窄带无线网络中基于WRP路由算法的优化设计与仿真

孙小薇，邱宏燕，李勇

窄带无线网络中基于WRP路由算法的优化设计与仿真

孙小薇，邱宏燕，李勇

（中国电子科技集团公司第七研究所，广东 广州 510310）

针对窄带无线自组网络环境，设计了一种基于WRP的改进路由算法。该路由算法沿用WRP的倒数第二跳节点避免环路现象，特别是采用了报文中携带校验值取代更新消息的序列号、ACK标志等复杂操作，并提出简化的HELLO报文来维护与邻居节点的连通性。根据设定的窄带无线网络参数配置，使用OPNET仿真工具对该路由协议进行了仿真和评估。

窄带无线网络 路由协议 WRP OPNET

1 引言

窄带无线网络中由于带宽窄，网络数据传输率很低，不同移动速度和带宽等特殊环境因素对路由算法的选取至关重要，因为它对提高特定环境中无线自组网的通信性能有很大作用。窄带无线自组网络中使用的路由算法要求占据较小的开销达到降低传输延时、提高包到达率、提高网络传输性能的目标。而在无线自组网中，没有最优的算法，网络规模、节点特性的不同，都会使路由算法的表现千差万别。针对特定的窄带无线网络，考虑设计一种基于WRP（Wireless Routing Protocol，无线路由协议）的路由算法，对该路由算法存在的问题进行优化和改进。根据特定的窄带无线网络环境，基于OPNET构建优化后的WRP路由协议，以仿真结果说明路由协议的有效性，并对其关键性能进行比较。

2 WRP路由算法优化设计

2.1 WRP协议

WRP是主动式距离矢量的协议，它利用去往目标节点的路径跳数和相应路径的倒数第二跳节点信息，基于PFA（Path Finding Aglorithm，路径发现算法）计算无环路的目标路径。WRP通过ACK机制实现可靠传输，维护动态信息包括距离表、路由表、消息重发表等。其中消息重发表包括多个重发表项，每个表项包括更新消息的序号、重发技术、ACK标志、更新消息列表等。WRP通过周期性地发送HELLO报文来探测邻居间的连通性信息。每个节点通过其邻居节点的SST（Shortpath Spanning Tree，最短路径生成树）生成自己的SST后，再向邻节点传递更新消息。WRP算法的特点是当检测到任意相邻节点变化时，则检查保存的所有相邻节点的距离表，进行新的路径计算并根据每条路径记录的倒数第二跳信息消除环路现象，具有较快的收敛性，缺点是开销较大。

2.2 改进的WRP协议

在特定的窄带无线网络中，节点带宽、计算等资源受限，需要路由算法简洁有效、开销低。考虑到适用的特定环境的节点在拓扑构建完成后拓扑变化不剧烈，可长时间地保持在稳定状态。因此在保证WRP的快速消除环路算法具有较快收敛性的特点下，取消ACK机制，改进HELLO机制，采用校验和来保证路由数据的完整性和准确性。改进HELLO机制，在稳定状态时，发送简化的HELLO报文维持邻居间的连通性，改进WRP协议为A-WRP协议。

（1）校验和机制

校验和机制采用的数据项是每个节点的路由表数据项的排列组合，按照路由表项节点号的顺序排列作为输入计算得出校验和的值。该值在发送路由报文时携带在报文头部，用于收方节点比较自身保存的邻居距离表计算得出的校验和是否和对方邻居发送的校验和一致，如果相同，则认为和邻居达到路由的同步；如果不同，则判断为不同步，需要对不同步的节点进行同步请求。进行同步请求只需要增加一种短的同步请求报文发送到目标节点，目标节点收到报文后则将路由表项通过路由报文发送出去。源节点可以快速地更新该邻居节点的距离表，并更新计算自身的路由表。该机制增加了一种短报文，但是无需采用序号、重发、ACK标志、消息重发表等复杂处理过程。

A-WRP路由协议的每种报文的报文头都会携带校验和值，如图1所示。发送端的校验和计算是根据发端的路由表按照一定规则排序而成的数据，而收端则是根据查找距离表中发送节点的路由表按照同样规则排序后进行计算的结果。若一致，则说明收端保存的该节点的路由表是和发端一致的；若不一致，则触发请求路由同步的短报文将其发送出去。节点若收到路由同步请求报文，发现有邻居节点请求发送路由表项信息，则使用“完全转存”路由更新报文进行发送，即通过校验和机制使报文确定被接收到。

图1 校验和机制示意图

（2）简化HELLO机制

A-WRP主动式路由协议在网络拓扑处于稳定状态时，只发送HELLO分组。此时节点处于相对静态的状态，即网络拓扑无变化，相邻节点间的路由信息同步后，发送的简化HELLO报文中不再携带有邻居信息，只需本节点自身信息和校验值即可，可大大节省稳定状态下的路由报文开销。

