何 東，于紀言

(南京理工大學 智能彈藥技術(shù)國防重點學科實驗室， 南京 210094)

彈道修正火箭彈多彈組網(wǎng)作戰(zhàn)系統(tǒng)是彈群組網(wǎng)作戰(zhàn)系統(tǒng)在火箭彈上的一種應用。由于修正火箭彈較導彈等精確打擊武器成本低廉，因此通過多枚甚至大規(guī)模的修正火箭彈組網(wǎng)協(xié)同對目標進行打擊，具有較高的效費比。作為一種創(chuàng)新性的體系作戰(zhàn)模式,修正火箭彈彈群組網(wǎng)協(xié)同作戰(zhàn)系統(tǒng)為未來戰(zhàn)爭提供了一種能夠快速反應和具有強大火力打擊能力的武器系統(tǒng),并提高了火箭彈的整體作戰(zhàn)效能,而實現(xiàn)彈群信息互聯(lián)互通的空間無線鏈路的機制是實現(xiàn)彈群組網(wǎng)及協(xié)同攻擊的關(guān)鍵[1-4]。移動自組網(wǎng)(ad-hoc)由于具有無中心節(jié)點、無基站、能夠適應節(jié)點快速移動和拓撲變化頻繁的網(wǎng)絡(luò)，在彈群組網(wǎng)中被廣泛應用。ad-hoc網(wǎng)絡(luò)路由算法是ad-hoc網(wǎng)絡(luò)的核心也是實現(xiàn)彈群互聯(lián)互通的空間無線鏈路的關(guān)鍵[5]。目前，ad-hoc較為成熟的路由協(xié)議包括DSDV、FSR、OLSR等[6]。其中AODV路由協(xié)議是一種能夠較好適應ad-hoc網(wǎng)絡(luò)的按需路由協(xié)議,該路由協(xié)議不需要維護到所有節(jié)點的路由，僅需在需要時才進行路由獲取，通信結(jié)束則不再維護路由，從而節(jié)省了網(wǎng)絡(luò)資源。然而AODV路由協(xié)議在節(jié)點高速運動的環(huán)境下，網(wǎng)絡(luò)拓撲頻繁變化，鏈路極易中斷，導致網(wǎng)絡(luò)性能的迅速下降，從而無法提供較好的網(wǎng)絡(luò)通信質(zhì)量[7-9]。

本文針對彈群組網(wǎng)的特點，在AODV的基礎(chǔ)上設(shè)計了具有速度感知的改進型AODV路由協(xié)議(SA-AODV)。SA-AODV相比AODV引入了優(yōu)先路由節(jié)點判斷機制以及基于節(jié)點相對速度的鏈路有效時間計算機制，通過比較源節(jié)點到目的節(jié)點各條鏈路的有效生存時間，選擇出有效生存時間最長的鏈路作為最佳路由線路。

1 AODV路由發(fā)現(xiàn)階段分析

AODV是一種專門針對移動自組網(wǎng)設(shè)計的典型按需距離矢量路由協(xié)議，具有較小的額外路由控制開銷[10]。AODV路由發(fā)現(xiàn)是通過廣播的方式由源節(jié)點發(fā)送RREQ數(shù)據(jù)包來建立路由。當源節(jié)點有數(shù)據(jù)要發(fā)到目的節(jié)點時，先查看路由表中是否有到達目的節(jié)點的有效路由，如果有，則按照路由發(fā)送，如果沒有，則發(fā)起路由發(fā)現(xiàn)過程。源節(jié)點采用泛洪廣播的方式給周邊一跳節(jié)點發(fā)送RREQ消息，接收到RREQ包的中間節(jié)點先查看在一段時間內(nèi)是否收到具有相同標識的RREQ包，如果有，丟棄后收到的RREQ包，如果沒有，處理該RREQ包。如果該節(jié)點不是目的節(jié)點且沒有到達目的節(jié)點的活動路由，則建立到源節(jié)點的反向鏈路，以支持后來的RREP 包的回送，RREQ 跳數(shù)加一，更新目的節(jié)點序列號。如果節(jié)點是目的節(jié)點或者有到達目的節(jié)點的活動路由，則產(chǎn)生RREP 進行路由應答。路由應答消息沿著RREQ發(fā)送過程中建立的反向路由送到源節(jié)點，至此路由發(fā)現(xiàn)過程結(jié)束，源節(jié)點與目的節(jié)點建立起了通信鏈路。

