段 榮，呂 娜，張岳彤

(空軍工程大學(xué)電訊工程學(xué)院，陜西 西安 710077)

1 軍事航空自組網(wǎng)簡介

移動自組織網(wǎng)［1］具有無中心、自組織和多跳路由等特點(diǎn)，具有很強(qiáng)的靈活性和抗毀性，并能減少通信盲區(qū)，被廣泛用于戰(zhàn)場通信、搶險救災(zāi)、野外科考等領(lǐng)域。近年來，國內(nèi)外已經(jīng)開始研究把移動自組織網(wǎng)應(yīng)用在航空通信領(lǐng)域。目前的研究成果主要集中于民航和無人機(jī)自組織網(wǎng)絡(luò)方面［2-6］，還沒有關(guān)于在軍用飛機(jī)節(jié)點(diǎn)之間建立自組織網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)研究成果。因此，在軍事航空通信中引入自組織網(wǎng)的概念，必將大大提高軍事航空通信的抗毀能力以及遠(yuǎn)程作戰(zhàn)保障能力，可見，軍事航空自組網(wǎng)(Military Aeronautical Ad hoc Network，MAANET)的研究具有重要的理論研究和實(shí)際應(yīng)用價值［7］。

MAANET的概念圖如圖1所示。MAANET采用動態(tài)組網(wǎng)、動態(tài)路由和中繼等技術(shù)，將作戰(zhàn)飛機(jī)彼此互聯(lián)互通構(gòu)成一個多跳網(wǎng)絡(luò)，同時具備快速高效組網(wǎng)的優(yōu)勢和自組織、自修復(fù)的能力。當(dāng)目的節(jié)點(diǎn)在本節(jié)點(diǎn)的通信范圍內(nèi)時，直接發(fā)送數(shù)據(jù)分組，當(dāng)目的節(jié)點(diǎn)不在本節(jié)點(diǎn)通信范圍內(nèi)時，選擇合適的路由，通過其他節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)分組。在沒有空中平臺的信息支援情況下，作戰(zhàn)飛機(jī)之間可以彼此交換戰(zhàn)場態(tài)勢信息、指揮控制信息和協(xié)同作戰(zhàn)信息，從而實(shí)現(xiàn)編隊內(nèi)或編隊間協(xié)同作戰(zhàn)。在有空中中繼平臺(高空無人機(jī)或預(yù)警機(jī))信息支援的情況下，MAANET網(wǎng)絡(luò)還可以通過中繼平臺接入地面或衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)，與地面和衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)互通，從而構(gòu)成整個空天地一體化網(wǎng)絡(luò)的末端子網(wǎng)，有效提升超視距遠(yuǎn)程作戰(zhàn)能力。地面指揮所的指揮引導(dǎo)信息、空域態(tài)勢信息等可以向空中作戰(zhàn)飛機(jī)傳送，同時指揮所也可以接收作戰(zhàn)飛機(jī)所發(fā)送的戰(zhàn)場態(tài)勢信息，對整個戰(zhàn)場態(tài)勢、打擊效果等進(jìn)行效能評估。

圖1 MAANET的概念圖

然而，在軍事航空網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，節(jié)點(diǎn)的移動速度將達(dá)到超音速，甚至高達(dá)多個馬赫(1倍音速=1馬赫≈340 m/s)，這種由于節(jié)點(diǎn)高速運(yùn)動而導(dǎo)致的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的高動態(tài)性對路由協(xié)議的設(shè)計提出了巨大的挑戰(zhàn)，傳統(tǒng)的Ad hoc網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議將不再適用;利用地理位置信息的路由協(xié)議是一種新的Ad hoc網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議，網(wǎng)絡(luò)中各個節(jié)點(diǎn)只需要知道其通信半徑范圍內(nèi)鄰節(jié)點(diǎn)的地理位置信息，路由建立僅需通過數(shù)個單跳拓?fù)湫畔⒕涂梢酝瓿?，但是目前已有的利用地理位置信息的路由協(xié)議一般都沒有考慮節(jié)點(diǎn)的高速運(yùn)動，因此也不能達(dá)到很好的路由性能，不能適用，需要設(shè)計特定的路由協(xié)議以適應(yīng)MAANET網(wǎng)絡(luò)的高動態(tài)環(huán)境。本文提出了一種基于地理位置的HDMARP，并對協(xié)議的性能進(jìn)行了仿真分析，分析結(jié)果表明，該路由協(xié)議相對于其他已有的Ad hoc網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議分別在平均時延、報文交付率以及路由開銷等方面具有更好的協(xié)議性能，能夠較好地滿足軍事航空自組網(wǎng)的高動態(tài)需求。

