對流層散射信道下Ad Hoc網絡路由防斷裂技術

賀紹桐， 薛倫生,2， 陳西宏， 張凱

(1.空軍工程大學 防空反導學院, 陜西 西安 710051； 2.西北工業大學 航海學院, 陜西 西安 710072)

對流層散射信道下Ad Hoc網絡路由防斷裂技術

賀紹桐1， 薛倫生1,2， 陳西宏1， 張凱1

(1.空軍工程大學 防空反導學院, 陜西 西安 710051； 2.西北工業大學 航海學院, 陜西 西安 710072)

現有Ad Hoc網絡路由防斷裂研究多采用在理想信道下將單一接收端功率作為路由監測的依據。為了增強反導作戰組網性能，引入通信距離遠、抗干擾能力強的對流層散射信道，研究該信道及設備的特性對Ad Hoc網絡路由的整體影響；提出了散射信道路由狀態監控模型，力圖在路由斷裂之前迅速定位 “虛弱態”路由的末端節點；根據RE-AODV的優化協議，發起反向路由搜索以修復受損路由。結果顯示，改進的散射信道路由修復協議RE-AODV使平均端到端時延最大降低17.1%，減小控制報文開銷最大21.8%，同時能在高速狀態下保持過70%的分組投遞率，能較好地防止高速移動節點的路由斷裂。

兵器科學與技術； Ad Hoc； 路由防斷裂； 散射信道； 反向搜索； 路由修復

0 引言

Ad Hoc網絡是一種無基礎設施支持的移動網絡，節點間通信依靠中間節點的多跳轉發完成，這就要求各節點具有獨立的報文轉發能力。數字化戰場對無線通信網絡有極高的要求，正是由于Ad Hoc不依賴任何基礎設施，在戰時環境下，其動態自組織性及高抗毀性能夠極大程度保證在任何條件下通信鏈路的可靠連通[1]。

無線通信自組織網絡擁有卓越的動態機動性，但同樣面臨著路由斷裂的風險：一方面原因是移動終端的局限性，另一方面是有限的信道傳輸帶寬。Ad Hoc網絡用戶終端內存小，CPU處理能力低，Ad Hoc網絡中的無線信道所能提供的網絡帶寬較低，再加上競爭共享無線信道帶來的信號沖突、多徑衰減及噪聲和信號干擾等多種因素的影響，移動終端可得到的有效帶寬有限[1]。

本文基于Ad Hoc網絡按需距離矢量(AODV)路由協議，結合實際的散射傳輸信道提出一種路由監測模型，預測出存在斷裂風險的路由鏈路，進而提出本地路由修復策略。

1 無線自組網路由的斷裂

Ad Hoc網絡誕生之初應用于軍事通信[2]，多變的戰場環境、節點隨機移動和快速部署使各個通信節點的位置和速度時刻處在一種不確定狀態，正是這種不確定狀態使網絡中的節點面臨“邊界效應”，節點運動到上一跳或下一跳節點的最大通信半徑邊緣。文獻[3]認為，傳統的路由協議致力于減小路徑的開銷，發現最小路徑以減小時延，這種情況下，節點間距離較大，最短路徑易斷開[3]。

AODV協議是一種面向需求的無線自組網路由協議，路由建立的過程是由通信的發送端主動建立，如果發生路由斷裂，需要重新發起路由尋的過程，會大大占用路徑的帶寬，而在實際的通信過程當中，除了由節點間的距離超出最大通信范圍外，收發設備的參數選擇以及信道的變化等因素均有可能影響信噪比，如果能夠在Ad Hoc網絡路由完全斷裂之前，就通信受影響的程度進行快速應對，將有助于監控整個網絡的路由狀態。

