基于群特征的通信自組織網優化研究

田甜，董洋溢，張妍

（陜西學前師范學院，陜西 西安 710100）

0 引 言

自組織網（Ad Hoc）是一種自治的無線網絡，網絡中的節點可隨意移動并能以任意方式相互通信，整個網絡不需要配置固定的基礎設施，可以在不能利用或不便于利用現有網絡基礎設施的情況下，提供一種便捷的通信環境支撐，拓寬了無線通信網絡的應用場景。隨著物聯網時代的到來，基于物聯終端的自組織網絡已經成為移動通信技術發展的一個重要方向。目前國內外對自組織網絡的研究大多集中于網絡拓撲、協議算法等層面，對自組織網中大量節點所表現出來的群體特征，以及群體特征對網絡性能影響的研究還不多見。本文從自組織網節點的群體特征入手，針對網絡協作中節點位置的管理提出相應的優化方案。

1 節點的群體特征與網絡群化概念

從自組織網的構成目標上不難看出，其網絡節點具有以下群體特征：（1）行動多維一體。根據目標任務的需要，按需聚合成群，按需優化組合。同一個節點編組，內部的通信單元可能來自多種項目單元組合，節點編組呈現了多維一體的群體運動特性。（3）單元動態運動。單元動態運動是指網絡節點編組的空間位置、內部結構會隨著通信態勢和任務需要的變化而變化，呈現出動態運動的特性。（3）節點實時聚合。根據任務需要，網絡節點編組的群體運動會帶來指揮機構之間指令傳輸關系的柔性組合。這些特點充分表明，自組織網的節點實際上充斥著群體運動的特性。

群化是指群體化、集群化，一般是指人或物聚集在一起的現象。在自然界中，群化現象十分普遍，比如分工有序的蟻群、靈活機智的魚群、廣場聚集的人群，社交軟件中的社群，等等。學術界研究群化問題的初衷，并不是因為大量個體聚集以后規模變得龐大，而是群化節點形成后具有了新的特征和功能。以典型的魚群為例，在這個魚群的群化節點中，每一個個體的力量和功能是微不足道的，但聚合在一起的魚群整體卻能夠在覓食、躲避危險、種群繁衍中表現出極其智能化的行為。這種動物群體內部的分工協作、整體協調現象蘊含著豐富的信息處理機制，給人類以智慧的啟迪。

基于自組織網的群體特征和群化含義，可對網絡群化的概念進行描述：網絡群化是指通信自組織網中，由節點編組的群體運動導致的運動節點跨網集群、固定節點間跨域連接、各子網間交鏈融合的現象。其中，運動節點的群化和群體運動是網絡群化現象的直接原因；固定節點群化是自組織網適應運動節點群化的一種表現；隸屬不同分系統子網的固定節點群化使各系統子網深度交鏈，形成整個自組織網絡的群化。

2 網絡協作中節點位置管理優化方案

在自組織網中，網絡節點是可移動的，并且要求網絡節點間彼此通信。當網絡節點連接到上級指揮網絡后，為解決節點網絡地址動態變化的問題，必須有相應的策略對網絡節點的位置進行管理。在節點的網絡群化運動中，可通過群化管理來加大對位置管理的管理力度，其具有群化服務的特性，節省了位置管理開銷。然而，將群化管理用于位置管理時需要注意以下三個方面的事項：

（1）考慮對網絡節點實施位置管理的必然性。自組織網必須支持網絡節點的移動性，保證通信過程中網絡節點在任何區域都具有接受位置管理服務的能力。

（2）考慮節點的位置管理與節點運動特性是密切相關的。如果節點頻繁運動，就會增加位置管理的通信開銷，相反，節點靜止或在有限區域內活動時，其開銷相對較小；在具體的通信過程中，某個區域的節點密度增大，相應的位置管理開銷也會隨之增加。

（3）考慮節點位置管理具有區域特性以及信令冗余特性。在兩個群化節點的邊界區域，位置更新頻繁，但更新信息公告極有可能相同或相似，信息存在冗余。

基于以上問題，本文提出一種新的網絡群化節點位置管理策略，總體思路為：在構建群化節點模型的基礎上，將鄰近的節點組成一個群化節點。在某個位置更新的過程中，位于同一群化節點的節點成員擁有相似的位置信息和運動趨勢，因此以群化節點為粒度，統一進行位置更新報告，這樣就能大大降低位置更新的信令開銷和數據庫接入開銷，從而達到節省頻率資源、增加系統吞吐能力的目的。

群化位置管理的基本網絡拓撲模型是一種群化節點模型和節點對等通信模型相融合的重合模型，結構為垂直水平混合的網狀結構。水平通信用于節點成員之間互通形成群化節點，垂直通信用于群組與上一級群組之間的信息交互。

3 基于OPNET的模型仿真

OPNET模型通常分為3+1層。第一層是網絡級，用來對網絡拓撲進行描述；第二層是節點級，對組成網絡拓撲的各類節點進行描述；第三層是進程級，對組成節點進程的有限狀態機進行描述；最后一層是C/C++語言代碼，是對各個進程的編程實現。建模流程如圖1所示，仿真項目依托橫向課題中某應急管理中心的真實案例而展開。

