无线Adhoc网路由性能影响因素分析及解决方案

第12卷第32期2012年11月1671—1815（2012）32-8712-05科学技术与工程Science Technology and EngineeringVol.12No.32Nov．2012 2012Sci.Tech.Engrg.无线Ad hoc 网路由性能影响因素分析及解决方案卢中宁康国磊（郑州轻工业学院计算机与通信工程学院，郑州450002）摘要通过搭建Ad hoc 无线自组织网络实验平台进行多次室外测试。

对接收信号功率强度的变化分析得出节点传输范围的变化特征及其对路由协议性能的影响。

对分组投递率的测量得出Ad hoc 网络投递率与节点间距离的关系。

根据路由切换现象分析了Ad hoc 网络运行过程中出现的路由不稳定现象的成因。

最后给出了相应的解决方案。

关键词Ad Hoc 网络路由协议网络性能时变衰落效应中图法分类号TN915.01；文献标志码A2012年7月18日收到国家自然科学基金（60970084）资助第一作者简介：卢中宁（1974—），男，汉族，硕士，副教授，研究方向：计算机网络、软件工程。

在无线通信Ad hoc 网络中，由于电波传播会经历路径损耗、阴影衰落、多径衰落等衰落效应，使得接收信号功率在不同接收时刻会受到不同程度的影响［1］。

因此，在传统蜂窝网络或者一跳通信的无线网络中都会采用一些对抗信道衰落或进行功率补偿的措施来改善网络性能，但在以多跳通信方式为主的无线Ad hoc 网络中还要涉及到路由选择的问题［2］。

很多研究表明无线信道传播的衰落特性及时变特性会对路由协议性能产生很不利的影响［3］。

为了便于描述，论文将无线信道的衰落特性及时变特性统称为时变衰落特性。

1问题的提出目前，Ad hoc 网络使用的典型路由协议有TBRPF 、DSR 、AODV 、OLSR 等，这些协议都是由IETF 的MANET 工作组通过的实验标准［4］。

业内对这些路由协议已经研究了很长的时间，但Ad hoc 网络的实际组网性能始终不够理想，主要原因就是这些路由协议标准机制都是在假设信道理想的情况下提出的，只考虑了节点的移动性造成的网络拓扑变化而引起的路由更新问题，而没有考虑信道的时变衰落对路由性能造成的影响。

而且，大多数对Ad hoc 网络路由协议性能的研究和改进也是基于节点移动性造成的网络拓扑变化而进行的［1］，所采用的仿真软件中使用的无线信道传播模型均假定信号随距离产生固定的衰减，而实际无线信道传输随距离的衰减波动性是很大的［5］。

因此，大多数改进的路由协议也不能很好地应用于实际的无线环境中。

无线信道的时变衰落特性对Ad hoc 网络路由协议能造成什么样的影响，它又是如何影响路由协议的，这个问题对于改善多跳Ad hoc 网络的组网性能至关重要。

论文搭建了由多个节点组成的无线自组织网络试验平台，实现自组织网络的大部分功能，各终端之间可以直连或者通过其它节点转发进行通信。

经过多次不同拓扑下的测试，发现在网络节点间进行通信时始终存在一个不可忽视的问题，那就是路由的不稳定性。

以由A 、B 、C 、D 、E 、F 六个节点组成的链形拓扑网络为例，A 是源节点，F 为目的节点，由A 向F 发送数据，使用DSR 路由协议，则观察路由的变化情况为：开始时建立的路由为A →C →F ，后迅速变为A →B →D →F ，运行一段时间后又变为A →D →F ，如图1所示。

在图1中，总共测试了5组数据，每组测试时间为5min ，则发现每组的路由平均变化次数为17次。

图1路由跳变示意图路由的频繁切换造成的后果是：时延抖动大，有些大的时延达到了2000ms 以上；丢包率大，有时达到20%以上。

如果是按需路由协议则只有在底层链路断掉时才会建立新路由；如果是表驱动路由协议，则由于周期性的控制消息的存在，使其能够及时反应网络拓扑状态的变化，因此，网络拓扑的动态变化会引起路由的频繁切换。

如果不考虑节点的移动性，则造成这种路由不稳定的主要原因就是物理链路的不稳定。

2测试实施为了明确无线信道的时变衰落特性对Ad hoc网络路由协议的影响，我们对无线信道的链路接收功率的衰落情况做了测试。

在教学楼旁边的大路上，两个笔记本终端均采用802.11g 的USB 形式的无线网卡，网卡的接收灵敏度为－82dBm ，两笔记本终端分别运行AODV 路由协议，并且每隔1s 互相给对方发送一个hello 包，接收节点每接收到一次hello 包记录一次接收信号强度信息，在二者分别相距90m 、70m 、50m 、25m 、10m 、0m 的情况下记录接收端的信号功率强度，在记录接收端功率强度的同时，记录了丢包率与距离的关系。

每种情况记录大约5min ，取中间从10s 到280s 的数据进行绘图，如图2所示。

由图2测试数据可以看出，接收端的信号功率强度波动很大，链路存在一定数量的丢包和很大的时延抖动。

3无线链路的时变衰落特性对路由性能的影响分析3.1节点传输半径的动态变化特性由于无线信道的时变性，使得它对不同时间到达的信号具有不同程度的衰减，而且由于多径衰落的存在，不同路径到达的信号具有不同的衰减和时延，因此，接收端收到的合成信号的功率强度呈现波动性。

我们把这种由信道时变衰落特性引起的接收信号强度等效为在理想信道下发送端发送信号强度的变化，在一定的接收功率阈值条件下，发送信号强度的变化意味着发送节点传输半径的变化。

