賀紹桐， 薛倫生,2， 陳西宏， 張凱

(1.空軍工程大學 防空反導(dǎo)學院, 陜西 西安 710051； 2.西北工業(yè)大學 航海學院, 陜西 西安 710072)

對流層散射信道下Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)路由防斷裂技術(shù)

賀紹桐1， 薛倫生1,2， 陳西宏1， 張凱1

(1.空軍工程大學 防空反導(dǎo)學院, 陜西 西安 710051； 2.西北工業(yè)大學 航海學院, 陜西 西安 710072)

現(xiàn)有Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)路由防斷裂研究多采用在理想信道下將單一接收端功率作為路由監(jiān)測的依據(jù)。為了增強反導(dǎo)作戰(zhàn)組網(wǎng)性能，引入通信距離遠、抗干擾能力強的對流層散射信道，研究該信道及設(shè)備的特性對Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)路由的整體影響；提出了散射信道路由狀態(tài)監(jiān)控模型，力圖在路由斷裂之前迅速定位 “虛弱態(tài)”路由的末端節(jié)點；根據(jù)RE-AODV的優(yōu)化協(xié)議，發(fā)起反向路由搜索以修復(fù)受損路由。結(jié)果顯示，改進的散射信道路由修復(fù)協(xié)議RE-AODV使平均端到端時延最大降低17.1%，減小控制報文開銷最大21.8%，同時能在高速狀態(tài)下保持過70%的分組投遞率，能較好地防止高速移動節(jié)點的路由斷裂。

兵器科學與技術(shù)； Ad Hoc； 路由防斷裂； 散射信道； 反向搜索； 路由修復(fù)

0 引言

Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)是一種無基礎(chǔ)設(shè)施支持的移動網(wǎng)絡(luò)，節(jié)點間通信依靠中間節(jié)點的多跳轉(zhuǎn)發(fā)完成，這就要求各節(jié)點具有獨立的報文轉(zhuǎn)發(fā)能力。數(shù)字化戰(zhàn)場對無線通信網(wǎng)絡(luò)有極高的要求，正是由于Ad Hoc不依賴任何基礎(chǔ)設(shè)施，在戰(zhàn)時環(huán)境下，其動態(tài)自組織性及高抗毀性能夠極大程度保證在任何條件下通信鏈路的可靠連通[1]。

無線通信自組織網(wǎng)絡(luò)擁有卓越的動態(tài)機動性，但同樣面臨著路由斷裂的風險：一方面原因是移動終端的局限性，另一方面是有限的信道傳輸帶寬。Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)用戶終端內(nèi)存小，CPU處理能力低，Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中的無線信道所能提供的網(wǎng)絡(luò)帶寬較低，再加上競爭共享無線信道帶來的信號沖突、多徑衰減及噪聲和信號干擾等多種因素的影響，移動終端可得到的有效帶寬有限[1]。

本文基于Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)按需距離矢量(AODV)路由協(xié)議，結(jié)合實際的散射傳輸信道提出一種路由監(jiān)測模型，預(yù)測出存在斷裂風險的路由鏈路，進而提出本地路由修復(fù)策略。

1 無線自組網(wǎng)路由的斷裂

Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)誕生之初應(yīng)用于軍事通信[2]，多變的戰(zhàn)場環(huán)境、節(jié)點隨機移動和快速部署使各個通信節(jié)點的位置和速度時刻處在一種不確定狀態(tài)，正是這種不確定狀態(tài)使網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點面臨“邊界效應(yīng)”，節(jié)點運動到上一跳或下一跳節(jié)點的最大通信半徑邊緣。文獻[3]認為，傳統(tǒng)的路由協(xié)議致力于減小路徑的開銷，發(fā)現(xiàn)最小路徑以減小時延，這種情況下，節(jié)點間距離較大，最短路徑易斷開[3]。