HELLO报文分为两种，一种是完全HELLO报文，另一种是简化HELLO报文。发送哪种报文由HELLO报文当前时刻的HELLO报文发送状态来决定，HELLO报文发送状态如图2所示，它有对应的两种状态。

HELLO_init：初始态HELLO；

HELLO_stable：稳定态HELLO。

系统初始化时，将HELLO报文发送状态定为HELLO_init。若在定时器T1时间内只收到双向邻居的HELLO报文，则跳转到HELLO_stable状态。

处于HELLO_stable跳转到HELLO_init的条件是：若收到新邻居的HELLO包，且该邻居的邻居表内不含有本节点，则跳转到HELLO_init状态；或者收到非HELLO报文。

图2 HELLO报文发送状态机

（3）快速收敛机制

改进后的WRP协议采用了路由的增量更新机制，节点根据路由表项的变化程度决定是否进行“增量更新”路由报文的发送。如果链路中断导致拓扑发生变化，A-WRP路由协议在一段时间内不能收到邻居的任何节点信息，推测出链路断。该路由算法中，链路断的度量值设定为最大值0xff，并通过路由更新报文携带该信息发送出去，并且度量值为最大值的路由表项触发立即发送的“增量更新”报文立即发送出去。上述过程可以在较短的时间内完成，链路的变化及路由的更新将通告在网络中的各个节点。

3 基于OPNET的仿真平台设计

3.1 窄带无线网络

在特定环境下的窄带无线移动自组网的网络带宽比较小，数据传输率较低。以典型的超短波电台的信道带宽9.6kb/s为例，设置了基本通信网络参数，并在此基础上，根据应用的具体需求，同时对网络节点相关参数进行了适当的配置，其它无线网络参数如表1所示。

表1 窄带无线网络参数

针对特定的窄带无线网络，构建OPNET仿真平台下的网络拓扑如图3所示。16个节点的多跳窄带无线自组网根据表1的参数，需要对全部节点进行配置。

图3 仿真网络拓扑图

3.2 基于OPNET的平台设计

A-WRP路由协议的实现需要嵌入到IP模块中，OPNET系统自带的MANET模块位于IP模块进程模型ip_dispatch的子进程manet_mgr中，系统自带的根据RFC标准实现的有DSR、AODV、TORA、GRP等协议。DSR、AODV、TORA、GRP等都是以manet_mgr的子进程形式来实现具体协议细节的。同样的A-WRP模块也可以在MANET模块下添加一个新的子进程来实现路由协议，如图4所示：

图4 manet_mgr子进程下增加路由协议子进程awrp_rte

awrp_rte与manet_mgr进程接口部分处理完成后，即可设计awrp_rte路由协议模型的具体细节，如图5所示，在进程模型中：

（1）只有来自父进程的激发（传递数据包）和自己定义的自中断两种事件需要处理。

（2）不论向上层还是下层发送数据，都需要激发父进程，通过父进程转发，数据包是激发的参数。

图5 awrp_rte进程模块

接收数据包处理步骤包含在wait状态机执行以下包处理过程：

（1）底层来的路由控制包：IP会判断该包是否来自底层，并将对应路由协议的控制包发到对应的子进程进行处理。

（2）底层来的数据业务包：MAC层先将包发到IP进行IP路由处理。1）若不是本机的数据业务包且在IP路由表中有路由地址的话，则将包处理后通过输出接口output interface通过无线通信链路发送到另外一台目的节点处。2）若不是本机的数据业务包且IP路由表中找不到路由地址，则将该包发到manet_mgr中对应的wrp_rte路由子进程进行查找路由处理。若找到路由，则将该包发给IP转发出去，若没有找到路由，丢弃该包。3）若是本机的数据业务，则通过IP层直接将包发给应用层。

（3）高层来的数据业务包：高层将业务包发到IP进行IP路由处理。1）若在IP路由表能找到相应路由，则将包通过输出接口output interface发送到底层。2）若在IP路由表中找不到对应路由，则将包发到manet_ mgr对应的awrp_rte路由子进程进行查找路由处理，若找到路由，则将包发给IP转发出去，若没有找到路由，丢弃该包。

4 仿真结果与分析

仿真中利用OPNET的统计功能，增加相关local和global统计量，例如各种报文的发送统计、MAC层帧拥塞情况统计等，并可以生成excel数据报表对路由协议占据的带宽开销进行统计，对路由协议的性能进行详细的分析。

4.1 固定拓扑结构

基于图3的固定拓扑结构，A-WRP协议包括了校验和机制，避免了ACK机制的复杂性，简化节点的处理方式，所有报文都无需对方反馈ACK标志，节点可以节约大量缓存空间。图6为A-WRP四种报文的发送个数统计示意图，可见通过增加两种报文的少量的发送，可取代ACK机制的复杂处理过程。