2 散射通信條件下的路由狀態監控模型

在未來的反導作戰當中，火力節點之間的無線組網將是指揮控制和通信組網的基礎，對流層的散射通信是利用對流層大氣的不均勻性對電磁波的散射或反射而產生的一種超視距無線通信方式，以其傳輸距離遠、機動性強、抗核爆等特點，能夠彌補衛星通信的信道資源受限、微波通信視距傳輸的不足和光纖通信機動性較差的短板，適應反導組網作戰，Ad Hoc網絡監測模型決定著本地路由修復策略，將散射傳輸原理和無線路由鏈路狀態高度結合，能夠更加準確反映收發節點的設備和信道的狀態，本文將重點研究。

對流層位于大氣最低層，在此空間內存在的大量形狀大小各異的空氣渦漩、水汽以及浮塵等，這些對流層中的“散射體”使兩地不再受地球曲率和地面障礙物等因素的影響，實現超視距通信，如圖1所示。

圖1 利用對流層散射組網通信模型Fig.1 Troposcattter communication model

將散射通信方式應用于反導作戰的火力攔截網，需要其在目標區域內快速構建Ad Hoc無線自組網絡，并對網絡的鏈路狀態進行實時掌握。文獻[4]當中，將每一個通信節點的最大傳輸范圍和傳輸功率等參數視為固定量，唯一的變量是通信節點距離d，以此為前提條件尋找替代節點[4]。

(1)

式中：Pr為接收功率(dBw)；Pt為發射功率(dBw)；Gt、Gr分別為發射、接收天線增益(dBi)；ht、hr為各自天線的高度。

而在實際的通信過程當中，網絡節點能夠通過調節天線的角度θ和設備發射功率Pt等設備參數方式調整傳輸距離、控制設備噪聲[5]，進而提高整個Ad Hoc網絡的通信質量。首先需要找到表征設備本身收發能力的參量，本文用設備能力即收發系統總增益G∑(dB)加以描述：

G∑=Pt+Gt+Gr+LO+PN+RO,

(2)

式中：LO為總饋線損耗(dB)；RO為門限信噪比(dBw)，對于頻率調制而言RO=10 dB，對于數字通信而言，不同的調制解調方式，有相應的歸一化門限信噪比(Eb/N0)th，Eb、N0分別為每比特信號能量、噪聲功率譜密度；PN為接收機的噪聲功率(dB)

PN=-204+Fr+10lgFb,

(3)

式中：Fr為接收機噪聲系數(dB)；Fb為信道帶寬(MHz)。

以上的模型描述是對設備能力即收發系統總增益G∑的描述，在實際通信過程中，兩個Ad Hoc網絡節點之間的無線信道對通信質量有著重要影響。本文引述張明高[5]提出的對流層散射信道傳輸損耗模型，L(1-p)可以理解成p%的時間內多超過的小時中值傳輸損耗，p為傳播可靠度。

L(1-p)=M+30lgf+10lgd+30lgθ+

N(H,h)+Lc-Gt-Gr-C(q)Y(90),

(4)

式中：f為頻率(MHz)；d為路徑長度(km);θ為無線電與地平線的夾角；N(H,h)為考慮公共體積底部影響的項，H、h分別為頻域、時域的傳遞函數；Lc為口徑- 介質耦合損耗；M、Y分別表示氣象因子與大氣結構參數，決定于氣候類型；C(q)為以q為函數的系數，典型值有C(50)=0，C(90)=1，C(99)=1.82.

有了設備增益的參量G∑和散射信道的傳輸損耗參量L(1-p)，可以借助二者之差來描述Ad Hoc網絡路由節點之間路由鏈路狀態裕量ALS：

ALS(p)=G∑-Lm(p),

(5)

式中：Lm(p)為散射信道的傳輸損耗。

之所以引入傳播可靠度p，是因為對于Ad Hoc無線路由傳輸而言，鏈路狀態并不是非通即斷的，不同鏈路針對不同信息會有不同標準的通信質量要求。設定不同的路由閾值p0，當該鏈路的可靠度p>p0時，認為該路由能正常傳遞該信息；當鏈路的可靠度p達到或低于該閾值p0時，認為該路由進入“虛弱態”，這時，需要路由監測模型發出警示信號，并開啟相應的本地路由修復工作。

