自组织无线控制网络（精选8篇）
自组织无线控制网络 篇1
1 自组织无线控制网络
1.1 网络概述
自组织无线控制网络能够自动形成网络，通讯设备能够随时的加入或脱离网络而不影响整个网络的稳定性，它是一种多跳的、网状的网络，不存在跳数的限制，且各通讯设备之间能够互相监控，具有很大的灵活性，特别适用于控制离散的、大数量的、实时性要求不严格的设备，如安防监控、智能家居、网络家电、路灯控制、数据采集等领域。
1.2 网络特点
自组织性。如图1所示，假设终端设备A～I在空间中的分布如图所示，有虚线连接的两个设备表示它们处于无线通讯的范围。在自组织无线控制网络中，根据图1的空间模型以及双路径传输的原则将自动地生成如图2所示的自组织无线网络模型。网络的形成不需要任何的声明，只要设备的工作信道、网络识别号相同、数据帧格式符合则认为是属于同一个网络的，网络中的每一个设备的地位也是平等的。当需要操纵网络中的某个设备时，中央控制器可以把网络中的任何一个或多个设备作为切入点。例如中央控制器要操纵终端H，选择终端A和C作为切入点，则网络实际的控制路径如图3所示。
自缝补性。当网络中的某个节点脱离后，该节点前后的节点能自动地建立连接。如果图2所示网络中的终端D脱离网络，则将形成新的网络模型，如图4所示。
自加入性。当空间中增加一个可通讯的终端设备后，网络的局部将自动进行调整，从而形成新的网络模型。图5就是增加终端J后形成的新网络模型。
2 水利数据无线采集系统的功能要求
每个采集终端具有雨量、水位、压力、温度、供电电压采集的功能，同时也具有中继的功能，雨量、水位、压力、温度、供电电压等数据按照一定的时间间隔进行采集并传送到中央控制器，且这些数据必须保存在终端设备自身的存储设备中(要求连续保存半年的数据);雨量、水位、压力、温度、供电电压采集的功能可以分别启停，如果关闭雨量、水位、压力的采集功能，则采集终端将变成单纯的中继器，但该中继器与采集终端一样，需按设定的时间间隔，发送自己的供电电压和工作温度。
采集终端还必须具有通过无线的方式调整系统时间的功能。掉电复位后系统时间必须保持正确，且保存的数据也必须不丢失。
采集中央控制器可以接收采集终端传送过来的雨量、水位、压力、温度、供电电压等数据，或者主动向某个终端设备获取某种数据，还可以把保存在采集终端设备中的历史数据分类读取。另外，采集中央控制器可以启停采集终端设备雨量、水位、压力、温度、供电电压采集的功能，也可以调整某个终端设备的系统时间。
3 水利数据无线采集系统的系统设计
3.1 采集终端的硬件框图
采集终端的硬件框图如图6所示，在数据采集终端中，为了采集雨量、水位、压力、温度、供电电压等数据，配备了水位传感器、雨量传感器、温度传感器、压力传感器等传感器;而为了保证系统掉电后时间的正确性配置了实时时钟芯片;SD卡则是为了存储历史数据。MC13213是Freescale公司专门为ZigBee协议和IEEE 802.15.4协议的应用而开发的无线通讯集成芯片，它把单片机与射频芯片集成到一起，且拥有4K RAM和64K FLASH的大存储空间，能够满足开发较为复杂的单片机系统。本应用中的自组织无线网络控制系统就是以MC13213作为硬件平台、以FREESCALE的SMAC协议栈作为软件平台，通过建立自己的网络拓扑结构而形成的。
3.2 中央控制器的硬件框图
中央控制器的硬件框图如图7所示，它由MC13213和PC机组成，PC机和MC13213之间通过RS232协议通讯，采集终端传送上来的数据经由中央控制器进入PC机上的控制软件，而用户对采集终端的控制也是直接在控制软件上操作，控制软件再把相应的指令通过RS232送给中央控制器，中央控制器再通过无线的形式发给采集终端设备。
3.3 采集系统的软件实现
在本采集系统中，关键是构建自组织无线控制网络。下面介绍在本设计中，构建自组织无线控制网络时几个关键的技术。
3.3.1 邻居表和二级邻居表的建立
设备的邻居是指能直接跟自己通讯的设备，而设备的二级邻居则是指自己邻居的邻居，一个终端可能同时是另外一个终端的邻居和二级邻居，邻居表和二级邻居表的建立是为了帮助数据的无线传输以及终端控制器掉电报告、丢失报告。
3.3.2 双路径传播
在本设计中，我们采用了双路径传输，这里所说的双路径并不一定是指在物理上存在两条路径，而是指需要中继的信号尽量由两个设备进行转发，保证信号可靠地到达目的设备。如图3所示，控制器发出的信号由终端A和终端C转发，而终端D的信号由终端G和I转发。
3.3.3 无线数据帧格式
在自组织无线网络中，无线数据帧的格式为：帧头||数据载荷，而帧头则包含如下内容：族群序列号||指令方向||指令类型||源地址||目的地址||下一跳地址||指令序列号||跳数||转发标志。
3.3.4 转发策略
在无线通讯中，如果是点对点通讯，两个设备之间的信息是直接传送的，不需要中间设备的参与，这是最简单的拓扑结构。而在实际的无线控制网络中，信息的传输基本上都需要中间设备的转发，转发策略在本系统中处于最关键的地位。在本自组织无线控制网络中，转发策略如图8所示。
摘要：自组织无线控制网络具有自组织性、自缝补性、自加入性等特点, 特别适用于控制离散的、大数量的、实时性要求不严格的设备。具体阐述了如何利用自组织无线控制网络来构建水利数据无线采集系统。
关键词：自组织无线控制网络,水利数据采集系统,邻居表
参考文献
[1]孙利民, 李建中.无线传感器网络[M].北京:清华大学出版社, 2005.
