樓俐，范建華，徐誠

（1.南京電訊技術(shù)研究所，江蘇南京210007；2.南京理工大學(xué)機械工程學(xué)院，江蘇南京210094）

基于局部穩(wěn)定性測度的戰(zhàn)術(shù)移動自組織網(wǎng)絡(luò)拓撲優(yōu)化抗干擾技術(shù)研究

樓俐1，范建華1，徐誠2

（1.南京電訊技術(shù)研究所，江蘇南京210007；2.南京理工大學(xué)機械工程學(xué)院，江蘇南京210094）

針對MANET組網(wǎng)模式下的戰(zhàn)術(shù)無線通信網(wǎng)絡(luò)，節(jié)點可靈活自組，通信方式多樣化，但經(jīng)多跳轉(zhuǎn)發(fā)的傳輸鏈路易受干擾影響而導(dǎo)致整體路徑失效，受干擾威脅較大的問題，除采用一系列物理鏈路級傳統(tǒng)抗干擾手段外，還應(yīng)通過控制和優(yōu)化拓撲結(jié)構(gòu)，提高干擾下通信系統(tǒng)對節(jié)點和鏈路失效的容忍度和網(wǎng)絡(luò)性能恢復(fù)能力，這也是提高路由等上層協(xié)議的可用性和生存能力的基礎(chǔ)。以復(fù)雜系統(tǒng)理論為指導(dǎo)，在圖論和隨機過程理論的基礎(chǔ)上分析不同通信環(huán)境條件變化對干擾阻塞狀態(tài)的影響，判別節(jié)點重要度和網(wǎng)絡(luò)概率連通性，提出了一種基于局部穩(wěn)定性測度的拓撲優(yōu)化方法，用于構(gòu)造高可靠網(wǎng)絡(luò)。通過仿真實驗分析，驗證了該方法的有效性，可提高實際動態(tài)傳播條件下的軍用通信網(wǎng)絡(luò)的抗干擾能力和自優(yōu)化能力。

兵器科學(xué)與技術(shù)；軍用無線通信；戰(zhàn)術(shù)移動自組網(wǎng)；網(wǎng)絡(luò)抗干擾；復(fù)雜系統(tǒng)理論；拓撲優(yōu)化

0　引言

以MANET架構(gòu)為基本組網(wǎng)模式的戰(zhàn)術(shù)無線通信網(wǎng)絡(luò)，簡稱戰(zhàn)術(shù)移動自組織網(wǎng)絡(luò)（TM），為戰(zhàn)場通信業(yè)務(wù)提供了無需固定基礎(chǔ)設(shè)施支持的有效無縫連接［1］。通信方式可為點到點、點到多點、多點到多點通信，支持視距和非視距鏈路。為了避開不穩(wěn)定的受干擾鏈路和擴大網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍，保證數(shù)據(jù)分組在源與目的節(jié)點之間的可靠轉(zhuǎn)發(fā)，可選擇帶寬較高、通信質(zhì)量更穩(wěn)定的多跳鏈路中繼轉(zhuǎn)發(fā)。其拓撲控制和優(yōu)化目標(biāo)與一般Ad Hoc模式無線傳感網(wǎng)絡(luò)拓撲優(yōu)化策略［2］不同，除了受地形、地貌、氣象、水文條件影響外，更容易受到外界的干擾，端到端之間存在不對稱鏈路?？紤]到有限戰(zhàn)場通信資源利用率和業(yè)務(wù)實時性需求的矛盾，現(xiàn)有技術(shù)條件下無法動輒使用成百上千個節(jié)點組成一個大型多跳網(wǎng)絡(luò)，也難以隨時補充多個冗余備份節(jié)點，通信網(wǎng)絡(luò)節(jié)點數(shù)目較少，其中任何節(jié)點都有成為網(wǎng)絡(luò)割點的可能。路由協(xié)議的生存性、頻率和用時等資源復(fù)用性能受到多變拓撲結(jié)構(gòu)的影響較大。因此要求在干擾不可完全規(guī)避的情況下，依據(jù)網(wǎng)絡(luò)性能變化趨勢和變化程度，分析和評估端到端連通性和鏈接質(zhì)量，根據(jù)分析結(jié)果預(yù)測判別網(wǎng)絡(luò)脆弱環(huán)節(jié)和網(wǎng)絡(luò)割點，重構(gòu)魯棒的拓撲結(jié)構(gòu)，保證各局部子網(wǎng)具有較大連通度和較小阻塞概率，減少干擾對全網(wǎng)性能的損傷，保障網(wǎng)絡(luò)通信性能。

