劉 智 徐 楨

(北京航空航天大學 電子信息工程學院，北京100191)

1 問題提出

在民用航空通信領(lǐng)域中，目前的航空電信網(wǎng)無法完全滿足飛機間相互通信、分發(fā)環(huán)境感知信息等需求［1］.因此，為了達到未來空域運行實時交互、高效通信的目標，針對上述缺陷設(shè)計適合的通信方式是非常重要的.同時在軍用航空通信領(lǐng)域，航空通信網(wǎng)絡(luò)承載著諸如遙測信息、指令信息等收集、傳輸、分發(fā)等重要任務.由于航空通信環(huán)境復雜，對于端到端的信息傳輸質(zhì)量有著較高的需求.因此，構(gòu)建可靠、快速、抗毀性好的空天地一體化通信網(wǎng)絡(luò)是未來戰(zhàn)場的必然需求［2］.

航空高動態(tài)網(wǎng)絡(luò)是整個空天地網(wǎng)絡(luò)的重要一環(huán)，由高速飛行、功能獨立又相互協(xié)作的飛行器組成.如圖1所示，航空高動態(tài)網(wǎng)絡(luò)和衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)、地面通信網(wǎng)絡(luò)、高空平臺通信系統(tǒng)等構(gòu)成了完整的空天地一體化結(jié)構(gòu).典型的航空高動態(tài)網(wǎng)絡(luò)主要包括航空信息傳輸節(jié)點(TA，Transmission Airborne-nodes)、中繼節(jié)點(RN，Relay Nodes)及相應的信息站(GS，Gate Stations)和網(wǎng)管節(jié)點(GW，Gateways)等.和地面的Ad hoc網(wǎng)絡(luò)相比，航空高動態(tài)網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點移動速度差異性明顯.網(wǎng)絡(luò)中同時存在速度較低的節(jié)點和高速運動的節(jié)點，其中高速運動節(jié)點相對速度可達2 382 m/s，Ma≈7［3］.而和普通的航空自組網(wǎng)相比，由于應用環(huán)境的不同，航空高動態(tài)網(wǎng)絡(luò)中對于飛行器均勻轉(zhuǎn)向飛行模式(CT，Constant Turning)和恒定速度飛行模式(CV，Constant Velocity)的假設(shè)并不適用，網(wǎng)絡(luò)拓撲變化更為頻繁，且承載的信息傳輸任務更為復雜.

圖1 空天地一體化通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure of the air-space-ground communication networks

由于航空高動態(tài)網(wǎng)絡(luò)承載著重要信息的傳輸任務，且飛行器節(jié)點和通信環(huán)境具有特殊性，在航空高動態(tài)網(wǎng)絡(luò)中提供有質(zhì)量保證的通信服務比一般的無線網(wǎng)絡(luò)難度更大.而航空高動態(tài)網(wǎng)絡(luò)的性能很大程度上取決于路由算法的高效性和可靠性.設(shè)計合適的航空高動態(tài)網(wǎng)絡(luò)路由算法有以下難點:①設(shè)備資源受限.盡管機載通信設(shè)備能力在逐漸變強，但受重量、續(xù)航等條件的約束，和一般的地面設(shè)備相比仍具有較低的計算能力和存儲能力，這樣就限制了航空高動態(tài)網(wǎng)絡(luò)路由算法的復雜度和可存儲的QoS狀態(tài)數(shù)量;②分布式的結(jié)構(gòu).由于成員節(jié)點可以自發(fā)地動態(tài)組網(wǎng)，航空高動態(tài)網(wǎng)絡(luò)難以提供任何形式的中心控制，通常要求每個節(jié)點局部的路由信息更新能夠及時地轉(zhuǎn)發(fā)，這增加了航空高動態(tài)網(wǎng)絡(luò)路由算法的開銷和復雜度;③節(jié)點運動難以預測.由于節(jié)點的移動模型具有隨機和完全獨立的特點，因此獲取準確的拓撲信息是非常困難的，這也給航空高動態(tài)網(wǎng)絡(luò)路由算法的穩(wěn)定性造成了沖擊.