图6 A-WRP四种报文发送统计显示

在校验和机制的基础上，为进一步降低路由算法的带宽占用率，针对网络拓扑的特定应用场景，采用简化的HELLO协议。图7对比了A-WRP协议采用简化HELLO的前后对比，为global统计变量HELLO报文的发送总bits。根据统计结果显示，采用简化的HELLO协议后，HELLO报文占据的开销降低了55.2%。

图7 HELLO报文发送全局统计

图8为校验和机制中增加的同步请求短报文的发送情况，可见短报文只在网络收敛的初始阶段发送，网络平稳后，是不需要发送该短报文的。网络平稳后，只发送周期较长简化的HELLO报文，以降低路由报文开销。

图8 同步请求报文发送全部统计

查看统计量，计算的路由全网收敛的时间和路由开销如表2所示。其中，初始态路由开销代表仿真初始路由开始全网收敛达到所有节点形成完整路由表后计算所得。稳定路由开销则为路由表收敛完成后，只需要周期性地发送HELLO包后的开销。

表2 全网收敛时间和路由开销

可见路由初建，HELLO包和路由更新包比较多，所以开销比较大。待路由建立完成后，只需要周期性地发送HELLO包，开销较小，目前配置稳定状态后HELLO周期为25s。

4.2 移动拓扑结构

设置移动拓扑场景（如图3所示），节点16以60km/s的移动速度沿途中所示方向移动，直到移出其它节点的天线覆盖范围。在移动过程中，因节点16逐渐与其它节点链路断开，并不会立即与所有节点都断开邻居关系，故路由收敛处于振荡过程中，直到节点16与最近的节点都无法进行通信。查看路由协议的报文发送情况，如图9所示，与固定场景的图6对比，可见移动场景下，在第6分钟时，还有除HELLO报文外的其它三种报文在完成路由表项的发送处理过程。

路由重收敛时间的计算方式为，从IP路由表中删除某条目的地址的路由，重新计算出该目的地址的路由并加入IP路由表的时间。查看仿真结果，得出该场景下的路由重收敛时间和开销如表3所示：

表3 重收敛和开销

可见，新建路由由于HELLO包和路由更新包都比较多，包也比较大，所以开销较大。但重收敛路由时，因为A-WRP采用的增量更新方式，只发送路由表中有变化的路由条目给周围邻居，所以开销比较小。因为各个节点发送HELLO包的时间不同，在重新收敛过程中会存在邻居节点丢失的时间不同，因此各次断链后重建路由的收敛时间也会不同的情况。

图9 移动拓扑四种报文发送统计显示

5 结束语

改进的WRP路由协议采用校验和机制的路由协议可避免ACK机制复杂的处理流程，结合简化HELLO报文和快速收敛等机制，能更好地在窄带无线网络中进行应用。通过大型仿真软件OPNET模拟路由协议流程，对报文发送处理、路由开销、收敛时间等关键仿真结果进行分析，改进后的路由协议减小了带宽占用率，该协议的设计为实际设备开发路由算法提供了理论指导和数据支持。

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Optimization Design and Simulation of WRP Routing Algorithm for Narrow-Band Wireless Network

SUN Xiaowei, QIU Hongyan, LI Yong
(T h e 7t h Re s e a r c h I n s t i t u t e o f C h i n a E l e c t r o n i c T e c h n o l o g y G r o u p C o r p o r a t i o n, G u a n g z h o u 510310, C h i n a)

An improved routing algorithm based on WRP was designed according to narrow-band wireless network. The improved algorithm keeps the penult node in WRP to avoid the loop. Especially, it carries the check value in the packets to replace the complex operations such as series number and ACK fl ag and uses the simple HELLO message to maintain the connectivity with the neighbor nodes. According to the parameter con fi gurations of narrow-band wireless network, OPNET is used to simulate and evaluate the improved routing algorithm.

narrow-band wireless network routing protocol WRP OPNET

孙小薇：工程师，硕士研究生毕业于桂林电子科技大学信息与通信学院，现任职于中国电子科技集团公司第七研究所，主要研究方向为路由与交换技术、军用通信系统仿真。

邱宏燕：高级工程师，硕士研究生毕业于华南理工大学电子与信息学院，现任职于中国电子科技集团公司第七研究所，主要研究方向为无线网络的总体设计、原型系统和仿真评估等。

李勇：高级工程师，学士毕业于哈尔滨工业大学通信工程专业，现任职于中国电子科技集团公司第七研究所，主要研究方向为通信系统和网络设计。

10.3969/j.i s s n.1006-1010.2017.12.015

T P 316.2

A

1006-1010(2017)12-0075-06

孙小薇,邱宏燕,李勇. 窄带无线网络中基于WRP路由算法的优化设计与仿真[J]. 移动通信, 2017,41(12): 75-80.

2017-03-09

责任编辑：刘妙 l i u m i a o@m b c o m.c n