陳 沖,宋 鵬,李云紅,朱 磊,陳錦妮,張曉丹

(西安工程大學(xué) 電子信息學(xué)院,陜西 西安 710048)

0 引 言

紫外光通信通常采用波長(zhǎng)為200～280 nm的日盲波段,利用大氣中氣體分子以及氣溶膠粒子的散射作用實(shí)現(xiàn)信息傳輸[1-3]。紫外光自組網(wǎng)可解決紫外光通信中發(fā)射功率低、大氣衰減嚴(yán)重、通信覆蓋范圍小等問(wèn)題[4]，其優(yōu)良特性在軍事與民用通信領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景[5]。

1979年,DAVID團(tuán)隊(duì)[6]基于橢球坐標(biāo)系建立了單次散射通信模型；文獻(xiàn)[7]在文獻(xiàn)[6]的基礎(chǔ)上建立了共面條件下的非直視單次散射通信模型；文獻(xiàn)[8]研究了非共面情況下紫外光非直視通信模型性能；文獻(xiàn)[9]基于球面坐標(biāo)系建立了非直視單次散射路徑損耗模型,該模型與仿真求得的路徑損耗擬合度較好；文獻(xiàn)[10]建立了紫外光非直視通信模型,并研究了不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)下紫外光非直視3種通信方式的網(wǎng)絡(luò)性能。影響紫外光通信網(wǎng)連通性能的因素有節(jié)點(diǎn)密度、通信覆蓋范圍、數(shù)據(jù)傳輸速率以及發(fā)射功率等,考慮上述因素,為保證網(wǎng)絡(luò)有較好的連通性,網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議的設(shè)計(jì)至關(guān)重要[11]；文獻(xiàn)[12]在非直視3種模式基礎(chǔ)上研究定向洪泛路由,對(duì)比分析了其延遲、抖動(dòng)、吞吐量和能耗特性；文獻(xiàn)[13]針對(duì)高負(fù)載與高移動(dòng)性情況下AOMDV協(xié)議進(jìn)行改進(jìn),延遲和傳輸率都得到改善,但未分析節(jié)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)區(qū)域的變化對(duì)性能的影響；文獻(xiàn)[14]研究了紫外光非直視定向發(fā)送全向接收通信方式下的媒體接入控制(Media access control,MAC)協(xié)議,提出基于角度感知的紫外光非視距通信定向MAC協(xié)議；文獻(xiàn)[15]指出單向鏈路會(huì)影響MAODV協(xié)議的路由維護(hù)機(jī)制,改進(jìn)后的算法有效提高了路由性能,但僅與未改進(jìn)的MAODV協(xié)議進(jìn)行對(duì)比分析。

本文通過(guò)分析紫外光直視傳輸模型,給出接收光功率的表達(dá)式以及單條鏈路收發(fā)裝置進(jìn)行捕獲、對(duì)準(zhǔn)與跟蹤的過(guò)程。針對(duì)紫外光Ad Hoc網(wǎng)絡(luò),研究紫外光自組網(wǎng)AOMDV路由協(xié)議,詳細(xì)描述了算法實(shí)現(xiàn)過(guò)程,并且利用NS2在不同場(chǎng)景下對(duì)AOMDV和MAODV路由協(xié)議的性能進(jìn)行仿真對(duì)比。

1 紫外光通信模型

1.1 直視紫外光通信模型

紫外光通信分為直視(LOS,line-of-sight)與非直視(NLOS,non-line-of-sight)通信[16]。直視通信就是將發(fā)射端與接收端完全對(duì)準(zhǔn)進(jìn)行通信。發(fā)射端與接收端不需要完全對(duì)準(zhǔn),光子經(jīng)公共散射體散射后到達(dá)接收端的通信稱(chēng)為非直視通信。

根據(jù)文獻(xiàn)[16]所述,一條LOS鏈路不僅會(huì)經(jīng)受自由空間路徑損耗,還會(huì)因大氣的吸收與散射作用呈指數(shù)衰減。LOS鏈路接收端接收的光功率為

(1)

(2)

