网络内维护两个环：“分集环”和“复用环”。一般情况下，在发射功率相同的条件下，中心节点通过分集方式可以覆盖更远的距离，而通过复用方式覆盖的距离较小，但可以获得更大的传输速率。所以可以用“复用环”和“分集环”确定区域内部。在“分集环”的区域内部，使用“鱼眼技术”的表驱动式路由算法，每个节点周期性的与邻节点交换路由信息；在“分集环”的区域外部，使用按需路由算法，并不主动维护区域外节点的路由。

1.1 分集区域内部路由

在分集区域内部，采用表驱动路由策略，每个节点按照“鱼眼策略”以不同的周期分别与分集邻节点交换路由信息。路由表用来维护节点知道的路由信息，本路由协议中的每一个路由条目使用以下域：目的节点IP地址，目的节点序号，下一跳节点IP地址，Metric，跳数，扩展因子，上游节点列表，有效时间，路由标志位。邻节点表主要用来维护中心节点的邻节点信息，通过维护邻节点信息，中心节点可以及时的处理由于节点移动或者信息改变带来的网络拓扑的变化。本路由协议的邻节点表条目主要有以下域：邻节点IP地址，序号，有效时间，扩展因子。

区域内路由行为描述包括三部分：表维护、sop包发送处理和sop包接收处理。

其中sop包发送处理和接收处理是技术的关键部分，复用方式发送的sop包包含中心节点和中心节点的复用邻节点的最优路由信息。发送时向MAC层提供扩展因子(0,1)；分集方式发送的sop包应该包含中心节点知道的该分集区域内所有邻节点的最优路由信息。组包时首先查询路由表有效路由条目，并根据邻节点表判断是否是邻节点。如果是根据路由条目信息填写sop包，否则就继续查询下一个路由条目。路由表查询完毕，计算条目信息数目，填入sop包中的条目数域，向MAC层提供扩展因子(1,K)。中心节点会不断的收到来自邻节点的sop包，根据这些sop包，中心节点获得对网络拓扑的认知，通过计算机获得到区域内节点的路由信息。

1.2 分集环区域外部路由

分集环区域外部采用按需路由算法，当源节点有业务要发送，但是路由表没有对应路由条目或者路由条目无效时，发起路由请求信息，查找路由。源节点有数据发送时查询路由表，当路由表没表达到数据目的节点的路由条目，或者路由路由无效时，发起RREQ。如果路由表中没有到达数据目的节点的路由条目，则目的节点序号初始化为0，否则填写为路由条目中的目的节点序号，Metric和跳计数初始化为0。向MAC层提供扩展因子(1,K)。

1.3 应用层数据信息发送

源节点网络层收到来自应用层的数据包，首先给此数据包附一个ID_DATA，此ID_DATA与源节点IP地址唯一的标识了一个应用层数据包。然后提取数据包中的目的节点IP地址在路由表中查找是否存在有效路由。中间节点首先提取网络层数据包包头中的下跳区域节点IP地址域，判断自己是否就是此下跳边界节点。如果是，则在路由表查找到达数据包目的节点的有效路由。

1.4 路由参数Metric设计

本协议中使用的路由Metric是基于对网络吞吐率和端到端时延性能的综合考试而提出的，主要包含了如下两部分：

其中N为邻节点表的长度，Nd为邻节点表中分集邻节点的个数，Nm为邻节点表中复用邻节点的个数，QUdiv为数据缓存队列中以分集方式发送的数据的长度之和；QUmax为数据缓存队列中以复用方式发送的数据的长度之和；QUunknown为数据缓存队列中发送方式未知的数据的长度之和。

2 仿真与结果分析

现在的主流网络仿真软件有OPNET和NS2，因为OPNET可以支持大规模网络的仿真，本文采用OPNET作为仿真工具，在该工具上建立网络模型，并对该模型进行仿真。

接下来将DZR协议的仿真结果与SISO链路的ZRP协议（ZRP）、全复用链路的ZRP（MUX）协议和全分集链路的ZRP协议（DIV）进行对分析，对DZR协议和ZRP协议的仿真采用的都是收发天线数K=2的MIMO传输系统。而MIR协议的仿真采用的是收发天线数K=4的MIMO传输系统。我们将从业务负载大小、节点密度变化以及节点移动性等方面对网络吞吐量性能和时延性能指标进行仿真分析。

