華宇寧，傅國(guó)強(qiáng)，郝永平，白 帆，俞 洋

(沈陽(yáng)理工大學(xué) 自動(dòng)化與電氣工程學(xué)院,沈陽(yáng) 110159)

智能地雷是一個(gè)全新的概念[1]，這個(gè)概念的產(chǎn)生可以追溯到上個(gè)世紀(jì)末期，智能地雷大膽的采用聲、光、磁、紅外線等新技術(shù)感知和識(shí)別目標(biāo)，并主動(dòng)摧毀目標(biāo)，徹底改變傳統(tǒng)地雷靜止不動(dòng)、被動(dòng)防御的作戰(zhàn)模式，徹底消除傳統(tǒng)地雷鋪設(shè)后不可控，誤傷率高，戰(zhàn)后難于排除的弊端。智能步兵雷順應(yīng)物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的潮流，在智能地雷上安裝網(wǎng)絡(luò)模塊，地雷之間可以進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，步兵和地雷之間可以進(jìn)行信息交互，甚至智能步兵雷可以被遠(yuǎn)程控制。

在自組網(wǎng)的路由協(xié)議中，AODV路由協(xié)議[2]因其綜合DSDV和DSR路由協(xié)議[3]的優(yōu)點(diǎn)，具有路由維護(hù)少、反應(yīng)速度快、頻帶利用率高等特點(diǎn)，在軍事上得到廣泛應(yīng)用[4]，但是AODV協(xié)議也存在一些缺陷，如連接鏈路不穩(wěn)定，數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中頻繁的鏈路斷裂[5]，會(huì)降低數(shù)據(jù)傳輸速率，增加數(shù)據(jù)包傳輸時(shí)延及數(shù)據(jù)包丟失風(fēng)險(xiǎn)，導(dǎo)致通訊系統(tǒng)性能低下。本文引入GPS模塊對(duì)連接鏈路進(jìn)行篩選，將篩選出來(lái)的穩(wěn)定連接鏈路的路由表項(xiàng)寫(xiě)入AODV協(xié)議的路由表中，提高連接鏈路的穩(wěn)定性。

1 智能步兵雷硬件電路構(gòu)成

硬件平臺(tái)為S3C2416控制器，配置GPS定位接收機(jī)；軟件平臺(tái)為L(zhǎng)inux2.6.21；虛擬機(jī)為Ubuntu10.04，配置水星MW300UM無(wú)線網(wǎng)卡；自組網(wǎng)路由協(xié)議為aodv-uu-0.9.6。

每個(gè)智能步兵雷都擁有獨(dú)立的S3C2416核心電路：智能步兵雷系統(tǒng)微控模塊使用三星公司生產(chǎn)的S3C2416 ARM926，其工作主頻為400MHz，運(yùn)行內(nèi)存選用三星的K4T51163 DDRII266 64MByte RAM內(nèi)存儲(chǔ)，程序存儲(chǔ)選用三星公司生產(chǎn)的256M的NAND FLASH，并且支持使用擴(kuò)展存儲(chǔ)設(shè)備TF卡和SD卡。

各個(gè)智能地雷通過(guò)WIFI通訊模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。CPU集成4線電阻式觸摸屏接口，可以接4線電阻觸摸屏，實(shí)現(xiàn)友好的圖形界面，使步兵和步兵雷之間可更易進(jìn)行信息交互。

2 AODV協(xié)議

智能步兵雷所使用的無(wú)線多跳Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)[6-7]的AODV路由協(xié)議，是一種按需路由協(xié)議，其采用路由發(fā)現(xiàn)和路由維護(hù)的基本請(qǐng)求式機(jī)制，在有路由需求時(shí)才會(huì)去發(fā)現(xiàn)路由，在路由存在時(shí)進(jìn)行路由維護(hù)。

2.1 路由發(fā)現(xiàn)

AODV協(xié)議的路由發(fā)現(xiàn)過(guò)程如圖1所示，L1為源節(jié)點(diǎn)A到中繼節(jié)點(diǎn)B的距離，L2為中繼節(jié)點(diǎn)B到目的節(jié)點(diǎn)C的距離，L3為源節(jié)點(diǎn)A到目的節(jié)點(diǎn)C的距離，ΔL為理想通訊距離。