拓撲結(jié)構(gòu)的魯棒性通常用于描述全網(wǎng)的可靠性和抗干擾能力。構(gòu)建一個穩(wěn)定可靠的拓撲結(jié)構(gòu)是進行頻率、時隙、功率、流量、節(jié)點空間布局等網(wǎng)絡(luò)資源合理分配的基礎(chǔ)，也是避免各節(jié)點之間產(chǎn)生同頻干擾，能依據(jù)信道傳輸質(zhì)量和業(yè)務(wù)量大小合理確定信道傳輸速率，并能計算最佳路由規(guī)避外界電磁干擾的前提。通過網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)的優(yōu)化控制，有利于正確獲取網(wǎng)絡(luò)的最佳工作狀態(tài)和工作參數(shù)，可以提高網(wǎng)絡(luò)容錯能力，減少干擾對網(wǎng)絡(luò)性能的影響，使網(wǎng)絡(luò)預(yù)先形成一定的抗干擾態(tài)勢，在網(wǎng)絡(luò)受到干擾影響之前構(gòu)建抗干擾拓撲結(jié)構(gòu)，并為路由選擇提供足夠多的冗余鏈路規(guī)避干擾。

由于面向軍事應(yīng)用的戰(zhàn)術(shù)無線通信網(wǎng)絡(luò)受復(fù)雜電磁環(huán)境影響，無線信道易被截獲和干擾［3-4］，網(wǎng)絡(luò)拓撲變化較大，因此網(wǎng)絡(luò)拓撲穩(wěn)定性問題尤為突出，影響路由等上層協(xié)議的生存能力，然而以往的拓撲優(yōu)化控制研究主要基于計算幾何學(xué)和概率分析法［5-8］，通常要求節(jié)點具備全網(wǎng)信息，算法復(fù)雜且開銷較大、對節(jié)點的布局要求過于理想化，僅適用于拓撲結(jié)構(gòu)較為固定的網(wǎng)絡(luò)，在通信環(huán)境條件復(fù)雜，存在不對稱鏈路的戰(zhàn)術(shù)無線通信網(wǎng)絡(luò)中通常不可行。需要設(shè)計和實現(xiàn)更為實用而高效的拓撲結(jié)構(gòu)分析和優(yōu)化控制方法。

1　國內(nèi)外相關(guān)研究現(xiàn)狀

控制和優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)以提高網(wǎng)絡(luò)可靠性和容錯能力，是網(wǎng)絡(luò)抗干擾研究領(lǐng)域的一大熱點問題。傳統(tǒng)拓撲優(yōu)化策略的研究方法主要分為兩種:計算幾何法和概率分析法［9］。計算幾何法是以幾何結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)來構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)，使網(wǎng)絡(luò)拓撲滿足某些特性。常見的幾何結(jié)構(gòu)有:最小生成樹（MST）方法［10］、相關(guān)鄰居圖（RNG）、加百利圖（GG）［11］。概率分析法是指網(wǎng)絡(luò)節(jié)點根據(jù)某種概率密度隨機分布，計算當(dāng)網(wǎng)絡(luò)拓撲以大概率滿足某些特性時節(jié)點所需的最小傳輸功率和最小鄰居節(jié)點數(shù)。具有代表性的理論有:連續(xù)滲透理論、幾何隨機圖理論和占位理論等［12］。拓撲控制算法的分類方法也有多種，根據(jù)算法執(zhí)行方式的不同，可分為集中式拓撲控制算法和分布式拓撲控制算法；根據(jù)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的傳輸范圍是否相同，可分為同構(gòu)拓撲控制算法和非同構(gòu)拓撲控制算法。拓撲控制算法根據(jù)優(yōu)化目標(biāo)的不同，可分為基于幾何結(jié)構(gòu)的拓撲控制算法和基于能量有效性的拓撲控制算法。前者的目標(biāo)是基于單位圓盤圖（UDG）構(gòu)建滿足某些優(yōu)良幾何拓撲性質(zhì)的子圖，而后者主要關(guān)注的是網(wǎng)絡(luò)的能量有效性。

