基于泛搜索路由协议的AdHoc网络设计与实现

周兆军，李 波

（西安邮电大学 陕西 西安 710121）

基于泛搜索路由协议的AdHoc网络设计与实现

周兆军，李 波

（西安邮电大学 陕西 西安 710121）

在Ad Hoc网络技术的工程实现中，路由协议的选择以及硬件无线通信系统设计是要解决的两个关键环节。本文针对节点之间无等级结构的Ad Hoc网络，基于一种泛搜索路由协议进行Ad Hoc网络系统设计和实现。硬件通信设备采用单片机C8051F920控制无线数传模块的方案进行设计，按照搜索路由协议对单片机编写程序，继而组建Ad Hoc网络系统。通过对网络测试所得的数据结果进行分析，表明该路由协议能适应网路拓扑结构变化，准确地找到一条适合传输的路由，所设计通信系统满足Ad Hoc网络的基本特征。

Ad Hoc网络；泛搜索路由协议；无线传输模块；网络拓扑结构

Ad Hoc网络属于一种无基础设施的移动网络。从Ad Hoc网络的工作特点来分析，该网络是一种自治的无线多跳网，没有固定的路由器，移动的节点既是终端也可作为中继，每个节点动态地保持与其他的节点之间的通信，因此Ad Hoc网络也被称为“无固定设施网”或“自组网”[1]。这种网络组网快速、灵活、操作简单，具备很强的抗毁性、临时性、自治性和自组性，常用于军事对抗，抢险救灾等紧急情况[2]。由于Ad Hoc网络中节点具有移动性和多跳性[3]，使得网络拓扑结构动态变化，因此动态地保持网络通信成为一个重要的研究方向，为解决此问题提出许多路由协议，例如，群首网关交换路由协议（CGSR）[4]、序列距离矢量路由协议（DSDV）[5]、距离矢量路由协议（AODV）、动态源路由协议（DSR）[6]等等。目前针对Ad Hoc网络协议研究多在模拟的环境中进行的，如使用OPEET、NS2和Glomosim等仿真软件。而对于Ad Hoc网络工程实现而言，软件仿真只是一个环节，支持协议的硬件系统设计更为重要,而且在真实外部环境和硬件平台中测试和评估路由协议更具有意义。

文中针对节点之间没有层级结构Ad Hoc网络，选用一种泛搜索路由协议并综合组网成本、易用性和路由协议的算法复杂度，设计无线通信设备，组建Ad Hoc网络系统，并对该网络进行测试。

1 泛搜索路由协议

泛搜索路由协议属于按需路由协议 （On Demand Routing）的一种，也称为“泛洪搜索机制”[7]。原理简单，运算复杂度不高，特点是每个节点不需要更新并保存多张路由表信息，只保留各自覆盖范围内节点信息，避免更新维护信息表的开销,常用于节点之间无等级结构的Ad Hoc网络。该路由协议的处理过程和原理是：源节点在目的节点的通信时，先在其覆盖范围内进行全搜索，即搜索所有的邻近节点并判断是否有目的节点。如果没有找到目的节点，则寻找与目的节点相通的一级中继节点，如果未找到一级中继，继续逐级往下寻找二级、三级中继，直到找到与目的节点相通的路径为止，要是最终没能找到则本次搜索失败。在搜索过程中源节点可能找到与目的节点相通且中继节点总数目相同的多条链路，此时需在多条链路中找出一条代价较小的作为最佳路径。衡量链路是否为最佳，通常需要综合评估下面几个因素：

1）链路上各段的传输稳定性；

2）链路上节点在网络中等级；

3）链路上中继节点的负荷量；

4）链路的传输总距离[8]。

根据以上所述，泛搜索路由选择协议具体流程如图1。

图1 泛搜索协议的具体流程Fig.1 The specific process of universal search routing protocol

2 Ad Hoc网络系统设计

Ad Hoc网络系统是由一定数量可移动的无线传输设备所组成，在网络拓扑动态变的情况下，该设备需按照相应路由协议稳定地进行数据传输。因此，工程中无线数据传输设备设计是实现Ad Hoc网络的核心。

2.1 无线数据传输设备硬件设计

无线数据传输设备采用微处理器MCU控制集成无线数传模块的方案进行设计，外围电路包括液晶显示器LCD以及辅助控制按键，图2为其结构框图。

图2 通信设备结构框图Fig.2 Communications equipment structure block diagram

考虑泛搜索路由协议原理较为简单，实现资源消耗较少，因此选用型号为C8051F920的低成本单片机作为主控MCU。C8051F920是Silicon Labs公司生产的一款低功耗 8位微处理器，其内部晶振可提供24.5MHz工作频率，支持51压缩指令集，同时内部集成32kB指令缓存和4352Bytes数据缓存、 路 位 以及 个可编程 端口。另外具有I2C、2×SPI和UART总线接口，级大地简化了数据和控制总线的设计。

