戰(zhàn)術Ad hoc網(wǎng)單元群組移動模型研究

劉行兵 ，孫華，鄭雪峰，孫斌

(1. 北京科技大學 計算機與通信工程學院，北京 100083；2. 河南師范大學 計算機與信息技術學院，河南 新鄉(xiāng)，453007；3. 安陽師范學院 計算機與信息工程學院，河南 安陽，455000；4. 河南省新鄉(xiāng)市電視臺，河南 新鄉(xiāng)，453007)

戰(zhàn)術Ad hoc 網(wǎng)絡(簡稱TA網(wǎng))是數(shù)字化部隊機動作戰(zhàn)的信息基礎設施，是戰(zhàn)場前沿態(tài)勢感知數(shù)據(jù)和指揮控制數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹饕ㄐ牌脚_[1]。TA網(wǎng)有別于一般移動Ad hoc網(wǎng)，它對應的是以指揮員為中心，等級嚴格、有組織的部隊。因此，TA網(wǎng)表現(xiàn)為有中心、節(jié)點地位不平等、無基礎設施的無線網(wǎng)絡。其單元群組指最小作戰(zhàn)單位，如班、排等。TA網(wǎng)單元群組特性反映了TA網(wǎng)的基本特點，如網(wǎng)絡有中心、有固有組織關系等。TA網(wǎng)單元群組移動模型的研究是TA網(wǎng)移動模型研究基礎。移動無線網(wǎng)絡的系統(tǒng)設計及性能評價通常采用模型來模擬節(jié)點的移動特征[2]。選擇的群組移動模型應當反映網(wǎng)絡群體節(jié)點的真實特性，包括節(jié)點的移動特性和群體的行為特性[3]。即使在一些現(xiàn)實場景不可知或不可模擬的情況下，也要選擇最為接近的移動模型。因此，TA網(wǎng)單元群組需要合適的模型來仿真。群組移動模型則強調(diào)節(jié)點作為群體之一有著共同的移動規(guī)律。文獻[4-7]中的群組移動模型共同特點是節(jié)點與網(wǎng)絡關系不明確，節(jié)點可隨機加入1個網(wǎng)絡。參考點群組移動模型(RPGM)[3]，有邏輯中心，群組內(nèi)每個節(jié)點都被分配1個參考點，參考點跟隨群組的移動而發(fā)生位置變化。Wang等[8-10]對 RPGM模型進行改進，這些改進的模型具有RPGM模型的一些基本特征。TA網(wǎng)屬于嚴格的有組織的網(wǎng)絡，每個節(jié)點與網(wǎng)絡關系固定。參考點群組移動模型其及改進模型對 TA網(wǎng)的仿真有很大的借鑒意義，但存在2點不足：一是RPGM 仿真的群組的群首不斷地發(fā)生變化[3]，而 TA網(wǎng)群首通常是指揮節(jié)點，群首不發(fā)生變化；二是RPGM雖能模擬多種應用場景，但每個應用是孤立的。而TA網(wǎng)需要連接模擬群組2種狀態(tài)。即群組從運動狀態(tài)到相對靜止狀態(tài)的連續(xù)模擬。因此，需要提出一種新的仿真模型來模擬TA網(wǎng)。本文作者提出以指揮員為中心的群組移動模型；分別對戰(zhàn)士節(jié)點在自主運動時單個節(jié)點運動規(guī)律、2個相鄰節(jié)點構成鏈路有效性和 2節(jié)點間路徑有效性進行分析；將提出的群組移動模型仿真與實際網(wǎng)絡情況進行比較和分析，驗證模型設計的正確性和可用性。

1 戰(zhàn)術Ad hoc單元群組模型

TA網(wǎng)單元群組模型模擬TA網(wǎng)分群組行進和群組執(zhí)行任務2個過程。在群組行進過程中，指揮員節(jié)點運行特征決定了群組運動特征，指揮員節(jié)點運動特征受上級命令、地理環(huán)境和任務目標對象運動特征等因素的影響。戰(zhàn)士節(jié)點運動特征受指揮員節(jié)點的控制。在群組執(zhí)行任務過程中，指揮員節(jié)點為每個戰(zhàn)士節(jié)點分配運動參考點和參考范圍，每個戰(zhàn)士節(jié)點在指定范圍內(nèi)隨機運動。

