基于AODV的多彈組網速度感知路由算法

何 東，于紀言

(南京理工大學 智能彈藥技術國防重點學科實驗室， 南京 210094)

彈道修正火箭彈多彈組網作戰系統是彈群組網作戰系統在火箭彈上的一種應用。由于修正火箭彈較導彈等精確打擊武器成本低廉，因此通過多枚甚至大規模的修正火箭彈組網協同對目標進行打擊，具有較高的效費比。作為一種創新性的體系作戰模式,修正火箭彈彈群組網協同作戰系統為未來戰爭提供了一種能夠快速反應和具有強大火力打擊能力的武器系統,并提高了火箭彈的整體作戰效能,而實現彈群信息互聯互通的空間無線鏈路的機制是實現彈群組網及協同攻擊的關鍵[1-4]。移動自組網(ad-hoc)由于具有無中心節點、無基站、能夠適應節點快速移動和拓撲變化頻繁的網絡，在彈群組網中被廣泛應用。ad-hoc網絡路由算法是ad-hoc網絡的核心也是實現彈群互聯互通的空間無線鏈路的關鍵[5]。目前，ad-hoc較為成熟的路由協議包括DSDV、FSR、OLSR等[6]。其中AODV路由協議是一種能夠較好適應ad-hoc網絡的按需路由協議,該路由協議不需要維護到所有節點的路由，僅需在需要時才進行路由獲取，通信結束則不再維護路由，從而節省了網絡資源。然而AODV路由協議在節點高速運動的環境下，網絡拓撲頻繁變化，鏈路極易中斷，導致網絡性能的迅速下降，從而無法提供較好的網絡通信質量[7-9]。

本文針對彈群組網的特點，在AODV的基礎上設計了具有速度感知的改進型AODV路由協議(SA-AODV)。SA-AODV相比AODV引入了優先路由節點判斷機制以及基于節點相對速度的鏈路有效時間計算機制，通過比較源節點到目的節點各條鏈路的有效生存時間，選擇出有效生存時間最長的鏈路作為最佳路由線路。

1 AODV路由發現階段分析

AODV是一種專門針對移動自組網設計的典型按需距離矢量路由協議，具有較小的額外路由控制開銷[10]。AODV路由發現是通過廣播的方式由源節點發送RREQ數據包來建立路由。當源節點有數據要發到目的節點時，先查看路由表中是否有到達目的節點的有效路由，如果有，則按照路由發送，如果沒有，則發起路由發現過程。源節點采用泛洪廣播的方式給周邊一跳節點發送RREQ消息，接收到RREQ包的中間節點先查看在一段時間內是否收到具有相同標識的RREQ包，如果有，丟棄后收到的RREQ包，如果沒有，處理該RREQ包。如果該節點不是目的節點且沒有到達目的節點的活動路由，則建立到源節點的反向鏈路，以支持后來的RREP 包的回送，RREQ 跳數加一，更新目的節點序列號。如果節點是目的節點或者有到達目的節點的活動路由，則產生RREP 進行路由應答。路由應答消息沿著RREQ發送過程中建立的反向路由送到源節點，至此路由發現過程結束，源節點與目的節點建立起了通信鏈路。

2 AODV路由改進算法SA-AODV設計

2.1 多彈網絡中AODV面臨的挑戰

火箭彈彈群網絡中，彈節點高速運動導致網絡拓撲變化頻繁。由于經典AODV路由協議在路由發現階段采用的是最短鏈路機制(即鏈路中路由節點最少)，并沒有考慮通信鏈路中節點間的相對運動導致的通信穩定性問題。在高速運動的彈群網絡中，當鏈路上的兩個通信節點具有較大的相對運動時，彈節點將會在短時間內運動到通信半徑之外，使得由AODV路由協議建立起的通信鏈路頻繁斷開。當通信鏈路斷開后，通信網絡就會通過AODV路由修復機制進行路由重建，但是利用經典的AODV路由修復機制進行路由重建往往趕不上網絡拓撲變化導致鏈路中斷的速度，從而導致整個網絡通信性能急劇下降。