2.1 业务量变化

业务量的变化我们可以通过先固定发包的节点数，变化上层数据包的到达率来看业务量的变化。我们仿真设置上层包到达率为4pks/s，6pks/s，8pks/s，10pks/s四种情况，仿真结果如图1所示，可以得到DZR协议的吞吐量性能明显高于其他几种路由协议，其次高的是全分集链路的ZRP协议，而全复用链路的ZRP协议的吞吐性能只是略微高于SISO链路的ZRP协议，MIR协议的性能则一般。对于α=1和α=1/8的DZR协议来说，在4pks/s时，α=1时DZR协议的吞吐性能略优于α=1/8时DZR协议的吞吐性能，但随着包到达的增大，这种优势不仅消失。

图2 端到端时延性能曲线

从图2可知几种协议在包到达率等于4pks/s的MAC层接入时延性能基本一致，当包到达率增大到8pks/s时，基于全分集链路和SISO链种的ZRP协议，以及MIR协议的MAC层接入时延性能已经恶化到我们所设定的最大值，而使用全复用链路的ZRP协议的MAC层接入时延也增长很多，但是DZR协议的端到端时延虽然有所增长，但是增长不多。

2.2 节点密度变化

节点密度的大小和吞吐性能有直接的关系，当节点密度很低时，会出现源节点无法成功寻找到目的节点的路由。我们对节点数100的网络进行仿真，采用随机分布模型，随机选择15个节点发送数据包，每个节点的发包频率为4pkts/s，每个数据包的大小为4Kbits，物理信道速率为2Mbps。

从图3中可以看出，在网络边长为500m和600m时，DZR协议的性能为最优，其次为MIR协议和全分集链路的ZRP协议，性能最差的为ZRP协议和使用全复用链路的ZRP协议。当网络边长继续增加到700m和800m时， =1/8的DZR协议的吞吐性能出现了急剧恶化，网络密度的减少对 =1/8时的DZR协议产生了严重的影响，而对 =1时的DZR协议则影响很小。

DZR协议由于可以同时使用分集和复用链路，当网络节点密度变化时，吞吐性能和时延性能受影响最小，因此性能表现最优。而使用SISO链路和全复用链路的ZRP协议，节点的通信范围不能扩展，受网络节点密度影响最大，性能也就表现最差。

图3 网络吞吐率-网络场景边长线性图

图4 端到端时延性能曲线

[1]张敏华,顾剑峰,倪卫明.基于交叉层设计的MIMO Ad-hoc网络的MAC层调度算法[J].信息与电子工程,2008,6(6).

[2]屠梓浩,吴荣泉,钱立群.无线Ad Hoc网络DSR路由协议的优化设计[J].计算机工程,2009,35(4):97-99.

[3]张祖凡,张红兵.LTE-Advanced系统中的MIMO技术性能评估[J].重庆邮电大学学报(自然科学版),2010,22(2).

An Ad hoc network routing protocol base on DZR

YANG Wen-li

本文通过对MIMO复用技术和分集技术的研究 ，提出一种DZR ( Double Zone Routing ) 双区域路由协议，有效的将路由技术和 MIMO传输技术相结合，提升了网络吞吐性能。最后在OPNET仿真软件中，从业务负载、节点场景密度以及移动性方面对其进行了网络仿真，在结果分析中验证了DZR协议的综合性能优势，并在测试平台下验证了DZR协议的可实用行。

MIMO技术；DZR协议；Ad Hoc网络；路由协议

杨文利（1970 -），男，河北秦皇岛人，副教授，研究方向为计算机技术及应用。

TN915

A

1009-0134(2011)5(上)-0093-03

10.3969/j.issn.1009-0134.2011.5(上).32

2010-12-30