1、【W(wǎng)ord版本下載可任意編輯】 Mesh的CS_AODV路由協(xié)議的設(shè)計(jì)與仿真 0 引言 無線Mesh 網(wǎng)絡(luò)是一種多跳、自組織和自愈性的分布式寬帶無線網(wǎng)絡(luò)，由于部署簡單、使用方便而被廣泛應(yīng)用。但由于無線鏈路的不穩(wěn)定性以及帶寬資源的有限性，其網(wǎng)絡(luò)性能無法滿足用戶對(duì)帶寬、時(shí)延、路由穩(wěn)定性以及丟包率的需求，這需要提供一定的QoS 保證，而QoS 路由是實(shí)現(xiàn)QoS 保證的一個(gè)關(guān)鍵因素。目前國內(nèi)外文獻(xiàn)中已經(jīng)提出很多基于無線Mesh網(wǎng)絡(luò)的QoS 路由協(xié)議。文獻(xiàn) 中提出一種基于帶寬的QoS路由協(xié)議-QRBC,協(xié)議應(yīng)用于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)服務(wù)環(huán)境，為實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)流選擇一條干擾小，保證帶寬的穩(wěn)定路由；文獻(xiàn),應(yīng)用數(shù)據(jù)傳輸失敗概率

2、去估算路由的有效帶寬，這種估算方法主要用于接入控制算法和QoS 路由協(xié)議；文獻(xiàn) 提出一種多徑QoS 路由協(xié)議AODV_MQ,采用同時(shí)多徑機(jī)制并以時(shí)延為QoS 參數(shù)；艦船編隊(duì)無線移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)是一種專用網(wǎng)絡(luò)，應(yīng)用環(huán)境以及傳輸數(shù)據(jù)類型都有其特殊性，本文針對(duì)艦船編隊(duì)間的無線移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)路由穩(wěn)定性以及不同數(shù)據(jù)類型開展分級(jí)的QoS 保證要求，通過對(duì)現(xiàn)有移動(dòng)自組網(wǎng)路由協(xié)議-AODV 開展改良，提出一種基于AODV 的QoS 機(jī)制改良路由協(xié)議-CS_AODV（ ClassificaTIonand Path Stability Routin gProtocol based on AODV）。 1 AODV 協(xié)議 AO

3、DV是一種源路由按需路由協(xié)議，實(shí)質(zhì)是DSDV與DSR結(jié)合，已被IETF MANET工作組于20*年7月正式公布為自組網(wǎng)路由協(xié)議的RFc標(biāo)準(zhǔn)。只要兩個(gè)節(jié)點(diǎn)都都有通向?qū)Ψ降恼_路由，AODV是不工作的。當(dāng)某節(jié)點(diǎn)需要同某個(gè)目的節(jié)點(diǎn)通信而本身沒有到該目的節(jié)點(diǎn)的路由時(shí)，它將廣播一個(gè)RREQ（路由請(qǐng)求消息）來嘗試找到一條到目的節(jié)點(diǎn)的路由，所有接到請(qǐng)求的節(jié)點(diǎn)都會(huì)緩存一條回到發(fā)起節(jié)點(diǎn)的路由，通過比較分組中的序列號(hào)丟棄重復(fù)收到的RREQ.如果RREQ消息到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)，這條路由將被找到，目的節(jié)點(diǎn)朝源節(jié)點(diǎn)單播一個(gè)RREP后，這條路由就建立了。中間節(jié)點(diǎn)收到RREP 后會(huì)建立一條到源節(jié)點(diǎn)的前向路由。如果收到RREQ的中

