一種適用于戰術網絡的組移動模型*

李　寧，蔣　媛，賴榮煊，韓　序

(解放軍理工大學 通信工程學院,江蘇 南京 210007)

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一種適用于戰術網絡的組移動模型*

李寧，蔣媛，賴榮煊，韓序

(解放軍理工大學 通信工程學院,江蘇 南京 210007)

摘要：節點移動模型在ad hoc網絡研究中起了極為關鍵的作用，在仿真過程中，移動模型直接影響路由協議的各項性能。特別是在研究特殊環境下的ad hoc網絡技術時，對移動模型的要求更為特殊，如戰術網絡。戰術網絡獨有的特點和性質削弱了常用移動模型下相關研究的意義。對經典的組移動模型 (RPGM)進行了分析并提出改進方法，提出了一種新的組移動模型，模擬戰術網絡單兵節點在運動過程中曲折前進的情形。通過仿真比較，提出的模型更加符合戰術網絡的特點，適合戰術網絡技術仿真，具有一定的參考意義。

關鍵詞：組移動模型;目標坐標;終點坐標;運動周期;Z-ERPGM模型

0引言

隨著網絡技術的日益發展，人們意識到移動Ad Hoc網絡(Mobile Ad hoc NETworks,MANET)能夠帶來的網絡領域的影響與潛力。MANET中節點移動方式的變遷對網絡協議的性能能夠產生較大影響，尤其在環境較為惡劣的戰場環境下，甚至能使網絡陷入癱瘓[1-3]。因此為了達到較好的網絡協議性能，在研究網絡協議過程中應選擇合適的節點移動模型[4]。當前提出的移動模型大致可分為軌跡移動模型(Trace Mobility Model)和合成移動模型(Synthetic Mobility Model)。前者事先讓真實節點進行移動并記錄它們的軌跡信息，然后再仿真過程中讓模擬節點按照相應軌跡信息進行移動，實現起來較為復雜難度也較大[5]。后者是指人為歸納節點運動特點，并運用數學工具設計特定規則或公式，在仿真過程中實時計算節點下一步運動軌跡，這類移動模型實現相對容易，成本也相對低廉。

針對軍事領域中節點在運動過程中相對集中的特點，人們提出參考點組移動模型(Reference Point Group Mobility model,RPGM[6])。在RPGM中，每個群組都有一個邏輯中心(ReferencePoint,RP)，可以用邏輯中心的移動來定義整個群組的運動行為，群組的運動將由邏輯中心的運動決定。節點移動主要包括群組和個體的移動兩個方面，群組所定義的是多個節點間的一種同屬的邏輯關系，中心的行為定義為整個群組的移動行為，群組的移動由RP的改變來表示[7]：而個體的移動由兩部分構成，一是RP的移動，另一方面是個體以RP為參考點的隨機移動。除此之外，追逐團體移動模型(Pursue Mobility Model,PMM)[8-9]也是較為符合戰場環境的移動模型。隊列移動模型(Column Mobility Model，CMM)[10]描述了在追蹤和搜索場景下節點以一列縱隊的形式統一向一個方向運動的情形。在CMM中，每個節點可在其初始位置附近徘徊，且不僅限于通常的縱隊移動，還可以以任意角度移動。

隨著移動模型相關研究的逐漸深入，某些經典模型也逐漸暴露出了一些不足，于是人們提出了一些新的模型用于進一步的研究工作。文獻[11]提出以指揮員節點為參考點且更加接近真實群組移動模型。文獻[12]針對Unmanned Aerial Vehicles (無人駕駛飛機)ad hoc網絡提出一種移動模型，規定UAV所有可能的運動模式，在完成某一種運動模式后以隨機的方式進入下一個模式，如此往復。文獻[13]在原始高斯馬爾科夫移動模型基礎上一種三維的增強型高斯馬爾科夫(Enhanced Gauss-Markov,EGM)移動模型，該模型適用于航空領域的ad hoc網絡研究，如戰場UAV網絡、民用飛行機網絡等等。

本文著眼于戰場環境下節點運動特征，首先對RPGM模型不足之處加以改進，進而針對性的提出了一種新的適用于戰場環境的組移動模型——Z-ERPGM模型(Z-Enhance Reference Point Group Mobility model)。該模型充分考慮了節點在戰場上可能發生的移動軌跡，主要描述節點以Z字形的行進方式向終點坐標曲折前進的情形。最后，本文針對模型自身參數以及模型下路由協議的性能進行仿真。由仿真數據可知：Z-ERPGM模型比RPGM和RWP模型更為貼近真實戰場環境；另一方面，不同的移動模型對路由協議性能有著較大的影響。