2.2 路由發現改進思路

在多火箭彈組網的網絡中，由于修正火箭彈節點可以從彈載GPS模塊中實時的獲取節點的位置和速度信息。針對這一特點，可在路由發現階段廣播RREQ消息時，在RREQ消息中添加幾項關于節點位置和速度的信息。源節點通過GPS獲取自身的位置和速度信息后，將位置和速度信息添加到RREQ消息中構造成改進型RREQ消息，并將改進的RREQ消息廣播到周圍的鄰居節點。當RREQ到達鄰居節點后，鄰居節點首先根據經典的AODV方式處理RREQ消息，當經典AODV路由算法判定該節點為中間路由節點時，通過獲取RREQ消息中的速度和位置信息并結合節點自身的位置和速度信息，采用優先節點判斷機制判斷該路由節點是否為優先路由節點，如果是，則更新RREQ消息并向周圍繼續廣播和轉發數據分組。如果不是優先路由節點，則丟棄該RREQ消息。

2.3 優先節點判斷機制

優先節點的判斷機制是根據當前節點的位置和上一跳節點的相對運動速度的大小及方向進行節點篩選。設節點A所在位置坐標為(xA,yA,zA)，速度為vA與z軸的夾角為γA、速度在xoy面的投影與x軸的夾角為φA。設節點B坐標為(xB,yB,zB),速度為vB與z軸的夾角為γB、速度在xoy面的投影與x軸的夾角為φB，且節點B接收到了由節點A發來的改進型RREQ消息。考慮到節點的最大通信半徑和可靠性要求可知，節點A和B之間的距離為LAB≤pR，其中R為節點的通信半徑，p為可靠性參數(取0.7～1)。因此可知優先路由節點需滿足的第一個條件為:

(xA-xB)2+(yA-yB)2+(zA-zB)2≤ρ2R2

(1)

(2)

(3)

當節點通過經典AODV篩選確定為中間路由節點時，如果滿足式(1)、(3)兩式則被選定為優先節點。

2.4 SA-AODV路由選擇機制

SA-AODV路由選擇機制是基于路由有效生存時間(RLTRouting Lifetime)的AODV路由選擇改進策略。SA-AODV路由選擇機制的思路為：首先利用優先節點判斷機制對轉發性能較好的節點進行篩選并建立多條到達目的節點的有效路由，并在這多條到達目的節點的路由中選擇一條有效生存時間最長的路徑進行數據通信。當目的節點接收到改進型RREQ消息后，首先根據經典的AODV算法處理RREQ消息，接著會添加由GPS模塊獲取的自身位置和速度信息到原有的路由響應消息RREP中，并沿著反向路徑將改造過的路由響應消息(改進型RREP)發送至源節點。改進型RREP消息相比原有的RREP增加了響應節點的位置和速度信息。在向源節點發送改進型RREP過程中，中間節點收到目的節點發送的RREP消息后，首先緩存由上一個節點發來的改進型RREP消息中的位置和速度信息，然后用自身的位置和速度信息改寫改進型RREP中的位置和速度字段的信息。因此在反向路徑上的所有節點都可以知道上一跳轉發節點的位置和速度信息。由于節點可以通過自身攜帶的GPS模塊獲取自身的位置和速度信息，因此可以根據反向鏈路上一跳節點的位置和速度信息以及本身的位置和速度信息計算兩節點間的鏈路有效生存時間LST。

(4)

令：

(5)

因此解可知：

(6)

由于路由鏈路需要保證整個鏈路上所有的節點與節點間的通信暢通，如果某個節點與節點間的鏈路斷開時整個路由將失效，因此路由有效生存時間為整個路由鏈路上各個節點間鏈路保持有效通信時間的最小值。如圖2所示，源節點S到目的節點的路由有效時間計算公式為：

RLT=min(LST1,LST2,LST3,…,LSTn)

(7)