2 利用地理位置信息的路由協(xié)議研究現(xiàn)狀

隨著定位技術(shù)的發(fā)展，節(jié)點(diǎn)可以方便地獲得自己的地理位置信息。利用這些位置信息可以改善自組網(wǎng)的路由性能，所以人們開始致力于研究使用位置信息的路由協(xié)議?；诘乩砦恢玫穆酚蓞f(xié)議，網(wǎng)絡(luò)中各個節(jié)點(diǎn)只需要知道其通信半徑內(nèi)的鄰節(jié)點(diǎn)的地理位置信息，路由建立僅通過數(shù)個單跳拓?fù)湫畔⒓纯赏瓿伞?/p>

在Ad hoc網(wǎng)絡(luò)中，對于某一源節(jié)點(diǎn)或中間節(jié)點(diǎn)，通常會有多個鄰節(jié)點(diǎn)距離目的節(jié)點(diǎn)更近。選擇數(shù)據(jù)分組下一跳所基于的度量準(zhǔn)則不同，得到的算法也不同。數(shù)據(jù)分組的貪婪轉(zhuǎn)發(fā)策略主要有三種:MFR(Most Forward within Radius)，NFP(Nearest with Forward Progress)和 CR(Compass Routing)［1］，前兩種轉(zhuǎn)發(fā)策略是從距離的角度來考慮的，最后一個是從角度來考慮的。MFR轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制通過選擇距離目的節(jié)點(diǎn)最近的節(jié)點(diǎn)作為下一跳，使得到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)的跳數(shù)最少。如果信號能量足夠大，節(jié)點(diǎn)一跳傳輸范圍的半徑將很大。半徑越大，節(jié)點(diǎn)間的相互干擾就越大。針對這一問題，提出了另外一種機(jī)制—NFP。在該機(jī)制下節(jié)點(diǎn)選擇距離自己最近的鄰節(jié)點(diǎn)作為下一跳，降低了節(jié)點(diǎn)間相互干擾的可能性，但同時也增加了路由的跳數(shù)。CR機(jī)制選擇與源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)連線距離最近即夾角最小的鄰節(jié)點(diǎn)作為轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)，旨在縮小數(shù)據(jù)分組傳送的范圍。利用地理位置信息的路由協(xié)議種類很多，下面介紹幾種典型的地理位置路由協(xié)議［1］，并分析了高動態(tài)移動自組織網(wǎng)路由協(xié)議的相關(guān)研究現(xiàn)狀。

1)LAR路由協(xié)議

在LAR協(xié)議中，地理位置信息使用在路由發(fā)現(xiàn)階段。LAR定義了期望域(Expected Zone)和尋找域(Request Zone)兩個概念，期望域是指源節(jié)點(diǎn)S根據(jù)t0時刻目的節(jié)點(diǎn)D的位置和平均移動速度，估計在t1時刻D可能出現(xiàn)的區(qū)域;尋找域是指為減小路由開銷，節(jié)點(diǎn)S為RREQ限定的一個路由請求范圍。不在尋找域中的節(jié)點(diǎn)不轉(zhuǎn)發(fā)RREQ。LAR算法實(shí)現(xiàn)的前提是中間節(jié)點(diǎn)能夠判斷自己是否位于某個特定的尋找域，為此，協(xié)議提出了兩種設(shè)計尋找域的機(jī)制。LAR協(xié)議通過將新路徑的尋找限制在自組網(wǎng)中較小的尋找域內(nèi)，從而極大地減少了路由控制分組的數(shù)量。因此，它是對基于洪泛的路由協(xié)議的改進(jìn)。

