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1、第2 8 卷第2 期 2 0 0 9 年4 月声学技术T e c h n i c a lA c o u s t i c sV 0 1 2 8 N 0 2P t 2A p r ，2 0 0 9水下自组织网络A O D V 协议研究与应用刘旬1 ，李宇1 ，张春华1 ，黄海宁1( 1 中国科学院声学研究所，北京，1 0 0 0 8 0 )R e s e a r c ha n da p p l i c a t i o no fA O D Vp r o t o c o lf o rA dH o cu n d e r w a t e r a c o u s t i cn e t w o r k1 引言：
2、L I UX u n l ，L IY u l ，Z H A N GC h u n - h u a l ，H U A N GH a i n i n 9 11 I n s t i t u t e c o 锻t k s 。C h i n e s e A c a d e m yo f S c i e n c e s , B e i j i n g1 0 0 0 8 0 , C h i n a )近年来，随着海洋监测、资源勘探等技术的发展，对水下自组织网络的需要越来越迫切。国内外许多学者都参与到了水下自组织网络路由算法的研究中来，并提出了许多具有发展前途的新思路新方法【2 】【3 】【4 】。但是由于水
3、下网络的构建复杂困难，当前的大部分研究都限于实验室仿真。在当前研究的水下路由协议中，A O D V 是受到关注比较多的一种路由协议。A O D V ( A dH o cO nD e m a n dD i s t a n c e V e c t o r ) ，即按需距离矢量路由算法，是一种综合了按需式路由D S R 和先验式路由D S D V 优点的路由协议【I j 。A O D V 算法简单实用，易于实现。本文针对水下通信传输速率慢、误码率高、链路不稳定、能量受限制等特点，对基本的A O D V 协议进行了改进，节省了路由发现的开销，提高了协议对拓扑更新反应的实时性，增强了数据传播的可靠性，在
4、水下节点平台上实现了一种适用于水下网络的路由协议，并对其进行了试验测试，获得了构建邻居网络、建立多跳路由等良好的试验结果。改进的A O D V 协议基本的A O D V 协议可以分为路由发现和路由维护两大模块。路由发现通过A O D V 算法建立多跳路径，并将路由存储在本地缓存中，以备下次使用。基盒疆目l “8 6 3 ”计划项目( 2 0 0 6 A A 0 9 2 1 1 7 ) 、国家自然科学基金( 6 0 6 7 2 1 1 8 )作者筲介刘旬( 1 9 8 5 ) ，男，籍贯河南。汉族，在读硕士。研究方向 为水声信号处理、水声通信讯作鲁I 刘旬，E m a i hl i u x u
5、n 0 0 1 1 2 6 c o r n每条路由有一定的生存期，超过生存期则删除。路由维护则通过周期的邻居维护来及时检查出仍在生存期内的失效路由。针对水下通信的特点，为了提高协议在水下工作的效率和可靠性，本文对基本A O D V 协议进行了一些改进。第一，由于一般水下节点的移动性不强，数据传输的任务次数较多，时间跨度也比较长，如果给每条路由设置一个生存期，发送节点会重复启动路由发现，浪费带宽和能量。因此，改进协议不再给每条路由设定生存期，路由一旦建立就一直使用，失效路由邻居维护来检查发现。第二，针对新节点加入和节点发生故障重起的情况，修改了邻居维护的H E L L O 帧结构，使得新节点能及
6、时加入到网络。第三，由于水下数据传输率小，网络层广播帧冲突概率较大，改进协议为路由帧设计了一种防冲突的策略。第四，为了减少标志位误码造成的误丢包，协议对数据包通过多包协同来确定标志位。2 1 路由发现路由发现采取和基本A O D V 协议相同的方法。首先，源节点广播一个路由请求帧( R R E Q ) 。中间节点如果是第一次收到R R E Q ，则先建立到源节点的反向路由，再根据自身情况做出如下两种反应：( 1 ) 本节点是目的节点或者有到目的节点的本地路由，则向源节点发送路由应答( R R E P ) 。( 2 ) 本节点没有到目的节点的有效路由，则将R R E Q 中的跳数加l ，继续广播
7、更新过的R R E Q 帧。2 2 0声学技术2 0 0 9 年图1 路由发现过程F i g lT h ep t o c , c s so f m u t ed i s c o v e r y由于水下通信环境恶劣，如果路由请求只发送一次，其它节点可能无法收到，因此路由请求会以随机的间隔发送数次，这样可以保证路由请求的有效传播。2 2 邻居维护邻居维护是路由维护的基础。传统的A O D V 协议采用周期性更新邻居表的方式来进行邻居维护，如果一个周期内，节点没有收到来自某邻居节点的H E L L O 信息或者其它数据信息，则认为链路已经断开。节点会检查该丢失节点是否在自己维护的路由的路径上，如果在
8、则广播路由错误。传统的周期性维护邻居表的方式对网络拓扑变化的响应速度由更新周期来决定。由于水下网络能量有限，为了节省能量，节点广播H E L L o 帧的周期一般较长，因而完全采用周期性更新的方式显然不能及时响应网络拓扑的变化。如图3 所示，新加入节点D 广播H E L L O 帧，节点C 收到后增加D的邻居表，但C 并未到更新周期，因而D 并不知道网络的存在，如果D 在c 的H E L L O 帧发来之前有发送任务，则会因检测不到网络而失败。 9 一Q Il童童o图3 新节点加入网络F i 9 3N e wa o d e j o i mt h en e t w o r k为了在节省能量的同时