源節(jié)點(diǎn)A需要向目的節(jié)點(diǎn)C發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，即有路由需求，A節(jié)點(diǎn)會(huì)首先在自己的路由表中查找是否存在到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)C的有效路由，如果A節(jié)點(diǎn)中有到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)C的活動(dòng)路由，則A節(jié)點(diǎn)和C節(jié)點(diǎn)就可以直接進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸；如果A節(jié)點(diǎn)中沒(méi)有到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)C的活動(dòng)路由，源節(jié)點(diǎn)A啟動(dòng)路由發(fā)現(xiàn)過(guò)程：源節(jié)點(diǎn)A會(huì)向其鄰居節(jié)點(diǎn)B廣播路由請(qǐng)求分組RREQ[8-9]消息，鄰居節(jié)點(diǎn)B收到RREQ消息后首先建立或更新逆向路由，然后再把收到的RREQ消息廣播給下游節(jié)點(diǎn)，如果恰好這些下游節(jié)點(diǎn)中有目的節(jié)點(diǎn)C，則目的節(jié)點(diǎn)C就會(huì)收到RREQ消息，接著節(jié)點(diǎn)C將會(huì)沿著反向路由向源節(jié)點(diǎn)A回傳路由應(yīng)答RREP報(bào)文，建立前向路由，當(dāng)源節(jié)點(diǎn)A收到RREP報(bào)文時(shí)，從源節(jié)點(diǎn)A到目的節(jié)點(diǎn)C的路由既建立起來(lái)。

圖1 實(shí)際布網(wǎng)測(cè)試的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/p>

2.2 路由維護(hù)

路由建立后，各節(jié)點(diǎn)為維護(hù)已經(jīng)建立的路由，每個(gè)節(jié)點(diǎn)周期地向自己的鄰居節(jié)點(diǎn)廣播發(fā)送HELLO消息，作為與相鄰節(jié)點(diǎn)的相互連接信息。HELLO消息的生存時(shí)間TTL值被設(shè)置為1，保證該消息傳播范圍僅限于發(fā)送節(jié)點(diǎn)和相鄰節(jié)點(diǎn)之間，收到HELLO消息的節(jié)點(diǎn)將建立或更新一條致發(fā)送節(jié)點(diǎn)的路由。于此同時(shí)，在AODV協(xié)議中，任何節(jié)點(diǎn)收到任何控制報(bào)文，也具有和收到顯示性HELLO消息一樣的意義。因?yàn)槠淇梢酝ㄟ^(guò)控制消息報(bào)文中的源IP地址，顯示出到達(dá)源節(jié)點(diǎn)的有效連接性。如果一條路由在其過(guò)期時(shí)間內(nèi)沒(méi)有被使用或節(jié)點(diǎn)確定有效路由的下一跳無(wú)法到達(dá)時(shí)，則該路由無(wú)效。當(dāng)節(jié)點(diǎn)檢測(cè)到某一路由無(wú)效時(shí)，其在路由表中將該路由表項(xiàng)設(shè)置為無(wú)效，且再經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后才將其刪除。

AODV協(xié)議是一種按需路由協(xié)議，各節(jié)點(diǎn)只有存在需要發(fā)送或轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)時(shí)才會(huì)檢查自己的路由表，查看是否有通往目的節(jié)點(diǎn)的路由，如果找到了通往目的節(jié)點(diǎn)的路由，即完成數(shù)據(jù)發(fā)送過(guò)程；如果沒(méi)有找到目的節(jié)點(diǎn)的路由表項(xiàng)或路由表項(xiàng)已經(jīng)過(guò)期，則向目的節(jié)點(diǎn)發(fā)送RREQ消息，重新執(zhí)行路由發(fā)現(xiàn)過(guò)程。AODV路由協(xié)議在路由發(fā)現(xiàn)過(guò)程中為避免環(huán)路[10]，會(huì)選擇跳數(shù)最少的通訊鏈路，所以AODV路由協(xié)議選擇路徑機(jī)制不夠合理：目的節(jié)點(diǎn)利用這樣的路由建立機(jī)制很可能會(huì)建立一條通訊距離過(guò)長(zhǎng)，并且很快就會(huì)發(fā)生鏈路斷裂的路徑，這會(huì)造成通往目的節(jié)點(diǎn)的路徑頻繁失效，路徑失效則會(huì)造成傳輸不完整的數(shù)據(jù)被當(dāng)即放棄。頻繁的路由修復(fù)[11]過(guò)程中，重新尋找新路由需要消耗額外的時(shí)間和資源，增加網(wǎng)絡(luò)負(fù)擔(dān)，降低網(wǎng)絡(luò)有效利用率和數(shù)據(jù)傳輸效率，降低通訊系統(tǒng)的穩(wěn)定性和實(shí)時(shí)性，增加數(shù)據(jù)包丟失風(fēng)險(xiǎn)，降低分組投遞率，影響數(shù)據(jù)完整性。