目前拓撲結(jié)構(gòu)抗干擾方面的研究重點在于隨拓撲時變?nèi)绾瓮ㄟ^拓撲控制生成良好的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)，對當(dāng)前拓撲資源重組和分配，更好地支持抗干擾路由協(xié)議，提高MAC協(xié)議效率，保證無線傳輸利用率和網(wǎng)絡(luò)有效生存時間。Pei較早提出了無線網(wǎng)絡(luò)分級結(jié)構(gòu)［13］，是無線網(wǎng)絡(luò)分群（分簇）控制算法的基礎(chǔ)，該分級結(jié)構(gòu)得到的是一些相對于整個網(wǎng)絡(luò)而言較為穩(wěn)定和特征相似的節(jié)點組成的分群子網(wǎng)，減少了拓撲結(jié)構(gòu)變化對協(xié)議的影響，但沒有考慮選擇預(yù)設(shè)固定群首節(jié)點可能產(chǎn)生的通信瓶頸問題，影響了網(wǎng)絡(luò)可靠性。為了解決該問題，目前已有不少群首節(jié)點優(yōu)化選擇算法，如群首節(jié)點加權(quán)選舉算法（WCA）［14］，綜合考慮了節(jié)點ID、節(jié)點連接度、通信距離、節(jié)點移動性度量等指標(biāo)，以及在WCA基礎(chǔ)上改進的基于鏈路持續(xù)時間的加權(quán)選舉算法（TWCA），基于節(jié)點相對速度的加權(quán)選舉算法（VWCA）等，以上算法缺點在于指標(biāo)權(quán)重的更新相對比較頻繁，對吞吐量、時延等缺乏有效的綜合優(yōu)化。在此基礎(chǔ)上，Singhal等提出了一種群首節(jié)點的自適應(yīng)加權(quán)智能優(yōu)選算法［15］，可通過調(diào)整基于模糊邏輯的指標(biāo)權(quán)重改進算法，具有較強通用性和靈活性，但具有較高的計算、通信和維護開銷。需要在算法的自適應(yīng)性和算法效率間平衡。Mir等提出一種無線傳感網(wǎng)的可適性拓撲控制方法［16］，對戰(zhàn)術(shù)無線通信網(wǎng)絡(luò)同樣具有借鑒意義，但其移動管理方式比較復(fù)雜，并不完全適用于軍用通信節(jié)點移動特性，同時也影響網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性。另外近年來分群網(wǎng)關(guān)控制、分布式控制、路標(biāo)控制等研究的目標(biāo)，都是集中于通過將網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)層層細化，從而降低全網(wǎng)通信負載，減少局部拓撲變化對路由的影響。我軍目前研究的戰(zhàn)場無線通信網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)要求保證必要的互通和迂回構(gòu)建準(zhǔn)柵格結(jié)構(gòu)。

總結(jié)以往研究，由于網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化控制的目標(biāo)是提高網(wǎng)絡(luò)的抗毀性和生存性，因而工作網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)盡量為一個均勻拓撲結(jié)構(gòu)。為了計算重組優(yōu)化方案，首先通過獲取網(wǎng)絡(luò)的各種資源數(shù)據(jù)，包括網(wǎng)絡(luò)當(dāng)前工作拓撲，探測網(wǎng)絡(luò)無線通信最大可連通的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)的信道資源及占用率情況，網(wǎng)絡(luò)通信鏈路傳輸速率及誤碼特性，網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)量及其流量分布特性等主要資源數(shù)據(jù)，作為網(wǎng)絡(luò)拓撲動態(tài)優(yōu)化設(shè)計的依據(jù)。

本文借鑒復(fù)雜系統(tǒng)理論，參考動態(tài)網(wǎng)絡(luò)演化模型［17］，在戰(zhàn)場末端無線通信網(wǎng)絡(luò)采取MANET形式的基本架構(gòu)基礎(chǔ)上，提出基于節(jié)點穩(wěn)定性測度的拓撲優(yōu)化控制方法，提高面向戰(zhàn)場實際對抗動態(tài)傳播條件下通信網(wǎng)絡(luò)抗干擾能力和自優(yōu)化能力。

2　干擾環(huán)境下網(wǎng)絡(luò)拓撲局部穩(wěn)定性測度

2.1網(wǎng)絡(luò)拓撲穩(wěn)定性評估方法

拓撲結(jié)構(gòu)的魯棒性反映了全網(wǎng)的可靠性和抗干擾能力。而拓撲結(jié)構(gòu)的魯棒性又取決于端到端的通信能力。因此，利用復(fù)雜系統(tǒng)理論，構(gòu)建動態(tài)演化的網(wǎng)絡(luò)模型，描述節(jié)點和鏈路的可靠性和可用性，并據(jù)此明確端到端的連通性和鏈接質(zhì)量，是實現(xiàn)拓撲優(yōu)化控制的基礎(chǔ)。

本文給出一種基于復(fù)雜自適應(yīng)系統(tǒng)的拓撲控制方法，利用復(fù)雜系統(tǒng)的小世界理論的跳躍性和隨機性，采用局部拓撲優(yōu)化算法優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)，可避免節(jié)點需要掌握全網(wǎng)信息帶來的計算、交互和存儲開銷。圖1給出了一個戰(zhàn)術(shù)分隊移動通信網(wǎng)絡(luò)場景實例，共存在9個移動通信節(jié)點，部分鏈路由于受到地形遮擋或外界干擾源影響無法進行可靠通信。根據(jù)鏈路質(zhì)量判別，能明確哪些節(jié)點和鏈路受干擾和拓撲變化情況，得到強依賴度鏈路和可靠節(jié)點大致分布情況，從而分析網(wǎng)絡(luò)局部穩(wěn)定性和全網(wǎng)連通性的關(guān)系。

圖1　一種戰(zhàn)術(shù)分隊移動自組通信網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)場景Fig.1 A mobile communication networking scenario of tactical unit