AODV協(xié)議是一種面向需求的無線自組網(wǎng)路由協(xié)議，路由建立的過程是由通信的發(fā)送端主動建立，如果發(fā)生路由斷裂，需要重新發(fā)起路由尋的過程，會大大占用路徑的帶寬，而在實際的通信過程當中，除了由節(jié)點間的距離超出最大通信范圍外，收發(fā)設(shè)備的參數(shù)選擇以及信道的變化等因素均有可能影響信噪比，如果能夠在Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)路由完全斷裂之前，就通信受影響的程度進行快速應(yīng)對，將有助于監(jiān)控整個網(wǎng)絡(luò)的路由狀態(tài)。

2 散射通信條件下的路由狀態(tài)監(jiān)控模型

在未來的反導(dǎo)作戰(zhàn)當中，火力節(jié)點之間的無線組網(wǎng)將是指揮控制和通信組網(wǎng)的基礎(chǔ)，對流層的散射通信是利用對流層大氣的不均勻性對電磁波的散射或反射而產(chǎn)生的一種超視距無線通信方式，以其傳輸距離遠、機動性強、抗核爆等特點，能夠彌補衛(wèi)星通信的信道資源受限、微波通信視距傳輸?shù)牟蛔愫凸饫w通信機動性較差的短板，適應(yīng)反導(dǎo)組網(wǎng)作戰(zhàn)，Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測模型決定著本地路由修復(fù)策略，將散射傳輸原理和無線路由鏈路狀態(tài)高度結(jié)合，能夠更加準確反映收發(fā)節(jié)點的設(shè)備和信道的狀態(tài)，本文將重點研究。

對流層位于大氣最低層，在此空間內(nèi)存在的大量形狀大小各異的空氣渦漩、水汽以及浮塵等，這些對流層中的“散射體”使兩地不再受地球曲率和地面障礙物等因素的影響，實現(xiàn)超視距通信，如圖1所示。

圖1 利用對流層散射組網(wǎng)通信模型Fig.1 Troposcattter communication model

將散射通信方式應(yīng)用于反導(dǎo)作戰(zhàn)的火力攔截網(wǎng)，需要其在目標區(qū)域內(nèi)快速構(gòu)建Ad Hoc無線自組網(wǎng)絡(luò)，并對網(wǎng)絡(luò)的鏈路狀態(tài)進行實時掌握。文獻[4]當中，將每一個通信節(jié)點的最大傳輸范圍和傳輸功率等參數(shù)視為固定量，唯一的變量是通信節(jié)點距離d，以此為前提條件尋找替代節(jié)點[4]。

(1)

式中：Pr為接收功率(dBw)；Pt為發(fā)射功率(dBw)；Gt、Gr分別為發(fā)射、接收天線增益(dBi)；ht、hr為各自天線的高度。

而在實際的通信過程當中，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點能夠通過調(diào)節(jié)天線的角度θ和設(shè)備發(fā)射功率Pt等設(shè)備參數(shù)方式調(diào)整傳輸距離、控制設(shè)備噪聲[5]，進而提高整個Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的通信質(zhì)量。首先需要找到表征設(shè)備本身收發(fā)能力的參量，本文用設(shè)備能力即收發(fā)系統(tǒng)總增益G∑(dB)加以描述：

G∑=Pt+Gt+Gr+LO+PN+RO,

(2)

式中：LO為總饋線損耗(dB)；RO為門限信噪比(dBw)，對于頻率調(diào)制而言RO=10 dB，對于數(shù)字通信而言，不同的調(diào)制解調(diào)方式，有相應(yīng)的歸一化門限信噪比(Eb/N0)th，Eb、N0分別為每比特信號能量、噪聲功率譜密度；PN為接收機的噪聲功率(dB)

PN=-204+Fr+10lgFb,

(3)

式中：Fr為接收機噪聲系數(shù)(dB)；Fb為信道帶寬(MHz)。

以上的模型描述是對設(shè)備能力即收發(fā)系統(tǒng)總增益G∑的描述，在實際通信過程中，兩個Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)節(jié)點之間的無線信道對通信質(zhì)量有著重要影響。本文引述張明高[5]提出的對流層散射信道傳輸損耗模型，L(1-p)可以理解成p%的時間內(nèi)多超過的小時中值傳輸損耗，p為傳播可靠度。

L(1-p)=M+30lgf+10lgd+30lgθ+

N(H,h)+Lc-Gt-Gr-C(q)Y(90),

(4)

式中：f為頻率(MHz)；d為路徑長度(km);θ為無線電與地平線的夾角；N(H,h)為考慮公共體積底部影響的項，H、h分別為頻域、時域的傳遞函數(shù)；Lc為口徑- 介質(zhì)耦合損耗；M、Y分別表示氣象因子與大氣結(jié)構(gòu)參數(shù)，決定于氣候類型；C(q)為以q為函數(shù)的系數(shù)，典型值有C(50)=0，C(90)=1，C(99)=1.82.