自组织无线控制网络 篇2
摘 要： 针对流量动态变化的无线传感器网络，提出了具有平均时延约束的自适应休眠机制。在休眠阶段，节点采取自适应地周期性休眠和苏醒来节省能量且保证平均传输延迟。在苏醒周期的节点没有数据发送或者收到目的地址为其他节点的RTS/CTS帧后进入休眠周期。通过建立马尔科夫链模型分析可得到该机制中平均时延约束下休眠周期的优化值。
关键词： 无线传感器网络；休眠；时延约束；能量效率；马尔科夫链 0 引言
在无线传感器网络中可调度节点使其轮流工作，以尽可能多地关闭冗余节点的无线通信模块来减少不必要的能量消耗，从而达到延长网络生存时间的目的[1]。由于空闲侦听和信道争用冲突是无线传感器网络中不必要能量消耗的主要来源，因而减少空闲侦听使节点转入休眠状态是目前研究较多的提高能量效率的方法[2]。在无线传感器网络使用过程中，网络用户对监测区域内感兴趣的目标随查询任务而动态地增加或减少，从而使网络流量随之动态地变化[3]。S-MAC[4]协议采用周期性侦听和睡眠机制并提供良好的可扩展性，但无法根据网络环境的动态流量进行调整来提高能量效率。在文献[5]中基于S-MAC提出自适应退避算法，按照负荷的变化做动态增量或减量调整退避指数的最小值。上述算法可根据负载变动来调整网络参数以降低节点的能耗，但未考虑数据包传输时延问题。文献[6]中提出的节点最佳休眠时间可通过对二维马尔可夫链模型分析得出。文献[7]中分析了采用聚合的DCF机制的平均时延和各退避阶的平均时延，而后将时延约束转化为对平均时延的限制，通过保证给定比例的帧来满足时延约束。针对在无线传感器网络流量动态变化的监测环境中出现的问题，在上述研究工作的基础上，本文提出了具有平均时延约束的自适应休眠机制ADC(Adaptive Sleeping Method for Average Delay Constraint)，并对其改进的S-MAC协议进行二维马尔可夫链模型分析，从而得到休眠阶段的休眠周期来保证分组传输过程中的平均端到端时延，并提高能量效率。1 机制描述
在该机制中，将时间划分为连续的帧后，帧内分为活动阶段和休眠阶段，其中活动阶段可包括传输、等待和退避等过程[8]。在活动阶段开始后，节点通过CSMA/CA(载波侦听多点接入/冲突避免)方式发送同步消息和数据。节点在MTslot时间内一直空闲且无数据需发送，则结束活动阶段，转入休眠阶段，以降低节点的能量消耗。休眠阶段可划分为若干个休眠和苏醒周期，其中休眠周期Tsleep和苏醒周期Twake皆设为系统时隙Tslot的整数倍。在休眠周期内节点关闭无线通信模块并缓存采集到的数据。处于苏醒周期内节点需监听信道是否有数据要发给自身。苏醒周期结束时，节点若有数据要接收或发送将立即进入退避过程来发送该数据，否则进入下一个休眠周期。若在次休眠和苏醒周期结束后，节点仍未收到上层发来需要发送的数据包或目的节点为自身的CTS帧，则结束休眠阶段，转入活动阶段的等待过程。离散马尔科夫链模型分析
为建立离散马尔科夫链模型来简化分析该休眠机制，暂不考虑其同步情形。由于接收状态时节点能量消耗与等待和退避状态的能量消耗近似，可假设接收数据在节点处于等待过程中完成，则不单独考虑接收状态。
对节点在任何一个时隙中可能存在的各个状态可用离散Markov链进行描述。退避过程可用随机过程B(t)表示，与回退计数器的计数值相对应。可用随机过程J(t)表示节点在t时刻所处的退避级数(0，1，…，m)，其中m为最大退避级数。设定在退避过程中每个分组发送失败的概率p为独立且恒定的，则可用随机过程{J(t)，B(t)}表示节点的退避过程。每个状态的概率用PB(i，k)(0≤i≤m，0≤k≤Wi-1)表示，则可用Markov链表示该退避过程，其中i为退避级数，k为退避计数器的值，Wi为退避次数为i时的退避窗口。
进入等待状态的节点，若有数据要发送，则从等待状态转移到退避状态。设定平均报文到达时间间隔服从参数为?姿的泊松分布，则在一个时隙中节点从等待状态转移到退避状态的概率为。若无数据发送，将进入下一个时隙。若经过M个时隙后节点仍然没有数据要发送，则将进入到休眠状态。
节点在休眠状态时，将进行周期性休眠和苏醒。节点在休眠周期和苏醒周期内都不改变自身状态。若在一个休眠和苏醒周期结束时有数据要发送，则将由休眠状态转移到退避状态，且在一个休眠和苏醒周期的转移概率为，其中Tsleep为休眠周期时间，Twake为苏醒周期时间。若没有数据发送，则进入休眠状态的下一个休眠和苏醒周期。若经过N次休眠和苏醒周期后，仍然没有数据发送，则将进入等待状态。由于只有当一个休眠和苏醒周期结束时才可会改变自身状态，可将处于某个休眠或苏醒周期结束时的时隙分别表示该休眠或苏醒周期以简化分析。由于休眠过程中进入下一个休眠和苏醒周期的概率?琢是独立且恒定的，因此节点的休眠过程也可用Markov链表示。
进入传输状态的节点直到数据传输结束后才能改变自身状态，而在传输状态时信源产生的数据要等传输结束后节点才能进入退避状态准备发送。在传输结束时，若有数据要发送，则由传输状态转移到每一个退避级数为0的退避状态的概率为，其中K为传输过程所需的平均时隙。因而在传输结束时没有数据需发送，则由传输状态转移到等待状态的概率。
节点从等待状态可以转移到退避状态，从每一个等待状态转移到每一个退避级数为0的退避状态的概率均为。节点传输状态结束后将转移到等待或退避状态，其转移概率分别为及。等待过程结束后节点转移到休眠状态的转移概率为。可知在设定条件下，级联后节点从一种状态转移到另外一种状态的概率是独立且恒定的，则上述过程可级联后为一个Markov链[8]，其模型。
对节点在任何时隙内可能存在的各个状态用离散Markov链进行描述后，可通过该Markov 链模型求得在稳态时节点停留在不同状态的概率。由图2中休眠过程可知，第i个休眠和监听周期结束时节点所处状态的概率PS(i)可用下式表示：
用PI(i)，0≤i≤N表示节点在任意一个时隙处于在第i个空闲状态的概率：
在退避过程，用PB(i，k)，0≤i≤m，0≤k≤Wi-1表示节点在任意一个时隙处于在第i次退避并且其退避计数器为k的状态的概率，可用下式表示：
传输过程中节点在任意一个时隙处于第i个传输状态的概率PT(i)可表示为：
PT(K-1)=(1-pm+1)PB(0，0)
PT(i)=(1-pm+1)PB(0，0)(7)
其中完成数据包正确发送所需的时隙数：
在平稳状态时Markov链需满足下式：
可得节点处于退避级数为0且退避计时器为0的状态的概率：
由于不论退避级数为多少，只要退避计时器为0，则传感器节点开始传输数据，因此该节点在任意时隙的发送概率可表示为：
在节点传输数据时，若相邻n-1个节点中至少有一个节点也发送数据则发生碰撞，而且当目的节点处于休眠时发送数据也失败，因此该节点在任意时隙发送失败的概率为：
由式(11)和式(12)构成非线性方程组，可得?子和p[6]。
至少有一个节点发送数据的概率为：
在系统不空闲的条件下，有一个节点发送数据成功的概率为：
采用RTS/CTS机制时，Ts和Tc分别为数据成功发送和数据发送时分组碰撞所耗费的时间，可用下式表示：