2 AODV路由改進算法SA-AODV設(shè)計

2.1 多彈網(wǎng)絡(luò)中AODV面臨的挑戰(zhàn)

火箭彈彈群網(wǎng)絡(luò)中，彈節(jié)點高速運動導致網(wǎng)絡(luò)拓撲變化頻繁。由于經(jīng)典AODV路由協(xié)議在路由發(fā)現(xiàn)階段采用的是最短鏈路機制(即鏈路中路由節(jié)點最少)，并沒有考慮通信鏈路中節(jié)點間的相對運動導致的通信穩(wěn)定性問題。在高速運動的彈群網(wǎng)絡(luò)中，當鏈路上的兩個通信節(jié)點具有較大的相對運動時，彈節(jié)點將會在短時間內(nèi)運動到通信半徑之外，使得由AODV路由協(xié)議建立起的通信鏈路頻繁斷開。當通信鏈路斷開后，通信網(wǎng)絡(luò)就會通過AODV路由修復機制進行路由重建，但是利用經(jīng)典的AODV路由修復機制進行路由重建往往趕不上網(wǎng)絡(luò)拓撲變化導致鏈路中斷的速度，從而導致整個網(wǎng)絡(luò)通信性能急劇下降。

2.2 路由發(fā)現(xiàn)改進思路

在多火箭彈組網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)中，由于修正火箭彈節(jié)點可以從彈載GPS模塊中實時的獲取節(jié)點的位置和速度信息。針對這一特點，可在路由發(fā)現(xiàn)階段廣播RREQ消息時，在RREQ消息中添加幾項關(guān)于節(jié)點位置和速度的信息。源節(jié)點通過GPS獲取自身的位置和速度信息后，將位置和速度信息添加到RREQ消息中構(gòu)造成改進型RREQ消息，并將改進的RREQ消息廣播到周圍的鄰居節(jié)點。當RREQ到達鄰居節(jié)點后，鄰居節(jié)點首先根據(jù)經(jīng)典的AODV方式處理RREQ消息，當經(jīng)典AODV路由算法判定該節(jié)點為中間路由節(jié)點時，通過獲取RREQ消息中的速度和位置信息并結(jié)合節(jié)點自身的位置和速度信息，采用優(yōu)先節(jié)點判斷機制判斷該路由節(jié)點是否為優(yōu)先路由節(jié)點，如果是，則更新RREQ消息并向周圍繼續(xù)廣播和轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)分組。如果不是優(yōu)先路由節(jié)點，則丟棄該RREQ消息。

2.3 優(yōu)先節(jié)點判斷機制

優(yōu)先節(jié)點的判斷機制是根據(jù)當前節(jié)點的位置和上一跳節(jié)點的相對運動速度的大小及方向進行節(jié)點篩選。設(shè)節(jié)點A所在位置坐標為(xA,yA,zA)，速度為vA與z軸的夾角為γA、速度在xoy面的投影與x軸的夾角為φA。設(shè)節(jié)點B坐標為(xB,yB,zB),速度為vB與z軸的夾角為γB、速度在xoy面的投影與x軸的夾角為φB，且節(jié)點B接收到了由節(jié)點A發(fā)來的改進型RREQ消息。考慮到節(jié)點的最大通信半徑和可靠性要求可知，節(jié)點A和B之間的距離為LAB≤pR，其中R為節(jié)點的通信半徑，p為可靠性參數(shù)(取0.7～1)。因此可知優(yōu)先路由節(jié)點需滿足的第一個條件為:

(xA-xB)2+(yA-yB)2+(zA-zB)2≤ρ2R2

(1)

(2)

(3)