如前所述，拓撲越穩(wěn)定，網(wǎng)絡(luò)抗干擾能力和協(xié)議生存能力越強，在構(gòu)建魯棒穩(wěn)定的拓撲結(jié)構(gòu)前需要對網(wǎng)絡(luò)拓撲穩(wěn)定性進行評估預(yù)測。通常可用如下的拓撲特性參數(shù)描述網(wǎng)絡(luò)性能［18-19］:

3）節(jié)點介數(shù):網(wǎng)絡(luò)中所有路徑經(jīng)過該節(jié)點數(shù)量，介數(shù)高的節(jié)點和一旦失效，會造成多個最短路徑失效，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)通信效率下降。節(jié)點的介數(shù)越高，該節(jié)點分裂網(wǎng)絡(luò)的可能性越大，網(wǎng)絡(luò)脆弱性越大，網(wǎng)絡(luò)可靠性和穩(wěn)定性越差。因此節(jié)點介數(shù)一定程度上反映了節(jié)點成為網(wǎng)絡(luò)割點的可能性。

4）網(wǎng)絡(luò)連通度:用A=（aij）n×n表示網(wǎng)絡(luò)的鄰接矩陣，其中，aii=0，若存在鄰接鏈路則aij=1，否則aij=0，若網(wǎng)絡(luò)鏈路對稱則有aij=aji.λi為A的特征根為網(wǎng)絡(luò)的連通度。

由于節(jié)點介數(shù)和全網(wǎng)連通度計算復(fù)雜，本文設(shè)計的一種新的局部度量法描述節(jié)點成為網(wǎng)絡(luò)割點的可能性，可作為整體網(wǎng)絡(luò)魯棒性的評價依據(jù)。

2.2節(jié)點局部穩(wěn)定性計算方法

由于所研究的網(wǎng)絡(luò)對象不同，面向軍事應(yīng)用的多跳移動無線通信網(wǎng)絡(luò)抗干擾測度與普通Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)如無線傳感網(wǎng)的抗毀指標(biāo)不完全相同，如果僅僅考慮網(wǎng)絡(luò)連通性，只能反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)被干擾破壞的難易，不能描述網(wǎng)絡(luò)在干擾條件下的業(yè)務(wù)維持和故障恢復(fù)能力，因此需要考慮容錯性和恢復(fù)性等指標(biāo)。

由于干擾特征存在局部一致性，因此利用復(fù)雜系統(tǒng)小世界理論，借鑒現(xiàn)代代數(shù)拓撲學(xué)三角剖分法，設(shè)計節(jié)點局部穩(wěn)定性評價算法優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)。Newman［17］基于拓撲學(xué)三角剖分法提出一種基于稠密網(wǎng)絡(luò)拓撲聚集系數(shù)的計算方法，不考慮網(wǎng)絡(luò)中存在度為1的節(jié)點，推論節(jié)點聚集系數(shù)就是構(gòu)成的三角形總數(shù)與三元組總數(shù)的比值。定義三元組就是一個節(jié)點無序地與其他節(jié)點存在兩條連邊。適用于多以網(wǎng)狀網(wǎng)形式存在、密集拓撲的無線傳感網(wǎng)等。存在的問題是，如引言中所述，考慮有限信道資源利用率和通信效率問題，戰(zhàn)術(shù)MANET組網(wǎng)節(jié)點數(shù)目稀疏，在戰(zhàn)場干擾環(huán)境下，節(jié)點易失效甚至損毀，難以隨時補充多個冗余備份節(jié)點，且組網(wǎng)形式可為網(wǎng)狀、鏈狀多種形式，存在節(jié)點的度為1的可能（在本文研究的戰(zhàn)術(shù)MANET網(wǎng)絡(luò)中度為0的節(jié)點認為是脫網(wǎng)節(jié)點），因此依據(jù)Newman的聚集系數(shù)計算公式，將導(dǎo)致聚集系數(shù)計算為無窮大。對此Reuven等［20］提出的校正方法是，當(dāng)度為1且聚集系數(shù)計算為無窮大時，直接令聚集系數(shù)為最小值0.但該校正方法無法準(zhǔn)確比較存在不同數(shù)量葉子節(jié)點的網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，導(dǎo)致判別結(jié)果出現(xiàn)偏差。

考慮戰(zhàn)場對抗條件下戰(zhàn)術(shù)MANET組網(wǎng)節(jié)點隨時存在節(jié)點度為1的可能性，本文提出一種節(jié)點局部穩(wěn)定性度量計算方法，描述拓撲結(jié)構(gòu)的容錯性和穩(wěn)定性。和節(jié)點i相鄰接的節(jié)點j和節(jié)點k若也存在鄰接鏈路，則表明到節(jié)點i的鏈路存在可替換的鏈路，如圖2所示。

圖2　節(jié)點三元組和鏈路閉合三角形構(gòu)成示意圖Fig.2 Schematic diagram of triple of nodes and link closed triangles