2)DREAM路由協(xié)議

DREAM是一種典型的定向泛洪式協(xié)議。在此協(xié)議中節(jié)點(diǎn)不需要保存路由表。源節(jié)點(diǎn)和每個中間節(jié)點(diǎn)分別計算自己到目的節(jié)點(diǎn)的方向，基于D的移動信息，可以確定一個夾角范圍，稱為轉(zhuǎn)發(fā)域。中間節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)分組轉(zhuǎn)發(fā)給該轉(zhuǎn)發(fā)域內(nèi)的所有一跳鄰節(jié)點(diǎn)，直到數(shù)據(jù)分組成功遞交給目的節(jié)點(diǎn)。

3)GPSR路由協(xié)議

在Ad hoc網(wǎng)絡(luò)中，GPSR是一種健壯的地理路由協(xié)議，協(xié)議充分利用地理信息以實(shí)現(xiàn)無狀態(tài)路由，節(jié)點(diǎn)有數(shù)據(jù)分組要發(fā)送或轉(zhuǎn)發(fā)時，直接根據(jù)自身知道的位置信息進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。GPSR采用了兩種轉(zhuǎn)發(fā)方式:貪婪轉(zhuǎn)發(fā)和周邊轉(zhuǎn)發(fā)。當(dāng)一個節(jié)點(diǎn)以貪婪算法轉(zhuǎn)發(fā)一個包時，它有比自己更接近終點(diǎn)的鄰居節(jié)點(diǎn)，這個節(jié)點(diǎn)就選擇距離終點(diǎn)最近的鄰居節(jié)點(diǎn)來轉(zhuǎn)發(fā)該包。當(dāng)沒有這種鄰居節(jié)點(diǎn)時，數(shù)據(jù)包進(jìn)入周邊轉(zhuǎn)發(fā)。GPSR中當(dāng)有較多的分組傳遞給同一個目的節(jié)點(diǎn)時，其周邊轉(zhuǎn)發(fā)模式產(chǎn)生的過多跳數(shù)的路由會成為一個突出問題。

4)高動態(tài)移動自組網(wǎng)路由協(xié)議

現(xiàn)階段研究的移動自組網(wǎng)主要是地面移動自組網(wǎng)。受地面條件所限，節(jié)點(diǎn)運(yùn)動速度一般較慢，且通信距離較短。軍事航空自組網(wǎng)中節(jié)點(diǎn)的運(yùn)動速度很高，如高速戰(zhàn)機(jī)的速度可高達(dá)多個馬赫，并且通信距離一般很遠(yuǎn)。目前，國內(nèi)外對于高動態(tài)移動自組網(wǎng)路由協(xié)議的研究較少。Justin P.Rohrer等針對當(dāng)前高速飛行的航空節(jié)點(diǎn)以及特殊的航空環(huán)境，提出了一種高動態(tài)、跨層次的航空自組網(wǎng)架構(gòu)［5-6］。R.L.Lidowski等人在25 m/s的速度下仿真了其提出的利用地理位置信息的無人機(jī)網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議［8］。朱曉芳、華蓓等人針對一類高動態(tài)移動自組網(wǎng)提出了一種分簇的地理位置路由協(xié)議TOPOS［9］，其仿真中的最高速度也僅僅設(shè)置在80 m/s。目前，僅有少許的一些特殊路由協(xié)議適用于航空環(huán)境，ARPAM［10］是歐盟的ATENAA為解決航空電信網(wǎng)的弊端提出的一種用于民航的基于地理位置信息的混合AODV路由協(xié)議;MUDOR［11］通過同時考慮節(jié)點(diǎn)間的相對速度和多普勒頻移來檢測鏈路質(zhì)量;Spray路由協(xié)議［12］通過在一個可控寬度區(qū)域和一定數(shù)量鄰節(jié)點(diǎn)范圍內(nèi)進(jìn)行多播，最高速度可達(dá)到250 m/s。然而，在網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涓咚僮兓闆r下，節(jié)點(diǎn)的高速運(yùn)動使得全局鏈路狀態(tài)及節(jié)點(diǎn)位置不斷改變，頻繁觸發(fā)路由更新或位置更新過程，不僅在網(wǎng)絡(luò)中產(chǎn)生大量的控制開銷，而且路由收斂困難，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)延遲增大，丟包嚴(yán)重。以上所提及的路由協(xié)議中涉及的節(jié)點(diǎn)速度均遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于超音速，這無疑成為亟待解決的難點(diǎn)問題。