當節(jié)點通過經(jīng)典AODV篩選確定為中間路由節(jié)點時，如果滿足式(1)、(3)兩式則被選定為優(yōu)先節(jié)點。

2.4 SA-AODV路由選擇機制

SA-AODV路由選擇機制是基于路由有效生存時間(RLTRouting Lifetime)的AODV路由選擇改進策略。SA-AODV路由選擇機制的思路為：首先利用優(yōu)先節(jié)點判斷機制對轉(zhuǎn)發(fā)性能較好的節(jié)點進行篩選并建立多條到達目的節(jié)點的有效路由，并在這多條到達目的節(jié)點的路由中選擇一條有效生存時間最長的路徑進行數(shù)據(jù)通信。當目的節(jié)點接收到改進型RREQ消息后，首先根據(jù)經(jīng)典的AODV算法處理RREQ消息，接著會添加由GPS模塊獲取的自身位置和速度信息到原有的路由響應消息RREP中，并沿著反向路徑將改造過的路由響應消息(改進型RREP)發(fā)送至源節(jié)點。改進型RREP消息相比原有的RREP增加了響應節(jié)點的位置和速度信息。在向源節(jié)點發(fā)送改進型RREP過程中，中間節(jié)點收到目的節(jié)點發(fā)送的RREP消息后，首先緩存由上一個節(jié)點發(fā)來的改進型RREP消息中的位置和速度信息，然后用自身的位置和速度信息改寫改進型RREP中的位置和速度字段的信息。因此在反向路徑上的所有節(jié)點都可以知道上一跳轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點的位置和速度信息。由于節(jié)點可以通過自身攜帶的GPS模塊獲取自身的位置和速度信息，因此可以根據(jù)反向鏈路上一跳節(jié)點的位置和速度信息以及本身的位置和速度信息計算兩節(jié)點間的鏈路有效生存時間LST。

(4)

令：

(5)

因此解可知：

(6)

由于路由鏈路需要保證整個鏈路上所有的節(jié)點與節(jié)點間的通信暢通，如果某個節(jié)點與節(jié)點間的鏈路斷開時整個路由將失效，因此路由有效生存時間為整個路由鏈路上各個節(jié)點間鏈路保持有效通信時間的最小值。如圖2所示，源節(jié)點S到目的節(jié)點的路由有效時間計算公式為：

RLT=min(LST1,LST2,LST3,…,LSTn)

(7)

圖1 LST計算原理圖

各節(jié)點間的鏈路有效時間LST可以利用式(6)計算得到,同時將計算所得的LST和已存儲在RREP消息中的RLT進行比較，如果新計算的LST小于RREP消息中 的RLT值，則更新LST為新的RLT值，否則不更新RREP中的RLT值，并沿著反向路徑對RREP消息進行轉(zhuǎn)發(fā)。當RREP最終到達目的節(jié)點時，根據(jù)上面的計算流程就可以知道該條路由中所有節(jié)點之間的鏈路生存時間，源節(jié)點同時可以根據(jù)收到的RREP消息知道整條路由的有效生存時間RLT。當源節(jié)點收到所有的路由線路上返回的RREP消息后，就可以根據(jù)消息中攜帶的RLT信息比較各路由線路的路由生存時間RLT，從而選出一跳路由生存時間最長的路由線路作為數(shù)據(jù)通信鏈路。SA-AODV路由選擇流程如圖3所示。

圖3 SA-AODV路由選擇算法流程

2.5 SA-AODV算法評估

相較與經(jīng)典的AODV算法，SA-AODV 引入了優(yōu)先接節(jié)點判斷機制以及有效鏈路時間計算，從而保證了無線鏈路的穩(wěn)定性。SA-AODV在路由發(fā)現(xiàn)階段，由于改進型RREQ和改進型RREP消息都增加了節(jié)點的速度和位置信息，需要與彈載的GPS模塊進行通信獲取該信息，因此存在一定的時間消耗導致路由發(fā)現(xiàn)階段較經(jīng)典AODV耗時較多?；鸺龔椊M網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)中由于節(jié)點的速度快，拓撲變化頻繁的特點，經(jīng)典AODV應用于該網(wǎng)絡(luò)中時，會由于選擇了相對運動速度較大的節(jié)點作為路由節(jié)點從而導致鏈路頻繁斷開，需要頻繁發(fā)起鏈路修復。經(jīng)典AODV鏈路修復分為本地修復和重新發(fā)起路由發(fā)現(xiàn)，由于頻繁的拓撲變化，往往導致本地修復失敗而不得不重新發(fā)起路由發(fā)現(xiàn)，重新發(fā)起路由發(fā)現(xiàn)則需要泛洪廣播RREQ消息，不僅耗時較多，同時會造成大量網(wǎng)絡(luò)資源的嚴重浪費。