为使无线数据传输设备有较强的稳定性和抗干扰能力，选用高性能集成无线数传模块SR_FRS_1W进行数据收发。此模块是借助DSP技术和无线电技术实现的高性能专业数据传输电台,内置高性能射频收发芯片、微控制器及射频功放。SR_FRS_1W主要性能参数见表1，与C8051F920组成设备核心电路图见图3。C8051F920通过标准的异步串行接口(RS232)与SR_FRS_1W进行数据收发，并通过一系列的AT指令集设置模块的工作参数，查询和控制整个模块的工作。

表1 SR_FRS_1W主要性能指标Tab.1 Main performance index of SR_FRS_1W

2.2 主要程序描述

按照泛搜索路由协议编写系统程序，将文件加入系统相应的路径中，并下载到C8051F920。关键代码如下：

1）detection （time，counter）//节点周期性检测覆盖范围内其他节点；

2 )Read_message（&node，NUM）//读取节点连接信息；

3）Caloads(&Mes,，NUM)//计算节点负荷量 ；

4）loading_routs （term，&node，number）//把负荷量较少的节点载入路由表；

5）data_transmit（“+DMOMES=”， 怕除了进进行稳定的数据传输性能的影响； 而 &table，&message，“0A0D”）//数据发送。

2.3 组建Ad Hoc网络系统

由表1可知,SR_FRS_1W通信覆盖半径范围为1公里，但实际外界环境复杂，数据传输时受到干扰衰减，因此，组网时两节点之间的距离保存在700米左右。利用5部已经编号的通信设备作为通信节点来组建一个节点之间无层级平面小型Ad Hoc网络，网络拓扑结构（a）如图4所示。其中每个节点可以随时开启或者关闭，并且可以低速移动，使得网络拓扑可以随时变化。

3 实际测试与分析

设备上电后对其覆盖范围内的设备进行周期性检测，并将检测到的信息放入单片机的数据缓存中，以便源节点寻找路由时进行信息应答反馈。测试时设备通过UART接口（TXD）上传检测信息以及接受到的数据信息到LCD。

图3 通信设备核心电路图Fig.3 Core circuit diagram of Communications equipment

图4 Ad Hoc网络拓扑结构（a）Fig.4 Ad Hoc network topology(a)

3.1 测试1

Ad Hoc网络拓扑结构（a）所示。读取覆盖范围内节点信息如下，

数据中“+DMOMES=”为帧头，“0A 0D”为帧尾，之间数据为有效信息。

以节点1的为例，“04”是指数据长度 （不包含帧尾长度），“09”代表此信息为节点监测覆盖，“01”代表本地节点编号，“02 03”指分别指监测到覆盖范围内的节点编号。

根据泛搜索路由选择协议，节点1无需中继，可直接发送数据给2或者3节点。

源节点1发送数据到目的节点2时，实际监测到数据如下：

“06”为数据长度，后面的“01”此信息类型为数据传输，“00”指传输无中继节点，“01”为源节点，“02”为目的节点，“AB CD”为数传的具体内容。

根据泛搜索路由选择协议，节点1若发送数据给节点5，需要中继节点，此时节点1发送命令读取节点2和3所覆盖节点信息，经过分析2可以作为一级中继，转发数据给节点5。源节点1发送数据到目的节点5时，实际监测测到数据如下：

“07 01”和上面一样，分别是数据长度和数据类型为数据传输，接着的“01”代表经过一次中继，后面的“01 02 05”分别为源节点，中继节点和目的节点，“AB CD”为数传内容。

根据泛搜索路由选择协议，节点1若发送数据给节点4，节点2和3都可以作为一级中继，但是节点2的负荷量比较大，可能造成传输阻塞冲突导致数据丢失，传输代价较大。通过代价判断选择负荷量较小的节点3作为传输中继。

源节点1发送数据到目的节点4时，实际监测到数据如下：

分析上面数据中“01 03 04”可知数据经过中继3发送到目的节点4。

3.2 测试2

关闭节点2，Ad Hoc网络的拓扑结构（b），如图5所示。读取覆盖范围内节点信息如下，

源节点1发送数据到目的节点5时，检测数据如下：分析上面数据中“02 01 03 04 05”可知数据经过两次中继节点3和4发送到目的节点5。

通过实际的组网测试以及数据分析可以得出：基于泛搜索路由协议所设计Ad Hoc通信系统能适应一定程度的网路拓扑结构变化，准确地找到一条适合传输的路由进行数据传输，此系统满足Ad Hoc网络的基本特征。

4 结论

文中设计了一个基于泛搜索路由协议的平面小型Ad Hoc无线网络系统。通过简单的路由协议，以及低成本硬件结构，较好的实现了Ad Hoc网络的基本功能。此系统具有一定的实用性，而且稍加改进也可实现语音传输，可用于野外无信号时快速组网信息传输，但由于MCU的性能限制，在传输的时延控制以及网络的可扩张性方面还存在不足。在后续工作中将通过ARM替代MCU，在Linux系统中研究和改进此方面内容。

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WANG Hua，XUE Tao，CUI Yun-ping.Ad hoc network technology[J].Silicon Valley,2012，1（17）：8-9.

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LIU Juan.Research on routing choice of wireless Ad Hoc network[J].Modern Navigation，2012，6（4）：289-294.

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 稿件编号：201310017

周兆军（1988—），男，陕西西安人，硕士研究生。研究方向：带宽无线通信。