1RPGM模型

(1)

圖1　RPGM中節點新位置確定示意

圖2　RPGM中節點移動誤差累積示意

2Z-ERPGM移動模型

2.1RPGM模型的改進

我們首先限定節點與節點組的誤差上限為r，每次確定新位置時的累積誤差不能超過r，用公式表達為：

(2)

2.2Z-ERPGM模型

2.2.1流程描述

Z-ERPGM具體工作流程主要分初始和正常工作兩個階段：初始階段中，Z-ERPGM根據給定的節點組初始中心坐標位置(即RP1)，在一定范圍內等概地隨機布置節點，節點在節點組范圍內均勻分布；然后在仿真區域內為每一個節點組等概地隨機取一個坐標點作為該節點組的初始終點坐標。經初始化后，節點移動進入正常工作階段，此時節點以一定概率向不同的方向先運動一段距離，然后再調整行進方向，并始終保持節點最終運動方向始終朝著終點坐標。當第一次到達指定終點坐標時，節點圍繞該坐標點運動一段時間后隨機選取下一個終點坐標位置，并同樣以Z字形行進方式向該坐標點進發。

在Z-ERPGM模型中，節點運動過程類似RWP移動模型，主要區別在于每個周期選取目標坐標的方法。Z-ERPGM根據節點上一運動周期的參考點RP和終點坐標位置以及組移動情況選擇下一周期的目標參考點坐標RP，最后在加入一個隨機矢量而生成新的目標坐標點。在節點運動過程中，同組節點速度可能存在差異，導致某些節點的目標坐標選取頻率更快，因此每次節點組的新參考點RP的選擇都由運動最快的那個節點所決定(如圖3中虛線的ac段路徑)。

為了使同組節點在存在一定的速度差異的情況下，速度慢的節點能保持和速度快的節點保持同樣的“歷史參考點坐標”，避免由于“歷史參考點坐標”的不同導致同組節點運動軌跡出現紊亂，所以在算法實現過程中記錄每一個更新的RP是非常有必要的(如圖3中虛線的ab段路徑)。

圖3　節點目標坐標選取流程

2.2.2運動周期

在RandomWayPoint(RWP)模型中，節點在仿真區域中隨機的選取一個起始坐標和目標坐標，以恒定的速率從起始地運動到目的地，隨后在目的地暫停一段時間。之后選取新的目標坐標開始下一次運動，如此反復，直至仿真結束。由于模型中節點運動明顯的重復性，因此我們定義這一過程為一個運動周期，每個周期都有一個相對應的決定節點運動方向的“目標坐標”。顯然，一個運動周期由兩個時期組成，即節點的移動期和停留期。

2.2.3組參考點坐標讀取

節點在上個周期的目標坐標點處度過停留期后，需要重新選擇新的目標坐標來實現曲折前進。首先需要確認該節點是否是所在節點組移動最快的節點。若不是，則讀取節點組參考點坐標作為當前節點的下一步運動的參考點坐標(圖3中ab段路徑)；若是則自行定義整個節點組的下一參考點坐標(圖3中ac段路徑)。

1)當Ni>nj時，即存在同組節點在參考點坐標選取次數上大于該節點，節點直接讀取節點組的歷史參考點坐標作為其下一個目標坐標。這樣，后行節點才能與先行節點保持穩定的“組關系”而不至于出現組分裂的現象。

2)當Ni=nj時，說明節點j是參考點坐標選取頻率最快的節點。此時，該節點需要自行確定下一RP，領導整個節點組的運動趨勢。

當節點組所有節點中運動最快的節點到達目標坐標后，由于Ni=nj，所以該節點組的下一步運動趨勢由該節點所決定。

圖4所示，圖中虛線表示節點組起始坐標和終點坐標的連線。所謂Z字形運動軌跡，其實就是節點在運動過程中的一種左右擺動的運動軌跡，即節點在虛線的上下方位置來回變換而形成的運動軌跡。在確定RP之前節點需要判斷自身處于虛線的上方還是下方，在上方時節點偏向于向下方運動，在下方時則偏向于向上方運動。當節點是其所在節點組中運動速度最快的節點時，整個節點組的下一步運動趨勢就由該節點所決定，隨后跟上的同組節點應隨著當前節點的運動趨勢進行下一步的移動。