從國內(nèi)外研究現(xiàn)狀來看［4-15］，現(xiàn)有的航空高動態(tài)網(wǎng)絡(luò)路由算法主要是基于地理位置信息的路由協(xié)議，由于可以較好地屏蔽拓撲變化，因此能夠高效可靠地應用于高動態(tài)航空環(huán)境下.代表算法之一是貪婪周邊無狀態(tài)路由協(xié)議(GPSR，Greedy Perimeter Stateless Routing)［4］，算法將目的節(jié)點的地理位置信息寫入路由信息包中，中間節(jié)點將其轉(zhuǎn)發(fā)至其通信范圍內(nèi)與目的節(jié)點地理位置距離最近的節(jié)點.GPSR算法在車載自組網(wǎng)及無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中有著廣泛的應用和研究.另一方面，GLSR算法從機載導航設(shè)備獲取飛行器的地理位置信息，結(jié)合鏈路層緩存信息降低信息丟失概率［5］.但由于該算法假定飛機的網(wǎng)絡(luò)拓撲是不變的，這與實際應用情況有較大差距.因此，現(xiàn)有航空高動態(tài)網(wǎng)絡(luò)路由算法一方面沒有充分考慮節(jié)點高速度、變化軌跡對地理位置信息度量所帶來的影響;另一方面，也沒有考慮在源節(jié)點進行高速數(shù)據(jù)傳輸時，由于地理位置原因向某地區(qū)匯聚容易導致?lián)砣膯栴}.

由此，本文提出一種新的基于地理位置信息的負載感知路由算法(DGLAR，Dynamic Geographic Load Aware Routing protocol)，算法在考慮通信節(jié)點地理位置關(guān)系的基礎(chǔ)上，通過交互網(wǎng)絡(luò)鄰居節(jié)點的隊列信息來實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的流量均衡，避免部分節(jié)點擁塞帶來的網(wǎng)絡(luò)吞吐率下降.另外，引入節(jié)點相對移動性的動態(tài)度量，避免了單一位置度量的路由算法帶來的高速流量匯聚問題，同時解決了節(jié)點高速運動對路由性能的影響.

2 負載感知路由

目前的機載通信設(shè)備能夠依靠地空、空空數(shù)據(jù)鏈，將導航系統(tǒng)及其他機載設(shè)備產(chǎn)生的位置、速度以及流量等狀態(tài)信息矢量(SV，State Vector)作為數(shù)據(jù)源，進行周期性對外廣播，因而能夠更好地輔助信息傳輸過程.在本文中假設(shè)航空飛行器間裝載相同格式的數(shù)據(jù)鏈，能夠直接通信.DGLAR算法主要包括路由發(fā)現(xiàn)、下一跳節(jié)點選擇、數(shù)據(jù)發(fā)送3個部分.在路由發(fā)現(xiàn)的階段，算法收集其通信范圍內(nèi)的節(jié)點信息及其狀態(tài)向量;在下一跳節(jié)點選擇階段，算法通過和通信范圍內(nèi)節(jié)點的移動性度量和負載信息動態(tài)選擇下一跳節(jié)點;在數(shù)據(jù)發(fā)送階段，算法設(shè)計了相應的數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)策略.

2.1 路由發(fā)現(xiàn)

航空高動態(tài)網(wǎng)絡(luò)模型可以描述為無向連同圖G(V，E)，其中V是航空高動態(tài)網(wǎng)絡(luò)中飛行器的有限集，若(i，j)∈E則表示節(jié)點 i，j間存在著通信鏈路.

在航空高動態(tài)網(wǎng)絡(luò)中，t時刻節(jié)點i，j間的歐式距離度量 Ei，j和相對移動速度 Vi，j分別為

假設(shè)節(jié)點到達節(jié)點i，而其目的節(jié)點為D，在t時刻轉(zhuǎn)發(fā)，地理位置距離為

如圖2所示，以X-Y軸為例，源節(jié)點S在t時刻以速度vS(t)移動，此時通信范圍內(nèi)的鄰居節(jié)點有A和B節(jié)點，而目的節(jié)點D在t時刻以速度vD(t)移動，此時通信范圍內(nèi)的鄰居節(jié)點僅有C節(jié)點可選.

圖2 節(jié)點位置速度關(guān)系圖Fig.2 Relative positions and velocities between nodes

若在t時刻節(jié)點S進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，則初始化其鄰居信息表，并向通信范圍r內(nèi)的鄰居節(jié)點發(fā)送請求(RREQ，Route Request)報文.鄰居節(jié)點接收到RREQ報文后，將自身t時刻的位置信息、速度信息、隊列長度信息、鏈路帶寬及鏈路速度等信息寫入相應的應答(RREP，Route Reply)報文中，回復給上一跳路由節(jié)點作為路徑選擇依據(jù).