由于计算平均时延时超出重传次数而被丢弃的帧不予考虑，则在退避过程或等待过程中数据帧到达发送节点的缓冲器队首至目的节点成功接收的平均时延DelayB为一次成功发送需要的平均时隙数和时隙的平均长度的乘积[5]，可表示为：
其中1-pm+1为包没有被丢弃的概率，为没有被丢弃的帧到达第i阶的概率，为第i阶的平均退避时隙数为信道空闲的时间。
在传输过程或休眠过程中，节点要发送数据都需转移到退避过程才能将数据发送出去，因此信源在节点处于传输过程或休眠过程中产生而转移到退避过程引起的平均时延分别可用下式表示：
其中一个休眠和苏醒周期的时隙数。
数据帧到达发送节点的缓冲器队首至目的节点成功接收的平均时延可用下式表示：
在苏醒周期时节点需完整接收到发送节点向其发送的RTS帧，则Twake可设定为2(RTS/R)+2·SIFS+DIFS。对于平均时延约束为Delayaverage的业务，则需满足Delay 无线自组织网络(wireless Ad hoc network)应运于网络用户对便捷性、灵活性以及移动性的通信需求而得到越来越广泛的应用与发展,它同时作为各种新兴无线网络例如"物联网"、"车载网"等的基础得到广泛关注。无线Ad hoc网络是一种由无线节点组成的不依赖于基础设施且具有自组织能力的分布式网络系统,因而具有无线信道共享、节点可自由移动等有别于有线网络的属性。 传输控制协议(TCP)作为目前应用最广泛的传输层协议应用于无线Ad hoc网络时,因不能适应该网络的特性从而性能严重下降[1]。TCP工作主要目的在于通过探测的方式不断增大发送速率直到丢包发生,以尽量占用整个信道发送数据。然而,相比于传统的有线网络,无线Ad hoc网络的可用带宽通常是很小的,而且信道接入(MAC)竞争会随着网络负载的增加而加强,因此,传统的TCP速率调节方式是比较激进的[2],它不仅容易引起数据包在缓存队列的阻塞,还会引起MAC竞争程度过饱和而导致大量的丢包和重传超时问题,最终降低了TCP的性能。 本文基于已有的相关研究工作发现[2,3],当MAC竞争和TCP拥塞同时考虑时,TCP的发送速率可以比较准确地控制在一个合理范围内。为了准确调制TCP速率以提高TCP吞吐量和端到端时延等性能,本文设计了一种基于对信道竞争和排队拥塞联合检测的TCP速率调制策略,称为TRACC(TCP rateadaption scheme based on contention and congestiondetection)。 1 无线自组织网络TCP速率联合调制 本节首先介绍分别用于评估MAC竞争程度和队列拥塞程度的评价标准,并对其进行理论推导与计算,然后给出TRACC策略的具体实现。 1.1 MAC竞争和队列拥塞程度评估标准 图1表示了MAC协议中通过RTS/CTS握手发送一个数据帧的过程。一个数据帧从节点A发送到节点B要经历排队过程、节点A接入信道的竞争过程以及在信道上的传输过程,通过对该过程的研究发现,网络负载越重,即需要发送的数据包越多,数据包的排队时间就越长,而且有数据需要发送的节点数也会越多,从而导致竞争时间的变长。因此,我们用往返竞争时延来表示MAC竞争程度,其中考虑了TCP数据的确认包(ACK)对网络负载的影响,并且用队列阻塞率来表示队列拥塞程度。 1.1.1 往返竞争时延 根据已有相关工作[2]对竞争时延的定义以及图1可以将一次竞争产生的时延表示为: 其中,Tbusy和Tbackoff分别表示节点检测到信道忙的时间和由此引发的退避时间,(RTSsize+CTSsize)/Channel_rate表示RTS和CTS帧的传输时间,tDIFS/SIFS表示规定的等待时隙总时间。考虑节点竞争信道失败会重试,最大重试次数用nrty表示,传输数据帧失败会重传,最大重传次数用nrta表示,单程竞争时延可以表示为: 同时考虑数据包DATA和其相应的ACK的单程竞争时延,我们将平均往返竞争时延表示为: 其中n为TCP连接的路由跳数,a为平滑因子,防止计算结果因网络不稳定出现突变。 1.1.2 队列阻塞率 直观地,在除去竞争时延影响以及数据包的处理时延和传播时延比较稳定的情况下,一个数据包的往返时延通常反映其在中间节点的队列中消耗的时间,因此,我们定义一个相对单程时延(ROTD)来反映队列利用情况,并表示如下: 其中Stime stamp和Rtime stamp分别表示TCP源节点发送一个数据包和TCP目的节点接收该数据包的时间戳。如果ROTD的值增加,说明数据包的排队时间很可能增加,因此,我们可以将队列阻塞率(QBR)定义为: 其中,ROTDmin和ROTDmax分别表示历史观测的ROTD最大值和平均值,是一个类似a的平滑因子。当网络负载增加到导致拥塞的程度时,ROTD达到最大值,随后的ROTD越接近ROTDmax,说明队列阻塞率越大。 1.2 TCP速率联合调制策略 参考已有工作[4],我们首先在数据包头中添加字段用于返回QBR信息和目的端接收数据速率供TCP源端使用,同时设置阈值RTCDth和QBRth进行TCP速率调制,初始值均设为任意大的值。TCP源端在连接建立时监视吞吐量的变化,当吞吐量不再增长时,当前的RTCD和QBR设为相应的阈值,并且在随后的发送过程中以类似方式更新这两个阈值。TCP源端节点在每次收到ACK是进行速率更新,更新方式如下: 在慢启动阶段: 其中Rrecv表示目的端的接收速率,Scwnd和Spkt分别表示当前窗口和数据包的大小,RTT表示TCP连接平均往返时延。当RTCD和QBR中任何一个超过其阈值时,慢启动结束,进入拥塞避免阶段: 其中 表示每次更新RTCD和QBR后计算的发送速率的可增量。 2 实验结果与分析 本文利用NS-2.34[5]来评测TRACC的性能并将其与只考虑竞争控制的测策略[6]进行比较。信道速率设置为2Mbps,模拟时间为200s,TCP数据段长度为512字节,节点的有效传输距离为250m,干扰距离为550m,大小为n*n的网格拓扑中节点间的距离为200m,TCP连接数为2n,随机拓扑的大小为1000×1000m,其中随机分布50个节点,TCP连接数为10。其他试验参数均为NS-2.34中默认设定的值。 图2网格拓扑吞吐量比较 (参见下页) 图3网格拓扑端到端时延比较 (参见下页) 图2和图3分别比较了TCP、TRACC和TCP竞争控制在网格拓扑中的的吞吐量和端到端时延,从实验结果看到,TRACC策略获得了最高的吞吐量并且产生了最低的时延。 图5随机拓扑端到端时延比较 (参见右栏) 图4和图5表示在随机拓扑中三种策略的性能比较结果,本文提出的TRACC策略同样获得了最好的性能,并且明显优于只使用了竞争控制的策略。 3 结束语 从运维角度来看:在传统的网络维护中, 网络优化工作需通过人工进行, 数据采集、输入、分析的流程十分复杂。对运营商而言, 这意味着大量OPEX。而异构网中, 小功率节点数量数以万计, 不能以传统的思路去考虑网规网优操作。 从资源配置层面来看:异构网多节点、多制式、多重覆盖的网络部署模型面临频谱资源冲突, 多种无线接入技术共存, 干扰更加复杂的问题。 从网络管理层面来看, 不同设备厂商、不同制式之间的技术相互独立, 即使是实现同一功能, 算法也彼此相异, 难以协同。 