有了設(shè)備增益的參量G∑和散射信道的傳輸損耗參量L(1-p)，可以借助二者之差來描述Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)路由節(jié)點之間路由鏈路狀態(tài)裕量ALS：

ALS(p)=G∑-Lm(p),

(5)

式中：Lm(p)為散射信道的傳輸損耗。

之所以引入傳播可靠度p，是因為對于Ad Hoc無線路由傳輸而言，鏈路狀態(tài)并不是非通即斷的，不同鏈路針對不同信息會有不同標準的通信質(zhì)量要求。設(shè)定不同的路由閾值p0，當該鏈路的可靠度p>p0時，認為該路由能正常傳遞該信息；當鏈路的可靠度p達到或低于該閾值p0時，認為該路由進入“虛弱態(tài)”，這時，需要路由監(jiān)測模型發(fā)出警示信號，并開啟相應(yīng)的本地路由修復(fù)工作。

由上文可知，ALS(p)包含了收發(fā)設(shè)備的實際增益，同時考慮到了散射信道的傳輸損耗，監(jiān)測模型當中所有的Ad Hoc路由狀態(tài)的變化都將由可靠度p反映。

求可靠度p需要引入標準偏差σs，散射傳播的慢衰落呈對數(shù)正態(tài)分布，標準偏差σs表示中值電平的離散程度，即對應(yīng)84%的傳播可靠度所需的鏈路狀態(tài)裕量ALS(p).

圖2 不同標準偏差下鏈路狀態(tài)裕量與可靠度關(guān)系圖Fig.2 Relation between ALS(p) and p at different σs

圖2描繪的是不同標準偏差σs下，由鏈路狀態(tài)裕量ALS(p)得到傳播可靠度p的經(jīng)驗對應(yīng)關(guān)系。下面簡述標準偏差σs的求法[5]。

標準偏差σs主要和通信距離d有關(guān)，會隨著距離d的增大而緩慢減小，1967年，美國國家標準局經(jīng)過大量數(shù)據(jù)測算，得到的數(shù)據(jù)見表1.

表1 距離與標準偏差經(jīng)驗公式Tab.1 Empirical equation of d and σs

為了更具體得到σS與d的關(guān)系，可參見(6)式～(8)式，σs,pσs,mσs,s分別為平原地區(qū)、山區(qū)、海面的經(jīng)驗公式。

σs,p=7+0.09ΔNse-0.000 3ds,

(6)

σs,m=4.6+0.06ΔNse-0.000 3ds,

(7)

σs,s=8.8+0.11ΔNse-0.000 3ds,

(8)

式中：ds是接收、發(fā)射節(jié)點至中間障礙點之間的距離，對于光滑球面，ds=d；Ns為大氣折射率。

另外，對于散射繞射傳播的標準偏差σd為

σd=4.6+0.06ΔNse-0.006d,

(9)

式中：ΔNs等于Ns的測試值減去Ns的年平均值，即

(10)

式中：

(11)

T為絕對溫度(K)，ps為大氣壓強(mbar)，e為絕對濕度(mbar)，e=pwer，pw為水蒸氣壓強，er為相對濕度。

通信節(jié)點的發(fā)送端定期將發(fā)送設(shè)備的參數(shù)向路由的接收端發(fā)送，發(fā)送過程中，散射信道的相關(guān)參量如路徑長度d、無線電與地平線的夾角θ以及N(H,h)為考慮公共體積底部影響等將會一同發(fā)送至接收端進行可靠度p的計算。每一個節(jié)點都需要定期維護這樣一張路由狀態(tài)檢測表，具體來看，該路由表當中的每一個狀態(tài)條目包含了四部分{ALS(p)、p、Source_IP、TIME}，分別是路由狀態(tài)裕量ALS(p)、傳播可靠度p、源IP地址和距離上一次路由刷新的時間TIME，一旦路由表中出現(xiàn)傳輸可靠度p低于相應(yīng)鏈路的閾值，源IP地址丟失或者超出了路由刷新時間，接收端就會認為該段路由進入了“虛弱態(tài)”。

