基于泛搜索路由協議的AdHoc網絡設計與實現

周兆軍，李 波

（西安郵電大學 陜西 西安 710121）

基于泛搜索路由協議的AdHoc網絡設計與實現

周兆軍，李 波

（西安郵電大學 陜西 西安 710121）

在Ad Hoc網絡技術的工程實現中，路由協議的選擇以及硬件無線通信系統設計是要解決的兩個關鍵環節。本文針對節點之間無等級結構的Ad Hoc網絡，基于一種泛搜索路由協議進行Ad Hoc網絡系統設計和實現。硬件通信設備采用單片機C8051F920控制無線數傳模塊的方案進行設計，按照搜索路由協議對單片機編寫程序，繼而組建Ad Hoc網絡系統。通過對網絡測試所得的數據結果進行分析，表明該路由協議能適應網路拓撲結構變化，準確地找到一條適合傳輸的路由，所設計通信系統滿足Ad Hoc網絡的基本特征。

Ad Hoc網絡；泛搜索路由協議；無線傳輸模塊；網絡拓撲結構

Ad Hoc網絡屬于一種無基礎設施的移動網絡。從Ad Hoc網絡的工作特點來分析，該網絡是一種自治的無線多跳網，沒有固定的路由器，移動的節點既是終端也可作為中繼，每個節點動態地保持與其他的節點之間的通信，因此Ad Hoc網絡也被稱為“無固定設施網”或“自組網”[1]。這種網絡組網快速、靈活、操作簡單，具備很強的抗毀性、臨時性、自治性和自組性，常用于軍事對抗，搶險救災等緊急情況[2]。由于Ad Hoc網絡中節點具有移動性和多跳性[3]，使得網絡拓撲結構動態變化，因此動態地保持網絡通信成為一個重要的研究方向，為解決此問題提出許多路由協議，例如，群首網關交換路由協議（CGSR）[4]、序列距離矢量路由協議（DSDV）[5]、距離矢量路由協議（AODV）、動態源路由協議（DSR）[6]等等。目前針對Ad Hoc網絡協議研究多在模擬的環境中進行的，如使用OPEET、NS2和Glomosim等仿真軟件。而對于Ad Hoc網絡工程實現而言，軟件仿真只是一個環節，支持協議的硬件系統設計更為重要,而且在真實外部環境和硬件平臺中測試和評估路由協議更具有意義。

文中針對節點之間沒有層級結構Ad Hoc網絡，選用一種泛搜索路由協議并綜合組網成本、易用性和路由協議的算法復雜度，設計無線通信設備，組建Ad Hoc網絡系統，并對該網絡進行測試。

1 泛搜索路由協議

泛搜索路由協議屬于按需路由協議 （On Demand Routing）的一種，也稱為“泛洪搜索機制”[7]。原理簡單，運算復雜度不高，特點是每個節點不需要更新并保存多張路由表信息，只保留各自覆蓋范圍內節點信息，避免更新維護信息表的開銷,常用于節點之間無等級結構的Ad Hoc網絡。該路由協議的處理過程和原理是：源節點在目的節點的通信時，先在其覆蓋范圍內進行全搜索，即搜索所有的鄰近節點并判斷是否有目的節點。如果沒有找到目的節點，則尋找與目的節點相通的一級中繼節點，如果未找到一級中繼，繼續逐級往下尋找二級、三級中繼，直到找到與目的節點相通的路徑為止，要是最終沒能找到則本次搜索失敗。在搜索過程中源節點可能找到與目的節點相通且中繼節點總數目相同的多條鏈路，此時需在多條鏈路中找出一條代價較小的作為最佳路徑。衡量鏈路是否為最佳，通常需要綜合評估下面幾個因素：

1）鏈路上各段的傳輸穩定性；

2）鏈路上節點在網絡中等級；

3）鏈路上中繼節點的負荷量；

4）鏈路的傳輸總距離[8]。

根據以上所述，泛搜索路由選擇協議具體流程如圖1。

圖1 泛搜索協議的具體流程Fig.1 The specific process of universal search routing protocol

2 Ad Hoc網絡系統設計

Ad Hoc網絡系統是由一定數量可移動的無線傳輸設備所組成，在網絡拓撲動態變的情況下，該設備需按照相應路由協議穩定地進行數據傳輸。因此，工程中無線數據傳輸設備設計是實現Ad Hoc網絡的核心。

