劉大昆鳥，黎曉波，胡建軍，胡松

（中國北方車輛研究所，北京100072）

機動突擊中的自組網(wǎng)多路徑路由技術(shù)?

劉大昆鳥??，黎曉波，胡建軍，胡松

（中國北方車輛研究所，北京100072）

隨著作戰(zhàn)樣式的變化和武器裝備的變革，裝甲車輛機動突擊作戰(zhàn)中協(xié)同控制的重要性不斷增強，對網(wǎng)絡(luò)通信的各項性能指標提出了更高要求，而自組織網(wǎng)絡(luò)所具備的一些優(yōu)良特性能夠較好地適應(yīng)這一需求。在網(wǎng)絡(luò)通信中，穩(wěn)定性是衡量網(wǎng)絡(luò)路由性能的重要因素。機動突擊作戰(zhàn)中，車輛移動、障礙物阻擋等因素將導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)拓撲變化迅速，給路由穩(wěn)定性帶來嚴重影響，極大地降低了網(wǎng)絡(luò)通信質(zhì)量?；贏ODV協(xié)議，設(shè)計并仿真了一種鏈路不相交的多路徑被動式路由協(xié)議，以路由回復(fù)消息中攜帶的路由信息為基礎(chǔ)，實現(xiàn)兩條不相交鏈路作為通信路由并互為備份。仿真結(jié)果表明，該協(xié)議在數(shù)據(jù)包到達率及平均時延方面較AODV協(xié)議均有一定提高。

裝甲車；機動突擊；協(xié)同控制；自組織網(wǎng)絡(luò)；路由協(xié)議；不相交鏈路；AODV

1 引言

隨著現(xiàn)代信息技術(shù)的發(fā)展，裝甲車輛的信息化程度越來越高，車輛之間信息交互的容量和頻率均處于不斷增長之中。特別是在機動突擊作戰(zhàn)中，協(xié)同控制的重要性日益凸顯，對無線通信質(zhì)量提出了更高要求，主要體現(xiàn)在覆蓋能力、傳輸能力、動中通能力、動態(tài)組網(wǎng)能力、安全保密能力等幾個方面。

移動自組織網(wǎng)絡(luò)［1－3］（Mobile Ad-hoc Network，MANET）是一種新型的網(wǎng)絡(luò)模式，由于其極高的靈活性、抗毀性和實用性而獲得了廣泛關(guān)注?；谘b甲車輛的Ad-hoc網(wǎng)絡(luò)是一種特殊的移動自組織網(wǎng)絡(luò)，由安裝有信息收發(fā)裝置的裝甲車輛組網(wǎng)構(gòu)成。在裝甲車輛的機動突擊作戰(zhàn)中，由于車輛工作環(huán)境復(fù)雜多變，運動無固定規(guī)律，且為自身隱蔽而采用短波通信使得通信范圍較小，該類型自組織網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)變化相對更快、更為頻繁。另外，由于裝甲車輛的特殊性，其對通信可靠性的需求更高，特別是機動突擊中協(xié)同控制的交互信息更是重中之重。因此在該網(wǎng)絡(luò)中，研究可靠性高的路由協(xié)議顯得尤為重要［4］。

現(xiàn)有自組織網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議中，一般采用跳數(shù)即轉(zhuǎn)發(fā)次數(shù)作為路由選擇依據(jù)，也即選取跳數(shù)最少的一條鏈路作為通信路由。跳數(shù)越少，轉(zhuǎn)發(fā)延時及轉(zhuǎn)發(fā)可能帶來的誤碼率較小，鏈路質(zhì)量越高。但在拓撲結(jié)構(gòu)變化率較高的情況下，鏈路頻繁斷裂會給網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量帶來極大影響，成為關(guān)鍵的影響因素。跳數(shù)減少在降低誤碼率的同時使得鏈路斷裂次數(shù)提高，鏈路斷裂后再次發(fā)起的路由發(fā)現(xiàn)過程大量占用了網(wǎng)絡(luò)資源，可能會帶來鏈路時延和丟包率加劇。在該背景下，多路徑的路由協(xié)議更適用于機動突擊中的自組網(wǎng)通信。