SA-AODV在路由發(fā)現(xiàn)階段通過優(yōu)先節(jié)點判斷機制和鏈路有效時間計算，雖然相比AODV有一定的時間消耗，但是由于選擇了源節(jié)點到目的節(jié)點中最穩(wěn)定的鏈路，降低了鏈路斷開后重新發(fā)起路由發(fā)現(xiàn)的風險。因此SA-AODV路由算法在多彈組網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)通信的整個過程中，雖然增加了路由發(fā)現(xiàn)的時間，但是降低了鏈路中斷的風險，從而避免了鏈路修復耗時，使得整體性能有了大幅提升。

3 協(xié)議仿真及仿真結(jié)果分析

3.1 仿真參數(shù)

本文采用OPNETmodeler14.5作為網(wǎng)絡(luò)仿真工具進行仿真,本文采用的火箭彈類型為107火箭彈。仿真參數(shù)配置如表1所示。

表1 仿真參數(shù)配置

107修正火箭彈的一般射程在10 km之內(nèi)，因此將仿真區(qū)域設(shè)置為10 km×10 km的正方形區(qū)域。節(jié)點的運動模型采用107的理論彈道模型，通過在Matlab中編程解算出107火箭彈每間隔0.01 s的坐標位置、偏航角(yaw)、側(cè)滾角(roll)、傾斜角(pitch)以及當前位置時火箭彈的運動速度和方向。將matlab解算出來的彈道數(shù)據(jù)，導入到以.trj為擴展名的OPNET節(jié)點軌跡文件中，并在OPNET的節(jié)點屬性中將軌跡文件配置到對應的節(jié)點。仿真中發(fā)送的數(shù)據(jù)大小采用contact模型，間隔時間設(shè)置為每個節(jié)點每間隔0.5 s產(chǎn)生一個1 024 bits大小的數(shù)據(jù)包?？偡抡鏁r間根據(jù)107火箭彈的彈群的飛行總時間進行計算，設(shè)置為72 s。

3.2 仿真實驗及結(jié)果分析

3.2.1仿真實驗

在仿真過程中有以下幾個假設(shè)：

假設(shè)1，火箭彈發(fā)射的瞬間通信模塊開啟，落地引爆瞬間通信模塊失去通信能力；

假設(shè)2，每門107火箭炮的發(fā)射規(guī)律相同，炮與炮之間的間距為200 m并且每門炮布置在同一直線上；

假設(shè)3，單門火箭炮發(fā)射火箭彈時，彈與彈之間的發(fā)射間隔為1 s，每個火箭彈除了發(fā)射的初始位置不一樣以外，具有相同的發(fā)射前后角，俯仰角以及初速度(火箭炮發(fā)射規(guī)律)；

假設(shè)4，各彈節(jié)點的通信半徑相同。分別對單門火箭炮按照發(fā)射規(guī)律發(fā)射火箭彈以及多門火箭炮按照發(fā)射規(guī)律齊射進行了組網(wǎng)仿真實驗，并對比了采用AODV路由算法以及SA-AODV路由算法組網(wǎng)時節(jié)點間端到端的延時、丟包率、路由開銷等影響網(wǎng)絡(luò)性能的關(guān)鍵指標進行了對比。

圖4是5門火箭炮按照發(fā)射規(guī)律齊射60枚火箭彈在OPENT網(wǎng)絡(luò)層的拓撲結(jié)構(gòu)圖，圖4中帶箭頭的白色線條是彈道軌跡在xoy面上的投影，彈節(jié)點在仿真過程中將沿著彈道軌跡從初始位置飛到落點位置，在飛行過程中與其他彈節(jié)點進行組網(wǎng)和數(shù)據(jù)傳輸。