2.1 無線數據傳輸設備硬件設計

無線數據傳輸設備采用微處理器MCU控制集成無線數傳模塊的方案進行設計，外圍電路包括液晶顯示器LCD以及輔助控制按鍵，圖2為其結構框圖。

圖2 通信設備結構框圖Fig.2 Communications equipment structure block diagram

考慮泛搜索路由協議原理較為簡單，實現資源消耗較少，因此選用型號為C8051F920的低成本單片機作為主控MCU。C8051F920是Silicon Labs公司生產的一款低功耗 8位微處理器，其內部晶振可提供24.5MHz工作頻率，支持51壓縮指令集，同時內部集成32kB指令緩存和4352Bytes數據緩存、 路 位 以及 個可編程 端口。另外具有I2C、2×SPI和UART總線接口，級大地簡化了數據和控制總線的設計。

為使無線數據傳輸設備有較強的穩定性和抗干擾能力，選用高性能集成無線數傳模塊SR_FRS_1W進行數據收發。此模塊是借助DSP技術和無線電技術實現的高性能專業數據傳輸電臺,內置高性能射頻收發芯片、微控制器及射頻功放。SR_FRS_1W主要性能參數見表1，與C8051F920組成設備核心電路圖見圖3。C8051F920通過標準的異步串行接口(RS232)與SR_FRS_1W進行數據收發，并通過一系列的AT指令集設置模塊的工作參數，查詢和控制整個模塊的工作。

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

2.2 主要程序描述

按照泛搜索路由協議編寫系統程序，將文件加入系統相應的路徑中，并下載到C8051F920。關鍵代碼如下：

1）detection （time，counter）//節點周期性檢測覆蓋范圍內其他節點；

2 )Read_message（&node，NUM）//讀取節點連接信息；

3）Caloads(&Mes,，NUM)//計算節點負荷量 ；

4）loading_routs （term，&node，number）//把負荷量較少的節點載入路由表；

5）data_transmit（“+DMOMES=”， 怕除了進進行穩定的數據傳輸性能的影響； 而 &table，&message，“0A0D”）//數據發送。

2.3 組建Ad Hoc網絡系統

由表1可知,SR_FRS_1W通信覆蓋半徑范圍為1公里，但實際外界環境復雜，數據傳輸時受到干擾衰減，因此，組網時兩節點之間的距離保存在700米左右。利用5部已經編號的通信設備作為通信節點來組建一個節點之間無層級平面小型Ad Hoc網絡，網絡拓撲結構（a）如圖4所示。其中每個節點可以隨時開啟或者關閉，并且可以低速移動，使得網絡拓撲可以隨時變化。

3 實際測試與分析

設備上電后對其覆蓋范圍內的設備進行周期性檢測，并將檢測到的信息放入單片機的數據緩存中，以便源節點尋找路由時進行信息應答反饋。測試時設備通過UART接口（TXD）上傳檢測信息以及接受到的數據信息到LCD。

圖3 通信設備核心電路圖Fig.3 Core circuit diagram of Communications equipment

圖4 Ad Hoc網絡拓撲結構（a）Fig.4 Ad Hoc network topology(a)

3.1 測試1

Ad Hoc網絡拓撲結構（a）所示。讀取覆蓋范圍內節點信息如下，

數據中“+DMOMES=”為幀頭，“0A 0D”為幀尾，之間數據為有效信息。

以節點1的為例，“04”是指數據長度 （不包含幀尾長度），“09”代表此信息為節點監測覆蓋，“01”代表本地節點編號，“02 03”指分別指監測到覆蓋范圍內的節點編號。