若節(jié)點i與近鄰j、k存在可靠鏈路，則節(jié)點i、j、k組成三元組〈i，j，k〉，同理有節(jié)點三元組〈i，m，n〉，〈i，m，j〉，〈i，n，k〉等；i與近鄰j、k存在可靠鏈路且j、k間也同時存在可靠鏈路，則節(jié)點i、j、k的鏈路組成三角形Δijk，同理有三角形Δimn和Δijm.由于三角網(wǎng)中的節(jié)點度不小于2，其中任意兩個節(jié)點之間存在至少兩條無共邊的路徑，且跳數(shù)最少、最可靠。因此節(jié)點與近鄰組成的三角網(wǎng)最可靠。存在節(jié)點三元組是形成鏈路三角形的必要條件。

若節(jié)點i與近鄰節(jié)點構(gòu)成三角形的數(shù)目越多，則存在冗余鏈路的可能性越大，網(wǎng)絡(luò)脆弱性越低。由于僅當(dāng)該節(jié)點是樹狀圖的葉子節(jié)點時，即節(jié)點度D（i）=1，無法構(gòu)造節(jié)點三元組，此時存在一個二元組Ntwotuple（i）=1，因此節(jié)點的局部穩(wěn)定度為

若節(jié)點i為樹狀拓撲的葉子節(jié)點，即節(jié)點度D（i）＜2，存在Ntwotuple（i）=1，且Ntriple（i）= Ntriangle（i）=0，因此Mc=0.

若節(jié)點i非樹狀拓撲的葉子節(jié)點，即節(jié)點度D（i）≥2，此時若Mc=0，則判斷該節(jié)點非?？赡艹蔀榫W(wǎng)絡(luò)割點，為避免該節(jié)點成為割點，需要在其近鄰節(jié)點構(gòu)建閉合三角形，其中允許閉合三角形數(shù)

以最小費用代價構(gòu)建最穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)，則Ntriangle（i）= D（i）-1.按照最短路的鏈接建立方法，通過發(fā)射功率控制和節(jié)點移動速率控制等方法，在近鄰節(jié)點間添加鏈路構(gòu)建閉合三角形。

2.3基于節(jié)點局部穩(wěn)定性測度的拓撲控制算法

網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)控制需要考慮使路由快速收斂，提高傳輸效率同時要保證網(wǎng)絡(luò)的容錯性，增強對隨機干擾的魯棒性。介數(shù)大的節(jié)點會增加網(wǎng)絡(luò)的脆弱性，因此要提高節(jié)點穩(wěn)定度。每個節(jié)點的局部穩(wěn)定度都較高的網(wǎng)絡(luò)具有較高容錯性和通信效率，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的穩(wěn)定度越大，則與近鄰間通信的可替代鏈路越多，節(jié)點鏈路的冗余度和分離度越高，網(wǎng)絡(luò)抗干擾能力越強。

根據(jù)以上拓撲穩(wěn)定性測度，可得到網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性的評測。由于三角網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)滿足網(wǎng)絡(luò)平均度任意節(jié)點具有至少兩條的無共邊鏈路，且路徑跳數(shù)最少，最可靠，因此三角網(wǎng)最為穩(wěn)定。要滿足此穩(wěn)定性條件，以最小代價進行拓撲結(jié)構(gòu)優(yōu)化。然而現(xiàn)實中無法實現(xiàn)全網(wǎng)內(nèi)部全為三角結(jié)構(gòu)，退而求其次，要求任何兩個節(jié)點存在不共邊的路徑，即等效于利用小世界原理將網(wǎng)絡(luò)分割時，要得網(wǎng)絡(luò)最小分割的局部為環(huán)狀，避免局部出現(xiàn)樹狀網(wǎng)，導(dǎo)致部分鏈路或節(jié)點斷開出現(xiàn)割集。否則在樹的葉子節(jié)點間增加鏈接，形成局部拓撲環(huán)結(jié)構(gòu)。

拓撲優(yōu)化控制算法步驟描述如下:

1）根據(jù)每個節(jié)點的近鄰關(guān)系，計算出原拓撲結(jié)構(gòu)圖。

2）計算出節(jié)點度、節(jié)點局部穩(wěn)定度。

3）如節(jié)點i穩(wěn)定度Mc（i）=0，則將節(jié)點標(biāo)記加入可能的割點集Nsplit，并繼續(xù)，否則跳轉(zhuǎn)步驟5.

4）如節(jié)點度D（i）為1，則將該節(jié)點列入待調(diào)整節(jié)點隊列Q，并記錄該節(jié)點及其鄰節(jié)點為二元組（鄰節(jié)點，葉子節(jié)點i）即（Nbr（i），i），繼續(xù)；如節(jié)點度D（i）≥2，則轉(zhuǎn)步驟6.

