基于移动Ad Hoc的智能小区网络路由协议

　　1 引言

　　移动Adhoc网络即移动自组网（MobileAdhocNetwork,MANET），是一个临时性网络，它由携带无线收发设备的移动节点组成，具有自创造、自组织和自管理的特点。MANET组网因为灵活快捷、设施投资少，并且不受固定拓扑的限制，它的应用范围正在越来越迅速地由军事通信向民用系统扩展，而其路由协议的开发和研究逐渐成为热门焦点，协议性能评估的重要性也日益凸现。而通过模拟网络环境对协议性能进行测试和评估实现代价低，控制灵活方便，因此被广泛采用。

　　目前，IETF公布了一系列的有关Adhoc路由的草案：AODV、TORA、DSR、OLSR、DDM、MAODV、TBRPF、LANMAR、FSR等，根据路由的驱动方式可以把路由选择协议分成表驱动路由协议（又称先应式路由协议）和源驱动按需路由协议（又称反应式路由协议）。

　　其中DSDV是经典的表驱动路由算法，AODV是经典的源驱动路由算法。

　　在实际工作中需要实现Adhoc网络时，必须根据具体的应用环境选择合适的路由协议。

　　本文将利用NS2仿真软件对DSDV和AODV这两个协议进行对比分析，并结合智能小区移动AdHoc网络的特征，为智能小区移动AdHoc网络选择一个合适的路由协议。

　　2 应用环境以及协议介绍

　　2.1 智能小区移动AdHoc网络特征

　　智能小区移动AdHoc网络具有以下特征：

　　①小规模低带宽需求。一般移动节点数在20到50个左右，覆盖范围为1000m×1000m，而且其通信具有间隙性、集中度较低的特点，同时考虑到可用频段问题，一般其可用带宽较小；

　　②节点移动速度低。智能小区的节点主要处于静止或低速运动状态（运动速度0-5m/s）；

　　③可靠性和服务质量要求高。根据信息产业部的规定，在双向语音通信中，时延一般在100ms－500ms之间；时延抖动不能超过50ms；从用户角度，丢包率不能超过2%，而且在5分钟内，包接收率不能低于75%。

　　④要求能量节省。

　　2.2 DSDV和AODV

　　协议DSDV是一种无环路距离向量路由协议，它是传统的Bellman-Ford路由协议的改进。

　　其特点是利用目的节点序列号解决了DBF算法的路由环路和无穷计数问题。在DSDV中，每个节点保存一张路由表，路由表维护本节点到网络内部所有可达的目的节点的路由。路由条目中保存目的节点的序列号，用以区别新旧路由。为维护路由表，节点周期性地广播路由更新分组。收到路由更新分组后，节点比较其中的目的节点序列号和自己保存的同一目的节点的序列号，如果前者大，就更新自己的路由；如果路由序列号相同，则选择具有较少跳数的路由。路由更新分组要延迟一段时间发送，以防止路由表的波动。

　　AODV是一种按需路由协议，它根据业务需求建立和维护路由。AODV协议由DSDV算法发展而来。为了找到通往目的节点的路由，源节点将广播一个路由请求分组（RREQ），收到RREQ的中间节点根据RREQ中的信息，建立到源节点的路由——在路由表中增加一个路由条目——称为“反向路由”。反向路由条目的目的节点是广播RREQ的源节点，下一跳节点是将RREQ发送给本节点的邻节点。然后它再向周围节点广播此分组。如果目的节点收到RREQ则向源节点回复路由应答分组（RREP），RREP沿着刚刚建立的反向路由向源节点传送，在此过程中，收到RREP的节点建立到目的节点的路由——在路由表中增加一个条目——称为“正向路由”。正向路由条目的目的节点是RREP的源节点，下一跳是将RREP发送给本节点的邻节点。节点的移动可能导致原来的路由不可用，针对以上情况，AODV协议有两种处理方式：本地修复和源节点重建路由。

　　3 DSDV和AODV性能仿真与比较

　　3.1 路由协议性能评估指标

　　为了判断和衡量某种路由协议的性能高低，需要通过定性和定量的评估指标来度量。而且这些指标应该独立于欲测评的协议类型，同时对所有路由协议均适用。考虑到智能小区移动AdHoc网络的特征，并且参照InternetRF2501，本模型提出四种定量指标：

　　（1）分组平均递交率

　　即目的节点接收到的数据包个数与源发送的数据包个数之比，综合反映了数据分组传输过程路径中中断修复、发送缓冲区溢出、接口队列溢出，MAC分组冲突等因素对端到端分组递交率的影响，也反映了网络传输的可靠性，递交率越高可靠性越大。