3 路由算法優(yōu)化

根據(jù)智能步兵雷在鋪設(shè)后不會(huì)被輕易移動(dòng)的特點(diǎn)，為了得到穩(wěn)定路由路徑，在控制電路中加入GPS模塊和一個(gè)路由優(yōu)化軟件，這個(gè)路由優(yōu)化軟件以GPS模塊得到的地理位置信息為依據(jù)進(jìn)行地理位置匹配并執(zhí)行路由優(yōu)化算法。路由優(yōu)化算法借鑒基于蟻群算法的路由優(yōu)化思想[12]，根據(jù)布網(wǎng)情況選擇一跳的最佳通訊距離，算法會(huì)舍棄像A節(jié)點(diǎn)與C節(jié)點(diǎn)之間通訊距離過(guò)長(zhǎng)且通訊不穩(wěn)定的路由表項(xiàng)，保留通訊距離短且通訊穩(wěn)定的路由表項(xiàng)填入AODV協(xié)議的路由表中。

優(yōu)化AODV路由協(xié)議的流程如圖2所示。

圖2 路由優(yōu)化算法的流程圖

節(jié)點(diǎn)的S3C2416核心電路中的路由優(yōu)化軟件運(yùn)行后，在網(wǎng)絡(luò)中首先共享各節(jié)點(diǎn)的GPS定位信息；路由優(yōu)化軟件通過(guò)對(duì)鄰居節(jié)點(diǎn)經(jīng)緯度信息分析得知：到達(dá)鄰居節(jié)點(diǎn)的通訊距離是否過(guò)長(zhǎng)，如果本節(jié)點(diǎn)到達(dá)鄰居節(jié)點(diǎn)的通訊距離超出了理想通訊范圍ΔL，有鏈路斷裂危險(xiǎn)；同時(shí)節(jié)點(diǎn)之間又存在可用的中繼節(jié)點(diǎn)，路由優(yōu)化軟件會(huì)調(diào)用腳本，主動(dòng)屏蔽來(lái)自超出了理想通訊范圍ΔL的鄰居節(jié)點(diǎn)的信息，其實(shí)質(zhì)是過(guò)濾掉該鄰居節(jié)點(diǎn)發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)包。因此不穩(wěn)定的通訊鏈路將會(huì)被斬?cái)啵箖晒?jié)點(diǎn)不能直接通信，從此兩個(gè)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸只能依靠中繼節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)發(fā)。這樣的路由優(yōu)化軟件會(huì)使AODV路由協(xié)議中新形成的路由表中不存在通信距離超出理想通訊距離ΔL的路由表項(xiàng)。

4 布網(wǎng)測(cè)試的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

實(shí)驗(yàn)環(huán)境如圖1所示，使用三個(gè)通訊節(jié)點(diǎn)布網(wǎng)測(cè)試進(jìn)行多跳實(shí)驗(yàn)：源節(jié)點(diǎn)A的IP地址是192.168.1.1，中繼節(jié)點(diǎn)B的IP地址是192.168.1.9，目的節(jié)點(diǎn)C的IP地址是192.168.1.5。

為得到優(yōu)化前后基于AODV路由協(xié)議的Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸性能差異，采集七組對(duì)比數(shù)據(jù)證明：在路由優(yōu)化算法投入后，通訊系統(tǒng)性能得到優(yōu)化。

實(shí)驗(yàn)一 通訊系統(tǒng)鏈路穩(wěn)定性對(duì)比實(shí)驗(yàn)