5）如果節(jié)點i穩(wěn)定度Mc（i）=1，則說明該節(jié)點與近鄰組成的局部網(wǎng)絡(luò)拓撲為全三角網(wǎng)絡(luò)，穩(wěn)定性最高。將該節(jié)點標(biāo)記為最大穩(wěn)定度節(jié)點Nstable，跳轉(zhuǎn)步驟7；否則如果0＜Mc（i）＜1，則標(biāo)記該節(jié)點加入潛在的不穩(wěn)定節(jié)點集Nsub_unstable，繼續(xù)。

6）判斷節(jié)點是否存在度為1的鄰節(jié)點，如存在，則該鄰節(jié)點為樹狀拓撲的葉子節(jié)點，將該節(jié)點和度為1的相鄰葉子節(jié)點記錄入二元組（鄰節(jié)點，葉子節(jié)點i），即（i，Nbrleaf（i）），并將Nbrleaf（i）列入待調(diào)整節(jié)點隊列Q.

7）節(jié)點標(biāo)識號加1，如標(biāo)識號=N，繼續(xù)，否則轉(zhuǎn)步驟3.

8）將待調(diào)整節(jié)點隊列Q中的所有葉子節(jié)點i按節(jié)點標(biāo)識號排序，按最小代價在葉子節(jié)點間添加鏈路。原則是最短路優(yōu)先以及葉子節(jié)點的鄰節(jié)點度數(shù)高者優(yōu)先。

9）如待調(diào)整節(jié)點隊列Q中僅剩一個葉子節(jié)點i，則選擇一個Nsplit/｛i｝中節(jié)點與葉子節(jié)點i按最小代價添加鏈路，可降低割點分裂網(wǎng)絡(luò)的可能性。

10）直到所有調(diào)整節(jié)點隊列Q中的葉子節(jié)點全部添加鏈路完畢，再次計算所有節(jié)點度、節(jié)點局部穩(wěn)定度，保存并顯示拓撲調(diào)整結(jié)果，退出算法流程。

3　實際通信網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)與生成

工程實踐中，由于拓撲結(jié)構(gòu)的魯棒性取決于端到端的通信能力，因此判別和預(yù)測端到端的連通性和鏈接質(zhì)量，從而發(fā)現(xiàn)和生成網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)，是實現(xiàn)拓撲優(yōu)化的前提，因此如何正確生成網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)對實施網(wǎng)絡(luò)拓撲優(yōu)化至關(guān)重要。

節(jié)點接收信號強度能在一定程度上反映出鏈路質(zhì)量繼而反映出網(wǎng)絡(luò)連通程度。目前已有不少基于信噪比的檢測模型和基于衛(wèi)星輔助定位位置預(yù)測，進行鏈路可靠性判別的算法，以適用于無線傳感網(wǎng)等。然而在實際戰(zhàn)術(shù)MANET網(wǎng)絡(luò)中，受環(huán)境和硬件條件所限，缺乏GPS等輔助設(shè)備支持。盡管信號強度能在一定程度上反應(yīng)節(jié)點間鏈路的連接情況，但是反映的僅是當(dāng)前節(jié)點間鏈路的連接狀態(tài)，不能很好說明鏈路的變化并反映出下一時刻的狀態(tài)。因此還需要判別節(jié)點先后接收到的測試包測得的信號強度的變化情況對連通狀態(tài)進行預(yù)測。表1給出接收短測試包時記錄的當(dāng)前接收信號強度及預(yù)設(shè)接收門限。

對于節(jié)點B，如果接收鄰居節(jié)點A控制分組的信號強度大于最佳接收信號門限，說明鄰居節(jié)點A和節(jié)點B之間的鏈路狀態(tài)良好，圖3給出了接收信號強度與節(jié)點相對位置關(guān)系示意。

圖3　接收信號強度與節(jié)點相對位置關(guān)系Fig.3 Relationship between received signal strength and relative location of nodes

當(dāng)接收信號強度在有效通信和最小接收信號閾值之間時，還需要判別信號強度的前后變化情況，較為穩(wěn)定的鏈路在短時間內(nèi)鏈路斷鏈的可能性很小，故而才可判定存在可靠鏈路，即認為通信節(jié)點間在邏輯上存在共邊。本文提出如下判別規(guī)則:

規(guī)則1.若節(jié)點B從節(jié)點A接收到的當(dāng)前信號強度值PAB≥Pth_strong，則意味著節(jié)點B已經(jīng)進入節(jié)點A的完全可靠通信范圍之內(nèi)，設(shè)定鏈路可靠性LRAB=1，兩節(jié)點存在共邊。