2 网络自组织技术 为提高网络的操作和维护性能, 降低配置和管理的人工成本, 3GPP将自组织网络 (Self-Organizing Networks, SON) 组, 分别是机线班、网络班、电缆班、机务班, 4个班组各有班长1名, 组长2至3名。机线班负责通讯线路范围内电话装机、拆机、移机等业务及障碍的处理;网络班负责通讯线路范围内宽带装机、拆机、移机等业务及障碍的处理, 网络设备的维护;电缆班负责通讯线路范围内电缆的维护工作, 及电缆的接续、敷设、抢修等;机务班负责机房内交换、传输设备维护、电话跳线、网络跳线, 作用是配合机线班工作。 2.2 信息中心改进后的班组、人员划分 2010年信息中心开通棚户区三网合一工程, 三网合一工程是在单元楼道信息箱中实现了“宽带+语音+CATV”三网融合方式。2011年有线电视业务移交至信息中心, 综合考虑人员、障碍处理、工作流程的因素进行了班组及人员重新划分, 分别是南片区、北片区、新区、设备班, 4个班组各有班长1名, 组长2名 (由大学生担任) 。南片区负责南至中山, 北至九矿通讯线路范围内电话装机、拆机、移机等业务处理、障碍处理及电缆的维护工作;北片区负责北至大湖, 南至十矿通讯线路范围内电话装机、拆机、移机等业务处理、障碍处理及电缆的维护工作;新区负责北至电厂南至开发区通讯线路范围内电话装机、拆机、移机等业务处理、障碍处理及电缆的维护工作;设备班负责通讯线路范围内设备、光缆的维特性引入LTE标准。SON分为网络自配置与网络自优化两个部分。其中自配置主要指设备上电、小区初始无线参数自动配置, 自优化指无线网络运行过程中的参数自适应调整[2]。 LTE标准中, SON包括自规划、即插即用、移动性优化、负荷均衡等功能, 其应用范围涵盖从网络开通到运行的整个生命周期[3]。 3 SON在异构网中的应用 以网络分层的视角来看, 异构网的组成包括宏蜂窝网络和微蜂窝网络两部分。在网络特性上, 前者用户众多, 但基站数量有限, 可通过人工规划;而后者数量庞大, 部署环境复杂, 不可能全部通过人工开展, 自部署、自开通的特性是基本需求。 3.1 SON重点解决的问题 针对微蜂窝节点特殊的无线环境, 要求参数有动态自适 护工作。 改进思路是棚户区装机量相对较大, 电话、电视、网络装机在一个楼道里可以平行进行, 这样就极大地减少了人力及车辆的数量, 更重要的是加快了装机及障碍处理的速度, 提高了员工综合技术水平。另外, 由大学生担任组长既提高了大学生的管理水平, 也提高了他们的技术水平, 同时规范了通讯线路的资料整理工作。 3结语 信息中心将围绕河南煤化和鹤煤集团的发展战略开展各项工作, 围绕集团公司“从零开始、向零奋斗”的安全理念, 服务鹤煤安全生产和经济建设, 服务鹤煤小区有线电视、互联网、电话用户, 为促进鹤煤持续平稳发展而努力奋斗。 参考文献: [1]《管理学基础》[M].化学工业出版社 [2]《现代企业管理原理》[M].北京经济学院出版社 作, 研究方向为通讯技术发展;马卫滨 (1983-) , 男, 河南鹤壁人, 讲师, 从事教师工作, 研究方向为电气安装及其自动化。应的能力。除保证微蜂窝可以自部署、自开通外, 也能限制微蜂窝引入到无线网络的干扰总量。在异构网的部署中, SON功能可重点解决如下的问题: 3.1.1 基站自开通 异构网中大量部署的微蜂窝节点, 有多种设备共存, 部署环境不同, 运行版本和配置数据各异, 很难在设备发售时即进行正确的设定。 一种可行的方法是, 设备安装完毕后, 在上电之初, 连接公用的地址服务器和安全网关, 自动分配IP地址并建立安全隧道后, 再连接到网管系统, 利用网管系统来获取对应型号的正确软件版本和配置数据。 微蜂窝节点还可以对周边的无线环境进行测量, 解析邻接小区下发的系统信息, 从而得到邻区的无线配置, 再根据这些基础信息, 以避免小区间干扰等原则来自动设置自身的无线参数, 建立小区。 3.1.2 邻区关系自建立 异构网中的邻区关系远比单纯的宏网络更为复杂。一是因微小区的数量庞大, 二是小区间的包含覆盖、同覆盖等场景众多。这就要求服务小区能够通过微蜂窝节点或终端的无线测量功能来识别邻接小区, 并动态地将其加入到自身的邻区关系中。 如果邻接小区退服 (如微蜂窝节点关闭) , 则无线测量无法检测到该小区。在相当长一段时间内侦测不到的话, 服务小区即可将该小区从邻区关系中移除。 3.1.3 宏微干扰 在异构网络中, 微蜂窝节点的发射功率相对于宏基站而言较低, 只有距离这些基站非常近的用户才可能接入到低功率的发射节点。这降低了微蜂窝网络为系统带来的容量增益。为解决此问题, 可采用Cell Range Extension (CRE) 技术, 通过配置功率偏置的方式, 来扩展低功率基站覆盖范围, 使更多的用户接入到低功率基站。但此时蜂窝下行扩展区域受到宏蜂窝节点的干扰更加严重, 需要有效的抗干扰的措施。 ICIC技术通过管理无线资源使小区间干扰得到控制, 但传统ICIC利用将邻区划分为不同频域来避免干扰, 而在异构网中多为同覆盖或包含覆盖关系, 此方法不适用。因此在时域中引入了几乎空白子帧 (Almost Blank Subframe, ABS) 的概念, 即e ICIC, 通过时域上的协调来降低干扰。ABS子帧中只包含必要信号, 比如PSS/SSS, CRS等, 发射功率较低。干扰小区中配置ABS子帧, 被干扰小区使用这些ABS子帧为原来在小区中受较强干扰的边缘用户提供业务, 即可减轻干扰。 3.1.4 负荷均衡 微蜂窝节点的部署场景之一是希望其能够吸收流量, 减轻宏蜂窝负荷。通过重选切换参数的初始配置, 让覆盖区域内的用户更容易接入微小区。但对实时负荷的快速冲高, 需要更灵活的应对策略。 移动负荷均衡允许多层小区之间通过信令接口或操作维护系统来交互实时负荷。在发现小区的当前负荷较高, 而周边存在低负荷的小区时, 可调整切换门限参数, 使得覆盖交叠地带的终端从高负荷小区向低负荷小区迁移。在异构网中, 多用于宏小区向微小区迁移负荷。为了避免对宏网络造成影响, 一般调整微小区的切换参数。 3.1.5 节能操作 在小区负荷较低时, 降低节点的发射功率或关断部分载波, 即可实现节能效果。在多层网络覆盖的场景下, 则可实现更为灵活的节能策略。如可由一个或多个异层小区作为补偿小区。在目标小区进入节能状态时, 则由补偿小区维持对该区域的基本覆盖;而在补偿小区的负荷趋重时, 它们可以选择将相邻的节能小区唤醒。 3.2 多层网络SON的关系 异构网中不同层网络都可能存在SON功能, 它们之间的关系是: (1) 不同层网络中的SON基本功能独立运作, 除必要协同外, 彼此算法和实施相互独立; (2) 针对异构网的特性进行特定的优化, 如宏蜂窝网络存在大数量级的微蜂窝邻区的场景, 就需要对邻区个数进行扩充; (3) 彼此间的协同, 前提即是需要有网元间交互信息的方式。如通过宏微间的信令接口, 或部署统一的上层管理节点来汇聚宏微之间的信息; (4) 可通过资源的预分配来简化协同流程, 如频点、PCI等, 避免不同层网络之间的无线资源冲突。 4 未来网络自组织功能的演进 4.1 统一的网络管理节点 不同层、不同制式、不同厂商的网络, 可分别有独立的管理网元, 用于实现基本的配置管理功能。