由上文可知，ALS(p)包含了收發設備的實際增益，同時考慮到了散射信道的傳輸損耗，監測模型當中所有的Ad Hoc路由狀態的變化都將由可靠度p反映。

求可靠度p需要引入標準偏差σs，散射傳播的慢衰落呈對數正態分布，標準偏差σs表示中值電平的離散程度，即對應84%的傳播可靠度所需的鏈路狀態裕量ALS(p).

圖2 不同標準偏差下鏈路狀態裕量與可靠度關系圖Fig.2 Relation between ALS(p) and p at different σs

圖2描繪的是不同標準偏差σs下，由鏈路狀態裕量ALS(p)得到傳播可靠度p的經驗對應關系。下面簡述標準偏差σs的求法[5]。

標準偏差σs主要和通信距離d有關，會隨著距離d的增大而緩慢減小，1967年，美國國家標準局經過大量數據測算，得到的數據見表1.

表1 距離與標準偏差經驗公式Tab.1 Empirical equation of d and σs

為了更具體得到σS與d的關系，可參見(6)式～(8)式，σs,pσs,mσs,s分別為平原地區、山區、海面的經驗公式。

σs,p=7+0.09ΔNse-0.000 3ds,

(6)

σs,m=4.6+0.06ΔNse-0.000 3ds,

(7)

σs,s=8.8+0.11ΔNse-0.000 3ds,

(8)

式中：ds是接收、發射節點至中間障礙點之間的距離，對于光滑球面，ds=d；Ns為大氣折射率。

另外，對于散射繞射傳播的標準偏差σd為

σd=4.6+0.06ΔNse-0.006d,

(9)

式中：ΔNs等于Ns的測試值減去Ns的年平均值，即

(10)

式中：

(11)

T為絕對溫度(K)，ps為大氣壓強(mbar)，e為絕對濕度(mbar)，e=pwer，pw為水蒸氣壓強，er為相對濕度。

通信節點的發送端定期將發送設備的參數向路由的接收端發送，發送過程中，散射信道的相關參量如路徑長度d、無線電與地平線的夾角θ以及N(H,h)為考慮公共體積底部影響等將會一同發送至接收端進行可靠度p的計算。每一個節點都需要定期維護這樣一張路由狀態檢測表，具體來看，該路由表當中的每一個狀態條目包含了四部分{ALS(p)、p、Source_IP、TIME}，分別是路由狀態裕量ALS(p)、傳播可靠度p、源IP地址和距離上一次路由刷新的時間TIME，一旦路由表中出現傳輸可靠度p低于相應鏈路的閾值，源IP地址丟失或者超出了路由刷新時間，接收端就會認為該段路由進入了“虛弱態”。

3 反向搜索機制下的本地路由修復協議

Ad Hoc無線自組網本身的動態性更需要以需求為導向的路由協議，所以，當前關于Ad Hoc網絡路由防斷裂的研究中，多是基于AODV協議進行改進。文獻[3]提出的方案是用一個節點代替準失效鏈路，但通信失效的原因可能是中間信道損耗過大造成連續兩個路由節點失效，無法保證多個路由節點失效時均能用某一個節點代替。文獻[4]提出AODV的改進路由協議，核心思想是某通信節點失效時，迅速找到替代的節點。本文認為除了節點，鏈路本身也可以造成路由的斷裂，應當正確定位，避免通信資源的浪費。文獻[6]提出的閑時逆尋，戰時通信環境變化復雜，閑時狀態難以準確捕捉。基于上文提出的Ad Hoc無線網絡監測模型能夠對鏈路和設備情況進行監測，本文提出始于路由接收端的RE-AODV反向搜索修復協議。