3 反向搜索機制下的本地路由修復(fù)協(xié)議

Ad Hoc無線自組網(wǎng)本身的動態(tài)性更需要以需求為導(dǎo)向的路由協(xié)議，所以，當前關(guān)于Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)路由防斷裂的研究中，多是基于AODV協(xié)議進行改進。文獻[3]提出的方案是用一個節(jié)點代替準失效鏈路，但通信失效的原因可能是中間信道損耗過大造成連續(xù)兩個路由節(jié)點失效，無法保證多個路由節(jié)點失效時均能用某一個節(jié)點代替。文獻[4]提出AODV的改進路由協(xié)議，核心思想是某通信節(jié)點失效時，迅速找到替代的節(jié)點。本文認為除了節(jié)點，鏈路本身也可以造成路由的斷裂，應(yīng)當正確定位，避免通信資源的浪費。文獻[6]提出的閑時逆尋，戰(zhàn)時通信環(huán)境變化復(fù)雜，閑時狀態(tài)難以準確捕捉。基于上文提出的Ad Hoc無線網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測模型能夠?qū)︽溌泛驮O(shè)備情況進行監(jiān)測，本文提出始于路由接收端的RE-AODV反向搜索修復(fù)協(xié)議。

用Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)拓撲圖描述RE-AODV反向搜索修復(fù)協(xié)議[7-8]，如圖3所示。

圖3 建立AODV基本型的Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)Fig.3 AODV basic Ad Hoc network

圖3中：a-b-c-d為已經(jīng)通過AODV建立好的路由，首先，定義關(guān)于節(jié)點的路由轉(zhuǎn)發(fā)規(guī)則：

規(guī)則1：按照前文所述路由監(jiān)測模型，某段鏈路(b-c)的接收節(jié)點經(jīng)過解算，傳播可靠度p低于閾值p0，即認為該路由進入“虛弱態(tài)”，即路由出現(xiàn)問題，無法保證現(xiàn)有信息的傳輸質(zhì)量，可以啟動路由修復(fù)模型，防止路由斷裂。此時，c點并不是直接刷新全部的相鄰節(jié)點路由狀態(tài)監(jiān)測表，而是首先向已經(jīng)建立的路由的下一跳d發(fā)送刷新條目。如果沒有得到d的回應(yīng)，c將停止向其他相鄰點報告路由監(jiān)測狀態(tài)。

規(guī)則2：確保路由接收端節(jié)點不會向已知的“虛弱態(tài)”上游路由的節(jié)點發(fā)送更新條目，即如果d點已經(jīng)從c獲知b-c路由進入“虛弱態(tài)”，則不會通過c-d向c點發(fā)出更新請求。

規(guī)則3：在更新相鄰路由節(jié)點路由狀態(tài)監(jiān)測表的過程中，并非直接將原路由條目直接發(fā)送，需要編譯成路由修復(fù)表。例如：c點在將b-c進入“虛弱態(tài)”的信息向d發(fā)送前，先從自己的路由表當中查詢到自己的IP地址以及從源節(jié)點a-c的跳數(shù)，并將a-c的跳數(shù)作為序列號node打在新的字段上作為段首，其次是b-c段的路由狀態(tài)表，最后，是轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點即c點的IP地址和轉(zhuǎn)發(fā)時間，具體格式如圖4所示。

