田甜，董洋溢，張妍

（陜西學(xué)前師范學(xué)院，陜西 西安 710100）

0 引 言

自組織網(wǎng)（Ad Hoc）是一種自治的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)可隨意移動(dòng)并能以任意方式相互通信，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)不需要配置固定的基礎(chǔ)設(shè)施，可以在不能利用或不便于利用現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施的情況下，提供一種便捷的通信環(huán)境支撐，拓寬了無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用場(chǎng)景。隨著物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的到來(lái)，基于物聯(lián)終端的自組織網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)成為移動(dòng)通信技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要方向。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)自組織網(wǎng)絡(luò)的研究大多集中于網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?、協(xié)議算法等層面，對(duì)自組織網(wǎng)中大量節(jié)點(diǎn)所表現(xiàn)出來(lái)的群體特征，以及群體特征對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能影響的研究還不多見(jiàn)。本文從自組織網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的群體特征入手，針對(duì)網(wǎng)絡(luò)協(xié)作中節(jié)點(diǎn)位置的管理提出相應(yīng)的優(yōu)化方案。

1 節(jié)點(diǎn)的群體特征與網(wǎng)絡(luò)群化概念

從自組織網(wǎng)的構(gòu)成目標(biāo)上不難看出，其網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)具有以下群體特征：（1）行動(dòng)多維一體。根據(jù)目標(biāo)任務(wù)的需要，按需聚合成群，按需優(yōu)化組合。同一個(gè)節(jié)點(diǎn)編組，內(nèi)部的通信單元可能來(lái)自多種項(xiàng)目單元組合，節(jié)點(diǎn)編組呈現(xiàn)了多維一體的群體運(yùn)動(dòng)特性。（3）單元?jiǎng)討B(tài)運(yùn)動(dòng)。單元?jiǎng)討B(tài)運(yùn)動(dòng)是指網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)編組的空間位置、內(nèi)部結(jié)構(gòu)會(huì)隨著通信態(tài)勢(shì)和任務(wù)需要的變化而變化，呈現(xiàn)出動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)的特性。（3）節(jié)點(diǎn)實(shí)時(shí)聚合。根據(jù)任務(wù)需要，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)編組的群體運(yùn)動(dòng)會(huì)帶來(lái)指揮機(jī)構(gòu)之間指令傳輸關(guān)系的柔性組合。這些特點(diǎn)充分表明，自組織網(wǎng)的節(jié)點(diǎn)實(shí)際上充斥著群體運(yùn)動(dòng)的特性。

群化是指群體化、集群化，一般是指人或物聚集在一起的現(xiàn)象。在自然界中，群化現(xiàn)象十分普遍，比如分工有序的蟻群、靈活機(jī)智的魚(yú)群、廣場(chǎng)聚集的人群，社交軟件中的社群，等等。學(xué)術(shù)界研究群化問(wèn)題的初衷，并不是因?yàn)榇罅總€(gè)體聚集以后規(guī)模變得龐大，而是群化節(jié)點(diǎn)形成后具有了新的特征和功能。以典型的魚(yú)群為例，在這個(gè)魚(yú)群的群化節(jié)點(diǎn)中，每一個(gè)個(gè)體的力量和功能是微不足道的，但聚合在一起的魚(yú)群整體卻能夠在覓食、躲避危險(xiǎn)、種群繁衍中表現(xiàn)出極其智能化的行為。這種動(dòng)物群體內(nèi)部的分工協(xié)作、整體協(xié)調(diào)現(xiàn)象蘊(yùn)含著豐富的信息處理機(jī)制，給人類以智慧的啟迪。

基于自組織網(wǎng)的群體特征和群化含義，可對(duì)網(wǎng)絡(luò)群化的概念進(jìn)行描述：網(wǎng)絡(luò)群化是指通信自組織網(wǎng)中，由節(jié)點(diǎn)編組的群體運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致的運(yùn)動(dòng)節(jié)點(diǎn)跨網(wǎng)集群、固定節(jié)點(diǎn)間跨域連接、各子網(wǎng)間交鏈融合的現(xiàn)象。其中，運(yùn)動(dòng)節(jié)點(diǎn)的群化和群體運(yùn)動(dòng)是網(wǎng)絡(luò)群化現(xiàn)象的直接原因；固定節(jié)點(diǎn)群化是自組織網(wǎng)適應(yīng)運(yùn)動(dòng)節(jié)點(diǎn)群化的一種表現(xiàn)；隸屬不同分系統(tǒng)子網(wǎng)的固定節(jié)點(diǎn)群化使各系統(tǒng)子網(wǎng)深度交鏈，形成整個(gè)自組織網(wǎng)絡(luò)的群化。