路由優(yōu)化算法投入前后，通訊系統(tǒng)鏈路穩(wěn)定性對(duì)比結(jié)果如圖3所示。

圖3 算法優(yōu)化前后鏈路穩(wěn)定性對(duì)比

基于AODV路由協(xié)議的Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)在經(jīng)路由優(yōu)化算法優(yōu)化后，通訊系統(tǒng)鏈路斷裂次數(shù)明顯減少，鏈路更加穩(wěn)定；網(wǎng)絡(luò)中，鏈路跳數(shù)保持在較高數(shù)值，參與數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ㄓ嵐?jié)點(diǎn)數(shù)量明顯增加，通訊節(jié)點(diǎn)利用率明顯提高。這主要是因?yàn)槁酚蓛?yōu)化算法選擇了更穩(wěn)定的鏈路，增加進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹欣^節(jié)點(diǎn)，所以降低了數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中鏈路斷裂風(fēng)險(xiǎn)。

實(shí)驗(yàn)二 通訊系統(tǒng)吞吐量對(duì)比試驗(yàn)

對(duì)比吞吐量是跟蹤一個(gè)時(shí)間段內(nèi)一對(duì)節(jié)點(diǎn)之間數(shù)據(jù)流量，并進(jìn)行統(tǒng)計(jì)得出的。將每一個(gè)時(shí)間段內(nèi)的輸入輸出速率對(duì)比，那么某一時(shí)間段的吞吐量就可以這樣計(jì)算：某時(shí)間段的網(wǎng)絡(luò)吞吐量為該時(shí)間段傳輸數(shù)據(jù)包字節(jié)數(shù)與該段時(shí)間長(zhǎng)度之比。

將一秒鐘時(shí)間內(nèi)傳遞的數(shù)據(jù)包字節(jié)數(shù)的總和，除以一秒鐘時(shí)間的長(zhǎng)度，就可以得到該一秒鐘時(shí)間段的平均吞吐量，即瞬時(shí)輸入輸出速率；將一段時(shí)間內(nèi)傳遞數(shù)據(jù)包字節(jié)的總數(shù)和，除以這段時(shí)間的長(zhǎng)度，就可以得到該時(shí)間段的平均吞吐量，即平均輸入輸出速率。

(1)路由優(yōu)化算法投入前后，通訊系統(tǒng)瞬時(shí)輸入速率對(duì)比結(jié)果如圖4所示。

圖4 算法優(yōu)化前后瞬時(shí)輸入速率對(duì)比

基于AODV路由協(xié)議的Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)在經(jīng)路由優(yōu)化算法的優(yōu)化后，通訊系統(tǒng)瞬時(shí)輸入速率曲線波動(dòng)減小，整條曲線位置得到提高，主要由于通訊系統(tǒng)連接鏈路更穩(wěn)定，增加了通訊系統(tǒng)穩(wěn)定性，提高了網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸效率。

(2)路由優(yōu)化算法投入前后，通訊系統(tǒng)平均輸入速率對(duì)比結(jié)果如圖5所示。

圖5 算法優(yōu)化前后平均輸入速率對(duì)比

基于AODV路由協(xié)議的Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)在經(jīng)路由優(yōu)化算法優(yōu)化后，平均輸入速率變化曲線波動(dòng)減少，并且平均輸入速率整體曲線都保持在較高數(shù)值，主要由于路由優(yōu)化算法使通訊系統(tǒng)連接鏈路更加穩(wěn)定，從而使得該通訊系統(tǒng)輸入數(shù)據(jù)的平均速率變得更加穩(wěn)定和高效。

(3)路由優(yōu)化算法投入前后，通訊系統(tǒng)瞬時(shí)輸出速率對(duì)比結(jié)果如圖6所示。

圖6 算法優(yōu)化前后瞬時(shí)輸出速率對(duì)比

基于AODV路由協(xié)議的Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)在經(jīng)路由優(yōu)化算法優(yōu)化后，通訊系統(tǒng)瞬時(shí)輸出速率曲線波動(dòng)減小，瞬時(shí)輸出速率整體曲線得到有效提升。主要由于路由優(yōu)化算法使通訊系統(tǒng)連接鏈路更加穩(wěn)定，導(dǎo)致通訊系統(tǒng)瞬時(shí)輸出速率更加穩(wěn)定和高效。