圖1 LST計算原理圖

各節點間的鏈路有效時間LST可以利用式(6)計算得到,同時將計算所得的LST和已存儲在RREP消息中的RLT進行比較，如果新計算的LST小于RREP消息中 的RLT值，則更新LST為新的RLT值，否則不更新RREP中的RLT值，并沿著反向路徑對RREP消息進行轉發。當RREP最終到達目的節點時，根據上面的計算流程就可以知道該條路由中所有節點之間的鏈路生存時間，源節點同時可以根據收到的RREP消息知道整條路由的有效生存時間RLT。當源節點收到所有的路由線路上返回的RREP消息后，就可以根據消息中攜帶的RLT信息比較各路由線路的路由生存時間RLT，從而選出一跳路由生存時間最長的路由線路作為數據通信鏈路。SA-AODV路由選擇流程如圖3所示。

圖3 SA-AODV路由選擇算法流程

2.5 SA-AODV算法評估

相較與經典的AODV算法，SA-AODV 引入了優先接節點判斷機制以及有效鏈路時間計算，從而保證了無線鏈路的穩定性。SA-AODV在路由發現階段，由于改進型RREQ和改進型RREP消息都增加了節點的速度和位置信息，需要與彈載的GPS模塊進行通信獲取該信息，因此存在一定的時間消耗導致路由發現階段較經典AODV耗時較多。火箭彈組網的網絡中由于節點的速度快，拓撲變化頻繁的特點，經典AODV應用于該網絡中時，會由于選擇了相對運動速度較大的節點作為路由節點從而導致鏈路頻繁斷開，需要頻繁發起鏈路修復。經典AODV鏈路修復分為本地修復和重新發起路由發現，由于頻繁的拓撲變化，往往導致本地修復失敗而不得不重新發起路由發現，重新發起路由發現則需要泛洪廣播RREQ消息，不僅耗時較多，同時會造成大量網絡資源的嚴重浪費。

SA-AODV在路由發現階段通過優先節點判斷機制和鏈路有效時間計算，雖然相比AODV有一定的時間消耗，但是由于選擇了源節點到目的節點中最穩定的鏈路，降低了鏈路斷開后重新發起路由發現的風險。因此SA-AODV路由算法在多彈組網網絡通信的整個過程中，雖然增加了路由發現的時間，但是降低了鏈路中斷的風險，從而避免了鏈路修復耗時，使得整體性能有了大幅提升。

3 協議仿真及仿真結果分析

3.1 仿真參數

本文采用OPNETmodeler14.5作為網絡仿真工具進行仿真,本文采用的火箭彈類型為107火箭彈。仿真參數配置如表1所示。

表1 仿真參數配置

107修正火箭彈的一般射程在10 km之內，因此將仿真區域設置為10 km×10 km的正方形區域。節點的運動模型采用107的理論彈道模型，通過在Matlab中編程解算出107火箭彈每間隔0.01 s的坐標位置、偏航角(yaw)、側滾角(roll)、傾斜角(pitch)以及當前位置時火箭彈的運動速度和方向。將matlab解算出來的彈道數據，導入到以.trj為擴展名的OPNET節點軌跡文件中，并在OPNET的節點屬性中將軌跡文件配置到對應的節點。仿真中發送的數據大小采用contact模型，間隔時間設置為每個節點每間隔0.5 s產生一個1 024 bits大小的數據包。總仿真時間根據107火箭彈的彈群的飛行總時間進行計算，設置為72 s。

3.2 仿真實驗及結果分析

3.2.1仿真實驗

在仿真過程中有以下幾個假設：

假設1，火箭彈發射的瞬間通信模塊開啟，落地引爆瞬間通信模塊失去通信能力；

假設2，每門107火箭炮的發射規律相同，炮與炮之間的間距為200 m并且每門炮布置在同一直線上；

假設3，單門火箭炮發射火箭彈時，彈與彈之間的發射間隔為1 s，每個火箭彈除了發射的初始位置不一樣以外，具有相同的發射前后角，俯仰角以及初速度(火箭炮發射規律)；

假設4，各彈節點的通信半徑相同。分別對單門火箭炮按照發射規律發射火箭彈以及多門火箭炮按照發射規律齊射進行了組網仿真實驗，并對比了采用AODV路由算法以及SA-AODV路由算法組網時節點間端到端的延時、丟包率、路由開銷等影響網絡性能的關鍵指標進行了對比。