圖1 OPNET建模流程圖

根據網絡涉及的項目類型、網絡規模、節點數量和互聯模式，構建如圖2所示的基本網絡模型，該網絡模型由總指揮節點、一級指揮節點、二級指揮節點和分布單元節點共四類節點模型組成，其中包括1個總指揮節點、4個一級指揮節點、12個二級指揮節點和36個分布單元節點。總指揮節點與4個一級指揮節點通過有線以太網鏈路連接構成上層的核心指控網絡。每個一級指揮節點下下屬三個節點集群，每個集群包含1個二級指揮節點和3個分布單元節點。

圖2 基本網絡模型結構圖

上述網絡拓撲中除了總指揮節點與一級指揮節點間基于有線端口和通信鏈路進行信息傳輸外，其他節點間均通過無線接口收發數據。因此，為了實現整個網絡的正常運轉，提前在網絡傳輸的業務數據、路由協議、接入方式、時隙資源及物理信道等方面進行參數配置。

為驗證和比較不同網絡狀態下的性能，針對自組織網可能出現的不同狀態，假象并設置了12個場景，采取交叉對比的方式，分析不同策略下網絡性能的優劣，仿真時間統一設定為2 000秒，分別采用AODV和OLSR路由協議進行對比。可按照節點的不同狀態將這12個場景分為四大類想定場景，即：節點靜止狀態、節點移動狀態、節點故障狀態和全局隨機移動兼故障狀態，每一類想定場景下又分別針對傳統的層級化通信和網絡群化通信方式進行仿真比較。具體描述為：

（1）local_network_communication_with_aodv。傳統的層級化通信方式，即上行業務的傳遞方向必須依照分布單元節點—二級指揮節點—一級指揮節點—總指揮節點的邏輯層級傳輸，下行業務的傳遞方向與之相反，節點間基于AODV路由協議通信。

（2）whole_network_communication_with_aodv。網 絡群化，節點間的上下行業務傳遞不依賴于各層級的嚴格限制，只要在信號可達的通信范圍內即可直接根據自組網絡由建立的下一跳轉方向進行業務傳遞，該場景下節點間基于AODV路由協議通信。

（3）whole_network_communication_with_olsr。該場景下節點間基于OLSR路由協議通信。

（4）local_network_mobile_roaming_with_aodv。傳統層級通信網絡，該場景下個別節點按照既定的運動軌跡在本網內或不同子網間移動漫游，模擬節點執行特定通信任務時在不同區域下的入網、退網和路由變化過程。

（5）whole_network_mobile_roaming_with_olsr。模擬節點執行特定任務時在不同區域下的入網、退網和路由變化過程。

（6）local_network_failure_with_aodv。在不同時間點分別對某個二級指揮節點、一級指揮節點和總指揮節點設置故障，考察不同級別關鍵節點出現故障后對網絡性能的影響。

（7）local_network_random_mobility_failure_with_aodv。在不同時間點出現不同級別的關鍵節點發生設備故障，并且讓所有移動節點在隨機移動的狀態下進行通信，考察這種復合多變的狀態下整個網絡性能的變化情況，該場景下所有節點基于AODV路由協議通信。

針對上述網絡仿真場景，比較各場景下網絡性能的差異，這里分別根據應用層業務、網絡路由協議、接入協議和物理鏈路幾個方面的統計結果對網絡性能進行綜合考察。所選擇的統計結果包括全局統計結果Global Statistic、節點統計結果Node Statistic和鏈路統計結果Link Statistic。選擇的統計內容包括FTP、AODV、OLSR、TDMA和Link Statistic，如圖3所示。

圖3 統計結果選擇

4 仿真結果分析

綜合上述各類仿真場景及結果分析，針對仿真案例規模下的網絡組成結構、互聯方式以及所需傳輸的業務量，采用傳統層級的網絡管理方式，通過逐層的信息上報，信息融合，再到逐層的指令信息下發，這中間存在各層級的中轉處理和控制，可能會造成不同編隊間、不同地域間、不同單位間通信時，需要經過很多環節的中繼處理后才能最終抵達目的端。一方面增加了業務傳輸的時延和丟包概率，降低了時效性；另一方面又造成各級網絡對其指揮節點的依賴性高，網絡抗毀性和魯棒性差，一旦各核心節點遭受到攻擊，整個網絡的通信將陷于癱瘓狀態。文中提出的網絡模型設置方案，其網絡組成單元身份等級的平級化，大大減少了網絡整體和局部對核心節點的依賴性，降低了網絡故障的波及范圍，使得整個網絡的成員組網靈活多變，進而提升網絡的抗毀能力和魯棒性。

5 結 論

根據仿真案例結果分析，為了使自組織網更好地滿足未來通信的發展需求，使各通信單元間能夠更為靈活、可靠地進行信息共享，建議對傳統指揮系統網絡進行扁平化改進，即各層級、各指揮部門在其信號所能覆蓋的通信范圍內，通過對底層通信技術和組網絡由方式的改進，重視網絡協作中節點的位置管理，通過群化節點模型的設計方案，盡可能通過最少跳數將信息傳送到目的端，即實現較少的中間環節的快捷轉發，進而提高信息傳輸的時效性。