3 基于地理位置的HDMARP

3.1 HDMARP協(xié)議的主要思想與關(guān)鍵技術(shù)

HDMARP協(xié)議不需要維護(hù)路由表，是一種無狀態(tài)的路由協(xié)議。節(jié)點(diǎn)通過機(jī)載GPS接收機(jī)或者其他定位裝置獲取自己地理位置信息。當(dāng)節(jié)點(diǎn)要發(fā)送一個數(shù)據(jù)分組時，通過一種基于速度的啟發(fā)式算法獲得每一跳最優(yōu)鄰節(jié)點(diǎn)，最終發(fā)送至目的節(jié)點(diǎn)。HDMARP算法包括鄰居發(fā)現(xiàn)和分組轉(zhuǎn)發(fā)兩個過程:

1)鄰居發(fā)現(xiàn)

鄰居發(fā)現(xiàn)即獲取鄰節(jié)點(diǎn)的地理位置信息。根據(jù)網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)獲取鄰節(jié)點(diǎn)的地理位置信息的方式，HDMARP給定了信標(biāo)發(fā)送模式(BEACONING)和捎帶模式(PIGGY)兩種工作模式。

信標(biāo)發(fā)送模式(BEACONING)規(guī)定每個節(jié)點(diǎn)利用MAC廣播地址，周期性地向其通信半徑內(nèi)的鄰節(jié)點(diǎn)發(fā)送HDMARP hello分組的信標(biāo)(beacon)信號，該hello分組信號中包含了節(jié)點(diǎn)的身份標(biāo)識ID(如IP地址)和當(dāng)前的地理位置信息(包括節(jié)點(diǎn)準(zhǔn)確的地理位置和速度)。鄰居發(fā)現(xiàn)是通過周期性接收鄰節(jié)點(diǎn)發(fā)送的hello分組信標(biāo)信號，不斷更新維護(hù)一張用于計算鄰節(jié)點(diǎn)TTI的鄰居列表實(shí)現(xiàn)的。對于某一節(jié)點(diǎn)而言，它可能存在多個鄰節(jié)點(diǎn)，這些節(jié)點(diǎn)之間發(fā)送的信標(biāo)信號有可能發(fā)生數(shù)據(jù)沖突，為避免這一問題，HDMARP采用一種隨機(jī)選取信標(biāo)發(fā)射間隔的策略，有效降低多個鄰節(jié)點(diǎn)發(fā)送信標(biāo)信號的沖突概率。

捎帶模式(PIGGY)在發(fā)送的數(shù)據(jù)分組中攜帶相關(guān)地理位置信息，所有在發(fā)送節(jié)點(diǎn)傳輸范圍以內(nèi)的節(jié)點(diǎn)都能偵聽到該數(shù)據(jù)分組并從中提取出位置信息，將此位置信息存儲到鄰居列表，大大減少了協(xié)議的控制開銷，提高了協(xié)議的性能。