9、提高协议对网络变化反应的实时性，改进的协议对节点进行了分类处理，当节点接收到已存在于网络中的节点发送来的H E L L O 帧时，则进行周期式更新，当节点收到新节点发送来的H E L L O 帧时，则进行反应式更新。一种反应式更新的方法是节点收到H E L L O 帧后，检查自己的邻居表中是否有发送该H E L L O 帧的节点，如果有则不做处理，如果没有则发送H E L L O 帧。这种方式能及时响应新加入节点，但当一个节点因故障重启后，它自身的邻居表已丢失，相当于一个新加入节点，而它之前的邻居节点却仍认为它是已经加入网络的节点。因而，在这种更新方式下，这种重启节点仍不能及时地检测到网络。针
10、对这种情况，本协议改进了H E L L O 帧的格式，在H E L L O 帧中增加发送节点的邻居表，接收到H E L L O 帧的节点通过检查自己是否在对方的邻居表内来决定是否回复H E L L O 帧，最终使新节点和故障重启节点能及时加入网络。表I ：改进的A O D V H E L L O 帧T a b lT h em o d i f yH E L L Of a m co f A O D V璺堡! 垒盥!至!竺 功能位描帧类源地源地址序源节点邻述型址列号居表2 3 防冲突策略在水下通信中，载频一般只有2 0 k 。3 0 k H z ，数据传输速率很低，一个路由命令帧时问长度达到几毫秒甚
11、至更多，冲突的概率较大。由于路由命令帧 ( 路由请求帧、H E L L O 帧) 一般是以广播形式发出，因而不能利用M A C A 的接入策略，所以要求路由协议自身有一定的解决冲突的策略。在改进协议中，采用了随机延迟后重复发送的方式来保证路由帧的可靠传输。( ：j ! 一n E L L 。- ( ：j i ! 二) + H E L L 。- o 时刻1 。 、c 的H E L L O 帧发生冲突 C 卜眦叫3o 时刻2 ，A 延迟后重发的H E L L O 帧到达BoC 卜眦叫。时刻3 ，C 延迟后重发的H E L L O 帧到达B图4 随机延迟重发F i g4 R e s e n dH E
12、L L Oa R e rar a n d o md e l a y2 4 多包协同确定标志位水下通信的高误码率严重影响了路由协议的可靠性。丢包率是反映网络工作可靠性的一个标志。在网络通信中，丢包的情况主要有两种：一种是由于物理信道造成的丢包，另一种则是由于逻辑判断错误造成的丢包。前一种在路由层不作考虑，后一种却是由于网络层标志位的误码造成的。第2 刘日等：求T 自胡g l 州鲳A O D V 协“m 宄b m 用h b ：C e a f i r m o f S y m b o l原始01IO1l0O 第1 包OO0OO100第2 乜0J001lOO第3 包1l】01IOI 第4 乜Ol01IO
13、0 第5 乜J10II1 堕皇J L 生旦L卫卫上J J j L 上 盟旦旦J j J J j L L 脚R 口Ol10ll0O 为了增强标志位抗误码的能力提高数据传输可靠性。改进协议采用了。种多包协同确定标志位的方j 击。将一个长数据包分割为8 个小数据包，为 每个小数据包都添加路由帧头，M A C 层会把8 包数据作为一组茂送。接收方对8 包的帻头标志位作位协同以确定标志位，如果小能确定，说明误码太多，则令部丢弃。3 试验结果：协议的测试在千岛湖水域进行。调制方式采用Q P S K ，载频为2 0 k H z ，通信速率为8 k b l ，节点遁 信距离为5 0 0 m ，M A C 层采
14、片| M A C A W 协议。测试取得r 良好的成果，验证丁协议的邻居维护、嗍络初始化、多跳路由建市等功能。 通过试验显控平台，试验中刚绍的拓扑结构和各节点之问的路由关系可以清晰的显示出来，如图5 所示，为显控平台的相毙截阿。其中数字图标代表相应l D 的前点，圈标位置与节点的地理位置对应，箭头反映节点之间的链路关系。箭头指向表示起始节点有到终止节点的可选路由。 了一， k 。j ?- 。彩：二!目5 目镕自* *F 45 T n o f n 咖o r k n m l l 目t I 为了测试拂议的网络初始化和邻居维护功能，试验设置了4 个节点，每两个节点吉I I 在对方的通信范围内，节点1
15、与显控平台通过串u 通信。从显控发迭命令读取节点I 、节点4 的邻居表结果表明：节点l 建立了3 、4 、5 = 个邻屠，甘点4 也建立了l3 ，5 三个邻居。日6 镕# F 啦T h ed i s c v v e w v f m u l f i o p 州h为了测试协议的多跳寸释能力我们做r 如图 6 中的设置，通过山体阻隔，使I 号节点与3 号符点不能直接通信。截圈为I 号节点麓起路南请求一段时间后根据足 由应答建直的路往由箭头可知1可咀通过4 转发到谜3 。4 结论本文研究了A O D V 梆议运作的机制，井针对试验需求，实现丁一种改进的A O D V 协泌+ 并在试验中测试了掷议的邻居
16、维护、网络幸J J 始化、多跳路由等功能。试验结果验证了A O D V 协议彳E 水下臼组织网络中的可行性，为以后的研究确定r 方向。F 一步，我仃将针对水F 延迟高、能量受限的特点，为协议增添定向查询路径，能量均衡菩荒略提哥协议对水声网络的适麻性。考文：1 F 0 0KYA t k i n sPnC o n sT Am u t i n ga n d c h 删e la c c e s sa p p r o a c hf o ra na dh o cu n d I e r 1 cn e t W O l k C lmM T S I E E EO C E A N 0 42 0 0 42 。7 8 9 7 9 5【2 C h l t r eM S h a h a b u d c c nS S t o l o v