4、間節(jié)點(diǎn)擁有到目的節(jié)點(diǎn)的路由，且該路由的序列號(hào)足夠大，則該路由也就被找到，同樣返回RREP.如果該路徑上某個(gè)節(jié)點(diǎn)下一跳變得不可達(dá)，它就向上游節(jié)點(diǎn)發(fā)送RERR 分組，通知源節(jié)點(diǎn)鏈路斷裂，源節(jié)點(diǎn)重新開始路由發(fā)現(xiàn)。 2 CS_AODV 協(xié)議設(shè)計(jì) 2.1 優(yōu)先級(jí)設(shè)置 艦船編隊(duì)無線Mesh 組網(wǎng)主要是實(shí)現(xiàn)艦船編隊(duì)統(tǒng)一高效的指揮控制，傳輸信息主要是指控指令以及各種傳感器信息，多媒體業(yè)務(wù)較少，但對(duì)實(shí)時(shí)性要求很高。網(wǎng)絡(luò)中不同的節(jié)點(diǎn)具有不同的業(yè)務(wù)優(yōu)先級(jí)別，同一節(jié)點(diǎn)的不同數(shù)據(jù)類型也有不同的級(jí)別。而且由于無線移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的帶寬資源相對(duì)有限，信道間控制指令所消耗的帶寬必須控制在一定范圍內(nèi)，數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)等級(jí)劃分不能太過復(fù)雜。CS

5、_AODV 將節(jié)點(diǎn)劃分為2 個(gè)等級(jí)（如旗艦和非旗艦），節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)流也劃分為4 個(gè)等級(jí)（如指控、探測、圖像及一般業(yè)務(wù)等），共有8 個(gè)等級(jí)；等級(jí)高的業(yè)務(wù)先發(fā)送，業(yè)務(wù)等級(jí)相同則節(jié)點(diǎn)級(jí)別高的先發(fā)送。協(xié)議將AODV 的RREQ 分組中3 個(gè)保存位定義為優(yōu)先級(jí)區(qū)，如下表1,其中34 位設(shè)為業(yè)務(wù)等級(jí)，級(jí)別由高到低依次設(shè)為00、01、10、11 ;第5 位設(shè)為節(jié)點(diǎn)級(jí)別，優(yōu)先級(jí)高的節(jié)點(diǎn)設(shè)為0 ;通過比較優(yōu)先級(jí)區(qū)的值來區(qū)分不同節(jié)點(diǎn)和業(yè)務(wù)的級(jí)別，分組級(jí)別越低，其值越大。AODV 的路由表中有到目的節(jié)點(diǎn)的路由，也需要對(duì)Data 分組增加類似的優(yōu)先級(jí)設(shè)置。 艦船編隊(duì)網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)類型以指控和探測消息等為主，以單個(gè)分

6、組形式在網(wǎng)絡(luò)中傳送。分組發(fā)送過程占用整條路徑，在發(fā)送分組競爭信道時(shí)開展優(yōu)先級(jí)區(qū)分。源節(jié)點(diǎn)發(fā)送分組，先判斷網(wǎng)絡(luò)中是否存在其他別分組，若有，在等待NET_TRYTIME = 基本等待時(shí)間+ random（class,class+1）（優(yōu)先級(jí)別加上隨機(jī)退避時(shí)間）時(shí)間后再次探測，若無，則開始發(fā)送分組；否則要繼續(xù)等待NET_TRYTIME 時(shí)間，直到?jīng)]有更別分組發(fā)送為止。參數(shù)class 表示服務(wù)級(jí)別，范圍：07,級(jí)別越高，class 值就越小，保證級(jí)別高的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)優(yōu)先建立路由。 2.2 引入多點(diǎn)中繼 AODV 協(xié)議的路由發(fā)現(xiàn)以洪泛方式開展，沒有給QoS 路由提供引導(dǎo)作用，占用大量網(wǎng)絡(luò)資源，容易造成網(wǎng)絡(luò)風(fēng)