用Ad Hoc網絡拓撲圖描述RE-AODV反向搜索修復協議[7-8]，如圖3所示。

圖3 建立AODV基本型的Ad Hoc網絡Fig.3 AODV basic Ad Hoc network

圖3中：a-b-c-d為已經通過AODV建立好的路由，首先，定義關于節點的路由轉發規則：

規則1：按照前文所述路由監測模型，某段鏈路(b-c)的接收節點經過解算，傳播可靠度p低于閾值p0，即認為該路由進入“虛弱態”，即路由出現問題，無法保證現有信息的傳輸質量，可以啟動路由修復模型，防止路由斷裂。此時，c點并不是直接刷新全部的相鄰節點路由狀態監測表，而是首先向已經建立的路由的下一跳d發送刷新條目。如果沒有得到d的回應，c將停止向其他相鄰點報告路由監測狀態。

規則2：確保路由接收端節點不會向已知的“虛弱態”上游路由的節點發送更新條目，即如果d點已經從c獲知b-c路由進入“虛弱態”，則不會通過c-d向c點發出更新請求。

規則3：在更新相鄰路由節點路由狀態監測表的過程中，并非直接將原路由條目直接發送，需要編譯成路由修復表。例如：c點在將b-c進入“虛弱態”的信息向d發送前，先從自己的路由表當中查詢到自己的IP地址以及從源節點a-c的跳數，并將a-c的跳數作為序列號node打在新的字段上作為段首，其次是b-c段的路由狀態表，最后，是轉發節點即c點的IP地址和轉發時間，具體格式如圖4所示。

圖4 路由修復表組成字段
Fig.4 Fields of Route repair table

Ad Hoc網絡中，任何一段路由都有可能進入“虛弱態”，利用反向搜索算法修復本地路由的核心思想是從“虛弱態”鏈路的最下游節點向上游發起路由修復請求，在圖3中，如果c首先發現b-c段由進入“虛弱態”，但是不能確定c-d路由的狀態，那c首先要向d發出確認信息，而不是直接刷新相鄰節點的路由狀態表，假設c-d路由也同樣需要修復，那修復過程的起點將是d而非c. 因此，c點為整個路由的目標節點，卻是反向路由修復的起點，這種前置規則能夠在找到真正的修復起點d之前大大節省路由開銷[9]。

規則2、規則3思想仍然是定位路由最下游的“虛弱態”節點，反向尋找最優修復路徑，從而可以避免各個“虛弱態”的路由節點發起各自的修復路由的請求，這樣可以大大降低Ad Hoc網絡的全網路由開銷并減小端到端時延。將跳數node作為字段的最開始能夠使每一個節點的都有可能收到來自上游或下游的路由狀態表，節點可根據跳數將已知悉的路由狀態向下游節點發送，使得最下游的虛弱態節點在發起反向路由搜索之前掌握整個鏈路的狀態。RE-RODV反向搜索修復協議主要處理過程為：

步驟1 啟動反向路由搜索修復[6]。最下游的路由“虛弱態”節點d，已經收到了來自于b、c轉發的路由狀態表，確認b-c、c-d段的鏈路進入“虛弱態”，為了防止這兩段路由發生斷裂，需要從d開始向上游節點發起路由修復請求，發送請求的節點并非向全部d點的相鄰節點發出廣播(廣播的字段是攜帶有路由修復表的RREQ，稱之為RE-RREQ，同理，收到的回復信息是RE-RREP)，由規則2，d不會像c發出RE-RREQ消息。同樣，并非全部路由都具有替代原有路由的能力，如前文所說，不同的路由段傳遞信息的能力不同，取決于信息的本身，也取決于鏈路的狀態，衡量的特征量為可靠度p，p值越高，路由越能夠滿足高質量通信，所以，當p

