专利名称：一种移动自组织网络试验平台及其方法
技术领域：
本发明涉及移动自组织Ad Hoc网络，具体涉及一种移动自组织网络试验 平台及其方法。
背景技术：
传统的移动通信系统是集中式控制的，网络的运行要基于预先架设好的 网络设备，但是在不能采用有中心的控制方式时并不适用，这时需要能实现 临时快速自动组网、节点能够移动的网络。AdHoc网络是一种有特殊用途的 对等式网络，与其他通信网络相比，AdHoc网络可以在任何时刻、任何地点 不需要现有信息基础网络设施的支持，快速构建起一个移动通信网络。它的 建立不依赖于现有的网络通信设施，Ad Hoc网络的这种特点很适合灾难救 助、偏远地区通信等应用。
在移动AdHoc网络中，由于通信节点是可移动的，因此网络的拓朴结构 也随之动态变化，并且移动Ad Hoc网络是一种多跳的网络，网络拓朴可以不 是全连通的。在AdHoc网络的研制阶段，要验证网络通信协议的正确性，如 果依托于实际的物理信道，做大量的野外试验，会有很大的困难。例如，在 验证路由协议的时候，需要不同的拓朴结构，由于无线传输的性质，在实际 的野外实验时要改变拓朴结构不是很方便，导致了在AdHoc路由协议实现阶 段对其调试、测试和验证的困难。而且在野外实验，能源没有保障，移动终 端采用电池供电，而调试并不是短时间内能完成的，而且一旦程序需要改变， 所有的实验平台同步改变也不是很容易，给网络通信实验带来4艮大的困难。 在设备准备上，由于需要有无线网卡或者电台来实现物理层数据无线传输， 需要GPS系统来实现网内节点时间同步，所以试验平台的搭建也相当昂贵。
在AdHoc网络的研制阶段，需要一种可以在室内调试的网络环境模拟设 备。目前出现的相关产品都不能很好的满足AdHoc网络的室内调试要求。赵阳等提出的"移动自组网中的高速网络模拟器设计"，参见《电子科
技》2005.5 6-8，由多点控制单元MCU和现场可编程门阵列FPGA实现的网 络模拟器，通过设置网络拓朴开关矩阵模拟网络拓朴结构，为网络节点提供 了传输通道，这种网络环境模拟器有以下不足
① 网络拓朴变化不是连续的，它将网络拓朴结构归一化为网络拓朴开关 矩阵，通过键盘输入网络拓朴开关矩阵实现网络拓朴变化，而且不能模拟单 向链路，与真实的网络环境相差很大，不能为AdHoc网络的路由协议的调试 提供良好的支持；
② 不能模拟节点间的多信道通信，节点不能设置自己的信道，只要网络 拓朴结构中两个节点是相连的就可以互相通信，与实际的网络环境不一致， 同时也不能为AdHoc网络的MAC层协议的调试提供良好的支持；
③ 不能为网络中的节点提供时间同步信息。
还有很多信道模拟器产品，主要是模拟无线传输信道特性的，主要是为 AdHoc网络的物理层协议研究提供支持。
发明内容
本发明需要解决的技术问题是如何提供一种移动自组织网络试验平台及 其方法，能够模拟真实的网络环境下网络拓朴连续变化的情况，进一步能模 拟节点间多信道通信，进一步能为网络中的节点提供时间同步信息。
本发明的上述第一个技术问题这样解决，提供一种移动自组织网络试验 平台，包括
网络环境模拟器，根据与其连接网络节点的发射功率和位置变化连续改 变网络拓朴，并根据所述网络拓朴、节点的收发状态以及节点的收发信道信 息转发数据；
若干运行待验证的移动自组织网络的路由算法和MAC层多址接入协议 的网络节点控制器及其对应的位置设定装置，与所述网络环境才莫拟器连接， 才莫拟所述网络节点发送或接收数据并控制其移动。
按照本发明提供的试验平台，所述网络环境模拟器包括依次连接的接口
5扩展模块、嵌入式处理器最小系统模块和图形显示模块，所述接口扩展模块 包括若干与所述网络节点控制器的通信接口 。
按照本发明提供的试验平台，所述位置设定装置是键盘，与所述嵌入式 处理器最小系统模块连接。