通常采用誤碼率作為評(píng)判系統(tǒng)通信質(zhì)量?jī)?yōu)劣的指標(biāo)。一般情況下,良好的通信需要誤碼率小于或者等于10-5[17]。調(diào)制采用二進(jìn)制通斷鍵控(OOK),忽略系統(tǒng)熱噪聲影響,在調(diào)制信號(hào)時(shí)隙內(nèi),光子數(shù)量呈泊松分布,接收端誤碼率Pe為[18]

(3)

式中:Ns表示每個(gè)脈沖間隔時(shí)隙接收端接收的光子數(shù)量。其表示為

(4)

綜合式(3)和式(4)計(jì)算可得誤碼率Pe為

(5)

(6)

根據(jù)式(5)，(6)可以得出接收光功率為

(7)

假若給定誤碼率,通過(guò)式(7)可以判斷發(fā)射的信息是否被成功接收。將式(7)的接收光功率Pr作為接收閾值,如果通信中接收到的Pr,LOS大于接收閾值Pr,則證明鏈路通信良好;如果接收到的Pr,LOS小于接收閾值Pr,則證明鏈路無(wú)法通信。

1.2 節(jié)點(diǎn)間的捕獲、對(duì)準(zhǔn)和跟蹤

紫外光移動(dòng)自組網(wǎng)通信鏈路建立的前提是要實(shí)現(xiàn)單條鏈路節(jié)點(diǎn)間的捕獲、對(duì)準(zhǔn)與跟蹤。主從節(jié)點(diǎn)收發(fā)裝置完成捕獲前的位置關(guān)系如圖1所示。

圖 1 收發(fā)裝置捕獲前位置關(guān)系Fig.1 The position relationship of transceiverbefore acquisition

圖1中CT是發(fā)射裝置形成的發(fā)射光錐,CR是接收裝置形成的視場(chǎng)光錐。主從節(jié)點(diǎn)裝置的初始相位是任意的,兩者的初始相位差隨機(jī)分布在0°～360°之間。主節(jié)點(diǎn)以固定轉(zhuǎn)速運(yùn)動(dòng),從節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)速以某一加速度線(xiàn)性增加,在較短時(shí)間內(nèi),主從節(jié)點(diǎn)從任意相對(duì)位置與初始相位差的條件下實(shí)現(xiàn)對(duì)接,從節(jié)點(diǎn)接收到主節(jié)點(diǎn)發(fā)送的實(shí)時(shí)相角與方位等信息,完成捕獲過(guò)程[17]。對(duì)準(zhǔn)指的是完成捕獲后,從節(jié)點(diǎn)對(duì)接收的信息進(jìn)行處理,調(diào)整自身轉(zhuǎn)速,并在主節(jié)點(diǎn)旋轉(zhuǎn)幾個(gè)周期后,從節(jié)點(diǎn)指向相角與主節(jié)點(diǎn)相角相等,實(shí)現(xiàn)兩者直視通信。主從節(jié)點(diǎn)收發(fā)裝置對(duì)準(zhǔn)時(shí),位置關(guān)系如圖2所示。跟蹤指的是在完成捕獲與對(duì)準(zhǔn)兩個(gè)過(guò)程后,慢慢調(diào)整從節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)速,讓收發(fā)裝置始終保持良好的動(dòng)態(tài)對(duì)準(zhǔn)。

圖 2 收發(fā)裝置對(duì)準(zhǔn)時(shí)位置關(guān)系Fig.2 The position relationship of transceiver when pointing

依據(jù)式(5),當(dāng)主節(jié)點(diǎn)的偏轉(zhuǎn)角與從節(jié)點(diǎn)的偏轉(zhuǎn)角都等于θ,誤碼率等于10-5時(shí),發(fā)射端的傳輸碼速率為

(8)

(9)

式中：(PM)n為第n個(gè)光子最多經(jīng)過(guò)M次散射可到達(dá)接收端的總概率。

(10)