步驟2 反向鏈路和正向鏈路的建立。根據路由的發起節點d所獲得的路由修復表中的路由狀態，可以判斷出“虛弱態”鏈路b-c-d以及路由的修復目標節點b，經過了步驟1的初始轉發節點的篩選，排除了向d-e發送RE-RREQ信息。當通信連接的終端間存在有效路由時，AODV不執行任何操作，直接可以將其作為修復路由。如果不存在d-e和d-i至b的有效路由，原節點配置的AODV協議將啟動，途經的節點經過步驟1節點的篩選，向符合條件的鄰居節點廣播，直到該分組被送到一個具有“足夠新”路由的中間節點或目的節點本身。如圖5所示。

圖5 基于RE-AODV反向搜索修復算法的路由建立Fig.5 Route establishment based on reverse search and repair algorithm of RE-AODV

“足夠新”路由指到目的節點的路由且目的節點序列號大于或等于路由請求消息RE-RREQ中的目的序列號。請求分組中的序列號用來防止路由環路，并能判斷中間節點是否響應了相應的路由請求，節點將丟棄重復收到的請求分組。當序列號相同時，反向路由的目標節點將選擇各段節點的平均傳輸可靠度p最大的路由完成路由建立。路由的建立包括：一是反向鏈路的建立，每個節點接收到路由請求消息RE-RREQ消息后都會緩存到源節點的路由，形成反向鏈路；二是正向鏈路的建立，對路由請求消息RE-RREQ消息的回復，可以由目的節點產生或由一個具有“足夠新”[1]路由的中間節點產生。由于有先前建立好的反向鏈路，因此路由應答消息RE-RREP采用單播方式發送至源節點。

步驟3 路由刷新。當不穩定路由本地修復完成之后，路徑長度可能與修復前不一致，那么修復區域之外的節點緩存的路由距離向量將會不一致，影響通信的正常進行和以后的路由修復工作，所以必須通過一定的機制將路由刷新一致。當路由目的節點(也就是反向搜索的路由起點d)接收到RE-RREP時，獲知路由被成功修復過一次，將向原路由的源節點a節點發送路由刷新請求RU-REQ(hop count=0)，源節點a向目的節點d回復刷新回復RU- REP(hop count=0)，RU-REQ和RU-REP沿修復后的路由傳播[3,10-11]，沿途各節點根據RU-REQ和RU-REP的距離矢量刷新相應的路由距離矢量。

4 仿真分析

在網絡仿真技術軟件OPNET平臺下對AODV和RE-AODV進行仿真分析[12]，圖6、圖7分別為節點模型和路由進程。仿真節點設置為50個，在300 km×300 km的區域內隨機分布的場景內進行測試，場景當中由2個節點隨機生成業務流，各段鏈路的傳輸可靠度隨機，“虛弱態”閾值為p0=80%，進入“虛弱態”的鏈路概率為20%，鏈路節點移動模型為Random-Way-Point，MAC協議采用標準的IEEE802.11 CSMA/CA協議，通信采用512 B定長數據包，節點的移動速度分別為0、5 m/s、10 m/s、15 m/s、20 m/s、25 m/s、30 m/s、35 m/s,實際的散射通信設備的單挑通信距離為50 km, 在仿真中進行相應比例縮小為25，信道帶寬為2 MB/s，最大路由跳數12跳。經OPNET仿真，得到結果如圖8～圖10所示。節點模型和路由進程分別為：

圖6 節點模型Fig.6 Node model

圖7 路由進程Fig.7 Routing process

圖8 不同最大移動速度下的平均端到端時延Fig.8 Average end-to-end delay at different maximum moving speeds

圖9 不同最大移動速度下的控制報文開銷Fig.9 Control packet overhead at different maximum moving speeds

圖10 不同最大移動速度下的分組投遞率Fig.10 Packet delivery fraction at different maximum moving speeds

根據網絡性能比較的需要，采用平均端到端時延、控制報文開銷以及分組投遞率進行性能分析，以得出路由即將中斷時由源節點重新發起AODV和RE-AODV反向搜索算法的性能差異[13]。

