海上多跳無線自組網路由協議仿真研究

羅尚平，劉才銘，黃陳英

(樂山師范學院 計算機科學學院，四川 樂山614004)

0 海上多跳無線自組網

由于惡劣的自然環境和通信條件，衛星通信往往是海上通信的唯一手段，同時價格高達地面通信的30 倍左右，高昂的成本制約了海上通信的發展，為航運和軍事等行動造成障礙。為了提高海上通信的經濟性，迫切需要有一種價格低廉且效率較高的通信方式，正是在這種背景下，無線自組網絡被引入海上通信，并逐漸成為近年來海上通信領域研究的熱點。然而，無線自組網的設備功率有限，通信范圍僅僅能夠覆蓋船舶周邊幾公里，因而通常只能用于近海海域和海峽之中，本文關注的就是在狹窄海域中，海上多跳無線自組網的路由問題。

在狹窄海域中應用多跳無線自組網，具有以下特點［1－2］:

1)當船舶在狹窄海域行駛時，船舶數量較多，需要嚴格按照既定的航線，以免發生碰撞事故;

2)如果將每艘船舶看作無線自組網的通信節點，那么整個海上多跳無線自組網將擁有一個較為穩定的拓撲;

3)在地面無線自組網中，無線通信節點往往獨立，因而存在供電問題，而安裝在船舶上的通信設備則不存在該問題;

4)船舶通過GPS和GALILEO 系統獲得精確的位置信息，并通過AIS 實時通報自己的航向、位置等數據。

5)相對來說，船舶的移動性較為穩定，難以在短時間內改變航向或航速;

6)海面通信狀況不確定性較大，可能會造成波閉塞效應或通信延遲等現象。

根據以上分析，本文的目標在于提供一種可靠和高效的海上多跳無線自組網路由協議。對于海上無線自組網的路由協議，相關的研究成果較為豐富，在文獻［3］中提出了一種基于位置的路由方法，這種方法不需要發布和維護具體的路由信息，因而具有較高的效率，然而其對于海面的通信環境考慮并不充分，沒有其他的機制保證海上的通信質量;在文獻［4］中，作者證明了在海上通信中，擔心無狀態路由的性能表現要由于動態源路由，并且其差距隨著跳數的增多逐漸增大，同時在文獻［5］中，作者提出了一種基于拓撲已知的QoS 路由方法，但是并未將海上通信的特點考慮進去，實用性較低。

本文通過對海上通信過程的研究發現，當海面條件惡劣時，由于通信鏈路的條件變差，對于丟失的數據包進行重傳難以實現數據的可靠交付。同時，本文發現在海上通信過程中，數據往往需要經過多于一跳才能到達接收端，同時當無線節點進行數據傳遞時，往往存在多于一個對象可以交付數據。正是基于以上分析，本文提出了一種基于虛節點的路由方法，如圖1所示。

圖1 無線節點鏈路Fig.1 Wireless node path

圖1(a)中顯示的是傳統單一路由通信方式，圖1(b)中顯示的多路由通信方式，圖1(c)顯示的是本文提出的集成路由組織方式，將多個節點組織為虛節點，并通過虛節點之間的路由，增強數據傳遞過程中路由的冗余性和可靠性，從而解決通信效率和海上干擾問題。

1 系統模型

本文將從海上通信鏈路和船舶移動性2個方面進行分析和建模。

1.1 海上通信鏈路建模

在海上通信過程中，常常會遇到較惡劣的天氣情況，當浪高達到一定高度時，很可能會阻塞無線通信鏈路，這種現象叫做波閉塞［6］。對于波閉塞的相關研究較少，本文針對該現象建立模型如圖2所示。

圖2 海上通信鏈路模型Fig.2 The model of marine communication link

在圖2 中，縱軸表示海拔高度，橫軸表示海浪、無線接收天線之間的相對距離。Δ 決定了無線通信鏈路與浪高之間的關系，當Δ=90°時，波閉塞現象不存在;當Δ=0°時，波閉塞現象最為嚴重。Δ的值由天線與海浪的距離D 以及天線的高度Ht決定，假設發送和接收天線間距離d 遠大于海浪波長L，則D≈d，則可得:

同時考慮地球表面的曲率，接收天線的有效高度為Hr，如圖3所示。

圖3 天線的有效高度Fig.3 The effective antenna height

則發生波閉塞效應的時間為以下方程組的解:

式中:h1為天線與浪高的高度差;h2為接收天線高度;h3為接收天線與海浪的水平距離;x 為發生波閉塞效應的時間。

通過以上數據建模，可以確定波閉塞的時間，將通信鏈路描述為2個狀態的馬爾科夫鏈，狀態“O”表示波閉塞， “C”表示通信正常。令λ 為由狀態O 到C的轉移概率，μ 為狀態C 到O的轉移概率。則二者的計算方法為:

式中:R 為發送的包長;to為波閉塞持續時間的期望;tc為通信正常時間的期望。

然而在實際通信過程中，由于海面的波動，還可能造成無線信號的發射，多徑到達和干擾等情況。為了描述以上情況，再次采用2個狀態的馬爾科夫鏈，狀態“G”為傳輸的包均成功到達，“B”為傳輸的包均未成功到達。令α 為由狀態B 到狀態G的轉移概率，β 為狀態G 到B的轉移概率。則二者的計算方法如下:

式中:Nr為每秒中傳輸成功的期望;RB為鏈路在狀態B下，每秒平均傳輸的包的數量;RG為在狀態G下，每秒平均傳輸的包的數量。同時根據文獻［8］，有如下描述:

式中:fc為載波頻率;ρ 為鏈路信噪比的期望。則可將通信鏈路抽象為4個狀態的馬爾科夫鏈，如圖4所示。

圖4 通信鏈路的馬爾科夫模型Fig.4 The Markov model of communication link

圖4 中共有4個狀態:即{O/B ，C/B ，O/G ，C/G}，在4個狀態中只有狀態C/G 有效，不失一般性地，可以將該4個狀態的馬爾科夫鏈簡化為2個狀態的馬爾科夫鏈，如圖5所示，狀態G*表示原狀態C/G，B*表示其他3個狀態的集合。

圖5 簡化的通信鏈路模型Fig.5 Simplified model of communication link

其中二者的轉移概率為α*和β*，令保持G*的概率為SG，則可得以下計算公式:

式中:Tg為狀態C/G 持續的時間期望;Tb為非C/G 狀態持續的時間期望。

1.2 船舶移動性建模

在船舶移動性建模中，將使用來自AIS的實際數據，如圖6所示。

圖6 AIS 位置數據Fig.6 AIS location data

基于以往的船舶移動性數據，我們確信當船舶與岸基基站相距15 km 之內，船舶之間相距8 km時，能夠有90%的船舶在90%的時間內與基站和其他船舶聯網，形成一個具備相當靈活性的船舶移動自組網。在這種自組網中，一個船舶與基站之間，總有至少2個船舶提供信號的中繼，這一數據的平均值為1.8。則基于以上分析，可以按照圖1所示，實施本文提出的路由方法。

2 集成路徑路由

令M 為一個數據包在端到端鏈路中允許的最大跳數。本文提出的路由方式，不是按照固定的路由傳輸數據包，而是如圖1所示，在傳輸過程中，在不同的跳數上，在不同的節點間分布路由。

在每一跳中，一個虛擬節點為一組在一跳傳輸距離內的節點的集合。在本文中，將使用一種經過修改的AODV 協議實現路由的實際過程［7］。

協議的步驟描述如下:

1)首先，源節點向周邊節點發送路由請求;

2)周邊接收到請求之后，將自動形成虛節點，在這一過程中，可能不止一個節點收到請求，這些收到請求的節點均屬于統一虛節點;

3)虛節點繼續發送路由請求，若無法到達最終的目的節點，則仍然會有若干節點收到該請求，這些節點組成另一個虛節點;

4)遞歸地進行步驟3，直到某些節點能夠將消息交付目的節點，這些節點組成最后一個虛節點，此時，各個虛節點之間的路由已經確定;

5)此時，從源節點發送數據到第1個虛節點，此時第1個虛節點內的所有節點收到消息，并分別向第2個虛節點中的每個節點分發消息，遞歸地進行該過程，直到最后一個虛節點將消息發送給目的節點。

令H 為集成路徑路由中的跳數，Ni為第i個虛節點中真實節點的個數，i=0，1，2，……，H。N0和NH分別為源節點和目的節點，假設在一個路徑上只有一個源節點和目的節點，則可得:

則可得在集成路徑路由下，成功傳輸概率為:

式中:P*為H 跳中，端到端傳輸成功的概率;m 為每個數據包在傳輸過程中跳數的期望。其中可知:

式中:f(i)(j)為在第i 跳中，至少有j個節點接收成功的概率。其中:

其中pi為經過第i 跳之后，數據包傳輸成功的概率。且

則可得集合路徑路由的發送可靠概率為:

3 性能仿真

在仿真中，采用一個基于時隙的MAC 協議，在該協議中，將5 ms的MAC 幀劃分為256個時隙，每個時隙對應1個數據包。

在仿真中，假設路由協議不需要在安裝過程耗費時間，并不需要維持相應的鏈路信息，因此，可以分析路由協議的實際工作性能。

在仿真過程中，數據包以指數分布到達，圖7～圖9分析了集合路徑路由和單路徑路由之間的性能。

圖7 集合路徑路由的效率Fig.7 Efficiency of aggregated-path route

圖8 單一路徑路由的效率Fig.8 Efficiency of single-path route

圖9 丟包率對比Fig.9 The comparation of drop ratio

圖7和圖8 表明，集合路徑路由相比單一路徑路由，有著更好的鏈路利用率和效率，尤其在海況較惡劣的情況下，該優勢將更加明顯。圖9 表明，在丟包率方面，集合路徑路由同樣有著較好的性能。以上結果證明了本文提出的方案具有較好的可行性和高效性。

4 結 語

在海上通信過程中，由于波閉塞效應的影響，通信鏈路常常會失去連接，導致傳統的重傳機制無法發揮作用。本文提出了一種集合路徑路由方法，通過對通信鏈路和船舶移動性的建模，該方法通過將節點組織為虛節點的形式，在每一跳中向每個虛節點中的節點分發路由信息和消息，保證了消息傳輸的可靠性和穩定性。最后，本文采用仿真模型，證明了相比與傳統的單一路徑路由，本文提出的方法在性能上更優，具有較好的可行性和高效性。

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