2.2 下一跳節(jié)點選擇

在傳統(tǒng)的地理位置信息路由協(xié)議中，數(shù)據(jù)包通常直接轉(zhuǎn)發(fā)給地理位置最接近目的地的下一跳節(jié)點，這對節(jié)點的移動性和負載特性支持不夠，而且這會導致下一跳節(jié)點位置處于通信的臨界區(qū)域.在這種情況下，節(jié)點的高速移動會導致信息數(shù)據(jù)的丟失.而且，流量非常容易在目的節(jié)點周圍的節(jié)點匯聚而導致網(wǎng)絡(luò)擁塞.在DGLAR算法中，同時考慮節(jié)點的相對移動速度和節(jié)點的數(shù)據(jù)擁塞情況，給出了新的路由度量機制.

定義下一跳節(jié)點最大隊列長度為lj，t時刻隊列長度為qj(t)，鏈路到達速率為xj(t)，cj為鏈路帶寬，定義節(jié)點j在t時刻的擁塞因子為

γ≥0，α＞0，均為擁塞系數(shù)的加權(quán)因子.

因此，在t時刻節(jié)點j對于目的節(jié)點D的動態(tài)路由因子為

當算法應用于強調(diào)拓撲變化的應用環(huán)境中，可以調(diào)節(jié)增大β系數(shù);而當算法應用于強調(diào)高速數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)膽铆h(huán)境，可以動態(tài)增大γ的權(quán)重.中間節(jié)點根據(jù)請求信息，判斷自己是否是目的節(jié)點，若是則直接應答接收數(shù)據(jù)包并處理.否則，將重復進行下一跳的請求應答過程.

因此，下一跳節(jié)點的選擇:

其中Si(t)為t時刻i節(jié)點的鄰居節(jié)點集合.

2.3 數(shù)據(jù)發(fā)送

當接收到相應的數(shù)據(jù)信息后，轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點通過查詢其維護的鄰居狀態(tài)信息表來決定如何轉(zhuǎn)發(fā)該數(shù)據(jù)包.在轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點的傳輸范圍內(nèi)，算法選擇具有最佳動態(tài)路由因子的下一跳節(jié)點.如果轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點在時間段內(nèi)沒有下一跳節(jié)點作為轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點，則緩存數(shù)據(jù)包直至適合的下一跳節(jié)點出現(xiàn)在通信范圍內(nèi).若緩存溢出或超過時鐘后仍不能找到合適的下一跳節(jié)點，則數(shù)據(jù)包就會被銷毀.

3 算法性能評估

為了驗證本文提出的路由算法，采用仿真軟件OPNET 10.1建立動態(tài)的仿真環(huán)境.仿真環(huán)境的建立參考了實際航空通信環(huán)境中的參數(shù)，如傳播損耗模型、射頻功率等.應用層采用服從均勻分布的恒定比特率業(yè)務來模擬數(shù)據(jù)業(yè)務.航空飛行器終端均以相同概率產(chǎn)生新業(yè)務，且持續(xù)時間服從負指數(shù)分布.網(wǎng)絡(luò)層采用本文提出的DGLAR算法.鏈路層使用接入控制協(xié)議802.11 DCF，節(jié)點鏈路有一個隊列長度為15個數(shù)據(jù)包大小的FIFO隊列.實驗分為兩部分:第一部分測試在不同網(wǎng)絡(luò)動態(tài)程度下的算法表現(xiàn)，第二部分測試在不同負載程度下的算法表現(xiàn).環(huán)境具體仿真的參數(shù)如表1所示.

表1 仿真實驗的參數(shù)取值Table 1 Parameter values of simulation

3.1 節(jié)點動態(tài)性能實驗

首先測試在大數(shù)據(jù)速率環(huán)境下不同節(jié)點速度對網(wǎng)絡(luò)性能的影響，設(shè)定低速移動節(jié)點速度為100 km/h，高速節(jié)點速度在400～600 km/h的范圍內(nèi)逐漸增加.數(shù)據(jù)發(fā)送速率恒定為5 MB/s.圖3顯示了網(wǎng)絡(luò)丟包率隨節(jié)點移動速度增加的變化.