但在异构网部署中, 运营商期待有一个统一的管理节点, 可对全网实行管控。该节点还可以作为多层网络的信息汇聚中心, 根据全网上报的数据, 对不同网络的SON过程进行协调和控制。 4.2 效果评估与优化 SON优化的目标包括干扰、负荷、容量等, 都是在网络实际运营过程中较为敏感的参数, 直接波及到网络的覆盖和容量。对运营商而言, 要求对功能执行的效果进行严格评估, 以确定是否可达到预期的执行效果。 4.3 自学习功能 进一步来说, 在SON优化效果评估和分析的基础上, 对网络长时间运行过程中采集的数据, 可作为数据挖掘的资源池。基于长周期采集网络数据的分析, 了解SON功能运行的实际效果和收益, 据此对算法策略进行智能调整, 以实现更优的效果。 参考文献 [1]3GPP.Home eNode B (HeNB) Radio Frequency (RF) (re-lease10) .3GPP TR36.902V.10.0.0 (2011-03) [2]3GPP.Self-configuration and self-optimizing network (SON) use cases and solutions (release10) .3GPP TR36.902V.9.3.1 (2009-12) 定位信息已逐渐成为未来商业、公共服务和军事网络的重要特征之一。近几年发展起来的自组织网络(Ad Hoc network)因具有灵活、无中心、自组织和抗毁性强等优势,具有广阔的应用前景。节点动态和精确的定位技术是无线自组织网络的主要技术之一。节点精确的位置估计能降低组网成本,同时提升网络的通信性能。此外,精确的位置估计能扩大网络的应用范围,使其应用于存货管理、入侵检测和交通监测等领域[1—3]。 具有定位能力的自组织网络要求网络为成对的节点提供距离估计。在三维(二维)空间中,目标节点需要知道自身和至少四(三)个参考节点的距离信息以及这些参考节点的位置信息才能确定自己的位置[4]。但对于Ad Hoc网络中的节点而言,通常无法直接和足够多的参考节点进行通信。为此,本文提出一种协作定位(CP,Cooperative Positioning)算法。在目标节点通信范围内只有少量参考节点的情况下,协作定位算法通过和其通信范围内非参考节点的协作,实现目标节点的定位。 估计发送节点和接收节点之间的距离的过程称为测距。测距是定位的前提。目标节点和参考节点的距离信息可以通过接收信号强度指示(RS-SI,Received Signal Strength)法或到达时间(TOA,Time of Arrival)法获得。超宽带(UWB,Ultra Wide Band)技术以其带宽宽和抗多径等特点,具有精确的测距能力。在视距传输(LOS,Line-of-Sight)场景中,基于TOA的超宽带测距技术可达几十厘米的精度。然而,在多径效应比较严重的环境中,节点间的视距传输路径可能被阻隔,从而无法得到精确的距离信息。非视距(NLOS,non-LOS)环境严重降低了节点的测距精度。在这种情况下,节点即使能够和足够多的参考节点进行通信,但由NLOS测距信息计算得到的位置信息也会产生很大偏差[1]。如果节点放弃非视距通信的参考节点的测距信息,则会因为缺少足够的参考节点而无法完成定位。利用本文提出的协作定位算法,目标节点可以放弃非视距参考节点,而通过和邻居非参考节点的协作实现精确定位。 1算法描述 1.1网络模型 首先考虑LOS情况下的定位。假设目标节点的位置表示为p=[x y]T,LOS参考节点的位置表示为pLj=[xLjyLj]T,其中j=1,2,…,mL。对于二维空间,要确定目标节点的位置,要求mL≥3,如图1所示。 假设目标节点到参考节点的真实距离和测量距离分别表示为RLj和rLj,j=1,2,…,mL,由文献[1]知 rLj=RLj+nLj,j=1,2,…,mL (1) 式(1)中nLj表示测距误差,且nLj服从零均值高斯分布,即nLj～N(0,σLj2),并且σ 节点的定位误差定义为 目标节点的位置p可由下列方程组得到 ‖p-pLj‖=R 测距误差的存在导致节点间非理想的距离估计,使得式(2)可能不成立[4]。在测距过程中产生的误差对定位精度的影响可以通过采用最小化过程比如LS(Least Square)算法[1]来减小。 1.2 协作定位算法CP 对于Ad Hoc网络中的节点而言,通常无法直接和足够多的参考节点进行通信。如图2所示,目标节点T1的通信范围内只有两个参考节点L1、L2,以及一个非参考节点T2。T1可以获得L1和L2的位置信息pL1=[xL1yL1]T和pL2=[xL2yL2]T,以及和它们之间的测距信息rT1L1和rT1L2。由于T2是非参考节点,T2的位置信息p2=[x2y2]T未知。但T2可以获得自身通信范围内参考节点L3的位置pL3=[xL3yL3]T和它们之间的测距信息rT2L3。通过和T2的通信,T1可以得到T1和T2之间的距离估计r 注意式(3)仅能确定T1的位置,无法确定T2的位置。 下面我们用仿真实验来验证CP算法的性能,用LS算法和CP算法分别对图1和图2的场景进行仿真。取β=2和KE∈[0,0.1][1],仿真结果如图3所示。由图3可知CP算法的性能较优。 2 NLOS的影响 NLOS测距估计可表示如下: rNj=RNj+nNj+bNj (4) 式(4)中RNj为目标节点和参考节点之间的实际距离,nNj～N(0, σNj2),σ NLOS参考节点的存在会导致定位精度的下降,通过协作定位算法,目标节点可以放弃NLOS参考节点,而选择非参考节点进行定位。仿真结果如图4所示,由图4可知协作定位算法的性能远远优于NLOS存在时的LS算法的性能。 3 结束语 本文提出了一种基于超宽带无线自组织网络的协作定位算法。该算法能在目标节点通信范围内的参考节点数较少或者存在NLOS参考节点时,通过和非参考节点的协作对目标节点进行精确定位。仿真结果验证了该算法的有效性。 参考文献 [1] Venkatesh S,Buehrer R M.NLOS mitigation using linear program-ming in ultrawideband location-aware networks.IEEE/Transactionson Vehicular Technology,2007;56(5):3181—3198 [2] Cheng Xiuzhen,Shu Haining,Liang Qilian,et al.Silent positioningin underwater acoustic sensor networks.IEEE/Transactions on Vehic-ular Technology,2008;57(3):1756—1766 [3]黄毅,胡爱群.无线传感器网络定位算法综述.电信科学,2010;(7):69—75 无线自组织 (Ad Hoc) 网络是一种特殊的无线移动通信网络。网络中的节点不仅具有普通移动终端所需的功能, 而且具有报文转发能力。网络中的所有节点地位平等, 无需设置任何中心控制节点, 具有很强的抗毁性。