圖1 戰(zhàn)術無線網(wǎng)單元群組示意圖Fig.1 TA unit group model

指揮員節(jié)點確定群組隊形。以圖1所示，指揮員節(jié)點確定群組隊形為攻擊隊形，運動方向由左向右。群組包括指揮員節(jié)點在內(nèi)共有7個節(jié)點。指揮員節(jié)點用正方形表示，普通節(jié)點圓表示。根據(jù)節(jié)點離指揮員節(jié)點遠近將節(jié)點分級，節(jié)點1和4為一級節(jié)點，離指揮員最近，節(jié)點2和5為二級節(jié)點，節(jié)點3和6為三級節(jié)點。群組行進時，指揮員節(jié)點決定其他節(jié)點的速度和方向。當指揮員節(jié)點靜止時，戰(zhàn)士節(jié)點根據(jù)規(guī)劃在指定范圍內(nèi)隨機運動。

2 移動模型分析

當群組整體運動時，指揮員節(jié)點與戰(zhàn)士節(jié)點運動速度和方向相同，節(jié)點相對距離不發(fā)生變化，比較簡單。當指揮員節(jié)點靜止時，每個戰(zhàn)士節(jié)點要在指定范圍內(nèi)獨立運動；當指定范圍較小時，影響戰(zhàn)士節(jié)點的機動性；當指揮范圍太大時，將導致鏈路失效或網(wǎng)絡分裂。下面對單個戰(zhàn)士節(jié)點的運動和鏈路的有效性進行分析。假設節(jié)點間距離小于通信范圍則鏈路有效。

2.1 單個戰(zhàn)士節(jié)點運動定義

(1) 時間間隔 T1n,T2n,…, Tin,…相互獨立，且為同參數(shù)λn的指數(shù)分布；

(2) 運動方向 θ1n,θ2n, …,θin,… 相互獨立，且在(0，nn 2π)上均勻分布；

(3) 速度 V1n,V2n,…, Vin,…相互獨立，且在[0，V]區(qū)間上均值為μ、方差為δ2正態(tài)分布,由于分布的對稱性，μ=V/2；

(4) 速度、方向和時間間隔之間互不相關；

(5) 網(wǎng)絡中節(jié)點的移動互不相關，鏈路失效相互獨立。

當指揮員節(jié)點靜止時，在模型中定義戰(zhàn)士節(jié)點是自治的運行方式，此時的群組的整體相關性可忽略不計，總的移動特性可以用隨機過程來描述。

定義2：設節(jié)點n在t0時刻位于(x(t0)，y(t0))，經(jīng)過t 時后位于(x(t0+t)，y(t0+t))，那么，節(jié)點n的隨機移動向量 Rn(t)的模等于點(x(t0)，y(t0))到點(x(t0+t)，y(t0+t))的距離，向量的相位角 θn等于點(x(t0)，y(t0))到點(x(t0+t)和y(t0+t))的連線與X軸的夾角。

引理1：節(jié)點n在t0時刻位于點(x(t0+t)，y(t0+t))，然后根據(jù)移動參數(shù) {λn, μn, δn2} 移動。設Rn(t)是時間段t內(nèi)節(jié)點n的隨機移動向量,它的模表示總位移，向量的相位角 θn服從(0，2π)上均勻分布，Rn(t)近似服從參數(shù)為的Raleigh分布[11]，即

2.2 2個鄰居節(jié)點鏈路有效性分析

已知單個節(jié)點移動分布后，就可以利用一個節(jié)點相對于另一個節(jié)點的相對移動來描述2個節(jié)點相對移動。若移動超出通信范圍，則鏈路失效。

定義3：向量Rm,n(t)表示節(jié)點m相對節(jié)點n的隨機移動向量，即固定n的位置，節(jié)點m相對于此參考點移動的隨機向量。

由于Rm(t)和Rn(t)的X和Y分量服從均值為0、方差分別為正態(tài)分布，

引理 2：設節(jié)點 m和 n分別按照移動參數(shù){λ ,μ ,δ2} 和 {λ ,μ ,δ2} 移動。根據(jù)引理1，節(jié)點m和n的隨機移動向量Rm(t)和Rn(t)的運動方向服從均勻分布，它們的模服從Raleigh分布，參數(shù)分別是αm和αn，則節(jié)點 m 相對節(jié)點 n的隨機移動向量Rm,n(t)=Rm(t)-Rn(t)，它的模 Rm,n(t)服從參數(shù) αm,n=αm+αn的Raleigh分布，Rm,n(t)的模小于或等于2r，相位角服從(0，2π)上均勻分布。