圖4是5門火箭炮按照發射規律齊射60枚火箭彈在OPENT網絡層的拓撲結構圖，圖4中帶箭頭的白色線條是彈道軌跡在xoy面上的投影，彈節點在仿真過程中將沿著彈道軌跡從初始位置飛到落點位置，在飛行過程中與其他彈節點進行組網和數據傳輸。

圖4 60枚火箭彈在OPNET中的網絡拓撲

3.3.2仿真結果及分析

仿真結果圖中，AODV代表彈節點采用經典AODV路由協議進行組網并沿著火箭彈的彈道軌跡運動。AODV-FIX作為參考項，彈節點采用了經典AODV路由協議組網，但是彈節點在原發射位置固定不動。SA-AODV與AODV相似，仿真了火箭彈彈節點在全彈道飛行過程中的組網性能，不同點在于AODV采用了經典的AODV路由算法，而SA-AODV采用的路由算法是基于AODV的速度感知路由改進算法。

圖5和圖6是隨著彈節點的增加對應的AODV、AODV-FIX、SA-AODV端到端的時延變化圖以及網絡的整體丟包率變化圖。對比AODV曲線上的點的時延始終大于AODV-FIX，這是因為彈群節點沿著各自彈道軌跡運動時，由于彈節點的高速運動導致彈群網絡拓撲變化頻繁，使得彈節點間鏈路頻繁斷開從而導致彈節點間的通信時延增大和彈群網絡間通信的丟包率也隨之增大。由于AODV-FIX曲線中彈節點的位置是不隨時間而變化的，因此彈節點間的鏈路變化較小，因此端到端的時延也較小。AODV-FIX曲線端到端的時延隨著節點的增加而增大，主要原因是隨著節點增加，通信鏈路中間路由節點也隨之增加，從而導致網絡整體端到端的時延增大。在圖5和圖6中，對比SA-AODV和AODV的端到端時延曲線以及丟包率曲線可知，SA-AODV端到端的時延以及丟包率都低于AODV,因此SA-AODV比AODV在彈群組網環境下有更好的性能，且性能有很大的提升。主要原因是，SA-AODV路由算法相對于經典的AODV路由算法引入通過節點相對運動速度來選擇下一跳路由節點以及通過計算每條可達的路由路線的最長有效生存時間選擇最佳路由線路的機制，從而保證了彈節點之間通信鏈路的穩定，降低了彈節點高速運動對彈群網絡拓撲的影響，從而降低了彈群網絡通信時端到端的時延以及丟包率。

圖5 端到端時延曲線

圖6 丟包率曲線

由于SA-AODV路由算法中，節點獲取當前自身的位置和速度信息以及計算路由有效生存時間和選擇最佳路由路線都需要消耗一定的時間，因此在圖7中，SA-AODV路由發現時間曲線相比采用經典AODV路由算法的其他兩條曲線，明顯路由發現耗時較大。

4 結論

本文通過在路由發現階段采用基于節點通信半徑和節點位置的優先路由節點選擇機制，以及引入基于節點間相對運動速度計算有效鏈路生存時間的最佳鏈路選擇機制對經典的AODV路由算法進行改進。通過網絡仿真對比了SA-AODV和AODV在高速飛行的彈群網絡中端到端的時延、丟包率以及路由發現時間等網絡性能的關鍵指標。仿真實驗表明，雖然SA-AODV在路由發現階段比經典的AODV耗時較多，但當網絡建立后，SA-AODV相對于AODV端到端的時延和網絡通信的丟包率明顯下降。因此，SA-AODV比AODV在高速運動彈群網絡中具有更穩定的通信能力。

圖7 路由發現時間曲線