因此，我们可以利用接收到的功率强度值估算发送节点理想传输半径的变化情况。

理想信道模型使用自由空间模型来表征发射功率、接收功率与图2不同距离时接收端信号强度波动图317832期卢中宁，等：无线Ad hoc 网路由性能影响因素分析及解决方案距离之间的关系，因此，这里可以使用自由空间传播模型，根据测试距离及接收功率强度值推导出发射功率的变化情况；然后再根据发射功率及预先设定的接收功率阈值计算出节点传输半径的变化。

自由空间传播模型的公式如下：S r =S t +G t +G r +20lg （λ/4π）－20lg （d ）。

其中，S r 为接收功率，S t 为发送功率，G t 为发送天线增益，G r 为接收天线增益，λ为电磁波波长，d 为传输距离，也就是传输半径。

我们以距离为50m 的波动数据为例来估算发送节点传输半径的波动情况。

首先对接收信号的功率强度进行一下统计绘图3距离为50m 时接收信号强度分布图图得到强度值的分布情况，如图3所示。

为了使计算较为公平，我们在所有接收到的信号功率强度值中去掉一个最低点和一个最高点之后，选择次高点－62dBm 和次低点－74dBm 作为计算最大最小传输半径的样值。

（1）根据自由空间传播模型公式，我们把发送天线和接收天线的增益都设为1，波长为0.125m （根据802.11的使用频率2.4GHz 得出），计算出的与两个选取的接收功率样值对应的发送信号功率强度分别为12dBm 和0dBm 。

（2）设接收功率为阈值－82dBm ，仍然采用自由空间传播模型，根据（1）得到的两个发送信号功率值计算出其对应的传输半径为501m 和126m 。

因为两个接收功率值的选取为次大值和次小值，用来代表一般情况下的接收功率较大值和较小值。

因此，最后得到的两个节点传输半径值基本相当于发送节点的最大和最小传输半径。

两者大概是4：1的关系，也就是说发送节点的传输半径不是固定的，而且变化很大。

根据得到的最大传输半径（用R 表示）及最小传输半径（用r 表示），可以知道节点的传输半径位于两者之间，也就是说节点至少可以发射到r 的距离，最大可以发射到R 的距离。

因此，可以推断当两点间距离小于最小传输半径时，链路处于稳定连接状态；当两点间距离小于最大覆盖半径、大于最小覆盖半径时，链路处于不稳定连接状态；当两点间距离大于最大覆盖半径时，链路处于不连接状态。

对于只有一跳的网络来说，只要发送节点与接收节点间的距离小于r 则可以建立稳定的连接。

对于两跳及以上跳数的Ad hoc 网络来说，在发送节点与接收节点之间建立稳定的多跳连接几乎是不可能的。

以由A 、B 、C 三个节点组成的链形拓扑结构为例来说明建立稳定路由的困难性，如图4（a ）（b）图4（a ）r ＜d ＜2r图4（b ）2r ＜d ＜R图4（c ）d ＞R（c ）所示，A 与C 之间的距离用d 表示。

如果d 小于r 则路由协议会直接选择A →C 的一跳路由；如果r ＜d ＜2r ，中继节点B 放到A 与C 之间的中间位置，可以保证A →B 与B →C 之间是稳定连接，但现有路由协议属于最短路径优先准则的选路标准，因此，当A 可以一跳到达C 时，它就会选择这条路径，从而造成路由在一跳与两跳之间振荡；如果2r ＜d ＜R ，则中继节点B 无法找到一个位置使得A →B 与B →C 之间都处于稳定的连接，从而造成A 到C 之间即使是两跳传输也不会稳定保持，还有可能变为一跳连接；如果d ＞R ，同样的道理就更不可能在A 与C 之间建立稳定的两跳连接了，更多跳连接的情况会更加复杂。

因此，建立多跳稳定的路由几乎是不可能的。

3.2链路连接强度与距离的关系测试验证了即使在一跳传输的情况下链路质4178科学技术与工程12卷量受无线信道时变衰落特性的影响也是很大的。

用链路的平均丢包率来表征链路的连接强度指标，图5示出了分别在六种不同距离下链路的连接强度，一跳丢包率我们用p'来表示。

图5不同距离下的丢包率从图5可以看出，一跳情况下的丢包率在90m 、70m 、50m 、25m 、10m 、0m 距离时分别为48%、39%、18%、11%、10%和1%；则两跳的情况下丢包率相当于pᵡ=1－（1－p'）（1－p'），计算结果分别为73%、63%、33%、21%、19%、2%，端到端的链路连接强度降低；依次类推，多跳链路的端到端连接强度会更小。

因此，在这样的信道连接特性下会经常出现数据包或控制包丢失造成路由切换现象，而路由的频繁切换会造成更严重的丢包和时延。

3.3路由协议本身机制的分析当前主流的Ad hoc 路由协议分类为表驱动路由协议和按需驱动路由协议，但无论哪种路由协议都属于确定性的路由协议，即在数据分组发送之前由路由控制消息提前将源到目的节点间的路由确定，然后，数据分组按照设定好的路径传播。

确定性路由机制实现简单、可操作性强，但它有一个很大的缺点就是不够灵活，不能适应迅速变化的无线信道传播环境［2］。

虽然当前的路由协议都有路由维护措施，但由于底层链路质量变化迅速，当网络层对之前的链路变化做出维护动作时底层的链路质量早已又发生了变化。

因此，当前的路由维护措施不能及时地适应底层链路的变化，从而引起网络性能的下降。

4解决方案由于测试环境、终端类型、网卡型号及操作系统的差异等原因可能造成一些具体结果（比如节点发送半径的最大最小比）与其它环境中的测试结果有出入，但并不影响无线信道的时变衰落特性对于多跳路由协议性能的影响说明。