文獻［5］中提出一種主動式路由協(xié)議，即目的節(jié)點序列距離矢量協(xié)議（Destination Sequenced Distance Vector，DSDV）。該協(xié)議基于Bellman-Ford路由選擇算法發(fā)展而來，其最大優(yōu)點在于給每條路由設(shè)定路由序號，從而有效避免了路由環(huán)路。協(xié)議中，每個節(jié)點維護包含了網(wǎng)絡(luò)所有其他節(jié)點的路由表。網(wǎng)絡(luò)每個節(jié)點每隔一段時間都會進行廣播，完成與鄰居節(jié)點之間路由信息的交換，路由更新在有網(wǎng)絡(luò)拓撲改變時也會進行觸發(fā)。

由于DSDV協(xié)議每個節(jié)點路由表中已存在到其他節(jié)點的路由信息，在源節(jié)點需要發(fā)送數(shù)據(jù)分組時無需發(fā)起臨時的路由發(fā)現(xiàn)過程，可查找路由表后立即進行傳送，因此對于實時性要求較高的業(yè)務(wù)如流媒體、語音業(yè)務(wù)等更為適用。但是DSDV作為主動式路由協(xié)議的典型代表，在拓撲變化較快的無線網(wǎng)絡(luò)中并不適用：拓撲變化會觸發(fā)全網(wǎng)廣播，從而導(dǎo)致拓撲信息交換占用大量網(wǎng)絡(luò)資源，節(jié)點需要花費很高代價維護路由表；另外，若拓撲變化很快，某些情況下可能剛獲取的路由信息隨即失效。因此，DSDV協(xié)議一般應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)節(jié)點數(shù)較少、拓撲變化頻率較低速度較慢的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。

相對DSDV，文獻［6］中所提出的自組織網(wǎng)絡(luò)按需距離矢量路由協(xié)議（Ad-Hoc On-Demand Distance Vector，AODV）為典型的被動式路由協(xié)議，相對來說更適用于網(wǎng)絡(luò)拓撲變化較快的網(wǎng)絡(luò)，如車載移動自組織網(wǎng)絡(luò)。

AODV協(xié)議中，當(dāng)源節(jié)點需要發(fā)送報文且路由表中沒有到目的節(jié)點的路由時，將會廣播路由請求消息，該消息中攜帶了目的節(jié)點地址，并通過多跳到達目的節(jié)點。路由請求消息到達目的節(jié)點后向源節(jié)點原路返回路由回復(fù)消息，從而確定路由。網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點不需要實時維護網(wǎng)絡(luò)拓撲信息，因此不會因路由消息占用大量網(wǎng)絡(luò)資源。相對主動式路由協(xié)議DSDV來說，AODV更適用于拓撲快速變化的自組織網(wǎng)絡(luò)。

本文將基于AODV協(xié)議，研究并仿真實現(xiàn)一種多路徑的自組織網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議BAK-AODV，結(jié)合路由回復(fù)消息中的路由信息選取不相交路由作為鏈路備份，能夠在一條路由失效后迅速切換至備份路由，不需等待路由發(fā)現(xiàn)過程再次建立通信，以保證鏈路的穩(wěn)定性和通信的可靠性。

2 鏈路不相交的多路徑路由協(xié)議

裝甲車輛自組織網(wǎng)絡(luò)中，由于車輛運行環(huán)境復(fù)雜、運動狀態(tài)多變、短波通信半徑相對較小等限制，網(wǎng)絡(luò)拓撲變化進一步加劇。對于這種情況，AODV每次路由發(fā)現(xiàn)過程僅確定一條可用路由存在不足，因此考慮多路徑路由協(xié)議。然而，若備用路由與現(xiàn)用路由相交，且交點有可能為關(guān)鍵節(jié)點，其失效后兩條路由均不可用，因此在多路徑的基礎(chǔ)上需要進行鏈路相交判斷。