本发明的上述另一个技术问题这样解决，提供一种移动自组织网络试验
方法，包括以下步骤
4.1) 利用与网络环境^t拟器连接的网络节点控制器及其对应的位置设定 装置^^莫拟网络节点移动发送或接收数据；
4.2) 所述网络环境模拟器根据所述网络节点的发射功率和位置变化连续 改变网络拓朴，并依据所述网络拓朴、节点的收发状态以及节点的收发信道 信息转发数据，同时记录并显示所述网络节点的收发情况和过程以及网络拓 朴的变化情况。
按照本发明提供的试验方法，网络中的每个节点，网络环境模拟器都有 一个端口与其对应，在软件中每个网络环境才莫拟器的端口都有一个节点信息 结构体与其对应。节点信息结构体中包含节点的属性信息，主要有节点ID 号、节点当前状态、节点前一个状态、节点要发送的数据、节点收到的数据、 节点接收信道、节点发送信道、节点发射功率、节点位置x坐标、节点位置 y坐标。网络节点控制器通过发送控制信息，来设置网络环境模拟器中对应 的节点结构体中的节点属性信息；网络环境才莫拟器根据每个节点信息结构体 中的节点位置坐标信息，节点收发状态信息，节点的收发信道信息，节点的 发射功率信息生成当前的网络拓朴结构。
按照本发明提供的试验方法，所述模拟网络节点移动包括但不限制于以
下二种方式进行;f莫拟
(一)通过所述位置设定装置改变对应网络节点坐标完成。 仁)通过所述位置设定装置预先设定对应网络节点移动模型完成。
按照本发明提供的试验方法，所述网络节点间的数据传输是通过网络环 境模拟器依据所述网络拓朴、节点的收发状态以及节点的收发信道信息转发 数据完成。按照本发明提供的试验方法，所述网络拓朴连接关系是单向链路或双向 链路。
按照本发明提供的试验方法，该试验方法还包括在所述网络环境模拟器 转发数据的过程中根据网络节点传输路径的不同加不同的误码。
按照本发明提供的试验方法，该试验方法还包括所述网络环境^f莫拟器为 每个所述网络节点提供时间基准和时间同步信息。
按照本发明提供的试验方法，该试验方法还包括记录并显示网络拓朴结 构和节点移动过程，节点的收发状态信息，节点的收发信道信息，节点的收
发过程信息。
按照本发明提供的试验方法，所述网络节点间是单或多信道通信。
按照本发明提供的试验方法，该试验方法还包括緩存每个节点接收和发
送的数据包，为网络层和MAC层的调试提供支持。
本发明提供的一种移动自组织网络试验平台及其方法，能够模拟真实的 网络环境下网络拓朴连续变化的情况，进一步能;f莫拟节点间多信道通信，进 一步能为网络中的节点提供时间同步信息，其中的网络环境模拟器较现有装 置具有以下优势①能够模拟多跳网络拓朴，能够任意改变网络拓朴关系， 并且网络节点的移动速度可以按照真实的情况才莫拟；②it拟无线传输环境， 实现节点间的数据传输，并能实现无线信道的特性，在各通信节点传输路径 上可以加不同的误码；③能够为网络中的节点提供时间基准和时间同步信 息，以支持TDMA或者跳频接入协议；④支持多频分层分布式的网络拓朴 结构，能够模拟网络中的节点之间的多信道通信； 能够跟踪每个节点接收 和发送的数据包，为网络层和MAC层的调试提供支持； 能够提供相关信 息的人机交互界面显示，能够显示网络拓朴结构，节点移动过程，以及网络 节点收发状态、收发历程及收发信道信息。
下面结合附图和具体实施例进一步对本发明进行详细说明。
图1是本发明基于网络环境模拟器的AdHoc网络实验平台示意7图2是本发明网络环境模拟器系统框图； 图3是三个节点的网络拓朴示意图。
具体实施例方式
本发明提供一种基于嵌入式系统的网络环境模拟器，为验证移动Ad Hoc 网络的路由协议及MAC层协议提供一个室内的调试环境。