2 網(wǎng)絡(luò)協(xié)作中節(jié)點(diǎn)位置管理優(yōu)化方案

在自組織網(wǎng)中，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)是可移動(dòng)的，并且要求網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)間彼此通信。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)連接到上級(jí)指揮網(wǎng)絡(luò)后，為解決節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)地址動(dòng)態(tài)變化的問(wèn)題，必須有相應(yīng)的策略對(duì)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的位置進(jìn)行管理。在節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)群化運(yùn)動(dòng)中，可通過(guò)群化管理來(lái)加大對(duì)位置管理的管理力度，其具有群化服務(wù)的特性，節(jié)省了位置管理開(kāi)銷。然而，將群化管理用于位置管理時(shí)需要注意以下三個(gè)方面的事項(xiàng)：

（1）考慮對(duì)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)實(shí)施位置管理的必然性。自組織網(wǎng)必須支持網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)性，保證通信過(guò)程中網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)在任何區(qū)域都具有接受位置管理服務(wù)的能力。

（2）考慮節(jié)點(diǎn)的位置管理與節(jié)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)特性是密切相關(guān)的。如果節(jié)點(diǎn)頻繁運(yùn)動(dòng)，就會(huì)增加位置管理的通信開(kāi)銷，相反，節(jié)點(diǎn)靜止或在有限區(qū)域內(nèi)活動(dòng)時(shí)，其開(kāi)銷相對(duì)較?。辉诰唧w的通信過(guò)程中，某個(gè)區(qū)域的節(jié)點(diǎn)密度增大，相應(yīng)的位置管理開(kāi)銷也會(huì)隨之增加。

（3）考慮節(jié)點(diǎn)位置管理具有區(qū)域特性以及信令冗余特性。在兩個(gè)群化節(jié)點(diǎn)的邊界區(qū)域，位置更新頻繁，但更新信息公告極有可能相同或相似，信息存在冗余。

基于以上問(wèn)題，本文提出一種新的網(wǎng)絡(luò)群化節(jié)點(diǎn)位置管理策略，總體思路為：在構(gòu)建群化節(jié)點(diǎn)模型的基礎(chǔ)上，將鄰近的節(jié)點(diǎn)組成一個(gè)群化節(jié)點(diǎn)。在某個(gè)位置更新的過(guò)程中，位于同一群化節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)成員擁有相似的位置信息和運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)，因此以群化節(jié)點(diǎn)為粒度，統(tǒng)一進(jìn)行位置更新報(bào)告，這樣就能大大降低位置更新的信令開(kāi)銷和數(shù)據(jù)庫(kù)接入開(kāi)銷，從而達(dá)到節(jié)省頻率資源、增加系統(tǒng)吞吐能力的目的。

群化位置管理的基本網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淠Ｐ褪且环N群化節(jié)點(diǎn)模型和節(jié)點(diǎn)對(duì)等通信模型相融合的重合模型，結(jié)構(gòu)為垂直水平混合的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。水平通信用于節(jié)點(diǎn)成員之間互通形成群化節(jié)點(diǎn)，垂直通信用于群組與上一級(jí)群組之間的信息交互。

3 基于OPNET的模型仿真

OPNET模型通常分為3+1層。第一層是網(wǎng)絡(luò)級(jí)，用來(lái)對(duì)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)溥M(jìn)行描述；第二層是節(jié)點(diǎn)級(jí)，對(duì)組成網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞母黝惞?jié)點(diǎn)進(jìn)行描述；第三層是進(jìn)程級(jí)，對(duì)組成節(jié)點(diǎn)進(jìn)程的有限狀態(tài)機(jī)進(jìn)行描述；最后一層是C/C++語(yǔ)言代碼，是對(duì)各個(gè)進(jìn)程的編程實(shí)現(xiàn)。建模流程如圖1所示，仿真項(xiàng)目依托橫向課題中某應(yīng)急管理中心的真實(shí)案例而展開(kāi)。