2.1 路由選擇原理

在拓撲結(jié)構(gòu)較為穩(wěn)定的情況下，選取跳數(shù)最少的一條路由進行通信是可取的，但在拓撲快速變化的網(wǎng)絡(luò)中，每次路由發(fā)現(xiàn)過程僅產(chǎn)生一條可用路由會導(dǎo)致頻繁的路由發(fā)現(xiàn)過程，且路由發(fā)現(xiàn)過程中通信不可用容易帶來時延和丟包。在路由發(fā)現(xiàn)過程中建立不相交鏈路作為備用路由則可以較好地解決這個問題，簡單描述其選擇原理差別，如圖1所示。圖中，節(jié)點a為源節(jié)點，g為目的節(jié)點。

圖1 路由選擇原理Fig.1 Router selection principle

如圖1（a）所示，AODV協(xié)議所選取路由為a－e－c－d－g，因鏈路跳數(shù)相同，選取首先返回路由消息的鏈路。在這種情況下，若鏈路中有任意節(jié)點或鏈路出現(xiàn)問題，將導(dǎo)致路由斷裂，如圖1（a）中c節(jié)點失效則鏈路中斷，需要再次發(fā)起路由發(fā)現(xiàn)過程，從而耗費更多的網(wǎng)絡(luò)資源，并帶來更大延時。

圖1（b）所示的路由算法建立了兩條路由，分別為a－b－c－d－g及a－e－c－f－g。這兩條鏈路從一定程度上減少了鏈路斷裂的可能性。如節(jié)點b、d、f失效，另一條路由仍可進行正常通信。然而，若兩條鏈路的交點，即關(guān)鍵節(jié)點c失效，則兩條路由均失效，未起到應(yīng)有的備份效果。

圖1（c）中所示，新路由算法仍建立兩條路由，但兩條路由不相交，分別為a－b－c－d－g及a－e－f－f－g。在這種情況下，任何一節(jié)點斷裂均不會導(dǎo)致兩條路由同時失效，可有效地起到備份效果，提高通信的穩(wěn)定性。

2.2 路由發(fā)現(xiàn)過程

路由發(fā)現(xiàn)過程分為三部分，下面分別介紹。

（1）節(jié)點每隔一段時間在一跳范圍內(nèi)廣播自身位置信息（Hello消息），鄰居節(jié)點收到Hello消息后，將節(jié)點id存儲至鄰居節(jié)點列表。該部分從時間范圍來說與路由發(fā)現(xiàn)過程獨立，但從功能上與之統(tǒng)一：路由發(fā)現(xiàn)過程所需的連通通過Hello消息在相鄰節(jié)點之間傳輸。過程如圖2所示。

圖2 Hello消息流程Fig.2 Hello message flow

（2）源節(jié)點有數(shù)據(jù)需要發(fā)送且沒有可用路由，則發(fā)起路由發(fā)現(xiàn)過程，廣播RREQ（Routing Request）消息。中間節(jié)點收到RREQ消息后，在RREQ消息中加入自身標識信息，并利用鄰居列表的連通信息，向所有鄰居節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)RREQ消息。最終RREQ消息到達目的節(jié)點，且消息中包含了路由中的所有節(jié)點信息，目的節(jié)點根據(jù)這些信息向源節(jié)點返回RREP（Routing Reply）消息。處理過程如圖3所示。

圖3 RREQ消息流程Fig.3 RREQ message flow

（3）源節(jié)點收到目的節(jié)點返回的第一個RREP消息后，保存該消息并等待一段時間，該過程中收到的所有路由請求消息均被保存至緩存隊列。時間到達或者緩存消息個數(shù)達到要求后，比較RREP緩存隊列中所有路由的節(jié)點信息，選取跳數(shù)最小且不相交的兩條路由并存儲至路由表，按照該路由表進行數(shù)據(jù)傳輸，路由發(fā)現(xiàn)過程完成。過程如圖4所示。