(4)路由優(yōu)化算法投入前后，通訊系統(tǒng)平均輸出速率對(duì)比如7所示。

圖7 算法優(yōu)化前后平均輸出速率對(duì)比

基于AODV路由協(xié)議的Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)在經(jīng)路由優(yōu)化算法優(yōu)化后，通訊系統(tǒng)數(shù)據(jù)平均輸出速率曲線波動(dòng)減小，且整體曲線都保持在一個(gè)較高數(shù)值。主要因?yàn)槁酚蓛?yōu)化算法使通訊系統(tǒng)連接鏈路更穩(wěn)定，路由優(yōu)化算法使通訊系統(tǒng)平均輸出速率更加穩(wěn)定和高效。

經(jīng)過(guò)上述四組數(shù)據(jù)對(duì)比證明：路由優(yōu)化算法通過(guò)增加中繼節(jié)點(diǎn)，使通訊系統(tǒng)的鏈路穩(wěn)定，提高通訊系統(tǒng)吞吐量。

實(shí)驗(yàn)三 端到端時(shí)延對(duì)比實(shí)驗(yàn)

路由優(yōu)化算法投入前后，通訊系統(tǒng)端到端時(shí)延對(duì)比信息如圖8所示。

圖8 算法優(yōu)化前后端到端時(shí)延對(duì)比

基于AODV路由協(xié)議的Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)在經(jīng)路由優(yōu)化算法優(yōu)化后，端到端時(shí)延曲線整體保持在較低水平，且曲線波動(dòng)減小。主要因?yàn)槁酚蓛?yōu)化算法通過(guò)選擇穩(wěn)定路由表項(xiàng)，降低數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中鏈路斷裂風(fēng)險(xiǎn)，節(jié)省頻繁路由尋找時(shí)間，提升網(wǎng)絡(luò)有效利用率，降低了數(shù)據(jù)包傳輸時(shí)延，最終使通訊系統(tǒng)端到端時(shí)延穩(wěn)定降低，系統(tǒng)實(shí)時(shí)性能得到有效提高。

實(shí)驗(yàn)四：分組投遞率對(duì)比試驗(yàn)

路由優(yōu)化算法投入前后，通訊系統(tǒng)分組投遞率對(duì)比信息如圖9所示。

圖9 算法優(yōu)化前后丟包率對(duì)比

路由優(yōu)化算法優(yōu)化后，基于AODV路由協(xié)議的Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)丟包率曲線整體降低，數(shù)據(jù)傳輸正確性和完整性得到提高。主要因?yàn)槁酚蓛?yōu)化算法投入使網(wǎng)絡(luò)中通訊鏈路更加穩(wěn)定，降低了通訊過(guò)程中鏈路斷裂風(fēng)險(xiǎn)，節(jié)省路由修復(fù)時(shí)間，同時(shí)降低節(jié)點(diǎn)緩沖區(qū)占用，降低因緩沖區(qū)溢出造成數(shù)據(jù)包丟失風(fēng)險(xiǎn)，從而提升通訊系統(tǒng)分組投遞率。

5 結(jié)論

基于AODV路由協(xié)議的Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)在引用路由優(yōu)化算法優(yōu)化后的優(yōu)勢(shì)在于：舍棄不穩(wěn)定路由表項(xiàng)，降低數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中鏈路斷裂風(fēng)險(xiǎn),通過(guò)篩選穩(wěn)定路由表項(xiàng)，加入中繼節(jié)點(diǎn)，完成數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)任務(wù)，改善網(wǎng)絡(luò)性能。布網(wǎng)測(cè)試的結(jié)果顯示：

(1)一跳通訊距離被縮短，降低通訊過(guò)程中鏈路斷裂風(fēng)險(xiǎn)，有效解決了AODV路由協(xié)議因按需路由造成鏈路頻繁斷裂缺陷，使通訊鏈路相對(duì)穩(wěn)定。

(2)在通訊距離短且通訊鏈路穩(wěn)定情況下，通訊系統(tǒng)吞吐量整體提高，端到端時(shí)延明顯降低，分組投遞率得到提升。

(3)通訊系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸速度可以保持在70kbit/s以上，提高了智能步兵雷的通訊穩(wěn)定性、實(shí)時(shí)性和可靠性以及所傳送數(shù)據(jù)的正確性和完整性。

(4)基本可以滿足智能步兵雷之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸和協(xié)同作戰(zhàn)的需要。