采用定向天线的移动自组网路由技术研究

王　维　李　颖　李洪生

【摘要】定向天线能有效提升移动自组网路由协议DRP的性能。文章对移动自组网中引入定向天线的好处作了简要介绍,重点对其关键技术进行了归纳研究,最后对定向路由的研究现状进行了小结。

【关键词】移动自组织网络 定向天线 路由技术 DRP

1 引言

移动自组织网络(MANET,Mobile Ad Hoc Network)路由协议是目前无线网络研究的热点之一,近年来人们对移动自组织网技术持续增长的兴趣引发了许多路由协议方案的提出。移动自组网中路由设计出现困难的重要原因就是:网络拓扑结构的高动态性和无线信道的时变性。采用全向天线时,路由发现过程中大量查询包的全网洪泛,消耗了有限的无线带宽资源,且可能会带来广播风暴和信号干扰等诸多问题,限制了MANET的应用。为此,大量的研究者改变了原始的在全向天线模式下进行路由设计和改进的思维模式,提出基于定向天线的移动自组网路由的思想,希望以此提升移动自组网的性能。

2 引入定向天线的好处

把定向天线引入移动自组网中的研究最早见于上世纪八十年代末,N.Pronios率先提出了此项技术[1]。采用定向天线,节点能够把发射能量集中起来朝其目的节点的方向发送,在很大程度上减少了区域内邻近节点之间的干扰,在正确的方向上产生更高的信噪比SNR,增大了传输距离和数据率,增强了链路的鲁棒性,也减少了相同传输距离下的节点功耗。它使多个节点可以同时传输,在很大程度上提高了网络的空间复用度;而且通过定向传输和接收带来的额外增益也使远距离节点间的通信成为可能,提高了网络吞吐量。此外,定向通信可以很好地解决全向通信中的隐藏终端和暴露终端问题,以及文献[2]提出的如何发现下一跳节点位置并与其波束相对、邻节点由于运动而引起其所在波束的变化、“听不见”带来的路由断链等定向路由问题。

3 定向路由中的主要技术

对定向天线应用于Ad hoc网络的早期研究,较多的集中在物理层上的能量控制与波束形成方面,目前主要集中在MAC层和链路层协议的邻节点发现机制及多址接入方式中采用定向传输控制,在路由协议中采用定向天线的研究则比较有限[3-5]。现有定向路由方案大多是对目前已有全向路由方案进行修改,来适应定向通信的要求,进行包的定向传送。其主要集中在对采用全向天线的反应式(按需)路由的改进来实现,如利用方向估算来限制路由请求包定向洪泛范围的按需型定向路由[4];或者是通过与MAC的跨层交互来实现,如使用定向邻节表DNT来和MAC层交互共享的DRP[2]、基于DiMAC多址协议的DDSR[3]等。此外,还有基于发送方向来限制路由请求洪泛范围的先应式路由。目前,还未有人提出完全适合定向通信环境的完整路由协议方案,现有基于定向天线的移动自组网路由协议解决的主要技术问题[6]有:

(1)路由环路避免

环路将导致路由错误,浪费大量的带宽资源,严重影响路由协议的性能,无环路是保证路由协议正确性的一个基本要求。源路由协议中的路由信息标记在数据分组和路由控制分组的头部,本身能够环路避免。链路状态协议是在得到全部网络拓扑信息的条件下进行路由计算的,所以也不会产生环路。距离矢量路由协议采用信息标识技术来解决路由环路问题。可见,由于定向天线的特性,基于定向天线的移动自组网路由协议本身就具有路由环路避免的功能。

(2)路由选择

路由选择是指根据网络状态信息和用户业务状态信息选择最佳的路径,负责确定把所收到的分组转发到哪一个链路接口。影响路由选择判决的主要因素:①故障:当一个节点发生故障或中继链路断链时,就不能被用作路由的一部分。②拥塞:当网络十分拥塞时,最好让分组绕道而行,而不是从发生拥塞的区域穿过。为此,定向路由选择策略需满足以下原则:①以路径长度、稳定性、链路状态等参数或它们的组合作为路由度量,选择满足负载最轻或延迟最短等约束条件的最优路径。②使用有关拥塞的参数(如队列长度),而不只采用跳数来评估路由,选择网络中数据流量较小的路径,从而减少端到端时延。

(3)路由重构

路由重构实质上是对网络动态性的适应。移动自组网的高度动态性必将导致节点间链路变化,路由失效或断链,需以最快的速度通知其它节点,来重新调整和计算最短路由。通常路由重构有3种方法:备份路由,路由失效节点通知源节点重新计算路由,在路由失效节点处进行局部路由修复。在自组网中,更适合采用局部链路修复技术,将这种变化限制在局部区域内。这实际上是放弃对最优路径的追求,在保持路由连通性的前提下,减少路由开销,缩短路由恢复时间。文献[4]就是结合定向天线采用局部路由修复的方法,对由网络动态性引起的断链问题进行恢复。

(4)路由开销

路由开销是衡量移动自组网路由协议性能的重要指标,可以用单位时间内路由控制分组的传输量来表示。自组网的无线信道所能提供的网络带宽资源十分有限,大量的路由控制开销会造成网络拥塞,引发数据延迟甚至丢失。因此,必须控制路由协议开销,提高网络的整体性能。定向路由协议的设计过程也就是对现有路由协议的优化过程,即在满足分组传输要求的基础上尽量减少路由开销,从而提高网络的吞吐量。

(5)路由表维护

由于节点的移动性,路由信息不断变化,存储在节点中的路由表很可能会过时,因此需要不断更新维护。定向路由协议中表的维护需考虑天线的不同波束号,如文献[2]中的定向路由协议包含一个定向路由表DRT的建立与维护机制,维护到不同目的节点的路由信息,以及节点在传输过程中用来接收包所用的天线波束的ID号。

4 小结

由于移动自组网具有一般自组网的共性,如:网络拓扑结构的动态变化、无线传输带宽有限、移动终端受限、存在单向信道等,采用定向天线的移动自组网路由技术问题一直存在。目前的研究主要集中在对路由的选择和维护进行改进,最终目标是获得网络性能指标的提高。

参考文献

[1]Pronios N. Performance considerations for slotted spread-spectrum random access network with directional antennas[C]. IEEE GLOBECOM,Nov. 1989.

[2]Hrishikesh Gossain,Tarun Joshi,Carlos De Morais Cordeiro,et al. DRP: An Efficient Directional Routing Protocol for Mobile Ad Hoc Networks[J]. IEEE TRANSACTIONS ON PARALLEL AND DISTRIBUTED SYSTEMS, 2006,17(12).

[3]Romit Roy Choudhury,Nitin H. Vaidya. Ad Hoc Routing Using Directional Antennas[R]. Illinois Computer Systems Symposium(ICSS),Technical Report August May 2002,UIUC.

[4]Nasipuri A,et al. On-Demand Routing Using Directional Antennas in Mobile Ad Hoc Networks[C]. Proc. of the IEEE WCNC,2000.

[5]Choudhury R R,Vaidya N. Impact of Directional Antennas on Ad Hoc Routing[C]. Eighth International Conference on Personal Wireless Communication(PWC), Venice,Italy,September 2003.

[6]于宏毅,等. 无线移动自组织网[M]. 北京: 人民邮电出版社,2005.★

【作者简介】

王维:重庆通信学院在读研究生,主要研究方向为无线移动自组织网络。

李颖:重庆通信学院军事信息工程系副教授,主要研究方向为数据链技术、计算机网络信息安全等。

李洪生:重庆通信学院在读研究生,主要研究方向为基于定向天线的Ad hoc网络。