圖4 路由修復(fù)表組成字段
Fig.4 Fields of Route repair table

Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中，任何一段路由都有可能進入“虛弱態(tài)”，利用反向搜索算法修復(fù)本地路由的核心思想是從“虛弱態(tài)”鏈路的最下游節(jié)點向上游發(fā)起路由修復(fù)請求，在圖3中，如果c首先發(fā)現(xiàn)b-c段由進入“虛弱態(tài)”，但是不能確定c-d路由的狀態(tài)，那c首先要向d發(fā)出確認信息，而不是直接刷新相鄰節(jié)點的路由狀態(tài)表，假設(shè)c-d路由也同樣需要修復(fù)，那修復(fù)過程的起點將是d而非c. 因此，c點為整個路由的目標節(jié)點，卻是反向路由修復(fù)的起點，這種前置規(guī)則能夠在找到真正的修復(fù)起點d之前大大節(jié)省路由開銷[9]。

規(guī)則2、規(guī)則3思想仍然是定位路由最下游的“虛弱態(tài)”節(jié)點，反向?qū)ふ易顑?yōu)修復(fù)路徑，從而可以避免各個“虛弱態(tài)”的路由節(jié)點發(fā)起各自的修復(fù)路由的請求，這樣可以大大降低Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的全網(wǎng)路由開銷并減小端到端時延。將跳數(shù)node作為字段的最開始能夠使每一個節(jié)點的都有可能收到來自上游或下游的路由狀態(tài)表，節(jié)點可根據(jù)跳數(shù)將已知悉的路由狀態(tài)向下游節(jié)點發(fā)送，使得最下游的虛弱態(tài)節(jié)點在發(fā)起反向路由搜索之前掌握整個鏈路的狀態(tài)。RE-RODV反向搜索修復(fù)協(xié)議主要處理過程為：

步驟1 啟動反向路由搜索修復(fù)[6]。最下游的路由“虛弱態(tài)”節(jié)點d，已經(jīng)收到了來自于b、c轉(zhuǎn)發(fā)的路由狀態(tài)表，確認b-c、c-d段的鏈路進入“虛弱態(tài)”，為了防止這兩段路由發(fā)生斷裂，需要從d開始向上游節(jié)點發(fā)起路由修復(fù)請求，發(fā)送請求的節(jié)點并非向全部d點的相鄰節(jié)點發(fā)出廣播(廣播的字段是攜帶有路由修復(fù)表的RREQ，稱之為RE-RREQ，同理，收到的回復(fù)信息是RE-RREP)，由規(guī)則2，d不會像c發(fā)出RE-RREQ消息。同樣，并非全部路由都具有替代原有路由的能力，如前文所說，不同的路由段傳遞信息的能力不同，取決于信息的本身，也取決于鏈路的狀態(tài)，衡量的特征量為可靠度p，p值越高，路由越能夠滿足高質(zhì)量通信，所以，當p

步驟2 反向鏈路和正向鏈路的建立。根據(jù)路由的發(fā)起節(jié)點d所獲得的路由修復(fù)表中的路由狀態(tài)，可以判斷出“虛弱態(tài)”鏈路b-c-d以及路由的修復(fù)目標節(jié)點b，經(jīng)過了步驟1的初始轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點的篩選，排除了向d-e發(fā)送RE-RREQ信息。當通信連接的終端間存在有效路由時，AODV不執(zhí)行任何操作，直接可以將其作為修復(fù)路由。如果不存在d-e和d-i至b的有效路由，原節(jié)點配置的AODV協(xié)議將啟動，途經(jīng)的節(jié)點經(jīng)過步驟1節(jié)點的篩選，向符合條件的鄰居節(jié)點廣播，直到該分組被送到一個具有“足夠新”路由的中間節(jié)點或目的節(jié)點本身。如圖5所示。

圖5 基于RE-AODV反向搜索修復(fù)算法的路由建立Fig.5 Route establishment based on reverse search and repair algorithm of RE-AODV