2 紫外光自組織網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議

2.1 AOMDV路由實(shí)現(xiàn)過(guò)程

AOMDV 協(xié)議的主旨是在路由發(fā)現(xiàn)的時(shí)候建立多條路由,選擇一條為通信的主路由,其余作為備份路由.當(dāng)主路由發(fā)生斷裂,啟用備份路由進(jìn)行通信。只有當(dāng)全部路徑都無(wú)法正常通信才需要開(kāi)啟新的路由發(fā)現(xiàn)過(guò)程[20]。AOMDV路由實(shí)現(xiàn)的過(guò)程如圖3所示,其中S為源節(jié)點(diǎn),D為目的節(jié)點(diǎn),其余則是中間節(jié)點(diǎn)。圖3(a)圖建立了兩條源節(jié)點(diǎn)S到目的節(jié)點(diǎn)D的鏈路不相關(guān)路徑,其中一條作為主路徑,一條作為備份路徑;圖3(b)展示了主路徑發(fā)生斷裂以后啟動(dòng)備份路徑進(jìn)行通信;圖3(c)展示了主路徑和備份路徑均發(fā)生斷裂,通信無(wú)法正常進(jìn)行,因此重新開(kāi)啟路由發(fā)現(xiàn)過(guò)程。圖3(d)展示了路徑發(fā)生斷裂后,圖3(e)發(fā)生斷裂處的上一節(jié)點(diǎn)E在一跳范圍內(nèi)啟動(dòng)路由發(fā)現(xiàn)過(guò)程,節(jié)點(diǎn)E與D間的扇形區(qū)域增加搜索概率。后面節(jié)點(diǎn)依照這樣的步驟繼續(xù)搜索,直到重新找到源節(jié)點(diǎn)S到目的節(jié)點(diǎn)D的通信鏈路,如圖3(i)所示。

圖 3 AOMDV路由實(shí)現(xiàn)過(guò)程Fig.3 AOMDV routing implemented process

2.2 紫外光自組網(wǎng)路由的建立

在實(shí)際通信中,通信節(jié)點(diǎn)的發(fā)射端與接收端指向會(huì)不斷變化。紫外光自組網(wǎng)路由的建立過(guò)程如圖4所示。圖4中1-2-3-4-6所示為一條通信鏈路,其中每個(gè)節(jié)點(diǎn)既有發(fā)射端,也有接收端,小角度為發(fā)射端發(fā)散角,大角度為接收端視場(chǎng)角。源節(jié)點(diǎn)旋轉(zhuǎn),發(fā)射端廣播路由請(qǐng)求(RREQ)消息。節(jié)點(diǎn)2與節(jié)點(diǎn)1建立單條鏈路,節(jié)點(diǎn)3與節(jié)點(diǎn)2建立單條鏈路,節(jié)點(diǎn)4與節(jié)點(diǎn)3建立單條鏈路,節(jié)點(diǎn)6與節(jié)點(diǎn)4建立單條鏈路,節(jié)點(diǎn)1到節(jié)點(diǎn)6的通信鏈路1-2-3-4-6建立完成,如圖4中黑色實(shí)線(xiàn)所示。同樣的方法,節(jié)點(diǎn)1可以通過(guò)節(jié)點(diǎn)5與節(jié)點(diǎn)6建立起另外一條鏈路,藍(lán)色點(diǎn)劃線(xiàn)所示。到目前為止,網(wǎng)絡(luò)中1-6節(jié)點(diǎn)都與1個(gè)或2個(gè)節(jié)點(diǎn)建立了可靠的鏈路。因?yàn)橥ㄐ殴?jié)點(diǎn)的收發(fā)裝置是旋轉(zhuǎn)的,每個(gè)節(jié)點(diǎn)在保證可靠鏈路捕獲、對(duì)準(zhǔn)以及跟蹤的時(shí)候,鄰近節(jié)點(diǎn)間的收發(fā)裝置還有可能形成紫外光非直視通信鏈路。圖4中節(jié)點(diǎn)2和節(jié)點(diǎn)5有可能建立非直視鏈路,如綠色虛線(xiàn)所示。圖4中節(jié)點(diǎn)3和節(jié)點(diǎn)5也有可能建立非直視鏈路,如紫色點(diǎn)劃線(xiàn)所示.這樣就可以建立節(jié)點(diǎn)1與節(jié)點(diǎn)6之間的多條通信鏈路。