規(guī)則2.若Pth_strong≥PAB＞Pth_weak，此時表明節(jié)點B仍然位于節(jié)點A的有效通信范圍之內(nèi)。由于節(jié)點A、B之間的相對運動狀態(tài)無法確定，可能正相互靠近，也可能正相互背離，所以該范圍內(nèi)的通信狀態(tài)并不是完全可靠的，此時對鏈路的可靠性可做如下估計:設(shè)ΔPAB為前后兩個連續(xù)測試窗口期Tw測定的接收信號強度均值之差，表示節(jié)點A、B間鏈路接收信號強度的變化。umin為最低信號差閾值，umax為最高信號差閾值，umin、umax分別可根據(jù)測試窗口期Tw設(shè)置和節(jié)點移動速率確定以及發(fā)射機最大、最小發(fā)射功率計算得到，Tw則根據(jù)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點規(guī)模設(shè)置。若ΔPAB≤umin，則表示節(jié)點A、B相對位置沒有太大的變化，節(jié)點B將繼續(xù)處在節(jié)點A的通信范圍內(nèi)，鏈路斷鏈可能性較小，認為該鏈路可以用來進行可靠信息傳輸，由此設(shè)置A、B間鏈路可靠性LRAB=1；若節(jié)點A、B間鏈路信號強度的變化值ΔPAB＞umin且ΔPAB≤umax，則表示節(jié)點A、B間的相對距離有變大的趨勢，此時鏈路的可靠性估值進行歸一化處理得

LRAB=（umax-ΔPAB）/（umax-umin）.（2）

鏈路間的可靠性LRAB與節(jié)點間的信號強度的變化幅度增長而降低。如果此時測得節(jié)點A、B間的鏈路信號強度的變化超出了門限umax，表明A、B間相對距離較大，正處于相反方向運動LRAB=0，認為不存在可靠共邊。

規(guī)則3.若當(dāng)前接收到的信號強度值Pth-min＜PAB≤Pth-weak，則節(jié)點B處于節(jié)點A的不可靠通信范圍內(nèi)，此時的鏈路隨時都可能斷裂，應(yīng)當(dāng)將該包丟掉，若節(jié)點B處于節(jié)點A的檢測半徑之外，Pth-min≥PAB則節(jié)點B將根本收不到節(jié)點A的任何信息，判定無可靠鏈路。

另外在組網(wǎng)之后無線網(wǎng)絡(luò)拓撲變化還可以結(jié)合網(wǎng)絡(luò)層測量端到端的包成功投遞率來快速判斷和預(yù)測。但是僅從端到端的丟包率并不能反映鏈路的有效剩余生命期和鏈路的生存能力。本文作者還研究了鏈路的穩(wěn)定性、對稱性、可靠性因子，計算節(jié)點對之間是否存在可靠鏈路，由此快速判別節(jié)點共邊的拓撲變化情況預(yù)測拓撲變化趨勢，在本文中不再贅述。

4　仿真示例

以某通信網(wǎng)絡(luò)為例，進行基本網(wǎng)絡(luò)參數(shù)設(shè)置，網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點總數(shù)N=9，本例中假設(shè)所有正常通信鏈路均能滿足端到端的基本業(yè)務(wù)的包投遞率及時延需求。按網(wǎng)絡(luò)連通狀態(tài)構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)圖如圖4（a）所示，生成節(jié)點度大小的分布情況如圖4（b）所示。為了進一步提高網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性和抗干擾能力，現(xiàn)要求優(yōu)化該網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)，為實施拓撲控制提供決策依據(jù)。

可得各節(jié)點的拓撲特性參數(shù)測量值如表2所示。

得到局部穩(wěn)定度為0的所有可能的網(wǎng)絡(luò)割點集合Nsplit=｛1，5，6，7，8，9｝、待調(diào)整的葉子節(jié)點集Q=｛1，6，9｝、以及穩(wěn)定節(jié)點集Nstable=｛4｝、潛在的不穩(wěn)定節(jié)點Nsub_unstable=｛2，3｝.

以最小代價構(gòu)建穩(wěn)定度高的網(wǎng)絡(luò)，按照節(jié)點局部網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性測量評估方法，進行拓撲優(yōu)化控制，按照最短路及最小構(gòu)造代價原則，可添加虛擬鏈路L（1，6）.剩余葉子節(jié)點9將與可能的剩余網(wǎng)絡(luò)割點集中Nsplit/｛9｝個節(jié)點匹配，在相同最短路及最小代價約束下，優(yōu)先與連接節(jié)點度最低的割點建立連接，避免增加節(jié)點間的互擾。在本例中，最終僅添加兩條虛擬鏈路L（1，6）、L（6，9）即可構(gòu)建如下穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò):該網(wǎng)絡(luò)拓撲不再存在節(jié)點度D（i）＜2的節(jié)點，每個節(jié)點對之間都存在兩條以上不共邊的路徑，是較為規(guī)則的高穩(wěn)定性網(wǎng)絡(luò)，且實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)拓撲優(yōu)化的代價較低。

圖4　網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)圖及網(wǎng)絡(luò)節(jié)點度Fig.4 Network topology and node degree distribution