Ad Hoc网络与其他移动通信网络的最根本区别是:节点间的通信可以经过多个中间节点的转发, 即报文要经过多跳 (Hop) 到达目的地。 Ad Hoc网络技术的典型应用是2001年由美国国防高级研究项目局 (DARPA) 提出研制的战术瞄准网络技术 (Tactical Targeting Networking Technology, TTNT) 。TTNT数据链系统可在战术飞机、武器系统和地面节点间建立类似互联网的无线宽带通信网, 从而对时间敏感目标的精确打击起到决定性作用, 使美军的网络中心战能力产生质的飞跃。 在Ad Hoc网络协议栈中, 信道接入协议运行在物理层之上, 是所有报文在无线信道上发送和接收的直接控制者, 它的性能好坏直接关系着信道的利用效率和整个网络的性能。 Ad Hoc网络信道接入协议分为基于单信道、基于双信道和基于多信道三大类。单信道接入协议用于只有一个共享信道的Ad Hoc网络。所有的控制报文和数据报文都在同一个信道上发送和接收。双信道接入协议用于有两个共享信道的Ad Hoc网络。两个信道分别为控制信道和数据信道。控制信道只传送信道接入协议的控制报文, 而数据信道只传送数据报文。基于多信道的Ad Hoc网络信道接入协议用于具有多个信道的Ad Hoc网络。 受硬件技术发展的限制, 很多Ad Hoc网络的节点都只能支持单信道, 因此目前大部分的信道接入协议都是为单信道设计的。单信道接入协议也是目前应用最广泛的。常见的单信道接入协议有ALOHA, CSMA (Carrier Sense Multiple Access) , MACA (Multiple Ac⁃cess Collision Avoidance) , MACAW (MACA for Wireless LAN) 和IEEE 802.11b DCF (Distributed Coordination Function) 等。其中以IEEE 802.11b DCF协议的信道利用率最高、性能最好, 应用也最为广泛。因此, 本文重点阐述基于IEEE 802.11b DCF协议的Ad Hoc网络的一种特殊现象“效果异常”及其解决方案。 1 效果异常 IEEE 802.11b DCF提供了4种传输速度, 见表1。 自组织无线控制网络 篇3
自组织无线控制网络 篇4
自组织无线控制网络 篇5
自组织无线控制网络 篇6
IEEE 802.11b DCF协议实际传输时采用载波监听冲突避免协议 (CSMA/CA, CSMA with Collision Avoid⁃ance) 的机制。节点X在传输数据前先监听信道是否空闲 (idle) , 如果此时恰好有其他节点占用信道传输数据, 即信道忙碌 (busy) , 则节点X需要等待信道空闲DIFS时间后, 开始执行退避 (backoff) 过程, 当退避过程倒数至0, 才开始传输数据;节点Y准备传输数据时, 信道空闲, 且空闲时间大于DIFS, 则节点Y开始传输数据, 如图1所示。
在无线网络中, 距离越远信号越弱, 因此通常在距离较远的时候, 采用较低的传输速度来改善信号质量, 造成同一个无线网络里, 存在不同传输速度的节点, 这种无线网络环境称为多重传输速度 (multi⁃rate) 环境, 如图2所示。
如图2所示, A和B要通过C (衔接有线网络和无线网络的接入点) 传输数据到远程服务器 (server) 上。A和B采用IEEE 802.11b DCF作为信道接入协议。B的传输速度始终为11 Mb/s, A慢慢向外移动, 传输速度由11 Mb/s调整为2 Mb/s。假设A和B数据帧 (frame) 大小不变, 则占用信道的时间与自己的传输速度成反比。每传输一个相同大小的frame, A的传输速度降低, A占用信道时间增长, 而B占用信道时间不变。在相同的时间长度内, A占用信道时间增长, B占用信道时间减短, A的传输速度降低导致B的吞吐量急剧下降, 这种现象称为效果异常 (Performance Anomaly) 。
利用网络仿真工具NS (Network Simulator) 对图2中场景进行仿真, A、B和C组成一个Ad Hoc网络, A、B和C的信道接入协议采用IEEE 802.11b DCF, 路由协议采用DSDV (Destination⁃Sequenced Distance⁃Vector Rout⁃ing) 协议。仿真中设定A和B各自传输2 Mb/s的CBR业务到C上, frame大小固定为1 000 B, 整个仿真过程约45 s。在0~15 s内, A和B的传输速度为11 Mb/s, 随着A的向外移动, 15~30 s内A的传输速度调整为2 Mb/s, 30 s后A离开有效通信半径, 只剩下B传输数据。针对C各收到多少A和B的数据 (数据吞吐量) 进行仿真分析, 如图3所示。
如图3所示, 在0~15 s内A和B的传输速度均为11 Mb/s, 此时C收到A和B的数据均为约2 Mb/s, 系统整体吞吐量约为4 Mb/s。在15~30 s, A的传输速度降为2 Mb/s, 此时A的吞吐量降低为约1.1 Mb/s, 同时B的传输速度维持在11 Mb/s, 但其吞吐量降低为约1.2 Mb/s。在30 s后, A的影响消失, B的吞吐量才恢复到2 Mb/s, 效果异常严重影响到B节点的网络性能。当Ad Hoc网络中存在较多节点时, 效果异常将给整个网络系统带来破坏性的影响, 这个问题必须引起人们的重视。
2 解决方案
2.1 修改传输数据帧长度
针对效果异常问题, 一种解决方案是改变frame的大小:传输速度快的节点使用较大的frame, 传输速度慢的节点使用较小的frame, 因而当传输速度慢的节点竞争到信道使用权时, 并不会占用信道太多时间, 信道很快会开放给所有竞争节点, 从而提高B的性能。在图2中相同的仿真场景下, 减小A的frame大小, 分别选择frameA=512 B/384 B/256 B/128 B进行仿真, 仿真结果如图4, 图5所示。
如图4, 图5所示, 随着frameA减小, B的吞吐量不断回升, 且B的吞吐量稳定性不断增大。但是当frameA过小, 也会直接导致A的吞吐量过低, A和B两方面因素都要考虑。综合分析图5, 图6, 当frameA=256 B时, 既保证了B的吞吐量稳定在2 Mb/s附近, 又保证了A的吞吐量不过低, 效果异常问题得到缓解。
2.2 修改竞争窗口大小
另一种解决方案是改变A的竞争窗口 (CW, Conten⁃tion Window) 大小, 让传输速度快的节点更容易竞争到信道的使用权。计算退避时间和竞争窗口大小的公式如下:
式 (1) 中, Backoff Time是退避时间, Random (0, CW-1) 是均匀分布在[0, CW-1]之间的随机数, Slot Time表示物理层传输时延。式 (2) 中CWmin是最小竞争窗口大小, NS中默认是32, data Rate是节点的传输速度。通过计算可得, 当A的data Rate=2Mb/s时, 应当设置A的CW=176。在图2中相同的仿真场景下, 不改变frameA大小, 设置CWA=176, 仿真结果如图6所示。
如图6所示, 当设置CWA=176后, B的吞吐量稳定在2 Mb/s, A的吞吐量稳定在0.8 Mb/s, 效果异常问题得到缓解。