7、暴。為此，本文引入多點(diǎn)中繼（Multi-Point Relaying,MPR）,網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)在自己的一跳鄰節(jié)點(diǎn)中選擇一部分節(jié)點(diǎn)作為自己的MPR,由MPR 轉(zhuǎn)發(fā)鏈路狀態(tài)消息，實(shí)現(xiàn)路由控制消息的選擇性洪泛；通過對(duì)HELLO 消息開展改良，只傳遞MPR 選擇節(jié)點(diǎn)與MPR 之間的鏈路信息，實(shí)現(xiàn)鏈路狀態(tài)信息的壓縮。 引入MPR 需要對(duì)HELLO 消息開展改良。AODV 協(xié)議中HELLO 分組只包含了本節(jié)點(diǎn)IP 地址、本節(jié)點(diǎn)序列號(hào)、跳數(shù)、發(fā)送周期、TTL 以及保存位等信息，鄰居節(jié)點(diǎn)只能夠檢測跟本節(jié)點(diǎn)的鏈路信息，因此需要對(duì)HELLO 消息開展擴(kuò)大，添加鄰節(jié)點(diǎn)地址以及轉(zhuǎn)發(fā)分組意愿、鏈路代碼、鏈路信息大小等狀態(tài)信息

8、。 定義N1（a） 和N2（a） 為節(jié)點(diǎn)a 的一跳和二跳鄰居節(jié)點(diǎn)表，D（b） 為a 的一跳鄰居的出度，MPR（a） 為a 的多點(diǎn)中繼站的集合，定義Stab（a）是為了得到節(jié)點(diǎn)的相對(duì)穩(wěn)定度。MPR 選擇實(shí)現(xiàn)算法如下： 1）MPR（a） 初始化為空。 2）計(jì)算N1（a） 中每個(gè)節(jié)點(diǎn)的出度D（b）（以及Stab（a）。 3）能提供可達(dá)性到N2（a） 中某些N1（a） 節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)添加到MPR（a） ;并將已經(jīng)添加到MPR（a） 的N2（a） 節(jié)點(diǎn)刪除。 4）當(dāng)N2（a） 中仍剩有節(jié)點(diǎn)，則計(jì)算N1（a） 中未選為MPR的節(jié)點(diǎn)的所屬N2（a） 節(jié)點(diǎn)中仍未覆蓋的節(jié)點(diǎn)數(shù)目，將覆蓋多剩余兩跳節(jié)點(diǎn)的鄰節(jié)點(diǎn)加到MP

9、R（a），若出現(xiàn)相同情況，選擇出度較大鄰節(jié)點(diǎn)的作為MPR,并刪除相應(yīng)的N2（a） 節(jié)點(diǎn)。 5）比較MPR（a） 所覆蓋的N2（a） 節(jié)點(diǎn)。若MPR（a） 中某節(jié)點(diǎn)的兩跳鄰居節(jié)點(diǎn)是其他MPR（a） 節(jié)點(diǎn)的兩跳鄰節(jié)點(diǎn)，則將此節(jié)點(diǎn)刪除。 2.3 路徑穩(wěn)定性度量 艦船編隊(duì)組成網(wǎng)絡(luò)各個(gè)節(jié)點(diǎn)通常處于移動(dòng)狀態(tài)，以某個(gè)節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)速度來衡量此節(jié)點(diǎn)的穩(wěn)定性并不可靠，但要計(jì)算整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)節(jié)點(diǎn)的相對(duì)移動(dòng)速度又比較困難，實(shí)現(xiàn)難度大，而且同網(wǎng)絡(luò)性能提升相比，所增加的網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷可能更大。 對(duì)于（絕大多數(shù)）節(jié)點(diǎn)具有相似運(yùn)動(dòng)模型的移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)來說，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，但對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)來說，其拓?fù)錁?gòu)造是相對(duì)穩(wěn)定，因此可以利用節(jié)點(diǎn)相對(duì)