圖 4 紫外光自組網(wǎng)路由的建立過(guò)程Fig.4 UV Ad Hoc network routing established process

3 仿真與分析

3.1 仿真參數(shù)設(shè)置

利用NS2進(jìn)行仿真, Sedest產(chǎn)生節(jié)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)場(chǎng)景,節(jié)點(diǎn)在運(yùn)動(dòng)區(qū)域內(nèi)自由移動(dòng)。分別對(duì)節(jié)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)區(qū)域、節(jié)點(diǎn)數(shù)目和節(jié)點(diǎn)最大移動(dòng)速度進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。仿真參數(shù)如表1所示,仿真參數(shù)中的接收閾值由式(7)中的接收光功率確定。

表 1 路由協(xié)議仿真參數(shù)設(shè)置

由于運(yùn)動(dòng)場(chǎng)景文件是隨機(jī)生成的,為了使仿真結(jié)果準(zhǔn)確,利用多次仿真測(cè)試結(jié)果的平均值評(píng)價(jià)系統(tǒng)性能。選用以下2個(gè)指標(biāo)對(duì)網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議的性能進(jìn)行分析比較[21]:

(1) 端到端時(shí)延=總時(shí)延/目的節(jié)點(diǎn)接收的總數(shù)據(jù)包;

(2) 丟包率=丟失的數(shù)據(jù)包/源節(jié)點(diǎn)發(fā)送的總數(shù)據(jù)包。

3.2 不同節(jié)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)區(qū)域下的時(shí)延和丟包率

移動(dòng)節(jié)點(diǎn)數(shù)目固定為15個(gè),節(jié)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)區(qū)域范圍為(20×20) m2～(300×300) m2,節(jié)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)區(qū)域與時(shí)延的關(guān)系如圖5所示。

圖 5 節(jié)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)區(qū)域與時(shí)延的關(guān)系

Fig.5 The connection of moving areas and delay

隨著節(jié)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)區(qū)域增加,MAODV協(xié)議時(shí)延趨勢(shì)先上升后下降。其原因是節(jié)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)區(qū)域增加導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓l繁,鏈路產(chǎn)生故障的頻率增高,消耗大量時(shí)間修復(fù)鏈路,由此將帶來(lái)節(jié)點(diǎn)時(shí)延增加。當(dāng)節(jié)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)區(qū)域很大時(shí),系統(tǒng)的時(shí)延慢慢減小,是因?yàn)閰^(qū)域太大使得鏈路的建立更加困難,不得不縮短鏈路長(zhǎng)度,降低了傳輸時(shí)間,延遲減小。AOMDV協(xié)議的時(shí)延剛開(kāi)始基本不變,在運(yùn)動(dòng)區(qū)域長(zhǎng)度為100 m以后逐漸增加,在230 m以后時(shí)延高于MAODV協(xié)議。這主要是由于最初節(jié)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)區(qū)域較小,AOMDV協(xié)議有自身的備份路徑存在,路徑斷裂時(shí),節(jié)點(diǎn)會(huì)啟用備份路徑建立通信鏈路。隨著運(yùn)動(dòng)區(qū)域的增大,直至所有備份路徑完全失效,源節(jié)點(diǎn)重新發(fā)起路徑尋找過(guò)程,導(dǎo)致時(shí)延最終大于MAODV協(xié)議。

移動(dòng)節(jié)點(diǎn)數(shù)目固定為15個(gè),節(jié)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)區(qū)域范圍為(20×20) m2～(300×300) m2,節(jié)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)區(qū)域與丟包率的關(guān)系如圖6所示。

圖 6 節(jié)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)區(qū)域與丟包率的關(guān)系Fig.6 The connection of moving areas and packet loss rate

