任 智,朱其政,付澤亮,周 舟,周 楊

(重慶郵電大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院,重慶 400065)

0 引 言

自組織網(wǎng)絡(luò)是一種新興的無線網(wǎng)絡(luò)類型[1],網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點(diǎn)既是一臺移動主機(jī),也是一個路由器[2],不依賴于任何固定的基礎(chǔ)設(shè)施就可以相互通信[3],具有無中心、靈活性強(qiáng)[4]等特性。這種特殊的網(wǎng)絡(luò)模式使得自組網(wǎng)不僅適用于軍事通信,也適用于環(huán)境監(jiān)測、救災(zāi)現(xiàn)場臨時通信等民用通信。短波通信(3～30 MHz)是指一種主要利用電離層反射進(jìn)行通信的通信方式,因此其具有通信距離遠(yuǎn)的優(yōu)勢。短波自組網(wǎng)是指一種利用短波信道作為物理介質(zhì)的自組織網(wǎng)絡(luò)[5],具備傳統(tǒng)無線自組織網(wǎng)絡(luò)的快速組網(wǎng)、多跳傳輸?shù)忍攸c(diǎn)[6],以其通信距離遠(yuǎn)、抗毀性強(qiáng)等優(yōu)勢而被廣泛應(yīng)用。

短波自組網(wǎng)中的業(yè)務(wù)發(fā)起較為頻繁,因此網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)需要時刻掌握全網(wǎng)拓?fù)湫畔?而先驗(yàn)式路由協(xié)議中節(jié)點(diǎn)間建立通信鏈路時延小,優(yōu)化鏈路狀態(tài)路由(Optimized Link State Routing,OLSR)[7]協(xié)議中立即可用的路由信息可以滿足軍事的協(xié)同作戰(zhàn)以及信息傳播等緊急需求。然而,建立和維護(hù)路由時主動地發(fā)送控制消息占據(jù)了大量的信道資源,導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)吞吐量顯著降低。其次,短波自組網(wǎng)中節(jié)點(diǎn)發(fā)射功率不同,導(dǎo)致信號覆蓋范圍也不同;同時地形地貌、天線方向和接收性能的個體差異等影響,導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)中存在非對稱鏈路,造成了通信端到端時延的顯著增加。文獻(xiàn)[8]提出的D-OLSR協(xié)議根據(jù)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞淖兓闆r動態(tài)的改變HELLO消息和拓?fù)淇刂?Topology Control,TC)消息的發(fā)送間隔,并限制TC消息的洪泛距離,分別在時間和空間上優(yōu)化控制消息,減小了控制開銷,提高了數(shù)據(jù)包投遞率,但在端到端時延方面沒有較明顯的優(yōu)化。文獻(xiàn)[9]在路由選擇時通過考慮節(jié)點(diǎn)的密度和附近節(jié)點(diǎn)的干擾來選擇最優(yōu)的一條路徑,仿真結(jié)果表明該方法在路由安全性,網(wǎng)絡(luò)控制開銷,端到端時延性能方面相比原協(xié)議都有明顯改善。文獻(xiàn)[10]針對無人機(jī)拓?fù)渥兓斓奶攸c(diǎn),使用移動相似性和傳輸穩(wěn)定性作為多點(diǎn)中繼(Multipoint Relay,MPR)選擇標(biāo)準(zhǔn),增加了MPR節(jié)點(diǎn)的穩(wěn)定性,降低了網(wǎng)絡(luò)中MPR節(jié)點(diǎn)的更新頻率,減小了網(wǎng)絡(luò)的控制開銷。文獻(xiàn)[11]提出了一種基于增量信息最小化控制開銷OLSR協(xié)議(II-OLSR協(xié)議),通過去除控制信息中的冗余信息,用發(fā)送增量信息代替發(fā)送完整信息。仿真結(jié)果表明,II-OLSR協(xié)議能夠減小控制開銷,提高數(shù)據(jù)包投遞成功率和網(wǎng)絡(luò)吞吐量,并且減小了端到端時延,提高了OLSR協(xié)議的性能。