定義4：設Lm,n(t)表示t時刻節(jié)點m和n之間鏈路的狀態(tài)，若鏈路有效，則Lm,n(t) =1，否則Lm,n(t) =0。假設在t0時刻2個節(jié)點之間的鏈路是有效的，那么鏈路有效性是指在t0+t時刻鏈路有效的概率，即鏈路有

由于 TA單元群組模型模擬戰(zhàn)士節(jié)點的受控運動和自主運動的過程，受控運動時，節(jié)點間的鏈路已建立。因此，僅考慮t0時刻節(jié)點m和節(jié)點n之間的鏈路已建立。假設戰(zhàn)士節(jié)點的通信半徑為R，m在n的通信范圍內(nèi)均勻分布，且與n的之間的距離為l，角度為φ。鏈路的有效性為：效性為：

另外，假設節(jié)點m以等概率向任意方向移動，并且在整個移動過程中，并且整個過程中保持方向不變，那么m移動到n的通信范圍的邊界所需的距離z為：

其中：θ為n到m的向量與m移動夾角。由于θ在[0，2π]上均勻分布，z與θ相互獨立，根據(jù)對稱性可以認為θ在[0，π]上均勻分布，即

假設隨機變量x1和y1滿足下面關系式：x1=lcosθ，y1=lsinθ。因為l與θ相互獨立，所以，l和θ的聯(lián)合概率密度函數(shù)為：

其中：-R≤x1≤R；-R≤y1≤R且 x12+ y12≤ R2。

由上述條件可得Z的概率密度函數(shù)為:計算出鏈路有效性為：

2.3 2個節(jié)點間路徑有效性分析

令鏈路(i，j)是m節(jié)點和n節(jié)點路徑中一條鏈路，根據(jù)鏈路失效相互獨立的特性，則路徑的有效性可以表示如下：

由以上分析可知：

(1) 戰(zhàn)士節(jié)點最大事速度V對鏈路有效性的影響。由于戰(zhàn)士節(jié)點速度在區(qū)間[0，V]正態(tài)分布，由于分布的對稱性，因此可得： μm≈μn≈ V /2，當V增加時，μm和 μn也增加，即 αmn增加，導致 A(t)和(t)降低；相反，當V減少時，μm和μn也減少，αm,n減少，

(2) 戰(zhàn)士節(jié)點通信范圍R對鏈路有效性的影響。從式(12)得，R越大，A(t)和(t)越大，當l+2r≤R時(其中l(wèi)是t0時刻節(jié)點m和節(jié)點n之間距離，r是戰(zhàn)士節(jié)點的運動范圍)，則Lm,n(t)≡1；R越小， Am,n(t)和(t)越小，當l-2r＞R時，L(t)≡0。m,n

(3) 戰(zhàn)士節(jié)點的運動范圍r對鏈路有效性的影響。已知鏈路在t0時刻是有效的，可得節(jié)點間距離l≤R。r不影響z，在下一時刻，r不會對鏈路或路徑的有效性產(chǎn)生影響。r越大，隨著節(jié)點運行的累積，鏈路或路徑的有效性越低，直至趨近于0。

(4) m和n之間的鏈路有效性取決于Rm,n(t)，同時，鏈路的有效性也反映了節(jié)點間的移動程度。

3 仿真與結果分析

3.1 仿真環(huán)境設計

這里主要分析當指揮員節(jié)靜止時，比較不同戰(zhàn)士節(jié)點數(shù)、不同戰(zhàn)士節(jié)點的最大運動速度以及不同戰(zhàn)士節(jié)點運動范圍的最遠2個節(jié)點包傳輸率和傳輸延遲，以衡量模型的可用性。

設置節(jié)點有效傳輸距離為50 m，節(jié)點間距離為30 m，初始隊形為“一”字形橫隊，戰(zhàn)士節(jié)點數(shù)分別為11和15，包括指揮員節(jié)點.最大速度分別為4 m/s和8 m/s，戰(zhàn)士節(jié)點最大活動半徑分別為5，10，13，15，18，20，23，25，28，30，40和60 m，最遠兩節(jié)點發(fā)送CBR(Constant byte rate)數(shù)據(jù)流，每隔2 s發(fā)送1個報文，報文長度固定為512 Byte，仿真時間為200 s。在仿真過程中，選取AODV(Ad hoc on demand distance vector)路由協(xié)議。