在每次選取RP時，我們將起始坐標指向終點坐標的方向作為 “邏輯東方”，則可決定剩下的邏輯方位。基于上述原因，我們用概率表示節點的偏好，p1,p2,p3,p4分別表示節點選擇邏輯東北方、邏輯西北方、邏輯西南方、邏輯東南方的概率。顯然，為了實現節點上下擺動的運動方式，這些概率都是因節點與虛線的相對位置變化而變化的。當節點抵達目標坐標后，應決定下一RPk(xk,yk)，并根據新生成的參考點決定下一個目標坐標位置。其主要步驟可分為以下幾步(見圖4)，且很大程度上依賴于上一運動周期的參考點坐標RPk-1(xk-1,yk-1)的位置：

1)節點首先以概率的形式決定下一個運動的大致方向，即邏輯方位。

3)最后以隨機方式選擇下一步運動的距離lk，為保證節點在運動過程中實現多次的方向改變，文中令lk≤L/10，其中L為起始坐標與終點坐標的直線距離。

4)此時，根據上述指標，節點下一步運動的參考點坐標(xk,yk)即確定，可由公式表達如式(3)：

(3)

圖4　節點目標坐標選取示意

綜合以上描述，節點目標選取工作流程如下：①確定自身所處位置，判斷在虛線上方或下方；②依據預設概率，隨機選擇一個方向(即與邏輯東方的夾角α)；③依據預設的目標坐標偏離距離大小在選定方向上選取一個坐標點。此時該坐標點即為下一周期的RP，并記錄以此RP以便后行節點讀取。確定RP之后，節點依從上文提出的改進的RPGM模型精確選取目標坐標P。至此，Z-ERPGM模型的一個周期工作完結，隨后進入下一個工作周期。

3仿真分析

3.1仿真平臺

ONE (Opportunistic Network Environment simulator)[14-16]是一種針對機會網絡仿真而開發的基于離散事件的開源仿真引擎[17]。延展性較好，實現了多種基本的路由算法以及一些經典的改進路由算法，通過編程可實現對移動模型的可視化仿真和各項數據的采集。

3.2仿真主要評價參數

為合理評價各個模型的特點，我們從兩個方面進行仿真。首先綜合考慮多個常見移動模型參數度量[18]，主要包括移動性度量和連通性度量。其中，移動性度量主要包含空間相關性程度和時間相關性程度。連通性度量主要包含鏈路平均持續時間和路徑平均持續時間。其次，從路由的角度出發，以Epidemic Routing為例測試RPGM和Z-ERPGM兩種模型對該路由性能的影響。

3.2.1移動性度量

(4)

(5)

1)空間相關性程度Dspacial(i,j,t)

(6)

空間相關性程度指的是兩個節點之間的速度相似程度。如果兩個節點在同一方向上移動那么它們就具有很高的空間相似度。

2)時間相關性程度Dtemporal(i,t,t′)

(7)

時間相關性程度指的是某節點在兩個時間點的速度相似程度，也可以節點當前時刻的速度對于先前時刻速度的依賴程度，能較為直觀地反映該節點速度變化程度。

3.2.2連通性度量

連通性度量主要反映網絡節點間的通信機會大小、通信持續時間等方面問題，比較直觀的反應了網絡各部分間的連通性好壞。

(8)

其中，LD(i,j)表示節點i和j之間的鏈路持續時間，N表示網絡中所有節點的集合，N是一段時間內網絡產生的鏈路總數。

(9)

其中，M是一段時間內網絡中產生的路徑總數。一般的，兩條或兩條以上相接的鏈路才能構成一條路徑，所以N≥M。

3.3結果及分析

3.3.1移動模型參數仿真及分析

根據上述仿真環境參數，采用蒙特卡羅法對同一模型重復仿真并取各參數平均值作為最終評定參數指標。

表1　仿真參數

圖5　鏈路平均持續時間

圖6　路徑平均持續時間

圖7　空間相關性程度

圖8　時間相關性程度

從圖6中可以看出，RWP模型在整個模型仿真時間內產生的可用路徑數量極為稀少，在持續時間上也明顯落后，而Z-ERPGM和RPGM模型則能持續產生路徑，導致這種現象的主要原因還是因為同組節點間的頻繁相遇。如圖7所示，在空間相關性程度上群移動模型明顯具有兩極分化的特點。另外，所有節點間運動都相互獨立的RWP模型的空間相關性程度也很低，且在模型趨于平穩后該參數數值始終大于0。