圖4 RREP消息流程Fig.4 RREP message flow

2.3 路由維護過程

BAK-AODV路由維護過程與AODV協(xié)議相類似。若路由中某一節(jié)點發(fā)現(xiàn)下一跳節(jié)點不可達，則會向上一跳節(jié)點發(fā)送路由錯誤消息RERR（Routing Error）。RERR消息沿原路由反向傳播，直到路由中所有的活躍節(jié)點均被通知到。

源節(jié)點收到RERR消息后，發(fā)起路由發(fā)現(xiàn)過程。該過程中因備份路由存在，數(shù)據(jù)通信未中斷，僅需建立一條與通信路由不相交的路由即可，與無路由存在時的路由發(fā)現(xiàn)過程略有差異。新路由建立好后，添加至路由表替代斷裂的路由，并與現(xiàn)存路由互為備份。

3 協(xié)議仿真與性能分析

3.1 仿真環(huán)境及參數(shù)設(shè)定

本文仿真基于NS2（Network Simulator 2）進行，NS2是一個面向?qū)ο蟮?、由離散時間驅(qū)動的網(wǎng)絡(luò)仿真平臺，廣泛應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)仿真領(lǐng)域。針對裝甲車輛對通信可靠性的極高要求，仿真在結(jié)合拓撲變化率的基礎(chǔ)上，主要對兩個性能指標進行了分析：丟包率及平均網(wǎng)絡(luò)時延。為表明BAK-AODV協(xié)議算法的有效性，在此同時對AODV進行了仿真用以對照。

以隨機路點模型［7］為基礎(chǔ)，網(wǎng)絡(luò)拓撲變化率τ可由式（1）衡量：

式中，ρ為網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點的密度，r為節(jié)點通信半徑，v為節(jié)點運動速度，默認環(huán)境為FreeSpace也即無遮擋無反射。

仿真基本參數(shù)設(shè)定如下：無線信道模型FreeSpace，MAC層協(xié)議802.11，流量模型CBR且數(shù)據(jù)速率為5 kb／s。另外分別針對節(jié)點密度、通信半徑和運動速度設(shè)計了3組。其中，為使拓撲變化率更貼近現(xiàn)實，平衡無線信道模型及無節(jié)點開關(guān)等的影響，仿真中提高了節(jié)點平均運動速度至20～40 m／s。

3.2 仿真結(jié)果分析

3.2.1 丟包率

丟包率是指從源節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)分組（與在傳輸過程中丟失的分組數(shù)的比的倒數(shù)，該指標針對應(yīng)用層，因此能夠有效反映路由有效性和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量。丟包率越高說明網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量越差。影響丟包率的因素有很多種，但是鏈路穩(wěn)定性是其中起決定性作用的因素：如果鏈路發(fā)生斷裂，路由斷裂處的上游節(jié)點會將數(shù)據(jù)包進行緩沖，并等待路由協(xié)議建立新的路由，在這段時間內(nèi)該節(jié)點處收到的后續(xù)數(shù)據(jù)包都將會被丟棄。從圖5可見，在節(jié)點密度、平均移動速度、通信半徑所影響的不同拓撲變化率的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，新協(xié)議均表現(xiàn)出良好性能，能夠建立更為穩(wěn)定的通信，降低丟包率。

圖5 丟包率仿真結(jié)果Fig.5 Simulation result of packet loss probability

3.2.2 平均網(wǎng)絡(luò)時延

鏈路的頻繁斷裂使得路由發(fā)現(xiàn)過程的頻繁發(fā)生，從而造成網(wǎng)絡(luò)時延的極大提高。多路徑路由協(xié)議中，因路由備份減小了鏈路斷裂對網(wǎng)絡(luò)通信質(zhì)量的影響，從而降低網(wǎng)絡(luò)時延。三組仿真如圖6所示。