　　（2）端到端的平均时延

　　目的节点的分组接收时间与源节点的相应分组发送时间的平均差值，包括路由查找时延、数据包在接口队列中的等待时延，传输时延及MAC层的重传时延，反映了路由有效性，尤其对话音包来说，时延太大会严重影响通信质量。

　　（3）归一化的路由协议开销

　　即为传递数据包，平均每个数据包所需要的路由包的个数。

　　它反映了网络的拥塞程度和节点电源的效率，开销大的协议拥塞的概率就大，且会延迟接口队列中数据包的发送。

　　（4）平均跳数

　　数据包从源节点到目的节点所经过的平均跳数，反映了网络拓扑结构、节点通信范围及路由效率。

　　3.2 仿真工具及参数配置仿真工具

　　采用由UCBerkley大学开发的NS2，这是一个事件驱动和面向对象网络仿真工具。NS2仿真环境中主要有C++和OTCL两种分工不同的开发语言，C++语言来描述网络协议中的细节，OTCL语言来配置仿真活动中的各种参数，建立仿真的整体框架。在C++和OTCL之间通过一种称为TCLCL工具包来实现相互自由地调用。

　　NS-2仿真的基本步骤为：

　　①创建网络；

　　②建立节点间的连接；

　　③创建流量；

　　④创建事件调度器，即规定节点何时采取什么动作（包括发数据包、移动等）；

　　⑤跟踪仿真过程，提取重要数据作为仿真结果输出到trace文件中保存，仿真结果是进行参数分析的基础。

　　对于无线网络的仿真，创建网络之前需要配置节点参数。根据智能小区的需求，在进行DSDV和AODV协议性能对比时，采用以下参数配置：节点数为50个、节点速度为5m/s（0~20m/s）、拓扑范围为1000×1000、天线为全方位天线、停留时间为0s（0~300s）、业务类型为CBR、业务源连接数为30、业务源发包率为1packet/s、数据包长为512bytes，仿真时间300s。基于该基本条件，分别改变某个参数（保证在某个参数改变时，其他参数保持不变），来分析比较各项参数对AODV与DSDV协议性能的影响。

　　3.3 仿真结果分析与比较

　　a、不同停留时间下路由协议性能。

　　设置节点移动速度为5m/s，停留时间分别为0s、60s、120s、180s、240s和300s。

　　仿真结果如下图所示：

　　从图1中可知，在整个停留时间内AODV的分组投递率变化相对平稳，在95%以上，而DSDV的分组投递率明显不如AODV，并且受停留时间的影响较大，甚至一度低于70%；AODV的端到端平均时延比DSDV的要大很多；两个协议的路由开销和平均跳数变化不大，AODV的协议开销小于DSDV的。

　　b、不同移动速度下协议的性能。

　　设置节点停留时间为0s，移动速度分别为1m/s、2m/s、5m/s、10m/s、15m/s和20m/s。

　　仿真结果如下图所示：

　　由图2知道，随着节点移动速度的增大，两个协议的分组投递率都在下降，但AODV依然能达到95%以上，而DSDV则急剧的下降，甚至一度低于60%；在节点移动速度较低时，DSDV的平均时延明显低于AODV的，但随着速度的增加，DSDV的平均时延急剧增大，且大大的高于AODV的，而AODV的平均时延基本无变化；两个协议的路由开销随速度的增加而增大，但DSDV的变化更加明显；平均跳数依然变化不大。

　　通过以上的仿真分析可以发现，AODV能够满足智能小区移动AdHoc网络可靠性和服务质量的要求：尽管AODV的平均时延大于DSDV，但其平均时延小于100ms（符合信息产业部对双向语音通信的时延规定）；AODV的分组递交率远优于DSDV，在运行时间5分钟内，包接收率都远远大于75%（符合信息产业部对双向语音通信的包接收率规定）。而DSDV却很难满足智能小区移动AdHoc网络可靠性和服务质量的要求：尽管在节点低速移动的环境下，其平均时延要远低于AODV，但其分组投递率却有可能低于75%。我们还可以发现，不管是停留时间还是节点移动速度的变化，对AODV性能的影响都比DSDV要小很多，可见AODV能更好的适应网络拓扑的变化，具有很好的可扩展性。

　　因此，AODV比DSDV更加适合于智能小区移动AdHoc网络。

　　4 结语

　　本文利用NS2仿真软件对移动Adhoc网络中比较经典的DSDV和AODV路由协议的性能进行了仿真，并结合移动Adhoc网络在智能小区的应用特征在不同条件下分析比较了几个重要参数对这两个协议的影响。

参考文献:

[1]. FSR datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/FSR_2346447.html.
[2]. 60s datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/60s_1804429.html.