3 展望
Ad Hoc网络技术因其无需架设网络设施、可快速展开、抗毁性强等特点, 在未来军用数据链领域的应用前景非常广阔。随着Ad Hoc网络技术在军用领域应用的不断深入, 多重传输速度环境下的效果异常问题正逐步受到重视。本文通过对“修改传输数据帧长度”和“修改竞争窗口大小”两种解决方案进行仿真, 验证了它们能够有效缓解效果异常问题, 为应用指明了方向。能否将两种解决方案相互结合, 扬长避短, 是笔者今后要继续研究的方向。
参考文献
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自组织无线控制网络 篇7
无线自组织网络是一种移动通信和计算机网络相结合的网络, 动态移动性与没有中心分布控制是其区别于传统的通信网络的重要特点, 因此, 在高校无线自组织网络的教学实验中存在以下几个方面的问题:
(1) 实验场景无法搭建。无线自组织网络中的节点是移动的, 路由是动态的, 信号的覆盖范围、天线的发射方向都在不断变化中, 类似于街道、高速公路等场景是高校无法实现的实验环境。
(2) 无线自组织网络包含大量复杂的网络协议与通信算法。协议的理论知识和算法过于抽象, 实验中难以体现。
(3) 无线自组织网络的实验数据可能来自于几十个甚至上百个节点, 采用移动通信方式, 学生在实验过程中对数据的采集、测量、计算、分析都困难重重。
针对这一现状, 采用一种成熟的网络模拟技术进行无线自组织网络实验是一种行之有效的方法。本文将优秀的网络模拟软件NS-2引入无线自组织网络实验环节中, 并使用NAM演示工具向学生展示网络的动态运行过程, 使用awk工具对仿真结果文件做数据分析, 通过Traced的扫描提取有效字段分析, 提高了学生的实验效果。
1 NS-2仿真软件简介
NS-2 (Network Simulator, Version 2) 是目前主流的、开源的网络模拟软件之一, 于1989年由UC Berkeley大学开发, 它为有线和无线网络上的TCP、路由和多播等协议的仿真提供了强有力的支持。因为其开源免费, 所有源代码都开放, 任何人可以获得、使用和修改其源代码, 世界各地的研究人员每天都在扩展和更新它的功能, 为其添加新的协议支持和功能模块。它也是目前网络研究领域应用最广泛的网络仿真软件之一。
NS-2的本质是一个面向对象的、离散时间驱动的模拟器, 利用虚拟时钟, 所有的仿真都由离散事件驱动, 还可以用于仿真各种不同的通信网络。它功能强大, 模块丰富, 已经实现的一些仿真模块有:网络传输协议, 如TCP和UDP;业务源流量产生器, 如FTP、Telnet、Web CBR和VBR;路由队列管理机制, 如Droptai、RED和CBQ;路由算法, 如Dijkstra, 以及无线网络的WLAN, Ad hoc路由, 移动IP和卫星通信网络等。NS2也为进行局域网的仿真而实现了多播以及一些MAC子层协议。
NS-2使用C++和OTcl作为开发语言, 学生只要通过简单易用的Tcl/OTcl脚本编写出仿真代码, 对仿真拓扑、节点、链路等各种部件和参数进行方便快速的配置。NS可以说是Otcl的脚本解释器, 它包含仿真事件调度器、网络组件对象库等。事件调度器控制仿真的进程, 在适当时间激活事件队列中的当前事件, 并执行该事件。网络组件模拟网络设备或节点的通信, 它们通过制定仿真场景和仿真进程, 交换特定的分组来模拟真实网络情况, 并将执行情况记录到日志文件 (称为Trace文件) 中, 以提供给仿真用户进行分析解读, 获取仿真结果。NS采用这种分裂模型既提高了仿真效率, 加快了仿真速度, 又提供了仿真配置的灵活性和操作的简便性。经过多年的发展已经成为一个涉及网络各个方面的模拟工具, 此外, 广泛应用在网络技术教学方面。
2 网络仿真实验设置
本次无线自组织网络仿真中, 建立网络拓扑结构图如图一所示。
本实验中放置7个节点, 条件如下:
(1) n0至n4为水平放置的5个无线节点, 间隔距离为200m, n5放置于n0节点下方200m位置, n6放置于n4节点上方200m位置, TCL脚本为:
(2) n6节点在第5s时以10m/s的速度水平移动至n0上方位置, 耗时80秒, 到达后停留5秒再以相同的速度回到出发点。
$ns at 5"$n6 setdest 200 500 10"
$ns at 90"$n6 setdest 1000 500 10"
(3) n5与n6之间建立一个以udp为通信协议的cbr联机, cbr封包大小设置为512B, 传输速度0.2Mbps。仿真时间为第2s开始发送数据, 在第175秒结束传送, TCL脚本为:
(4) 该实验模拟环境使用ADOV作为路由协议, 参数设置TCL脚本为:
3 网络仿真实验演示
脚本编辑完成后使用NS-2进行网络传输模拟, 通过NAM (Network Animator) 进行仿真演示, 该软件的功能是根据网络模拟的特定格式Trace输出文件来运行动画, 以观测网络模拟中的Trace和数据流分组流向, 图二至图六为本次实验的NAM仿真画面。
实验中, n6节点从 (1000, 500) 位置水平移动至 (200, 500) 位置后, 停留5秒钟再以相同速度回到初始位置, 路由协议自动寻找最适合的路径来传送封包, 考虑到路径的相似性, 本文只列出实验过程中0~90秒的仿真画面。
图二为3.74秒时的数据流流向, 分析出传输路径为 (n6→n4→n3→n2→n1→n0→n5) 。
图三为25.77秒时的数据流流向, 分析出传输路径为 (n6→n3→n2→n1→n0→n5) 。
图四为46.77秒时的数据流流向, 分析出传输路径为 (n6→n2→n1→n0→n5) 。
图五为65.28秒时的数据流流向, 分析出传输路径为 (n6→n1→n0→n5) 。
图六为86.26秒时的数据流流向, 分析出传输路径为 (n6→n0→n5) 。
4 仿真实验结果分析
本实验使用awk工具对仿真记录文件out.tr进行结果分析。awk是一种优良的文本处理工具, 它扫描Trace文件中的每一行, 查找与命令行中所给定内容相匹配的模式, 发现匹配内容后进行编程分析, 端点至端点延迟时间的关键awk代码如下, 延迟时间如图七所示。
cbr封包遗失率间的关键awk代码如下, 遗失率如图八所示。
5 结束语
本文将NS-2仿真技术应用于自组织无线网络, 通过模拟环境下的网络配置, 设计仿真案例, 编写仿真源代码、设置仿真参数, 使用NAM进行动画演示, 用awk分析仿真结果, 加深学生对网络原理和相关协议的理解;同时熟练掌握NS2仿真工具的使用, 从而进一步提高学生自己动手设计和独立思考的能力;在教学实践中, 使理论知识的学习不再枯燥乏味, 激发学生的学习兴趣, 提升实验教学效果, 具有一定的应用价值。
参考文献
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[7]王栋, 王小明, 吴三斌, 等.一种无线多媒体传感器网络仿真器设计方案[J].计算机技术与发展, 2011, 21 (09) :1-5.