經(jīng)過對現(xiàn)有文獻(xiàn)[8-11]進(jìn)行深入研究后發(fā)現(xiàn),將原始OLSR協(xié)議應(yīng)用在短波自組網(wǎng)中時會導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)之間大量非對稱鏈路的存在,而OLSR協(xié)議不支持非對稱鏈路,在和目的節(jié)點(diǎn)通信時會增加中繼轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)的數(shù)量。此外,網(wǎng)絡(luò)帶寬被大量消耗在控制消息的發(fā)布上,造成通信時延的顯著增加。為此,本文提出了一種低時延的短波自組網(wǎng)OLSR協(xié)議(Low latency OLSR Protocol in HF Ad Hoc Network,LL-OLSR),通過共同鄰居檢測機(jī)制檢測出網(wǎng)絡(luò)中的非對稱鏈路,將其納入到路由選擇標(biāo)準(zhǔn)中,減小通信時延;同時,通過基于鏈路可靠性的MPR選擇算法去除冗余MPR節(jié)點(diǎn),降低網(wǎng)絡(luò)控制開銷。

1 短波自組網(wǎng)OLSR協(xié)議存在的問題

1.1 網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)間通信端到端時延過高

短波自組網(wǎng)在組網(wǎng)時采用車載、手持、背負(fù)等多種型號的無線電臺,每種型號的無線電臺的信號發(fā)射功率各不相同,導(dǎo)致各個電臺的信號覆蓋范圍也不同,同時受到地形和地貌、天線的方向和接收性能的個體差異等影響,網(wǎng)絡(luò)中存在非對稱鏈路。而OLSR協(xié)議只使用對稱鏈路,若路由表中生成了到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)的路由表項(xiàng),會經(jīng)過中繼節(jié)點(diǎn)的冗余轉(zhuǎn)發(fā),增加通信端到端時延,同時會導(dǎo)致傳輸路徑中某中繼節(jié)點(diǎn)的負(fù)載過重,引起網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)負(fù)載失衡。如圖1所示,由于節(jié)點(diǎn)E和節(jié)點(diǎn)F之間存在一條非對稱鏈路,因此節(jié)點(diǎn)E和節(jié)點(diǎn)F進(jìn)行數(shù)據(jù)分組傳輸時,按照OLSR路由協(xié)議的路由算法,數(shù)據(jù)分組會經(jīng)過中間節(jié)點(diǎn)D的轉(zhuǎn)發(fā)到達(dá)節(jié)點(diǎn)F,增加了傳輸時延。同時,節(jié)點(diǎn)A、節(jié)點(diǎn)B和節(jié)點(diǎn)C在和節(jié)點(diǎn)E、節(jié)點(diǎn)G、節(jié)點(diǎn)H和節(jié)點(diǎn)I通信時,數(shù)據(jù)分組必將經(jīng)過節(jié)點(diǎn)D的轉(zhuǎn)發(fā),由于短波帶寬資源有限,因此會導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)D的負(fù)載過重,網(wǎng)絡(luò)負(fù)載失衡,使得經(jīng)過節(jié)點(diǎn)D的數(shù)據(jù)分組排隊(duì)時延增加,造成網(wǎng)絡(luò)擁塞,從而引起了丟包率的升高,嚴(yán)重影響網(wǎng)絡(luò)性能。

圖1 數(shù)據(jù)傳輸示意圖

1.2 傳統(tǒng)MPR選擇算法存在冗余且沒有考慮鏈路可靠性指標(biāo)

MPR機(jī)制是OLSR路由協(xié)議的核心,其目的是保證網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)快速及時的獲取全網(wǎng)拓?fù)涞那闆r下盡可能地減少TC消息的洪泛數(shù)量,以減少網(wǎng)絡(luò)的控制開銷。但傳統(tǒng)MPR選擇算法利用貪心算法的思想,對一跳鄰居節(jié)點(diǎn)連接的兩跳節(jié)點(diǎn)的數(shù)量進(jìn)行排序,每次選擇連接兩跳節(jié)點(diǎn)數(shù)量最多的一跳節(jié)點(diǎn)為MPR節(jié)點(diǎn),而最后選擇出來的MPR節(jié)點(diǎn)集并不是最優(yōu)的,可能會存在冗余。冗余MPR節(jié)點(diǎn)也會向全網(wǎng)洪泛TC消息,TC消息的全網(wǎng)洪泛使得網(wǎng)絡(luò)控制開銷呈指數(shù)級增長,由于短波信道帶寬有限且具有時變的特性,使得通信時可用的瞬時頻帶寬度變的更窄,增大了出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)擁塞的概率,造成消息分組在底層堆積,控制消息過期,路由信息失效,嚴(yán)重情況下會導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)癱瘓。其次,傳統(tǒng)MPR選擇算法中,在多個一跳鄰居節(jié)點(diǎn)的連接度和覆蓋度相同的情況下會隨機(jī)選擇一個節(jié)點(diǎn)作為本地節(jié)點(diǎn)的MPR節(jié)點(diǎn),沒有考慮該節(jié)點(diǎn)和本地節(jié)點(diǎn)之間鏈路的可靠性,因此會導(dǎo)致消息分組丟包率的上升。