如图1所示，基于网络环境模拟器的AdHoc网络实验系统由网络环境模 拟器和网络节点控制器组成。网络环境模拟器用来模拟移动Ad Hoc网络环 境，网络节点控制器模拟移动AdHoc网络中的节点，网络节点控制器中运行 需要开发的移动Ad Hoc网络的路由算法和媒质接入控制MAC层多址接入协 议。网络节点之间不能直接通信而必须经过网络环境^=莫拟器中转才能进行通 信，如果节点l要向节点8发送数据，那么数据首先被发送到网络环境模拟 器上，然后再由网络环境模拟器将所有的数据包转发到节点8这样才完成了 节点1和节点8的一个通信过程。
如图2所示，网络环境模拟器是以嵌入式处理器最小系统和接口扩展模 块为核心，还有图形显示模块、键盘模块。嵌入式处理器完成外围电路的控 制，处理整个网络环境4莫拟的控制。接口扩展才莫块完成网络环境^t拟器对外 接口的扩展。图形显示模块能够提供友好的人机交互界面，可以显示网络拓 朴结构、节点收发状态、节点接收数椐是否发生碰撞、节点收发信道以及节 点收发历程。键盘控制^t块可以控制节点移动，改变网络中节点的位置，同 时也可以预设节点移动模型，由4建盘选择预设的移动才莫型。
对于网络中的每个节点，网络环境才莫拟器都有一个端口与其对应，在软 件中每个网络环境;f莫拟器的端口都有一个节点信息结构体与其对应。节点信 息结构体中包含节点的属性信息，主要有节点ID号、节点当前状态、节点 前一个状态、节点要发送的字节、节点收到的字节、节点接收信道、节点发 送信道、节点发射功率、节点位置x坐标、节点位置y坐标。网络节点控制 器通过发送控制信息，来设置网络环境;f莫拟器中对应的节点结构体中的节点 属性信息。网络环境模拟器根据每个节点信息结构体中的相关信息来模拟的 移动AdHoc网络拓朴结构，当收到网络节点发来的数据信息时，根据网络拓朴结构转发至对应的网络节点。同时将各个端口接收和发送的数据緩存至存
储器，为网络层和MAC层的调试提供支持。图形显示模块可以根据节点信 息结构体中的信息，显示网络的相关信息。
网络环境模拟器中的软件分两个模块， 一个模块用来实现网络环境的模 拟，另 一个才莫块用来实现相关信息在LCD上的人机界面显示。
网络环境的模拟主要有网络拓朴变化、物理层无线信道传输、提供同 步信号等方面。
网络拓朴变化的模拟主要依靠网络拓朴矩阵实现的，网络拓朴矩阵根据 网络中节点的坐标及节点的发射功率生成的。节点发送数据之前，首先向网 络环境模拟器发送控制信息，设置节点发送功率，然后开始发送数据。网络 环境模拟器根据节点发来的控制信息更新节点信息结构体中的节点发送功 率，同时通过键盘模块使节点移动，从而改变节点的坐标信息。网络环境模 拟器可以根据节点的坐标信息和节点的发射信号功率，得到其他节点的接收 功率，当其他节点的接收功率大于门限值时，发送节点和接收节点之间就是 单向连通的。网络节点的坐标信息是由键盘模块控制节点移动来改变的，也 可以预先在模拟器中设置移动模型，使节点的坐标按照预设的移动模型变化， 节点在移动过程中，坐标发生了变化，网络拓朴结构就会随之发生连续的变 化，而不是突变的，更接近真实网络环境中的网络拓朴变化。
我们假设，当节点i发送数据时，节点j的接收信号功率用《表示，接收 信号门限功率用S表示。通过判断节点接收信号功率是否达到门限值，如果 达到门限，则认为接收数据有效，发射节点和接收节点之间是单向连通的。 两个节点之间双向连通的条件是《>《，有I:没网络环境才莫拟器连接了 n个节点，可以用 一个n x n的矩阵来表示节点间的拓朴连接关系。当气=1 时，表示节点《发送数据时节点《可以收到；当 =0时，表示节点《发送数 据时节点&不能收到。当、=，,=1时，表示《和《之间是双向链路，拓朴 结构矩阵J^.能够描述单向链路，当气与，,不同时为i时，代表S和A之间是