隨著節(jié)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)區(qū)域增加,MAODV協(xié)議丟包率趨勢(shì)先上升后下降;AOMDV協(xié)議的丟包一直上升。節(jié)點(diǎn)數(shù)一定,運(yùn)動(dòng)區(qū)域增大,網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)發(fā)生變化,數(shù)據(jù)傳輸鏈路遭到破壞,加劇網(wǎng)絡(luò)擁塞,丟包率提升。當(dāng)運(yùn)動(dòng)區(qū)域很大時(shí),MAODV協(xié)議丟包率逐漸降低,而AOMDV協(xié)議依舊增大。這是因?yàn)镸AODV協(xié)議隨著運(yùn)動(dòng)區(qū)域的增加,通信路徑建立變得困難,通信路徑長(zhǎng)度縮短,丟包減小。AOMDV協(xié)議備份路徑失效,源節(jié)點(diǎn)需要重新尋找傳輸路徑,導(dǎo)致大量的丟包。

3.3 不同節(jié)點(diǎn)數(shù)目下的時(shí)延和丟包率

節(jié)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)區(qū)域?yàn)?150×150) m2,節(jié)點(diǎn)數(shù)目變化范圍為3～30。節(jié)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)區(qū)域固定,移動(dòng)節(jié)點(diǎn)數(shù)目與時(shí)延和丟包率的關(guān)系如圖7和圖8所示。隨著節(jié)點(diǎn)數(shù)不斷增加,MAODV協(xié)議時(shí)延與丟包率均先上升后下降。原因是節(jié)點(diǎn)自由移動(dòng),節(jié)點(diǎn)數(shù)的增加雖使通信鏈路的建立變得相對(duì)容易,但也導(dǎo)致通信鏈路變長(zhǎng),傳輸時(shí)間增加,丟包現(xiàn)象加重。AOMDV協(xié)議隨著節(jié)點(diǎn)數(shù)的增加,丟包率和時(shí)延都呈降低趨勢(shì),這是由于隨著節(jié)點(diǎn)數(shù)的增加,通信鏈路的建立變得相對(duì)容易,備份路徑增多,丟包率和時(shí)延相對(duì)降低。

圖 7 移動(dòng)節(jié)點(diǎn)數(shù)目與時(shí)延的關(guān)系

圖 8 移動(dòng)節(jié)點(diǎn)數(shù)目與丟包率的關(guān)系Fig.8 The connection of number of nodesand packet loss rate

3.4 不同節(jié)點(diǎn)最大移動(dòng)速度下的時(shí)延和丟包率

節(jié)點(diǎn)最大移動(dòng)速度與時(shí)延和丟包率的關(guān)系如圖9所示。設(shè)定節(jié)點(diǎn)數(shù)目為15個(gè),節(jié)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)區(qū)域?yàn)?150×150) m2,節(jié)點(diǎn)最大移動(dòng)速度變化范圍為(5～20) m·s-1,其他參數(shù)不變。

由圖9可知,隨著最大移動(dòng)速度的增大,AOMDV和MAODV協(xié)議時(shí)延和丟包率都呈增大趨勢(shì)。但AOMDV協(xié)議的時(shí)延和丟包率都遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于MAODV協(xié)議。因?yàn)殡S著最大移動(dòng)速度的增加,單條鏈路損壞程度愈加嚴(yán)重,鏈路修復(fù)耗費(fèi)一定時(shí)間,時(shí)延增加,丟包率增大。節(jié)點(diǎn)最大移動(dòng)速度10 m·s-1以后,MAODV協(xié)議時(shí)延和丟包增長(zhǎng)速度更快。

4 結(jié) 論

(1) 在相同區(qū)域條件下,節(jié)點(diǎn)數(shù)較小時(shí)選擇MAODV協(xié)議,通信性能較好；節(jié)點(diǎn)數(shù)較大時(shí)選擇AOMDV協(xié)議,通信性能較好。

(2)在相同節(jié)點(diǎn)數(shù)條件下,節(jié)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)區(qū)域較小時(shí)選用AOMDV協(xié)議,通信性能較好；節(jié)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)區(qū)域較大時(shí)選用MAODV協(xié)議,通信性能較好。

(3)節(jié)點(diǎn)最大移動(dòng)速度增大,AOMDV協(xié)議性能表現(xiàn)更優(yōu)。下一步工作,將研究拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化對(duì)紫外光自組網(wǎng)AOMDV協(xié)議產(chǎn)生的影響。

(a) 最大移動(dòng)速度和時(shí)延

(b)最大移動(dòng)速度和丟包率