表2　拓撲特性參數(shù)測量值Tab.2 Measured values of topological characteristic parameters

若要實現(xiàn)更為可靠的拓撲結(jié)構(gòu)，則需提高所有剩余網(wǎng)絡(luò)割點集Nsplit中所有節(jié)點的穩(wěn)定度，按最小代價最短路原則構(gòu)造冗余鏈路L（2、6）、L（5，6）、L（6，7）、L（6，8），得到拓撲優(yōu)化校正前后的局部穩(wěn)定度如圖5所示，即使節(jié)點6的節(jié)點度D增加，但由于Mc同時增大，因此不會增加成為割點的可能。拓撲優(yōu)化后幾乎所有節(jié)點局部穩(wěn)定度增強，并滿足節(jié)點平均度大于2，且任意端到端之間存在兩條以上不共邊的路徑。

圖5　拓撲優(yōu)化控制前后的節(jié)點局部穩(wěn)定度Fig.5 Local stability of nodes before and after topology optimization

原拓撲結(jié)構(gòu)下網(wǎng)絡(luò)割點集中所有節(jié)點的局部穩(wěn)定度得到了增強，網(wǎng)絡(luò)更加魯棒可靠。

5　結(jié)論

本文在對傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)性質(zhì)、網(wǎng)絡(luò)拓撲控制、網(wǎng)絡(luò)可靠性研究基礎(chǔ)上，分析了網(wǎng)絡(luò)級抗干擾能力缺陷，應(yīng)用復(fù)雜系統(tǒng)理論給出了一種基于節(jié)點局部穩(wěn)定性測度的拓撲優(yōu)化方法，提出實施拓撲控制和重組的指導(dǎo)方案，有利于網(wǎng)絡(luò)性能的改進和完善。仿真結(jié)果驗證了該拓撲預(yù)測和拓撲控制方法的可行性和有效性。拓撲優(yōu)化最終目標(biāo)是通過拓撲控制手段構(gòu)建更為合理魯棒的抗干擾拓撲結(jié)構(gòu)，并依據(jù)重組后的拓撲結(jié)構(gòu)調(diào)整頻率分配、重新設(shè)定信道傳輸速率等網(wǎng)絡(luò)工作參數(shù)，充分利用網(wǎng)絡(luò)資源提高網(wǎng)絡(luò)的可靠性和抗干擾能力。該方法適用于建立了軟件無線電技術(shù)，以及支持分布式或集中式網(wǎng)絡(luò)管理技術(shù)基礎(chǔ)上的各類軍用無線通信網(wǎng)絡(luò)。后續(xù)的研究需要進一步驗證和分析不同干擾模式和移動場景下的拓撲優(yōu)化算法復(fù)雜度和重組效率，并結(jié)合抗干擾路由策略問題進行跨層分析，并在拓撲結(jié)構(gòu)優(yōu)化重組基礎(chǔ)上實現(xiàn)高可靠的上層協(xié)議設(shè)計。

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Research on Topologically Optimized Anti-jamming Technology for Tactical MANETs

LOU Li1，F(xiàn)AN Jian-hua1，XU Cheng2
（1.Nanjing Telecommunication Technology Research Institute，Nanjing 210007，jiangsu，China；2.School of Mechanical Engineering，Nanjing University of Science and Technology，Nanjing 210094，Jiangsu，China）

The military wireless communication network based on MANET architecture is characterized by a variety of communication modes and flexible self-organizations of nodes，but the multi-hop wireless transmission links are vulnerable to interference.In addition to using a series of traditional anti-jamming technologies at physical and link layers，the control and optimization means of network topology for getting better invulnerability and survivability become key issues in the research of anti-jamming policy of network layer.In dynamic electromagnetic interference environment，the tolerance of node or link failures is the basis of improving the survivability of the upper layer protocols，as well as the network recovery capability.According to the complex system theory，graph theory and random process theory，the influence of dynamic communication condition in battlefield is analyzed，and then a topology optimization method based on the measures of local stability is proposed in view of the importance of nodes and the connectivi-ty of topology in order to construct a more reliable network.Simulated results show that the proposed method provides satisfactory efficiency and can improve the anti-jamming and self-optimizing performances of military communication networks under dynamic transmission.

ordnance science and technology；military wireless communication；tactical MANET；network anti-jamming；complex system theory；topology optimization

源節(jié)點A向鄰居節(jié)點發(fā)送短測試包記錄接收信號強度完全可靠通信區(qū)域接收信號門限可靠通信區(qū)域接收信號門限最小接收信號門限B收到A發(fā)來的測試包PAB P th-strong P th-weak Pth-min C收到A發(fā)來的測試包PAC

TN915.02

A

1000-1093（2016）09-1662-08

10.3969/j.issn.1000-1093.2016.09.016

2016-01-12

總裝備部預(yù)先研究基金項目（9140C020301140C02008）；中國博士后科學(xué)基金項目（2014M562539）

樓俐（1982—），女，工程師。E-mail:louie1000@163.com；范建華（1971—），男，研究員。E-mail:fjh710119@126.com