“足夠新”路由指到目的節(jié)點的路由且目的節(jié)點序列號大于或等于路由請求消息RE-RREQ中的目的序列號。請求分組中的序列號用來防止路由環(huán)路，并能判斷中間節(jié)點是否響應(yīng)了相應(yīng)的路由請求，節(jié)點將丟棄重復(fù)收到的請求分組。當序列號相同時，反向路由的目標節(jié)點將選擇各段節(jié)點的平均傳輸可靠度p最大的路由完成路由建立。路由的建立包括：一是反向鏈路的建立，每個節(jié)點接收到路由請求消息RE-RREQ消息后都會緩存到源節(jié)點的路由，形成反向鏈路；二是正向鏈路的建立，對路由請求消息RE-RREQ消息的回復(fù)，可以由目的節(jié)點產(chǎn)生或由一個具有“足夠新”[1]路由的中間節(jié)點產(chǎn)生。由于有先前建立好的反向鏈路，因此路由應(yīng)答消息RE-RREP采用單播方式發(fā)送至源節(jié)點。

步驟3 路由刷新。當不穩(wěn)定路由本地修復(fù)完成之后，路徑長度可能與修復(fù)前不一致，那么修復(fù)區(qū)域之外的節(jié)點緩存的路由距離向量將會不一致，影響通信的正常進行和以后的路由修復(fù)工作，所以必須通過一定的機制將路由刷新一致。當路由目的節(jié)點(也就是反向搜索的路由起點d)接收到RE-RREP時，獲知路由被成功修復(fù)過一次，將向原路由的源節(jié)點a節(jié)點發(fā)送路由刷新請求RU-REQ(hop count=0)，源節(jié)點a向目的節(jié)點d回復(fù)刷新回復(fù)RU- REP(hop count=0)，RU-REQ和RU-REP沿修復(fù)后的路由傳播[3,10-11]，沿途各節(jié)點根據(jù)RU-REQ和RU-REP的距離矢量刷新相應(yīng)的路由距離矢量。

4 仿真分析

在網(wǎng)絡(luò)仿真技術(shù)軟件OPNET平臺下對AODV和RE-AODV進行仿真分析[12]，圖6、圖7分別為節(jié)點模型和路由進程。仿真節(jié)點設(shè)置為50個，在300 km×300 km的區(qū)域內(nèi)隨機分布的場景內(nèi)進行測試，場景當中由2個節(jié)點隨機生成業(yè)務(wù)流，各段鏈路的傳輸可靠度隨機，“虛弱態(tài)”閾值為p0=80%，進入“虛弱態(tài)”的鏈路概率為20%，鏈路節(jié)點移動模型為Random-Way-Point，MAC協(xié)議采用標準的IEEE802.11 CSMA/CA協(xié)議，通信采用512 B定長數(shù)據(jù)包，節(jié)點的移動速度分別為0、5 m/s、10 m/s、15 m/s、20 m/s、25 m/s、30 m/s、35 m/s,實際的散射通信設(shè)備的單挑通信距離為50 km, 在仿真中進行相應(yīng)比例縮小為25，信道帶寬為2 MB/s，最大路由跳數(shù)12跳。經(jīng)OPNET仿真，得到結(jié)果如圖8～圖10所示。節(jié)點模型和路由進程分別為：

圖6 節(jié)點模型Fig.6 Node model

圖7 路由進程Fig.7 Routing process

圖8 不同最大移動速度下的平均端到端時延Fig.8 Average end-to-end delay at different maximum moving speeds

圖9 不同最大移動速度下的控制報文開銷Fig.9 Control packet overhead at different maximum moving speeds

圖10 不同最大移動速度下的分組投遞率Fig.10 Packet delivery fraction at different maximum moving speeds

根據(jù)網(wǎng)絡(luò)性能比較的需要，采用平均端到端時延、控制報文開銷以及分組投遞率進行性能分析，以得出路由即將中斷時由源節(jié)點重新發(fā)起AODV和RE-AODV反向搜索算法的性能差異[13]。

平均端到端時延是指各口的節(jié)點收到數(shù)據(jù)分組的時間與相應(yīng)源節(jié)點產(chǎn)生數(shù)據(jù)分組的時間之差的平均值?？刂茍笪拈_銷是為傳送數(shù)據(jù)包而發(fā)送的路由控制分組開銷。由圖8和圖9可以看出，速度較低時(≤15 m/s)，RE-AODV算法的時延和網(wǎng)絡(luò)開銷相對較大。這是因為路由健康程度較高，斷裂的速度較慢，而RE-AODV的監(jiān)測會帶來相應(yīng)節(jié)點的額外時延并增加相應(yīng)開銷。但是當速度大于15 m/s時，Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的健康程度顯著降低，路由開始斷裂，原有AODV中的路由建立過程反復(fù)發(fā)起，帶來較大時延和控制報文開銷。而RE-AODV本地修復(fù)依靠故障定位和快速修復(fù)在反向搜索中相比端到端時延最大降低17.1%并減小控制報文開銷最大達到21.8%.