圖4 60枚火箭彈在OPNET中的網(wǎng)絡(luò)拓撲

3.3.2仿真結(jié)果及分析

仿真結(jié)果圖中，AODV代表彈節(jié)點采用經(jīng)典AODV路由協(xié)議進行組網(wǎng)并沿著火箭彈的彈道軌跡運動。AODV-FIX作為參考項，彈節(jié)點采用了經(jīng)典AODV路由協(xié)議組網(wǎng)，但是彈節(jié)點在原發(fā)射位置固定不動。SA-AODV與AODV相似，仿真了火箭彈彈節(jié)點在全彈道飛行過程中的組網(wǎng)性能，不同點在于AODV采用了經(jīng)典的AODV路由算法，而SA-AODV采用的路由算法是基于AODV的速度感知路由改進算法。

圖5和圖6是隨著彈節(jié)點的增加對應的AODV、AODV-FIX、SA-AODV端到端的時延變化圖以及網(wǎng)絡(luò)的整體丟包率變化圖。對比AODV曲線上的點的時延始終大于AODV-FIX，這是因為彈群節(jié)點沿著各自彈道軌跡運動時，由于彈節(jié)點的高速運動導致彈群網(wǎng)絡(luò)拓撲變化頻繁，使得彈節(jié)點間鏈路頻繁斷開從而導致彈節(jié)點間的通信時延增大和彈群網(wǎng)絡(luò)間通信的丟包率也隨之增大。由于AODV-FIX曲線中彈節(jié)點的位置是不隨時間而變化的，因此彈節(jié)點間的鏈路變化較小，因此端到端的時延也較小。AODV-FIX曲線端到端的時延隨著節(jié)點的增加而增大，主要原因是隨著節(jié)點增加，通信鏈路中間路由節(jié)點也隨之增加，從而導致網(wǎng)絡(luò)整體端到端的時延增大。在圖5和圖6中，對比SA-AODV和AODV的端到端時延曲線以及丟包率曲線可知，SA-AODV端到端的時延以及丟包率都低于AODV,因此SA-AODV比AODV在彈群組網(wǎng)環(huán)境下有更好的性能，且性能有很大的提升。主要原因是，SA-AODV路由算法相對于經(jīng)典的AODV路由算法引入通過節(jié)點相對運動速度來選擇下一跳路由節(jié)點以及通過計算每條可達的路由路線的最長有效生存時間選擇最佳路由線路的機制，從而保證了彈節(jié)點之間通信鏈路的穩(wěn)定，降低了彈節(jié)點高速運動對彈群網(wǎng)絡(luò)拓撲的影響，從而降低了彈群網(wǎng)絡(luò)通信時端到端的時延以及丟包率。

圖5 端到端時延曲線

圖6 丟包率曲線

由于SA-AODV路由算法中，節(jié)點獲取當前自身的位置和速度信息以及計算路由有效生存時間和選擇最佳路由路線都需要消耗一定的時間，因此在圖7中，SA-AODV路由發(fā)現(xiàn)時間曲線相比采用經(jīng)典AODV路由算法的其他兩條曲線，明顯路由發(fā)現(xiàn)耗時較大。

4 結(jié)論

本文通過在路由發(fā)現(xiàn)階段采用基于節(jié)點通信半徑和節(jié)點位置的優(yōu)先路由節(jié)點選擇機制，以及引入基于節(jié)點間相對運動速度計算有效鏈路生存時間的最佳鏈路選擇機制對經(jīng)典的AODV路由算法進行改進。通過網(wǎng)絡(luò)仿真對比了SA-AODV和AODV在高速飛行的彈群網(wǎng)絡(luò)中端到端的時延、丟包率以及路由發(fā)現(xiàn)時間等網(wǎng)絡(luò)性能的關(guān)鍵指標。仿真實驗表明，雖然SA-AODV在路由發(fā)現(xiàn)階段比經(jīng)典的AODV耗時較多，但當網(wǎng)絡(luò)建立后，SA-AODV相對于AODV端到端的時延和網(wǎng)絡(luò)通信的丟包率明顯下降。因此，SA-AODV比AODV在高速運動彈群網(wǎng)絡(luò)中具有更穩(wěn)定的通信能力。

圖7 路由發(fā)現(xiàn)時間曲線