圖1 OPNET建模流程圖

根據(jù)網(wǎng)絡(luò)涉及的項(xiàng)目類型、網(wǎng)絡(luò)規(guī)模、節(jié)點(diǎn)數(shù)量和互聯(lián)模式，構(gòu)建如圖2所示的基本網(wǎng)絡(luò)模型，該網(wǎng)絡(luò)模型由總指揮節(jié)點(diǎn)、一級(jí)指揮節(jié)點(diǎn)、二級(jí)指揮節(jié)點(diǎn)和分布單元節(jié)點(diǎn)共四類節(jié)點(diǎn)模型組成，其中包括1個(gè)總指揮節(jié)點(diǎn)、4個(gè)一級(jí)指揮節(jié)點(diǎn)、12個(gè)二級(jí)指揮節(jié)點(diǎn)和36個(gè)分布單元節(jié)點(diǎn)?？傊笓]節(jié)點(diǎn)與4個(gè)一級(jí)指揮節(jié)點(diǎn)通過(guò)有線以太網(wǎng)鏈路連接構(gòu)成上層的核心指控網(wǎng)絡(luò)。每個(gè)一級(jí)指揮節(jié)點(diǎn)下下屬三個(gè)節(jié)點(diǎn)集群，每個(gè)集群包含1個(gè)二級(jí)指揮節(jié)點(diǎn)和3個(gè)分布單元節(jié)點(diǎn)。

圖2 基本網(wǎng)絡(luò)模型結(jié)構(gòu)圖

上述網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲谐丝傊笓]節(jié)點(diǎn)與一級(jí)指揮節(jié)點(diǎn)間基于有線端口和通信鏈路進(jìn)行信息傳輸外，其他節(jié)點(diǎn)間均通過(guò)無(wú)線接口收發(fā)數(shù)據(jù)。因此，為了實(shí)現(xiàn)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，提前在網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)臉I(yè)務(wù)數(shù)據(jù)、路由協(xié)議、接入方式、時(shí)隙資源及物理信道等方面進(jìn)行參數(shù)配置。

為驗(yàn)證和比較不同網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)下的性能，針對(duì)自組織網(wǎng)可能出現(xiàn)的不同狀態(tài)，假象并設(shè)置了12個(gè)場(chǎng)景，采取交叉對(duì)比的方式，分析不同策略下網(wǎng)絡(luò)性能的優(yōu)劣，仿真時(shí)間統(tǒng)一設(shè)定為2 000秒，分別采用AODV和OLSR路由協(xié)議進(jìn)行對(duì)比?？砂凑展?jié)點(diǎn)的不同狀態(tài)將這12個(gè)場(chǎng)景分為四大類想定場(chǎng)景，即：節(jié)點(diǎn)靜止?fàn)顟B(tài)、節(jié)點(diǎn)移動(dòng)狀態(tài)、節(jié)點(diǎn)故障狀態(tài)和全局隨機(jī)移動(dòng)兼故障狀態(tài)，每一類想定場(chǎng)景下又分別針對(duì)傳統(tǒng)的層級(jí)化通信和網(wǎng)絡(luò)群化通信方式進(jìn)行仿真比較。具體描述為：

（1）local_network_communication_with_aodv。傳統(tǒng)的層級(jí)化通信方式，即上行業(yè)務(wù)的傳遞方向必須依照分布單元節(jié)點(diǎn)—二級(jí)指揮節(jié)點(diǎn)—一級(jí)指揮節(jié)點(diǎn)—總指揮節(jié)點(diǎn)的邏輯層級(jí)傳輸，下行業(yè)務(wù)的傳遞方向與之相反，節(jié)點(diǎn)間基于AODV路由協(xié)議通信。

（2）whole_network_communication_with_aodv。網(wǎng) 絡(luò)群化，節(jié)點(diǎn)間的上下行業(yè)務(wù)傳遞不依賴于各層級(jí)的嚴(yán)格限制，只要在信號(hào)可達(dá)的通信范圍內(nèi)即可直接根據(jù)自組網(wǎng)絡(luò)由建立的下一跳轉(zhuǎn)方向進(jìn)行業(yè)務(wù)傳遞，該場(chǎng)景下節(jié)點(diǎn)間基于AODV路由協(xié)議通信。

（3）whole_network_communication_with_olsr。該場(chǎng)景下節(jié)點(diǎn)間基于OLSR路由協(xié)議通信。

（4）local_network_mobile_roaming_with_aodv。傳統(tǒng)層級(jí)通信網(wǎng)絡(luò)，該場(chǎng)景下個(gè)別節(jié)點(diǎn)按照既定的運(yùn)動(dòng)軌跡在本網(wǎng)內(nèi)或不同子網(wǎng)間移動(dòng)漫游，模擬節(jié)點(diǎn)執(zhí)行特定通信任務(wù)時(shí)在不同區(qū)域下的入網(wǎng)、退網(wǎng)和路由變化過(guò)程。

（5）whole_network_mobile_roaming_with_olsr。模擬節(jié)點(diǎn)執(zhí)行特定任務(wù)時(shí)在不同區(qū)域下的入網(wǎng)、退網(wǎng)和路由變化過(guò)程。