单向链路。3个节点的网络拓朴结构如图3所示，其中&、 &、 ^是3个节点 的标号。节点S与节点&之间是双向链路，节点&与节点&之间是单向链路。 节点间的拓朴连接关系由拓朴结构矩阵A^来表述。图3的网络拓朴结构形成
9的网络拓朴矩阵如式1所示<
附
0 1 0
1 0 1 000
(式l)
才莫拟物理层无线信道传输主要有三方面， 一、模拟网络节点间收发数据； 二、 ^t拟节点数据传输速率；三、模拟节点间传输路径上误码。
模拟网络节点间收发数据是这样做的网络节点在开机时，默认设置为 接收状态，网络节点在发送数据之前，先向网络环境模拟器发送控制信息， 设置节点为发送状态，并且设置节点的发送功率和节点的发送信道。网络环 境模拟器根据从每个节点接收的控制信息，更新节点信息结构体中的节点属 性信息。当收到节点发来的数据信息，判断哪些节点可以收到，判断的依据 是节点处于收状态，并且与发送节点处在同一个信道上，而且在网络拓朴 矩阵判断与发送节点是连通的。然后将数据转发给接收节点。如果一个节点 同时收到其他两个或来两个以上节点发来的数据，说明节点在接收数据时发 生了碰撞，将其中任意一个发送节点的数据取反后发送给接收节点。
在网络环境模拟器中，利用嵌入式处理器的定时器中断来模拟节点间的 数据传输速率，每次中断发生时，网络环境才莫拟器通过4妄口扩展才莫块读出处 于发送状态的网络节点的数据，这个过程相当于网络节点发送数据，在网络 环境模拟器中进行相应的处理，得出网络中哪些处于接收状态的节点可以收 到，然后再通过接口扩展^t块转发给相应网络节点，这个过程相当于网络节 点接收数据。在每次中断中处理一个字节数据，这样定时器中断的频率就是 节点的数据传输速率。
在任意传输路径上可以加误码，通过将端口读回的数据取反，然后转发 给相应接收节点，接收节点收到数据后进行校验，认为数据在传输过程中有 误码。由于本发明是为验证移动Ad Hoc网络的路由协议及MAC层协议提供 一个室内的调试环境，不涉及到物理层的研究，所以这里只是简单将节点发 送的数椐信息取反，并不能反应真实的无线信道中的误码特性。
网络才莫拟器能够为每个网络节点发送同步信号，为MAC层协议的调试 提供支持，网络环境模拟器在每次定时器中断时，都会从每个节点读取数据，
10并向每个节点发送一个字节数据，节点可以用每次网络环境模拟器发来的数 据作为时间基准，这样全网的节点时间基准就是一样的了。同时网络环境才莫 拟器可以在特定时间间隔，给每个节点发送一个时间同步信号，实现全网节 点同步。
为了在实验中能获取更多的现场控制信息，需要将大量的实时数据通过 直观的图形模式显示输出，所以在该系统中设计了图形显示模块，在图形显 示模块中，可以直观的看到网络环境的相关信息。在网络环境模拟器中，维 护着每个节点的信息结构体，结构体中包含节点的位置坐标，节点的收发状 态，节点的收发信道等信息。根据节点的坐标信息和节点的发送功率，可以
显示网络拓朴结构和节点移动情况；将节点的收发状态和收发信道分别緩存 至一个FIFO中，可以显示节点的实时收发过程，以及节点收发数据所用到的 信道。图形显示才莫块根据每个节点的信息结构体，不断刷新图形显示界面， 包括右边的网络拓朴显示区和左边的节点收发历程显示区。在右边的网络拓 朴显示区中，显示了网络拓朴关系，并且可以显示节点当前的状态，红色代 表节点发送数据，绿色代表节点接收数据，黄色代表节点接收数据时发生了 碰撞，蓝色代表节点未收到数据，在界面左边的节点收发历程显示区中，显 示条的上面的部分显示了节点的收发过程，下面的部分显示节点所处的收发 信道。
