一種有效的空中自組織網(wǎng)絡(luò)路由算法

摘 要：介紹了空中作戰(zhàn)平臺間自組網(wǎng)概念和網(wǎng)絡(luò)組成單元，結(jié)合空中作戰(zhàn)平臺高速移動的特點，給出一種適合于空中自組織網(wǎng)絡(luò)的動態(tài)路由算法。該算法考慮節(jié)點間相對移動特性，可以在高速移動環(huán)境下保持較高的鏈路穩(wěn)定性，實現(xiàn)戰(zhàn)場信息的可靠傳輸。

關(guān)鍵詞：自組織網(wǎng)絡(luò)； 路由算法； 鏈路穩(wěn)定性

中圖分類號：TP309；TP301.6 文獻標志碼：A

文章編號：1001-3695(2008)07-2118-03

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Effective routing algorithm for airborne network

DUAN Ya-jun1， WU Chang1， SHI Lei1， LI Cheng-en2

(1.College of Telecommunication Engineering， Air Force Engineering University， Xi’an 710077， China; 2.Xi’an Institute ZTE Corporation， Xi’an 710065， China)

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Abstract:This paper introduced the concept of Ad hoc for the platform and the elements forming the airborne network. Considering the moving characteristic of the platform，presented a new dynamic routing algorithm. The algorithm can improve the link stability and insure the battlefield information delivering reliably.

Key words：Ad hoc network; routing algorithm; link stability

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0 引言

2004年空中寬帶接入Internet開始引起人們的關(guān)注，空中乘客希望在飛行中接入Internet（就像在地面一樣）。起初這一目標是依賴于寬帶衛(wèi)星通信實現(xiàn)，但由于衛(wèi)星傳輸時延大并且成本高，能提供飛行中接入Internet的航空公司為數(shù)較少。雖然目前依賴衛(wèi)星通信系統(tǒng)基本可以滿足空中乘客的業(yè)務(wù)需求，但衛(wèi)星資源限制與用戶數(shù)量日益增多之間的矛盾迫使人們必須要研究除衛(wèi)星通信以外的其他通信技術(shù)。航空自組織網(wǎng)絡(luò)（aeronautical Ad hoc networks，AANET)應運而生，它也代表未來寬帶多媒體航空通信發(fā)展的必然趨勢。AANET是移動自組織網(wǎng)絡(luò)思想的延伸和拓展，其移動節(jié)點是空中高速飛行的飛機而不是地面低速或中速的移動計算機或主機，這一思想使建立一個全球空中飛機互連的虛擬Internet成為可能^[1，2]。

Ad hoc由于其不需要基礎(chǔ)設(shè)施，移動中可以通信、網(wǎng)絡(luò)快速展開與組織、通信距離遠（移動節(jié)點可以通過單/多跳通信）、網(wǎng)絡(luò)抗毀性和自愈能力很強等特點非常適合于戰(zhàn)場通信，已成為美軍戰(zhàn)術(shù)互聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)之一。美軍戰(zhàn)術(shù)互聯(lián)網(wǎng)中，空中作戰(zhàn)平臺之間組成的通信網(wǎng)絡(luò)稱之為空中網(wǎng)絡(luò)，是戰(zhàn)時航空通信系統(tǒng)的重要組成部分，是獲取戰(zhàn)場態(tài)勢信息和指揮控制信息的重要手段。圖1和2分別給出了美軍空中Ad hoc的應用實例及其網(wǎng)絡(luò)自愈功能演示^[3]。從圖1、2中可以看出，當空中網(wǎng)絡(luò)的某一個節(jié)點被擊毀后，整個網(wǎng)絡(luò)不會發(fā)生癱瘓。通過采用Ad hoc技術(shù)，網(wǎng)絡(luò)可以快速地展開，保障戰(zhàn)場信息的可靠傳輸。

1 戰(zhàn)術(shù)空中網(wǎng)絡(luò)