（6）local_network_failure_with_aodv。在不同時(shí)間點(diǎn)分別對(duì)某個(gè)二級(jí)指揮節(jié)點(diǎn)、一級(jí)指揮節(jié)點(diǎn)和總指揮節(jié)點(diǎn)設(shè)置故障，考察不同級(jí)別關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障后對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能的影響。

（7）local_network_random_mobility_failure_with_aodv。在不同時(shí)間點(diǎn)出現(xiàn)不同級(jí)別的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)發(fā)生設(shè)備故障，并且讓所有移動(dòng)節(jié)點(diǎn)在隨機(jī)移動(dòng)的狀態(tài)下進(jìn)行通信，考察這種復(fù)合多變的狀態(tài)下整個(gè)網(wǎng)絡(luò)性能的變化情況，該場(chǎng)景下所有節(jié)點(diǎn)基于AODV路由協(xié)議通信。

針對(duì)上述網(wǎng)絡(luò)仿真場(chǎng)景，比較各場(chǎng)景下網(wǎng)絡(luò)性能的差異，這里分別根據(jù)應(yīng)用層業(yè)務(wù)、網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議、接入?yún)f(xié)議和物理鏈路幾個(gè)方面的統(tǒng)計(jì)結(jié)果對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能進(jìn)行綜合考察。所選擇的統(tǒng)計(jì)結(jié)果包括全局統(tǒng)計(jì)結(jié)果Global Statistic、節(jié)點(diǎn)統(tǒng)計(jì)結(jié)果Node Statistic和鏈路統(tǒng)計(jì)結(jié)果Link Statistic。選擇的統(tǒng)計(jì)內(nèi)容包括FTP、AODV、OLSR、TDMA和Link Statistic，如圖3所示。

圖3 統(tǒng)計(jì)結(jié)果選擇

4 仿真結(jié)果分析

綜合上述各類仿真場(chǎng)景及結(jié)果分析，針對(duì)仿真案例規(guī)模下的網(wǎng)絡(luò)組成結(jié)構(gòu)、互聯(lián)方式以及所需傳輸?shù)臉I(yè)務(wù)量，采用傳統(tǒng)層級(jí)的網(wǎng)絡(luò)管理方式，通過(guò)逐層的信息上報(bào)，信息融合，再到逐層的指令信息下發(fā)，這中間存在各層級(jí)的中轉(zhuǎn)處理和控制，可能會(huì)造成不同編隊(duì)間、不同地域間、不同單位間通信時(shí)，需要經(jīng)過(guò)很多環(huán)節(jié)的中繼處理后才能最終抵達(dá)目的端。一方面增加了業(yè)務(wù)傳輸?shù)臅r(shí)延和丟包概率，降低了時(shí)效性；另一方面又造成各級(jí)網(wǎng)絡(luò)對(duì)其指揮節(jié)點(diǎn)的依賴性高，網(wǎng)絡(luò)抗毀性和魯棒性差，一旦各核心節(jié)點(diǎn)遭受到攻擊，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的通信將陷于癱瘓狀態(tài)。文中提出的網(wǎng)絡(luò)模型設(shè)置方案，其網(wǎng)絡(luò)組成單元身份等級(jí)的平級(jí)化，大大減少了網(wǎng)絡(luò)整體和局部對(duì)核心節(jié)點(diǎn)的依賴性，降低了網(wǎng)絡(luò)故障的波及范圍，使得整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的成員組網(wǎng)靈活多變，進(jìn)而提升網(wǎng)絡(luò)的抗毀能力和魯棒性。

5 結(jié) 論

根據(jù)仿真案例結(jié)果分析，為了使自組織網(wǎng)更好地滿足未來(lái)通信的發(fā)展需求，使各通信單元間能夠更為靈活、可靠地進(jìn)行信息共享，建議對(duì)傳統(tǒng)指揮系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行扁平化改進(jìn)，即各層級(jí)、各指揮部門(mén)在其信號(hào)所能覆蓋的通信范圍內(nèi)，通過(guò)對(duì)底層通信技術(shù)和組網(wǎng)絡(luò)由方式的改進(jìn)，重視網(wǎng)絡(luò)協(xié)作中節(jié)點(diǎn)的位置管理，通過(guò)群化節(jié)點(diǎn)模型的設(shè)計(jì)方案，盡可能通過(guò)最少跳數(shù)將信息傳送到目的端，即實(shí)現(xiàn)較少的中間環(huán)節(jié)的快捷轉(zhuǎn)發(fā)，進(jìn)而提高信息傳輸?shù)臅r(shí)效性。