2)基于相對速度的分組轉(zhuǎn)發(fā)策略

攔截時間(time to intercept，TTI)是HDMARP中計算下一跳最優(yōu)鄰節(jié)點(diǎn)最基本的度量準(zhǔn)則，是指候選鄰節(jié)點(diǎn)從當(dāng)前位置移動至處于目的節(jié)點(diǎn)傳輸范圍以內(nèi)所需的時間。由于定義的TTI類似于導(dǎo)彈攔截中從導(dǎo)彈向目標(biāo)方向飛行至進(jìn)入最后攔截線的攔截時間窗口的概念，目的節(jié)點(diǎn)的傳輸范圍區(qū)域界線對應(yīng)導(dǎo)彈的最后攔截線，所以將TTI稱為攔截時間。源節(jié)點(diǎn)通過計算其所有鄰居節(jié)點(diǎn)的TTI值，獲知鄰節(jié)點(diǎn)移動至目的節(jié)點(diǎn)傳輸范圍內(nèi)所需要的時間，選擇在最快的時間內(nèi)進(jìn)入目的節(jié)點(diǎn)傳輸范圍內(nèi)的鄰節(jié)點(diǎn)，即選擇具有最小的TTI值的鄰節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)分組，此鄰居節(jié)點(diǎn)被稱為下一跳最優(yōu)鄰節(jié)點(diǎn)。

相對速度sd定義為候選鄰節(jié)點(diǎn)相對于目的節(jié)點(diǎn)的移動速度。若sd的值較大且為正，表示鄰節(jié)點(diǎn)正在以較高的速度向目的節(jié)點(diǎn)方向移動;相反，若sd的值較大且為負(fù)，表示鄰節(jié)點(diǎn)正以較高的速度向遠(yuǎn)離目的節(jié)點(diǎn)方向移動。sd和TTI的計算步驟為:

1)相對速度sd

假設(shè)某一鄰節(jié)點(diǎn)ni，其地理位置坐標(biāo)為(xi，yi)，節(jié)點(diǎn)在x，y軸方向上的速度分量分別為(vxi，vyi)，則節(jié)點(diǎn)ni的速度矢量計算公式為

x軸正方向與飛機(jī)節(jié)點(diǎn)ni的速度矢量方向連線的夾角為

式中:atan2(y，x)計算給定的x及y坐標(biāo)值的反正切值，結(jié)果以弧度表示并介于-π～+π之間。假設(shè)目的節(jié)點(diǎn)D的地理位置坐標(biāo)為(xd，yd)，則x軸正方向與飛機(jī)節(jié)點(diǎn)ni和目的節(jié)點(diǎn)D之間連線的夾角為

于是，上述兩個夾角之差φ-φ-即為節(jié)點(diǎn)ni速度矢量vi與節(jié)點(diǎn)ni和目的節(jié)點(diǎn)D之間連線的夾角大小。從而得到相對速度為

圖2為一個候選鄰節(jié)點(diǎn)朝目的節(jié)點(diǎn)方向移動示意圖。示例中，vxi為 -17.68 m/s，vyi為 -17.68 m/s，φ 為 -135.07°，為 -111.86°，由式(4)計算得 sd=22.98 m/s。

圖2 候選鄰節(jié)點(diǎn)朝目的節(jié)點(diǎn)方向移動示意圖

2)攔截時間TTI

TTI是HDMARP協(xié)議貪婪轉(zhuǎn)發(fā)策略中最基本的判斷準(zhǔn)則。源節(jié)點(diǎn)通過計算其所有鄰居節(jié)點(diǎn)的TTI值，選擇具有最小的TTI值的鄰節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)分組。可能成為最優(yōu)鄰節(jié)點(diǎn)的鄰節(jié)點(diǎn)稱為候選鄰節(jié)點(diǎn)，給定候選鄰節(jié)點(diǎn)ni，地理位置坐標(biāo)記為(xi，yi，zi)，目的節(jié)點(diǎn)D，其地理位置坐標(biāo)記為(xd，yd，zd)，R為節(jié)點(diǎn)傳播半徑，則ni與D的歐氏距離為