平均端到端時延是指各口的節點收到數據分組的時間與相應源節點產生數據分組的時間之差的平均值。控制報文開銷是為傳送數據包而發送的路由控制分組開銷。由圖8和圖9可以看出，速度較低時(≤15 m/s)，RE-AODV算法的時延和網絡開銷相對較大。這是因為路由健康程度較高，斷裂的速度較慢，而RE-AODV的監測會帶來相應節點的額外時延并增加相應開銷。但是當速度大于15 m/s時，Ad Hoc網絡的健康程度顯著降低，路由開始斷裂，原有AODV中的路由建立過程反復發起，帶來較大時延和控制報文開銷。而RE-AODV本地修復依靠故障定位和快速修復在反向搜索中相比端到端時延最大降低17.1%并減小控制報文開銷最大達到21.8%.

圖10中的分組投遞率是指實際接收的數據分組與源節點發送數據分組的比值。由仿真結果可以看出，速度較小時，路由健壯性較好，分組投遞的成功率較為接近，隨著速度的增加，鏈路斷裂可能性在增大。而RE-AODV協議的分組投遞率整體高于AODV協議，特別在節點的最大移動速度大于20 m/s時，由于AODV協議在鏈路斷裂后，斷裂的上游節點可能因緩存大量數據包而溢出，其分組投遞率明顯低于RE-AODV協議。而RE-AODV協議通過準確監測路由狀態而大大減少了鏈路斷裂次數，在節點以較大速度(20 m/s)運動時能夠保持70%以上的分組投遞率。

5 結論

本文首先提出了將散射通信運用在Ad Hoc網絡中，結合了其傳輸特點，構建散射通信條件下的路由狀態監控模型，使得不同的路由能夠根據其所傳輸信息的不同標準得出可靠傳輸的閾值，進而利用反向搜索算法對“虛弱態”的鏈路進行起點定位和本地修復。當節點快速移動時，散射監測模型下的RE-AODV反向搜索修復算法相比于AODV協議的修復過程，能夠平均降低路由控制報文開銷最高10%～20%，能夠較大程度提高反導作戰的組網效能。

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Anti-fracture Technology of Ad Hoc Network Routing in Tropospheric Scatter Channel

HE Shao-tong1, XUE Lun-sheng1,2, CHEN Xi-hong1, ZHANG Kai1

(1. Air and Missile Defense College, Air Force Engineering University, Xi’an 710051, Shaanxi, China；2.School of Marine Science and Technology, Northwestern Polytechnical University, Xi’an 710072, Shannxi China)

Most of the existing Ad Hoc network routing researches are to use the single receiver power as the basis of the ideal channel. In order to enhance the performance of anti-missile network, the tropospheric scatter channel with long communication distance and anti-interference ability is introduced, and the overall effect of the channel and device characteristics on Ad Hoc network routing is studied. According to the AODV optimization protocol, a monitoring model for the routing status of scatter channel is proposed, which can quickly locate the end nodes of “ weak ” routing and initiate a reverse search for damaged routes before the routes break. Simulated results show that the improved routing protocol RE-AODV reduces the average end-to-end delay by 17.1% and the maximum control packet overhead by 21.8%. The packet delivery ratio of RE-AODV algorithm maintains at 70% or even higher, which proves that it can prevent the routing fault of high-speed mobile nodes.

ordnance science and technology; Ad Hoc; routing anti-fracture; scatter channel; reverse search; route repair

2016-03-22

國家自然科學基金項目(61671468)

賀紹桐(1991—), 男, 碩士研究生。 E-mail: hst1022@126.com； 薛倫生(1972—)， 男， 教授， 博士生導師。 E-mail: pxx_0308064@163.com

TP393.04

A

1000-1093(2016)12-2317-07

10.3969/j.issn.1000-1093.2016.12.018