3.2 仿真結果與分析

圖2所示為11個節(jié)點和15個節(jié)點分別在速度為4 m/s和8 m/s時不同活動半徑情況下的包傳輸率。4條線共同特點是：當活動半徑小于10 m時，包不丟失；隨活動半徑的增加包丟失越多；活動半徑到一定程度時，即使再增加，包傳輸率趨于穩(wěn)定。隨活動半徑的增加，2個節(jié)點間超出有效傳輸距離概率也增加，從而導致丟包的現(xiàn)象越來越嚴重。模型仿真結果較真實反映了網(wǎng)絡真實情況。

圖3所示為模擬戰(zhàn)士活動半徑分別為13，15和18 m，節(jié)點數(shù)為15和戰(zhàn)士節(jié)點最大速度為4 m/s時傳輸延遲圖。從圖3可見：隨戰(zhàn)士節(jié)點活動半徑的增加，傳輸延遲變化愈加劇烈，丟包越嚴重；節(jié)點數(shù)多的群組比節(jié)點數(shù)小的群組包時延越嚴重。這再一次驗證了模型的可用性。

圖2 包傳輸率與活動半徑的關系Fig.2 Relationship between packet get radio and nodes active radius

圖3 不同活動半徑鏈路傳輸延遲Fig.3 Delay time of link with different activity radius

4 結論

(1) 根據(jù)指揮員節(jié)點的狀態(tài)，分別現(xiàn)實群組不同狀態(tài)模擬設計。

(2) 模擬結果與對應網(wǎng)絡現(xiàn)實情況對照表明，網(wǎng)絡模型設計具有正確性和可用性。

[1] 戴暉, 于全, 汪李峰. 戰(zhàn)術移動 Ad hoc網(wǎng)絡仿真中移動模型研究[J]. 系統(tǒng)仿真學報, 2007, 19(5): 1165-1169.DAI Hui, YU Quan, WANG Li-feng. Research of mobility models in tactical mobile ad hoc network simulation[J]. Journal of System Simulation, 2007, 19(5): 1165-1169.

[2] 鄭相全. 無線自組網(wǎng)技術實用教程[M]. 北京: 清華大學出版社, 2004: 19-24.ZHEN Xiang-quan. Wireless ad hoc network technology and practical tutorial[M]. Beijing: Tsinghua University Press, 2004:19-24.

[3] Hong X Y, Gerla M, Pei G Y, et al. A group mobility model for ad hoc wireless networks[C]//Boukerche A. Proc of the Int’l Workshop on Modeling and Simulation of Wireless and Mobile Systems. Seattle: ACM Press, 1999: 53-60.

[4] Williams S A, Huang D J. A group force mobility model[C]//Proc of the 9th Communications and Networking Simulation Symp. Huntsville: IEEE Press, 2006: 333-340.

[5] Ng J M, Zhang Y. Reference region group mobility model for ad hoc networks[C]//Proc of the Wireless and Optical Communications Networks. 2005: 290-294.

[6] Chang Y C, Liao H C. EMM: An event-driven mobility model for generating movements of large numbers of mobile nodes[J].Elsevier Journal of Simulation Modeling Practice and Theory,2005, 13(4): 335-355.

[7] 彭輝, 沈成林,卜彥龍, 等. 一種新的AD HOC網(wǎng)絡群組移動模型[J]. 軟件學報, 2008, 19(11): 2999-3010.PENG Hui, SHEN Cheng-lin, BU Yan-long, et al. A novel group mobility model for Ad hoc networks[J]. Journal of Software,2008, 18(11): 2999-3010.

[8] Wang K H, Li B C. Group mobility and partition prediction in wireless ad-hoc networks[C]//Proc of the IEEE Int’l Conf on Communications (ICC 2002). New York: IEEE Press, 2002:1017-1021.

[9] Zhou B, Xu KX, Gerla M. Group and swarm mobility models for ad hoc network scenarios using virtual tracks[C]//Proc of the Military Communications Conf (MILCOM 2004). Monterey:IEEE Press, 2004: 289-294.

[10] Sanchez M, Manzoni P. ANEJOS: A Java based simulator for ad hoc networks[J]. Future Generation Computer Systems, 2001,17(5): 573-583.

[11] McDonald A B, Znati T F. A mobility-based framework for adaptive clustering in Wireless Ad-Hoc networks[J]. IEEE Journal on Selected Areas in Communications, 1999, 17(8):1466-1487.