考慮兩種特殊情形:

(1)TTI=0。由式(6)可以看出，Sd＜0，相對速度為負(fù)，即節(jié)點(diǎn)向與目的節(jié)點(diǎn)方向相反的方向移動，并且節(jié)點(diǎn)ni與目的節(jié)點(diǎn)D的歐氏距離大于R，即節(jié)點(diǎn)ni不在目的節(jié)點(diǎn)的傳輸范圍內(nèi)，所以TTI=0時選擇該鄰居節(jié)點(diǎn)作為下一跳最優(yōu)鄰節(jié)點(diǎn)的概率為0。

(2)TTI＜0。由式(6)可以看出，此鄰節(jié)點(diǎn)在目的節(jié)點(diǎn)的傳輸范圍以內(nèi)，并且正向目的節(jié)點(diǎn)方向移動，規(guī)定在目的節(jié)點(diǎn)傳輸范圍內(nèi)的鄰節(jié)點(diǎn)相對于不在傳輸范圍內(nèi)的鄰節(jié)點(diǎn)將被優(yōu)先考慮，所以TTI＜0時節(jié)點(diǎn)將被優(yōu)先選擇作為下一跳最優(yōu)鄰節(jié)點(diǎn)。

3)本地最小問題的處理。本地最小問題是指當(dāng)節(jié)點(diǎn)接收到一個數(shù)據(jù)分組時，節(jié)點(diǎn)自身具有最小的TTI，但其卻不在目的節(jié)點(diǎn)的傳輸范圍內(nèi)的特殊情形。此時，數(shù)據(jù)分組將被存放在一個大小可配置的隊列中，其存儲時間也是動態(tài)可配置的。以一個可配置的頻率不斷檢測隊列，判斷是否存在相對本地節(jié)點(diǎn)具有更低TTI值的鄰節(jié)點(diǎn)。當(dāng)此具有更小TTI的鄰節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)時，發(fā)送隊列中存儲的數(shù)據(jù)分組。在本地節(jié)點(diǎn)具有最佳TTI的情形下，HDMARP協(xié)議規(guī)定了3種不同的工作模式:

(1)FERRY模式。將接收到的數(shù)據(jù)分組存儲至一個無限長的隊列中，直至發(fā)現(xiàn)具有更小的TTI節(jié)點(diǎn)。

(2)BUFFER模式。將接收到的數(shù)據(jù)分組暫存至一個有限長的隊列中，直至發(fā)現(xiàn)具有更小的TTI節(jié)點(diǎn)。

(3)DROP模式。丟棄接收到的數(shù)據(jù)分組。

3.2 算法描述

HDMARP算法具體實(shí)現(xiàn)步驟為:

1)當(dāng)節(jié)點(diǎn)S需要向節(jié)點(diǎn)D發(fā)送或轉(zhuǎn)發(fā)一個數(shù)據(jù)分組時，首先檢測目的節(jié)點(diǎn)D是否為源節(jié)點(diǎn)S的鄰居節(jié)點(diǎn)，如果是則直接將分組傳遞給目的節(jié)點(diǎn)D，否則進(jìn)入貪婪轉(zhuǎn)發(fā)模式，執(zhí)行下一步。

2)分別計算所有鄰節(jié)點(diǎn)的TTI值，見式(6)。

3)判斷是否出現(xiàn)本地最小問題。若沒有出現(xiàn)，執(zhí)行下一步;否則，根據(jù)HDMARP協(xié)議所處的不同的工作模式對數(shù)據(jù)分組進(jìn)行處理，直至尋找到具有更小TTI的鄰節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)分組，轉(zhuǎn)步驟1)。