各種軍用飛機是構(gòu)成戰(zhàn)術(shù)空中網(wǎng)絡(luò)的基本單元，其中包括預警機、空中指揮機、戰(zhàn)斗機、直升機和無人駕駛飛機(UAV)等。戰(zhàn)術(shù)空中網(wǎng)絡(luò)包括以下四部分^[3]：

a）空中骨干網(wǎng)。預警機和空中指揮機具有相對穩(wěn)定的移動特性，為空中網(wǎng)絡(luò)提供骨干業(yè)務(wù)。空中骨干網(wǎng)絡(luò)一般遠離作戰(zhàn)區(qū)域以免受到攻擊，導致整個網(wǎng)絡(luò)癱瘓；但又必須處于執(zhí)行作戰(zhàn)任務(wù)的戰(zhàn)斗機通信范圍之內(nèi)，以確保指揮控制和戰(zhàn)場態(tài)勢信息及時傳送到執(zhí)行作戰(zhàn)任務(wù)的戰(zhàn)機，提高戰(zhàn)斗機的作戰(zhàn)效能。

b）空中戰(zhàn)術(shù)邊緣子網(wǎng)。直接執(zhí)行作戰(zhàn)任務(wù)的戰(zhàn)斗機或戰(zhàn)斗機群組成空中戰(zhàn)術(shù)邊緣網(wǎng)絡(luò)，這些網(wǎng)絡(luò)節(jié)點之間具有相對穩(wěn)定的移動特性，但相對于地基和海基網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，具有很高的移動性。戰(zhàn)術(shù)邊緣網(wǎng)絡(luò)利用空中骨干網(wǎng)接入戰(zhàn)術(shù)互聯(lián)網(wǎng)或全球信息柵格（global information grid，GIG）。

c）空中通信中繼子網(wǎng)。UAV是空中網(wǎng)絡(luò)與地面節(jié)點進行通信的中繼節(jié)點，同時將傳感器獲取的ISR信息中繼到地面節(jié)點。UAV能為分塊網(wǎng)絡(luò)提供中繼服務(wù)增加網(wǎng)絡(luò)容量。大多數(shù)UAV上裝有紅外攝像機、雷達、攝影機，傳感器一旦感知戰(zhàn)場信息，將其通過網(wǎng)絡(luò)傳送至目標接收節(jié)點。

d）低空子網(wǎng)。它主要由直升機和地面武器組成。直升機主要用來運輸供給和作戰(zhàn)部隊以支持地面武器作戰(zhàn)。直升機盤旋在地基節(jié)點和海基節(jié)點上空時，快速移動，成為地面與空中骨干網(wǎng)進行通信的中繼節(jié)點。

2 路由算法描述

由空中網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可以歸納出其路由模型如圖3所示。鏈路穩(wěn)定性是衡量路由算法性能的主要因素之一^[4~6]。最短路徑不一定是最優(yōu)路徑。近幾年有關(guān)自組織網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議的研究成果眾多，如先應式路由協(xié)議、按需路由協(xié)議、混合路由協(xié)議以及基于位置信息的路由協(xié)議等，這些路由協(xié)議在路由發(fā)現(xiàn)過程中未考慮節(jié)點的移動特性。在空中網(wǎng)絡(luò)中，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點在路由發(fā)現(xiàn)過程中一直在移動，節(jié)點移動性是影響鏈路穩(wěn)定性的重要因素。一般用信號功率來衡量節(jié)點相對移動性，但由于信號衰減尤其在下雨天氣導致這樣的方法不夠準確。一種比較合適的方法是利用控制信息分組的Doppler頻移來預測鏈路的穩(wěn)定性和節(jié)點的相對穩(wěn)定性。

由空中網(wǎng)絡(luò)組成單元可見，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點有其特殊的移動特性和移動模型。節(jié)點具有固定的航線，可看做是沒有暫停時間的偽線性快速移動實體，且具有群組移動特性。路由目的是保證數(shù)據(jù)能正確地從發(fā)送節(jié)點傳送到接收節(jié)點，兩個因素影響鏈路的穩(wěn)定性，分別是一條鏈路上兩個節(jié)點之間的相對速度和相對位置。相對速度比相對位置對鏈路穩(wěn)定性的影響要大。鏈路上的節(jié)點既有移動速度也有移動方向，群組移動節(jié)點通過單跳和多跳很容易實現(xiàn)信息共享。圖4給出了最優(yōu)路徑示意圖。