根據泛搜索路由選擇協議，節點1無需中繼，可直接發送數據給2或者3節點。

源節點1發送數據到目的節點2時，實際監測到數據如下：

“06”為數據長度，后面的“01”此信息類型為數據傳輸，“00”指傳輸無中繼節點，“01”為源節點，“02”為目的節點，“AB CD”為數傳的具體內容。

根據泛搜索路由選擇協議，節點1若發送數據給節點5，需要中繼節點，此時節點1發送命令讀取節點2和3所覆蓋節點信息，經過分析2可以作為一級中繼，轉發數據給節點5。源節點1發送數據到目的節點5時，實際監測測到數據如下：

“07 01”和上面一樣，分別是數據長度和數據類型為數據傳輸，接著的“01”代表經過一次中繼，后面的“01 02 05”分別為源節點，中繼節點和目的節點，“AB CD”為數傳內容。

根據泛搜索路由選擇協議，節點1若發送數據給節點4，節點2和3都可以作為一級中繼，但是節點2的負荷量比較大，可能造成傳輸阻塞沖突導致數據丟失，傳輸代價較大。通過代價判斷選擇負荷量較小的節點3作為傳輸中繼。

源節點1發送數據到目的節點4時，實際監測到數據如下：

分析上面數據中“01 03 04”可知數據經過中繼3發送到目的節點4。

3.2 測試2

關閉節點2，Ad Hoc網絡的拓撲結構（b），如圖5所示。讀取覆蓋范圍內節點信息如下，

源節點1發送數據到目的節點5時，檢測數據如下：分析上面數據中“02 01 03 04 05”可知數據經過兩次中繼節點3和4發送到目的節點5。

通過實際的組網測試以及數據分析可以得出：基于泛搜索路由協議所設計Ad Hoc通信系統能適應一定程度的網路拓撲結構變化，準確地找到一條適合傳輸的路由進行數據傳輸，此系統滿足Ad Hoc網絡的基本特征。

4 結論

文中設計了一個基于泛搜索路由協議的平面小型Ad Hoc無線網絡系統。通過簡單的路由協議，以及低成本硬件結構，較好的實現了Ad Hoc網絡的基本功能。此系統具有一定的實用性，而且稍加改進也可實現語音傳輸，可用于野外無信號時快速組網信息傳輸，但由于MCU的性能限制，在傳輸的時延控制以及網絡的可擴張性方面還存在不足。在后續工作中將通過ARM替代MCU，在Linux系統中研究和改進此方面內容。

[1]王華，薛濤，崔云平.Ad hoc網絡技術 [J].硅谷，2012，1（17）：8-9.

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

[2]鄭少仁，王海濤，趙志峰，等.Ad Hoc網絡技術[M].北京:人民郵電出版社，2005.

[3]祝麗麗，吳蒙.Ad hoc網絡路由協議的研究綜述[J].數據通信技術交流，2007，21（3）：38-41.

ZHU Li-li，WU Meng.Ad hoc network routing protocol research overview [J].Data Communication Technology Exchange，2007，21（3）：38-41.

[4]Royer E M,Toh C K.A review of current routing protocols for Ad Hoc mobile wireless networks[J].IEEE Personal Communications,1999,6(2):46-55.

[5]Perkns C E,Bhagwa T P.Highly dynamic destination sequenced distance-vector routing(DSDV)for mobile computers[C]//proceedings of SIGCOMM’94.New York:ACM Press,1994:234-244.

[6]Josh B,David A M,David B J，et al.A Performance comparsion of multi-Hop Ad Hoc network routing protocols[C]//Proceedings of the Fourth Annual ACM/IEEE International Conference on Mobile Computing and Networking(MoliCom’98).New York:ACM Press,1998:25-30.

[7]施韋,李善平,楊朝輝.移動自組網絡中一種基于多點中繼策略的優化泛洪廣播算法 [J].計算機研究與發展，2007,4（6）：924-931.

SHI Wei,LI Shan-ping,YANG Chao-hui.An optimized flooding algorithm based on multipoint relaying for mobile Ad Hoc Networks [J].Journal of Computer Research and Development，2007,4（6）：924-931.

[8]劉雋.無線自組網絡的路由選擇研究[J].現代導航，2012，6（4）：289-294.

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 稿件編號：201310017

周兆軍（1988—），男，陜西西安人，碩士研究生。研究方向：帶寬無線通信。