4)在所有鄰節(jié)點(diǎn)中選擇一個TTI值最小(min{TTIx1，TTIx2，…，TTIxn}，TTIxi為節(jié)點(diǎn) S的第 i個鄰節(jié)點(diǎn)的 TTI值)的鄰節(jié)點(diǎn)(如圖3中為Y)，即最優(yōu)鄰節(jié)點(diǎn)，作為數(shù)據(jù)分組的下一跳，然后將數(shù)據(jù)分組轉(zhuǎn)發(fā)給該最優(yōu)鄰節(jié)點(diǎn)。

圖3 HDMARP算法說明

5)轉(zhuǎn)至步驟1)，該過程一直重復(fù)，直到數(shù)據(jù)分組到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)D。

4 協(xié)議性能仿真

4.1 仿真環(huán)境

本文采用NS2［12］作為網(wǎng)絡(luò)仿真工具，在NS2網(wǎng)絡(luò)仿真平臺上實(shí)現(xiàn)了6種類型的HDMARP協(xié)議，這6種類型協(xié)議由綜合考慮節(jié)點(diǎn)獲取地理位置信息的方式的2種機(jī)制以及本地最小問題的3種模式組合得到，包括HDMARP_FERRY_BEACONING，HDMARP_FERRY_PIGGY，HDMARP_BUFFER_BEACONING，HDMARP_BUFFER_PIGGY，HDMARP_DROP_BEACONING，HDMARP_DROP_PIGGY，并將其與典型的Ad hoc網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議AODV，DSDV進(jìn)行比較。網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淠Ｐ驮O(shè)定為10～100個節(jié)點(diǎn)隨機(jī)分布在仿真區(qū)域內(nèi)。仿真場景中參數(shù)配置如表1所示。

表1 參數(shù)配置

4.2 比較策略

通過收集以下統(tǒng)計量來比較不同路由協(xié)議的性能:

1)平均端到端時延(Average End to End Delay，ETE-Delay)

ETE-Delay是從源節(jié)點(diǎn)成功到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)的所有數(shù)據(jù)分組的端到端時延的平均值。該時延包括路由尋找期間的緩存時延、接口排隊時延、MAC層重傳時延、空中傳播時延等所有可能時延。時延越小，表明協(xié)議性能越好。假設(shè)源節(jié)點(diǎn)有N個數(shù)據(jù)分組要發(fā)送，第i個數(shù)據(jù)分組發(fā)送的時延為接收時間與發(fā)送時間之差，即T(i)receive-T(i)transmit，則所有數(shù)據(jù)分組的平均端到端時延為

2)報文交付率(Packet Delivery Ratio，PDR)

該指標(biāo)用來衡量路由協(xié)議投遞數(shù)據(jù)分組的效率。該值越大，表明越多的數(shù)據(jù)分組被成功發(fā)送至目的節(jié)點(diǎn)，說明該協(xié)議的性能越好。其中，PDR=

3)路由開銷(Routing Protocol Overhead，RPO)

4.3 仿真結(jié)果分析

圖4反映出網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)數(shù)的變化對報文交付率的影響。從圖中可以看出，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)數(shù)增加時，所有路由協(xié)議的性能都受到不同程度的影響，但AODV，DSDV協(xié)議的下降趨勢更加明顯。DSDV和AODV協(xié)議的PDR隨著節(jié)點(diǎn)數(shù)的增加迅速降低。HDMARP_FERRY_PIGGY協(xié)議性能最佳。當(dāng)節(jié)點(diǎn)數(shù)小于90時，所有模式下的HDMARP協(xié)議的PDR均隨著節(jié)點(diǎn)數(shù)的增加而增加;當(dāng)節(jié)點(diǎn)數(shù)大于90時，PDR開始有所下降，協(xié)議性能出現(xiàn)細(xì)微的退化，這是因為節(jié)點(diǎn)數(shù)的增加直接導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)密度的增加，從而使每一跳節(jié)點(diǎn)貪婪轉(zhuǎn)發(fā)成功的概率增加，從而報文交付率增加?？梢?，HDMARP在較大規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)中依然具有較好的協(xié)議性能。