圖10中的分組投遞率是指實際接收的數(shù)據(jù)分組與源節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)分組的比值。由仿真結(jié)果可以看出，速度較小時，路由健壯性較好，分組投遞的成功率較為接近，隨著速度的增加，鏈路斷裂可能性在增大。而RE-AODV協(xié)議的分組投遞率整體高于AODV協(xié)議，特別在節(jié)點的最大移動速度大于20 m/s時，由于AODV協(xié)議在鏈路斷裂后，斷裂的上游節(jié)點可能因緩存大量數(shù)據(jù)包而溢出，其分組投遞率明顯低于RE-AODV協(xié)議。而RE-AODV協(xié)議通過準確監(jiān)測路由狀態(tài)而大大減少了鏈路斷裂次數(shù)，在節(jié)點以較大速度(20 m/s)運動時能夠保持70%以上的分組投遞率。

5 結(jié)論

本文首先提出了將散射通信運用在Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中，結(jié)合了其傳輸特點，構(gòu)建散射通信條件下的路由狀態(tài)監(jiān)控模型，使得不同的路由能夠根據(jù)其所傳輸信息的不同標準得出可靠傳輸?shù)拈撝?，進而利用反向搜索算法對“虛弱態(tài)”的鏈路進行起點定位和本地修復(fù)。當節(jié)點快速移動時，散射監(jiān)測模型下的RE-AODV反向搜索修復(fù)算法相比于AODV協(xié)議的修復(fù)過程，能夠平均降低路由控制報文開銷最高10%～20%，能夠較大程度提高反導(dǎo)作戰(zhàn)的組網(wǎng)效能。

References)

[1] 朱穎. Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中QoS關(guān)鍵技術(shù)的研究[D]. 北京: 北京郵電大學, 2008. ZHU Ying. The QoS research of key technologies in Ad Hoc network[D]. Beijing: Beijing University of Posts and Telecommunications, 2008. (in Chinese)

[2] 陳西宏，地空導(dǎo)彈網(wǎng)絡(luò)化作戰(zhàn)通信系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究[D]. 西安: 空軍工程大學，2010. CHEN Xi-hong. Key technology of air defense missile networking combat communication system[D]. Xi’an: Air Force Engineering University, 2010. (in Chinese)

[3] 馮美玉, 程勝, 張勖, 等. Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中自愈路由協(xié)議研究[J]. 北京郵電大學學報, 2005, 28(2): 46-49. FENG Mei-yu, CHENG Sheng, ZHANG Xu, et al. Research on self-healing routing protocol in Ad Hoc networks[J]. Journal of Beijing University of Posts and Telecommunications, 2005, 28(2): 46-49. (in Chinese)

[4] 李向麗，荊瑞霞，何一涵. 避免路由斷裂的優(yōu)化AODV路由協(xié)議[J], 計算機應(yīng)用, 2014, 34(9): 2468-2471. LI Xiang-li, JING Rui-xia, HE Yi-han. Optimized AODV routing protocol to avoid route breaks[J]. Journal of Computer Applications, 2014, 34(9): 2468-2471. (in Chinese)

[5] 張明高. 對流層散射傳播[M]. 北京: 電子工業(yè)出版社, 2004. ZHANG Ming-gao. Tropospheric scatter propagation[M]. Beijing: Publishing House of Electronics Industry, 2004. (in Chinese)

[6] 杜青松, 朱江, 張爾揚. 基于閑時逆尋和路由學習機制的優(yōu)化AODV路由協(xié)議[J]. 通信學報，2011, 32(8): 64-71. DU Qing-song, ZHU Jiang, ZHANG Er-yang. Optimized AODV routing protocol based on reserse route search in leisure time and route learning[J]. Journal on Communications, 2011, 32(8): 64-71. (in Chinese)

[7] Srinivasan P, Kamalakkannan P. Enhancing route maintenance in RSEA-AODV for mobile Ad Hoc networks[C]∥ISC02013: Proceedings of the 7th International Conference on Intel-Ligent Systems and Control. Piscataway, US: IEEE, 2013: 464-469.