對于圖8，由于時間相關性程度描述的是同一節點在不同時間點上的速度改變程度。所以，RPGM和RWP模型在這方面的性能基本處于同一水平。而Z-ERPGM模型具有“左右擺動”的運動特點，節點速度在短時間內可能出現大幅變化，這就降低了時間相關性程度。

3.3.2兩種移動模型下路由協議性能的仿真及分析

由以上仿真結果可知，Z-ERPGM和RPGM移動模型兩者在移動性和連通性方面具有較大差異，這有可能導致同一路由協議在這兩種移動模型下得到截然不同的性能。為驗證這點，我們以Epidemic Routing為例，通過仿真分析兩種移動模型的不同。

為更好的通過路由機制體現移動模型的不同，我們設置消息的目的節點不與源節點同組。與此同時，由于組運動模型的特殊性，節點組間相遇機會較小，成功到達目的節點的消息也相對較少。

圖9　RPGM模型下投遞率

圖10　Z-RPGM模型下投遞率

圖11　RPGM模型下投遞時延性能

圖12　Z-RPGM模型下投遞時延性能

圖9、圖10所示的是Epidemic Routing在兩種移動模型下的消息投遞率性能表現，前者柱狀條排列緊密且數值較大，后者排列稀疏且數值較小。很顯然，RPGM在投遞率性能方面優于Z-ERPGM。在時延性能方面，如圖10、11所示，兩種模型基本處于相同水平。說明Epidemic Routing在RPGM模型下的性能優于在Z-ERPGM模型下的性能，主要原因在于Z-ERPGM節點間的強“組關系”，節點相遇機會基本取決于節點組的運動活躍程度，節點組愈不活躍，消息就愈發無法得到有效的傳遞。

綜合圖9～12，經典的Epidemic Routing在兩種移動模型下并沒有得到較為理想的性能，進一步說明合適的移動模型是路由機制的設計與評定的基礎。

4結語

本文首先對經典組移動模型RPGM進行了分析，并針對其“組關系弱化”的問題提出了改進方法。然后針對戰術網單兵節點可能的運動方式與軌跡，進一步提出了Z-ERPGM模型，模擬戰場環境下戰士為隱蔽身形和保全自身而向目標地曲折前進的運動軌跡。仿真結果表明，Z-ERPGM具有不同于RPGM的特點，如強組關系、組間通信相對較弱、組間獨立性高等，這與戰場環境更為吻合，基于該模型設計的路由協議具有較強的實際應用價值。

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A Group Mobility Model Suitable for Tactical Network

LI Ning,JIANG Yuan,LAI Rong-xuan,HAN Xu

(School of Communication Engineering,PLA University of Science and Technology,Nanjing Jiangsu 210003,China)

Abstract：The mobility model of nodes plays a pivotal role in the research of ad hoc network technology and has a direct effect on various performances of the routing protocol during simulations,particularly in the research of ad hoc network in special environments,which requires need more special mobility models,such as TANET (TActical NETworks).The specific characteristics and nature of tactical network may reduce the meaning of TANET correlation studies based on normal mobility model.A classical group mobility model named RPGM is analyzed,and modified method proposed,and then a new group mobility model modeling the zigzag walk of individual soldier presented.The simulation shows that the proposed mobility model is suitable for TANET and for the simulation of network technology,and thus is of certain reference significance.

Key words：group mobility model; target coordinate; destination coordinate; period of motion; Z-ERPGM (Enhance Reference Point Group Mobility) model

doi:10.3969/j.issn.1002-0802.2016.02.012

* 收稿日期：2015-09-06；修回日期：2015-12-20Received date:2015-09-06；Revised date：2015-12-20

基金項目：國家自然科學基金項目(No.61371123)，江蘇省基金重點專項(No.BK2011002)，國家自然科學基金青年項目(No.61301165)

Foundation Item:National Natural Science Foundation of China(No.61371123),Special Foundation of Jiangsu Province(No.BK2011002),National Natural Science Foundation of China for Young Scholar(No.61301165)

中圖分類號：TP393

文獻標志碼：A

文章編號：1002-0802(2016)02-0182-07

作者簡介：

李寧(1967-)，男，副教授(碩導)，主要研究方向為ad hoc網絡技術；

蔣媛(1991-)，女，碩士研究生，主要研究方向為信號感知處理；

賴榮煊(1990-)，男，碩士研究生，主要研究方向為ad hoc網絡技術；

韓序(1990-)，男，碩士研究生，主要研究方向為移動通信。