圖5給出了平均端到端時延隨著節(jié)點(diǎn)數(shù)增加的變化情況。從圖中可以看出，對于HDMARP協(xié)議，F(xiàn)ERRY模式和BUFFER模式平均時延較大，這是因為在這兩種模式下路由出現(xiàn)本地最小問題時，數(shù)據(jù)分組被存儲在相應(yīng)的隊列中，直至尋找到下一跳最優(yōu)鄰節(jié)點(diǎn)，這種排隊時延在一定程度上增加了網(wǎng)絡(luò)的平均端到端時延。BUFFER模式下由于節(jié)點(diǎn)僅暫存數(shù)據(jù)分組，超過截止時間或超出隊列長度時分組將被丟棄，所以其時延低于FERRY模式。雖然HDMARP協(xié)議時延比較大，但是從圖4的仿真結(jié)果可以看出這兩種模式下，報文交付率較其他協(xié)議性能更優(yōu)。在DROP模式下，如果節(jié)點(diǎn)發(fā)現(xiàn)沒有可用路由，則直接丟棄接收到的數(shù)據(jù)分組，所以其時延最小。此外，需要特別指出的是，F(xiàn)ERRY模式和BUFFER模式下平均時延隨著節(jié)點(diǎn)數(shù)的增加而有所減小，而對于AODV，DSDV以及DROP模式，平均時延均隨著節(jié)點(diǎn)數(shù)的增加而增加。這是由于在FERRY和BUFFER模式下，當(dāng)節(jié)點(diǎn)的密度較少時，很容易出現(xiàn)本地最小問題，從而出現(xiàn)貪婪轉(zhuǎn)發(fā)失敗的情況;隨著節(jié)點(diǎn)密度逐漸增大時，貪婪轉(zhuǎn)發(fā)模式的優(yōu)勢就更加明顯，分組將會被更快地轉(zhuǎn)發(fā)至目的節(jié)點(diǎn)。

圖4 報文交付率與節(jié)點(diǎn)個數(shù)的關(guān)系

圖5 平均時延與節(jié)點(diǎn)個數(shù)的關(guān)系

圖6描述了平均路由開銷隨著節(jié)點(diǎn)數(shù)增加的變化情況。AODV的路由開銷隨著節(jié)點(diǎn)數(shù)的增加呈指數(shù)上升，且在節(jié)點(diǎn)數(shù)為［30，50］區(qū)間上升速率最快。DSDV和HDMARP的路由開銷隨著節(jié)點(diǎn)數(shù)的增加均呈現(xiàn)不同程度的線性增加，其中，DSDV路由開銷從節(jié)點(diǎn)數(shù)為10時的18 kbit/s線性增加到100個節(jié)點(diǎn)數(shù)時的1.7 Mbit/s。HDMARP_BUFFER_PIGGY和HDMARP_DROP_PIGGY路由開銷最低，這是因為捎帶模式(PIGGY)分組中攜帶了地理位置信息減小了控制分組的發(fā)送。此外，DROP模式在沒有可用路由時直接將分組丟棄，減少了網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)姆纸M數(shù)，從而大大減少了協(xié)議的控制開銷，提高了協(xié)議性能。

圖6 平均路由開銷與節(jié)點(diǎn)個數(shù)的關(guān)系

5 結(jié)束語

本文設(shè)計并描述了一種基于地理位置的HDMARP，對協(xié)議的性能進(jìn)行了仿真，并將其與現(xiàn)有的路由協(xié)議AODV和DSDV對比分析。結(jié)果表明，該協(xié)議HDMARP_BUFFER_PIGGY模式具有最優(yōu)的協(xié)議性能，且HDMARP協(xié)議在不同運(yùn)行模式下提供性能權(quán)衡，能夠較好地滿足軍事航空自組網(wǎng)高動態(tài)需求和作戰(zhàn)應(yīng)用。

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