基于嵌入式系统的网络环境;jt拟器，可以实现网络节点之间的任意拓朴 关系，并且网络节点的移动速度可以按照真实的情况模拟；可模拟移动Ad Hoc网络的无线通信环境，实现节点间的数据传输，并能实现无线信道的特 性；能够为网络中的节点提供时间基准和时间同步信息；能够才莫拟网络中的 节点之间的多信道通信；人机交互界面能够显示网络拓朴结构，以及网络节 点收发状态、收发历程及信道信息。为研究移动AdHoc网络的自组织自适应 功能、验证网络协议的提供了一个室内实验平台。
权利要求
1、一种移动自组织网络试验平台，其特征在于，包括网络环境模拟器，根据与其连接网络节点的发射功率和位置变化连续改变网络拓扑，并根据所述网络拓扑、节点的收发状态以及节点的收发信道信息转发数据；若干运行待验证的移动自组织网络的路由算法和MAC层多址接入协议的网络节点控制器及其对应的位置设定装置，与所述网络环境模拟器连接，模拟所述网络节点发送或接收数据并控制其移动。
2、 根据权利要求1所述试验平台，其特征在于，所述网络环境模拟器 包括依次连接的接口扩展模块、嵌入式处理器最小系统冲莫块和图形显示才莫块， 所述接口扩展模块包括若干与所述网络节点控制器的通信接口 。
3、 根据权利要求2所述试验平台，其特征在于，所述位置设定装置是 键盘，与所述嵌入式处理器最小系统模块连接。
4、 一种移动自组织网络试验方法，其特征在于，包括以下步骤4.1) 利用与网络环境模拟器连接的网络节点控制器及其对应的位置设 定装置才莫拟网络节点移动发送或接收数据；4.2) 所述网络环境模拟器根据所述网络节点的发射功率和位置变化改 变网络拓朴，并依据所述网络拓朴、节点的收发状态以及节点的 收发信道信息转发数据，同时记录并显示所述网络节点的收发情 况和过程以及网络拓朴的变化情况。
5、 根据权利要求4所述试验方法，其特征在于，所述才莫拟网络节点移 动是通过所述位置设定装置改变对应网络节点坐标或预先设定对应网络节点 移动才莫型完成。
6、 根据权利要求4所述试验方法，其特征在于，所述网络节点间的数 据传输是通过网络环境模拟器依据所述网络拓朴、节点的收发状态以及节点 的收发信道信息转发数据完成。
7、 根据权利要求4所述试验方法，其特征在于，所述网络拓朴连接关系是单向链路或双向链路。
8、 根据权利要求4所述试验方法，其特征在于，该试验方法还包括在 所述网络环境模拟器转发数椐的过程中根据网络节点传输路径的不同加不同 的误码。
9、 根据权利要求4所述试验方法，其特征在于，该试验方法还包括所 述网络环境模拟器为每个所述网络节点提供时间基准和时间同步信息。
10、 根据权利要求4所述试验方法，其特征在于，该试验方法还包括记 录并显示网络拓朴结构和节点移动过程，显示节点的收发状态、节点的收发 信道以及节点的收发过程。
11、 根据权利要求4所述试验方法，其特征在于，所述网络节点间是单 或多信道通信。
12、 根据权利要求4所述试验方法，其特征在于，该试验方法还包括緩 存每个节点接收和发送的数据包，为网络层和MAC层的调试提供支持。
全文摘要
本发明涉及一种移动自组织网络试验平台及其方法，其中平台包括网络环境模拟器及与其连接的若干网络节点控制器和对应的位置设定装置；方法包括利用网络节点控制器及其对应的位置设定装置模拟网络节点移动发送或接收数据；网络环境模拟器根据所述网络节点的发射功率和位置变化连续改变网络拓扑，并依据所述网络拓扑、节点的收发状态以及节点的收发信道信息转发数据，同时记录并显示所述网络节点的收发情况和过程以及网络拓扑的变化情况。这种平台及其方法能够模拟真实的网络环境下网络拓扑连续变化的情况，进一步还能模拟节点间多信道通信，同时为网络中的节点提供时间同步信息。
文档编号H04L12/26GK101588272SQ200810100118
公开日2009年11月25日 申请日期2008年5月22日 优先权日2008年5月22日
发明者曲绅维 申请人:中兴通讯股份有限公司