[8] 王海濤. 移動MANET網(wǎng)絡(luò)的分簇算法及性能比較[J]. 北京郵電大學學報, 2004, 27(1): 93-97. WANG Hai-tao. Clustering algorithms of MANET and performance comparisons[J]. Journal of Beijing University of Posts and Telecommunications, 2004, 27(1): 93-97. (in Chinese)

[9] 夏輝, 賈志平, 張志勇. 移動Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中基于鏈路穩(wěn)定性預(yù)測的組播路由協(xié)議[J]. 計算機學報, 2013, 36(5): 926-936. XIA Hui, JIA Zhi-Ping, ZHANG Zhi-yong. A link stability prediction-based multicast routing protocol in mobile Ad Hoc networks[J]. Chinese Journal of Computers, 2013, 36(5): 926-936. (in Chinese)

[10] Caizzone S, Giampaolo E D. Wireless passive RFID crack width sensor for structural health monitoring[J]. IEEE Sensors Journal, 2015, 15(12):1-1.

[11] 胡曦, 李喆, 劉軍. 移動Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中基于鏈路穩(wěn)定性預(yù)測的按需路由協(xié)議[J]. 電子與信息學報, 2010, 32(2): 284-289. HU Xi, LI Zhe, LIU Jun. A link stability prediction-based on demand routing protocol in mobile Ad Hoc networks[J]. Journal of Electronics & Information Technology, 2010, 32(2): 284-289. (in Chinese)

[12] Greco F, Leonetti L, Luciano R. A multiscale model for the numerical simulation of the anchor bolt pull-out test in lightweight aggregate concrete[J]. Construction & Building Materials, 2015, 95:860-874.

[13] 陳娟. 基于Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的自適應(yīng)中斷容忍路由協(xié)議的研究[D]. 北京：北京郵電大學, 2015. CHEN Juan, Adptive tolerance delay routing for Ad Hoc network[D].Beijing: Beijing University of Posts and Telecommunications,2015.(in Chinese)

Anti-fracture Technology of Ad Hoc Network Routing in Tropospheric Scatter Channel

HE Shao-tong1, XUE Lun-sheng1,2, CHEN Xi-hong1, ZHANG Kai1

(1. Air and Missile Defense College, Air Force Engineering University, Xi’an 710051, Shaanxi, China；2.School of Marine Science and Technology, Northwestern Polytechnical University, Xi’an 710072, Shannxi China)

Most of the existing Ad Hoc network routing researches are to use the single receiver power as the basis of the ideal channel. In order to enhance the performance of anti-missile network, the tropospheric scatter channel with long communication distance and anti-interference ability is introduced, and the overall effect of the channel and device characteristics on Ad Hoc network routing is studied. According to the AODV optimization protocol, a monitoring model for the routing status of scatter channel is proposed, which can quickly locate the end nodes of “ weak ” routing and initiate a reverse search for damaged routes before the routes break. Simulated results show that the improved routing protocol RE-AODV reduces the average end-to-end delay by 17.1% and the maximum control packet overhead by 21.8%. The packet delivery ratio of RE-AODV algorithm maintains at 70% or even higher, which proves that it can prevent the routing fault of high-speed mobile nodes.

ordnance science and technology; Ad Hoc; routing anti-fracture; scatter channel; reverse search; route repair

2016-03-22

國家自然科學基金項目(61671468)

賀紹桐(1991—), 男, 碩士研究生。 E-mail: hst1022@126.com； 薛倫生(1972—)， 男， 教授， 博士生導(dǎo)師。 E-mail: pxx_0308064@163.com

TP393.04

A

1000-1093(2016)12-2317-07

10.3969/j.issn.1000-1093.2016.12.018