自组织无线控制网络 篇8
无线自组织网络是由多个带有无线收发装置的可移动的节点组成的一个多跳的临时性网络, 可以快速地搭建一个通信网络。由于节点的位置变化及拓扑动态变换, 使得传统的路由协议不再适用, 因此根据无线自组织网络自身特点进行修改, 或者提出一些新的路由协议。本文通过对比现有的一些无线路由协议, 找出一种适合于无线自组织网络的路由协议。
1 路由协议
良好的路由协议是无线自组织网络要研究的首要问题, 也是研究的热点与难点, 到现在已提出多种不同的路由协议。这些路由协议可从不同角度进行分类。目前, 无线自组织网络路由协议主要是按照路由发现方式进行分类, 分为表驱动路由协议、按需驱动路由协议和混合路由协议。本文介绍几种典型的路由协议。
1) DSDV
DSDV (Destination-Sequenced Distance-Vector Routing) 是一种表驱动式路由协议, 是基于Bellman-Ford算法改进的路由算法。DSDV协议给网络中的每个路由设定序列号以避免路由环路, 每个节点维护一份路由表, 路由表中包括目的节点、跳数和一个由目的节点注明的序列号, 序列号能帮助节点区分有效和过期的路由信息, 当主机接到一条路由信息时将此信息与以前接受的信息比较, 带有最新序列号的路由被保留, 从而防止闭环产生。但路由表需要频繁地更新, 每个节点周期性地与临节点交换信息, 在网络空闲时仍然会耗费节点能量和网络带宽。一旦网络的拓扑结构发生变化, 就会生成新的路由表;DSDV算法的收敛速度慢, 需要周期性地向外发布路由信息, 所以效率比较低[6]。
2) AODV
AODV (Ad hoc On-Demand Distance Vector Routing) 是结合了DSDV协议和DSR协议改进后提出的一种按需路由协议。按需路由一般包括:路由发现、路由维护和路由拆除。按需路由协议是根据业务需求建立和维护路由, 只有当源节点需要和目的节点建立联系时才会发起路由发现过程;当源节点发起的路由请求到达目的节点时, 目的节点向源节点发送一个路由应答信息, 建立起有效的路由路径。在路由建立以后, 进行路由维护, 直到这条路由不再被需要或断开;通信结束后, 再进行路由拆除过程, 将路由删除[7]。
AODV采用逐跳转发的分组方式, 当网络中的节点需要给其它节点传送信息时, 如果没有到达目的节点的路由, 就采用多播的方式发出路由请求 (RREQ) 报文。RREQ报文中有源节点和目标节点的地址, 邻近节点收到RREQ后, 首先判断目标节点是否为自己。如果是, 则向发起节点发送路由回应 (RREP) ;如果不是, 则在路由表中查找是否有到达目的节点的路由, 如果有, 则向源节点发送RREP, 否则继续转发RREQ进行查找, 直到找到目的节点。按需路由协议在无需求时不维护路由, 节点不保存路由信息, 也不参与路由表的交换, 这和DSDV需要保存完整的路由表不同, 因此可以降低网络的开销。
3) DSR
DSR (Dynamic Source Routing) 是一种基于源路由的按需路由算法, 它使用源路由算法而不是逐跳路由的方法。所谓源路由, 是指每个数据分组都携带有源节点到达目的节点之前所有分组经过的节点的列表, 即分组中有到达目的节点的完整路由。DSR路由协议中路由是按需建立的, 容易得到快速恢复, 这样可以减少网络的带宽开销和能量消耗, 也避免了网络中大范围的路由更新。
DSR主要包括两个过程:路由发现和路由维护。当源节点需要向目的节点发送数据时, 先检查缓存中是否存在有非过期的到达目的节点的路由, 如果存在, 则可以直接使用, 否则启动路由发现过程。源节点泛洪广播发送路由请求, 当源节点接收到目的节点路由回复后, 路由发现过程结束。建立路由后, 需要对路由进行维护。源节点通过路由维护可以检测到因为网络拓扑改变不能使用的路由。当路由维护检测到使用中的路由出现了问题时, 就会发送RERR (路由错误报文) 给源节点, 而源节点在收到该RERR后, 就会从自己的路由缓存中删除所有包含该路由的信息, 并且重新发起路由发现过程[3]。
4) ZRP
ZRP (Zone Routing Protocol) 是一个分区路由协议。它结合了表驱动路由协议和按需路由协议, 综合利用了这两种协议的各自优点。在区域内采用主动路由方式, 区域间采用按需方式。ZRP将整个网络分成若干个互相重叠的区域, 在区域内部, 采用IARP (Intrazone Routing Protocol) 协议, 区域间路由采用IERP (Interzone Routing Protocol) 协议。只有区域间周期交换信息, ZRP协议才变为按需路由协议;在区域内, ZRP协议又变为纯粹的表驱动路由协议。这样既减小路由建立所带来的时延, 又减少网络广播带来的开销。
2 路由协议性能评价标准
路由协议的评级标准主要包括丢包率、端到端平均时延、网络吞吐量几个方面的指标。
1) 分组成功投递率
分组成功投递率为目的节点收到正确分组数据与源节点发出分组数据数之比, 端到端的传递效率反映了路由协议的可靠性。数值越高, 表示传递效率越高, 算法可靠性就越高。通过计算发送包总数和接受包总数的比值得到。
2) 端到端平均时延
端到端平均时延是指单位数据包从源节点到目的节点的整个过程所用的时间。端到端平均时延可用来衡量协议构建路由的速度, 时延越小, 说明响应越快, 网络质量越好。
3) 网络开销
网络开销为单位数据包个数所引起的额外路由分组个数, 该指标衡量了路由查找过程中所带来的网络通信开销, 反映了路由协议的效率。
3 实验仿真
本文通过NS2仿真平台对几种典型协议DSDV、AODV和DSR进行仿真对比, 分析协议的性能[8]。在环境相同的情况下, 对三种路由算法在端到端平均时延、分组递送成功率等参数方面的性能进行仿真分析。
1) 在数据流不变的情况下, 改变节点移动速度, 对三种路由协议进行仿真, 得到分组投递成功率、端到端平均时延差异如图1、图2所示。
由仿真结果图可知, 在数据流相同的情况下, 节点速度变化时, 按需路由协议AODV、DSR的效率较高, 波动较小, 而主动路由协议DSDV递送率较低, 而且波动较大。端到端的延时波动都比较大, DSDV相对延时较小, 而DSR较大。
2) 在不改变节点场景下, 改变移动节点间最大连接数, 分组投递成功率、端到端平均时延的性能比较如图3、图4所示[9]。
由仿真结果图可知, 在场景不变的情况下, 改变节点间的最大连接数时, AODV和DSR路由协议的分组投递成功率比较好, 而DSDV最差。但是, AODV和DSR的延时较大, 而DSDV的延时小。
4 结论
本文主要介绍了几种典型的路由协议并使用NS2的仿真, 然后根据仿真结果对各协议的性能情况进行了分析比较。从仿真结果看, 无论是改变网络节点的移动速度还是改变节点的连接数, AODV和DSR能更好地完成信息的传递, 但相对的延迟较高, 而DSDV算法延迟较低, 但信息传送不佳。通过对比主动路由协议DSDV和典型路由协议AODV和DSR的分组投递率和端到端延时的数据可知, 这些路由协议都不能够完全适用于自组织网络, 对于不同需求选择不同的路由协议。
摘要：近年来随着网络的发展, 无线自组织网络的研究也引起了广泛的关注。在无线自组织网络中, 路由协议是无线自组织网络的研究热点。本文首先介绍几种典型的路由协议, 再使用仿真软件NS2对AODV、DSDV、DSR三种无线路由协议进行仿真。最后对仿真结果进行分析。
关键词：无线自组织网络,路由协议,NS2
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