10、穩(wěn)定度事先路由穩(wěn)定性的QoS保證。CS_AODV 協(xié)議引入了MPR 節(jié)點(diǎn)，該協(xié)議依靠選出的MPR轉(zhuǎn)發(fā)RREQ.但由于MPR 的選擇不僅與該節(jié)點(diǎn)的鄰節(jié)點(diǎn)相關(guān)，而且也與兩跳鄰節(jié)點(diǎn)相關(guān)，節(jié)點(diǎn)a 的相對(duì)穩(wěn)定性應(yīng)以該節(jié)點(diǎn)兩跳范圍內(nèi)所有節(jié)點(diǎn)（包括一跳鄰節(jié)點(diǎn)）的變化情況為依據(jù)。 和為節(jié)點(diǎn)a 的兩跳范圍內(nèi)的鄰節(jié)點(diǎn)數(shù)量，其相對(duì)穩(wěn)定性公式變?yōu)椋?其中和分別表示為交集和并集。從上式可以看出：鄰節(jié)點(diǎn)數(shù)量變化越小，Stab 值越大，節(jié)點(diǎn)a 的相對(duì)穩(wěn)定性也越高。 實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)穩(wěn)定性判定需要對(duì)AODV 的跳數(shù)判據(jù)開展改良，參加相對(duì)穩(wěn)定性度量值，其聯(lián)合判據(jù)函數(shù)表示為： 其中： 為懲罰因子；數(shù)值1 表示為一跳，即通過本節(jié)點(diǎn)，跳數(shù)加

11、1.可以看出：Stab 值越大，Metric 值越小。 其路徑總度量值為： 根據(jù)上式對(duì)RREQ 消息格式開展擴(kuò)大，在類型、標(biāo)志位、跳數(shù)、RREQID、目的節(jié)點(diǎn)地址、目的節(jié)點(diǎn)序列號(hào)、源節(jié)點(diǎn)地址以及源節(jié)點(diǎn)序列號(hào)等內(nèi)容的根底上，將跳數(shù)變?yōu)镸etric（path）。 3 仿真分析 本文采用NS2 仿真軟件開展仿真，設(shè)置場景如下：空間為500m*500m,節(jié)點(diǎn)隨機(jī)分布；節(jié)點(diǎn)移動(dòng)速度為20m/s ;CBR 數(shù)據(jù)流，發(fā)包率50.0,包大小512byts ;采用802.11 MAC協(xié)議、OminiAntenna 天線，Two-Ray Ground ReflectionModel 無線傳播模型，仿真時(shí)間80s.

12、分別設(shè)置10、20、30、40、50、60、80、100 個(gè)節(jié)點(diǎn)對(duì)CS_AODV 和AODV 協(xié)議開展仿真，利用MATLAB 開展計(jì)算分析。 圖1 表示為分組接收率，節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)小于20 個(gè)時(shí)，兩種協(xié)議的分組接收率差異在5% 以內(nèi)；隨著節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)增加， AODV的分組接收率急遽降低，而CS_AODV 下降比較平緩，這是因?yàn)镃S_AODV 選擇路徑時(shí)剔除了那些移動(dòng)速度快的節(jié)點(diǎn)，選擇的路徑相比照較穩(wěn)定。圖2 為端到端延時(shí)，如果節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)比較少，CS_AODV 的延時(shí)要高于AODV,隨著節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)的增加，AODV 的時(shí)延的增長要比CS_AODV 快得多，節(jié)點(diǎn)數(shù)增至100 時(shí)，AODV 的延時(shí)比CS_AODV 高出40ms,主要是由于AODV 的路徑相對(duì)不穩(wěn)定，分組重發(fā)率高導(dǎo)致延時(shí)快速增加。分析圖3 看出，在節(jié)點(diǎn)數(shù)很少的情況下，CS_AODV 的指令開銷要比AODV大得多，這是由于選擇MPR 節(jié)點(diǎn)導(dǎo)致控制開銷大量增加；但隨著節(jié)點(diǎn)數(shù)的增加，CS_AODV 協(xié)議的指令開銷比例慢慢減小，而AODV 的開銷在增加，其原因是由于CS