圖6 網(wǎng)絡(luò)時延仿真結(jié)果Fig.6 Simulation result of network delay

從圖6中可明顯看出，新路由協(xié)議有效減小了網(wǎng)絡(luò)時延，提高了網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量。

4 結(jié)論

移動自組織網(wǎng)絡(luò)為裝甲車輛的車際通信提供了一種新的模式，具有廣闊的應(yīng)用前景。由于裝甲車輛的特殊性，自組網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)拓撲變化率增大，而對通信可靠性的要求又有所提高。針對該問題，本文在AODV協(xié)議的基礎(chǔ)上，研究并仿真實現(xiàn)了基于多路徑的鏈路不相交自組織網(wǎng)絡(luò)路由算法。仿真結(jié)果表明，該算法在丟包率及網(wǎng)絡(luò)平均時延方面均獲得了較好的性能提升。

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［7］Bettstetter C，Hartenstein H，Xavier P C.Stochastic Properties of the Random Waypoint Mobility Model［J］.Wireless Networks，2004，10（5）：555－567.

LIU Da-kun was born in Shuozhou，Shanxi Province，in 1978.He is now a senior engineer with the M.S.degree.His research concerns tank and armored vehicle information system，photoelectric countermeasure system.

黎曉波（1989—），男，甘肅平?jīng)鋈耍T士，主要研究方向為通信與信息系統(tǒng)；

LI Xiao-bo was born in Pingliang，Gansu Province，in 1989.He is with the M.S.degree.His research concerns communication system.

胡建軍（1973—），男，湖北天門人，碩士，高級工程師，從事車輛總體信息設(shè)計及指控設(shè)計工作；

HU Jian-jun was born in Tianmen，Hubei Province，in 1973.He is now a senior engineer with the M.S.degree.His research concerns overall design of the vehicle information，command and control.

胡松（1980—），男，湖南長沙人，主要研究方向為軍用車輛電氣系統(tǒng)、電子信息系統(tǒng)研究。

HU Song was born in Changsha，Hunan Province，in 1980.His research concerns electrical system of military vehicles，electronic information system.

Multi-path Ad-hoc Routing Technique in Mobile Assault

LIU Da-kun，LI Xiao-bo，HU Jian-jun，HU Song
（China North Vehicle Research Institute，Beijing 100072，China）

Due to the variety of combat mode and the innovation of weapon equipment，cooperative control of armored vehicles in mobile assault becomes more and more important.Therefore，network with high performance is required.In virtue of some excellent features，Ad-hoc network can well satisfy this requirement.In network communications，stability is one of the most important indicators of network routing performance.However，in mobile assault，factors such as fast movement and obstacle will cause rapid variation of network topology and bad impact on the network stability.Consequently，it brings bad debasement to the communication quality.In this paper，an on-demand routing protocol based on disjoint multi-path is analyzed and simulated.Routing information carried by route-reply messages is used to choose two disjoint links which are the backup of each other.This protocol is the improvement of AODV（Ad-hoc On-demand Distance Vector）mechanism.The simulation results show that the presented protocol can achieve lower packet-loss-rate and shorter end-to-end delay.

armored vehicle；mobile assault；cooperative control；Ad-hoc network；routing protocol；disjoint links；AODV

date：2013－07－30；Revised date：2013－09－10

??通訊作者：janal-zheng＠163.comCorresponding author：janal-zheng＠163.com

TN915

A

1001－893X（2013）09－1213－05

劉大昆鳥（1978—），男，山西朔州人，碩士，高級工程師，主要研究方向為坦克裝甲車輛車輛信息系統(tǒng)、光電對抗系統(tǒng)；

10.3969／j.issn.1001－893x.2013.09.018

2013－07－30；

2013－09－10