圖3 不同移動速度下的網(wǎng)絡(luò)丟包率對比Fig.3 Packet drop ratio comparison between different movement speed scenarios

從圖3中可知，3種路由算法的丟包率都受到節(jié)點移動速度的影響.GPSR和GLSR的丟包率隨著節(jié)點移動速度的增大而快速累積，特別是當速度大于600 km/h時丟包情況進一步嚴重.這主要是因為高速移動的環(huán)境下網(wǎng)絡(luò)斷鏈情況加劇，從而產(chǎn)生大量的重路由導致數(shù)據(jù)包的發(fā)送失敗.另一方面，由于DGLAR考慮了節(jié)點的移動速度度量，能夠減少相應丟包情況的發(fā)生，有效地提高了數(shù)據(jù)包的成功傳輸率.

圖4表明了網(wǎng)絡(luò)傳輸時延隨節(jié)點移動速度的變化.從圖4可以看出，相比 GPSR和 GLSR算法，DGLAR能夠減少網(wǎng)絡(luò)的端到端時延，這主要是由于DGLAR同時考慮了節(jié)點移動性和負載的度量，減少了由于移動性帶來的重路由和擁塞概率，相應地減少了丟包重傳帶來傳輸時延累積.

圖4 不同移動速度下的傳輸時延對比Fig.4 Transmission delay comparison between different movement speed scenarios

3.2 流量負載性能實驗

接下來測試在動態(tài)環(huán)境下不同負載程度對算法性能的影響，設(shè)定低速移動節(jié)點速度為100 km/h，高速節(jié)點速度為400 km/h.數(shù)據(jù)發(fā)送速率從5～35 MB/s逐漸遞增.

圖5顯示了網(wǎng)絡(luò)丟包率隨節(jié)點數(shù)據(jù)發(fā)送速率增加的變化.由于節(jié)點的緩存隊列是有限的，隨著發(fā)送速率的增加，3種路由算法的丟包率都有所增加.DGLAR的數(shù)據(jù)包成功傳輸率優(yōu)于GPSR和GLSR，這是由于DGLAR在選擇下一跳節(jié)點的時候考慮了節(jié)點的負載度量，避免了網(wǎng)絡(luò)的流量匯聚帶來的擁塞，減少了網(wǎng)絡(luò)的丟包機率.

圖5 不同發(fā)送速率下的網(wǎng)絡(luò)丟包率對比Fig.5 Packet drop ratio comparison under different packets transmitting rates

圖6表明了網(wǎng)絡(luò)傳輸時延隨節(jié)點負載程度增加帶來的影響.從圖6可以看出，在低速發(fā)送速率的環(huán)境下，DGLAR的優(yōu)勢并不明顯.而當數(shù)據(jù)發(fā)送速率超過30 MB/s時，GPSR和GLSR的時延累積情況加劇，DGLAR對高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)谋憩F(xiàn)有明顯優(yōu)勢.

圖6 不同發(fā)送速率下的傳輸時延對比Fig.6 Transmission delay comparison under different packets transmitting rates

4 結(jié)論

本文在對航空高動態(tài)網(wǎng)絡(luò)特殊性及其對路由算法影響進行深入分析的基礎(chǔ)上，設(shè)計了一種適合復雜動態(tài)環(huán)境、高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)暮娇崭邉討B(tài)路由算法DGLAR.DGLAR根據(jù)信息發(fā)送節(jié)點和鄰居節(jié)點的地理位置信息、相對移動速度和節(jié)點鏈路擁塞情況動態(tài)選擇發(fā)送路徑，提高了傳輸路徑的穩(wěn)定性和整體網(wǎng)絡(luò)對高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?實驗結(jié)果表明:

1)算法可顯著減少因節(jié)點移動而導致的數(shù)據(jù)發(fā)送失敗，從而降低信息傳輸丟包率，進而減少因重傳而產(chǎn)生的擁塞概率，使網(wǎng)絡(luò)達到負載均衡，提升網(wǎng)絡(luò)整體資源利用率.相比GLSR算法，因節(jié)點移動而產(chǎn)生的丟包率可降低14.5%～43.3%，因數(shù)據(jù)發(fā)送速率增加而導致的丟包增加率可降低8.6%.

2)算法可有效地降低了復雜通信環(huán)境的端到端時延，并隨節(jié)點移動速度和數(shù)據(jù)發(fā)送速率的增加而顯示出更好的傳輸性能，能夠更好地滿足業(yè)務對網(wǎng)絡(luò)QoS路由的需求.相比GLSR算法，在節(jié)點移動速度達700 km/h時，端到端時延可降低63.2%;在節(jié)點發(fā)送速率為35 MB/s時，端到端時延可降低55.4%.

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