為了更準確地評估鏈路的穩(wěn)定性，必須要考慮靠近節(jié)點和遠離節(jié)點的影響。一般而言，靠近節(jié)點鏈路穩(wěn)定性是遠離節(jié)點的兩倍。與鏈路穩(wěn)定性相關(guān)的鏈路代價函數(shù)（velocity link cost，VLC）定義為

VLC=-v 如果v＜0，表示接近2v如果v＞0，表示遠離（1） 

其中v表示一條路徑上兩個節(jié)點的相對速度。代價越小，鏈路的穩(wěn)定性越高，最優(yōu)路徑具有最小的VLC。在高速移動環(huán)境中，多普勒頻移對鏈路穩(wěn)定性的影響比較大。與光速c相比，飛機節(jié)點之間的相對速度v很小，期望接收信號的頻率f與觀察到的頻率f0之間的關(guān)系為

f/f0=1+v/c（2）

從式(2)中可以看出， f/f0與節(jié)點間的相對移動速度v成正比。假定所有飛機使用同一頻率f進行通信，VLC與多普勒值（Doppler value）的關(guān)系為

Doppler value=-c(f/f0-1) (f/f0＜1)，接近2c(f/f0-1)（f/f0＞1)，遠離

通過觀察節(jié)點對之間的多普勒頻移可以判斷鏈路的穩(wěn)定性。本文將該算法稱為多普勒路由算法。

多普勒路由算法也是一種按需路由算法，在路由過程中考慮到節(jié)點的移動性，它依賴多普勒值選擇最穩(wěn)定的路由，路由發(fā)現(xiàn)原則與其他按需路由洪泛原則相同。與DSR（dynamic source routing）協(xié)議一樣，在發(fā)送RREQ路由請求數(shù)據(jù)包時包含節(jié)點地址。多普勒路由算法適合于偽線性高速移動節(jié)點（如飛機等），這些移動節(jié)點間的多普勒頻移是可測量的。

該算法依賴于這樣的原則：一個節(jié)點從另外一些可能提供數(shù)據(jù)d的節(jié)點請求數(shù)據(jù)d，目的節(jié)點不惟一，每一個可能提供數(shù)據(jù)d的節(jié)點形成了候選節(jié)點集合。多普勒路由的目的是發(fā)現(xiàn)一條足夠穩(wěn)定的路徑以保證數(shù)據(jù)完整傳輸。為了得到最穩(wěn)定的鏈路，算法考慮到不同節(jié)點的組合，這里也考慮非不相交路徑，這使得該算法明顯區(qū)別于以往的反應式路由算法。反應式路由算法僅考慮不相交路徑，通過扔掉相同請求數(shù)據(jù)包使相同數(shù)據(jù)包額外的洪泛減少了，僅發(fā)送具有小的Doppler value的數(shù)據(jù)包，其他的扔掉，大大減少了洪泛。

多普勒路由算法中的幾種Doppler value定義如下：a)包多普勒值（packet’s Doppler value，PDV）是指一個數(shù)據(jù)包從前一個節(jié)點傳輸?shù)疆斍肮?jié)點所經(jīng)歷的多普勒頻移。b)包頭多普勒值（packer header Doppler value，PHDV），每個節(jié)點(包括請求節(jié)點和應答節(jié)點)的PHDV用PDV和PHDV值中較大者更新。c)保存在接收節(jié)點中的相同請求數(shù)據(jù)包的最小Doppler value定義為BDVSF（best Doppler value so far）。BDVSF是為了區(qū)分相同請求包，因此具有最小Doppler value的數(shù)據(jù)包被發(fā)送，在發(fā)送數(shù)據(jù)前，每個節(jié)點增加自己的地址到RREQ包的緩存中。下面通過一個例子來說明該算法路由過程。假如飛機A上的飛行員想聽一首歌而在本機的數(shù)據(jù)庫中沒有，這首歌將有一個ID，路由過程如下:

a）請求節(jié)點A。廣播具有ID的路由請求消息RREQ到所有LOS范圍內(nèi)單跳節(jié)點。

b)接收節(jié)點（RREQ路由請求消息重新廣播）。如果PDV＞PHDV，用PDV代替當前PHDV；如果PHDV＜BDVSF，此時BDVSF=PHDV。

c)如果節(jié)點能提供這個數(shù)據(jù)，產(chǎn)生路由應答RREP消息，否則重新廣播。如果PHDV＞BDVSF，丟棄該數(shù)據(jù)包。

d)接收節(jié)點(RREP路由應答消息發(fā)送)。更新每個節(jié)點的PHDV，如果接收節(jié)點就是請求節(jié)點，將RREP保存在路由表中，否則發(fā)送到下一個節(jié)點。

路由請求節(jié)點A在路由表中保存所有已知的路徑，以PHDV從小到大順序排列。它選擇具有最小開銷的路徑發(fā)送被請求的數(shù)據(jù)，如果第一條路徑失敗了，選擇第二條直到發(fā)送成功為止。

3 仿真結(jié)果

3．1 單跳場景仿真

為了說明節(jié)點相對速度對鏈路穩(wěn)定性的影響，產(chǎn)生具有可變節(jié)點密度隨機場景^[7]：在某一確定時間段內(nèi)節(jié)點是單方向以固定速度移動的，有一個請求節(jié)點，其他節(jié)點都是提供被請求數(shù)據(jù)的候選節(jié)點。仿真中當有節(jié)點離開請求節(jié)點LOS范圍時，有兩種路由方案：a）選擇最近節(jié)點路由，當相關(guān)節(jié)點離開LOS，重復。b)選擇具有最小相對移動速度，當相關(guān)節(jié)點離開LOS，重復。

方案b)在數(shù)據(jù)取回時考慮了節(jié)點的相對速度，而方案a)僅選擇最短路徑，是以節(jié)點間的距離為尺度。下面對兩種路由方案進行仿真，給出了鏈路穩(wěn)定性和handoff次數(shù)之間的關(guān)系，如表1所示。在某一時間段內(nèi)保持節(jié)點100個。

通過增加節(jié)點密度，觀察節(jié)點密度對兩種路由方案的影響，仿真結(jié)果如圖5所示。節(jié)點分布在100 m2范圍內(nèi)。從圖5可以看出，handoff次數(shù)與鏈路穩(wěn)定性成反比，隨著節(jié)點數(shù)目的增加，有更多的節(jié)點在路由范圍之內(nèi)。方案a)僅考慮距離最近的節(jié)點，而方案b)選擇與請求節(jié)點相對速度最近的節(jié)點進行路由。隨著節(jié)點密度的增加，有更多的候選節(jié)點，方案b)中與請求節(jié)點相對速度更近的節(jié)點越多。由于這些節(jié)點被選擇，handoff次數(shù)減少，鏈路穩(wěn)定性增加。方案b)考慮了相對速度作為移動性參數(shù)，路經(jīng)選擇優(yōu)于方案a)，尤其適合于節(jié)點密度大的情況。

3．2 多跳場景仿真

仿真中節(jié)點移動速度為840 km/h，平均飛行時間為230 min，請求數(shù)據(jù)節(jié)點占到1%，最大跳數(shù)為6跳，在900萬平方米的空間上有5 000個節(jié)點，節(jié)點隨機產(chǎn)生。通信范圍在200~600 km可變，通信距離的限制主要是考慮了路徑損耗和信號衰減，但還要保證飛機之間良好的通信質(zhì)量。仿真DSR動態(tài)源最短路徑路由協(xié)議和多普勒路由協(xié)議。表2和圖6給出了仿真結(jié)果。

從圖6可以看出，多普勒路由算法性能優(yōu)于DSR路由算法，它是以犧牲跳數(shù)和平均路徑距離為代價，但保持了較高了鏈路穩(wěn)定性。隨著通信范圍的增加，切換次數(shù)減少。

4 結(jié)束語

本文提出一種基于控制消息分組的多普勒頻移路由方案，仿真分析了該算法的有效性。該算法與傳統(tǒng)的自組網(wǎng)路由算法相比，具有較高的鏈路穩(wěn)定性。

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注：“本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請以PDF格式閱讀原文。”