2 LL-OLSR算法

為了解決上述短波自組網(wǎng)OLSR路由協(xié)議所面臨的問題,本文提出了一種低時延的短波自組網(wǎng)OLSR協(xié)議,對原有OLSR協(xié)議的路由發(fā)現(xiàn)和選擇機(jī)制以及MPR選擇算法進(jìn)行了相關(guān)改進(jìn)。

2.1 共同鄰居檢測機(jī)制

針對短波自組網(wǎng)中存在非對稱鏈路導(dǎo)致通信時延過高的問題,本文提出了一種共同鄰居檢測機(jī)制來檢測網(wǎng)絡(luò)中大量存在的非對稱鏈路,路由計(jì)算時利用非對稱鏈路,以減小通信時延,改善網(wǎng)絡(luò)性能。

非對稱鏈路檢測方法如下:

如圖2所示,當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)A、節(jié)點(diǎn)B和節(jié)點(diǎn)C周期性地交互HELLO控制消息時,在非對稱鏈路的節(jié)點(diǎn)A和節(jié)點(diǎn)B共同的一跳鄰居節(jié)點(diǎn)C在與節(jié)點(diǎn)A和節(jié)點(diǎn)B建立對稱鏈路后,立即解析在本地緩存的節(jié)點(diǎn)A和節(jié)點(diǎn)B的HELLO消息。節(jié)點(diǎn)C在解析節(jié)點(diǎn)A的HELLO消息時如果發(fā)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)A的HELLO消息中有節(jié)點(diǎn)B的鄰居表項(xiàng)且鄰居類型被標(biāo)記為非對稱鄰居,而節(jié)點(diǎn)B的HELLO消息中沒有節(jié)點(diǎn)A的任何信息,說明節(jié)點(diǎn)A和節(jié)點(diǎn)B之間存在一條由節(jié)點(diǎn)B指向節(jié)點(diǎn)A的非對稱鏈路。此時節(jié)點(diǎn)C就向該非對稱鏈路的上游節(jié)點(diǎn)B單播轉(zhuǎn)發(fā)這條非對稱鏈路下游節(jié)點(diǎn)A的HELLO消息,告知節(jié)點(diǎn)B存在這一條到達(dá)節(jié)點(diǎn)A的前向非對稱鏈路。此條HELLO消息不包含節(jié)點(diǎn)A和節(jié)點(diǎn)B的共同鄰居表項(xiàng)。該消息的源地址設(shè)置為該非對稱鏈路下游節(jié)點(diǎn)A的地址,在HELLO消息包的保留字段Reserved標(biāo)記為“1”,表示此種消息為非對稱鏈路通告消息。節(jié)點(diǎn)B收到該HELLO消息時,解析Reserved字段的值,得知這是一條非對稱鏈路通告消息,立即解析該消息內(nèi)容,然后更新自己的鄰居信息表。

圖2 鏈路類型

鄰居表的更新過程如下:

1)將節(jié)點(diǎn)A加入到一跳鄰居表中,鏈路狀態(tài)標(biāo)記為F_ASYM,即前向非對稱鏈路。

2)將此條HELLO消息的具有前向非對稱鏈路和對稱鏈路的鄰居表項(xiàng)逐一加入到兩跳鄰居表中,這些兩跳鄰居連接的一跳鄰居為節(jié)點(diǎn)A。

在此后的鄰居偵聽過程中,節(jié)點(diǎn)B會將節(jié)點(diǎn)A的信息通過HELLO消息的形式廣播出去,本地節(jié)點(diǎn)利用多重D算法計(jì)算出能夠到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)的所有路徑并保存在路由表中。

路由選擇主要遵循以下兩個標(biāo)準(zhǔn):一是當(dāng)本地節(jié)點(diǎn)的路由表中存在含有前向非對稱鏈路的路徑且路徑最短時,選擇這條路徑;二是當(dāng)本地節(jié)點(diǎn)的路由表中存在到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)的多條相同長度的路徑,則優(yōu)先選擇含有非對稱鏈路數(shù)量最多的路徑。

通過共同鄰居檢測機(jī)制有效地檢測出了網(wǎng)絡(luò)中的非對稱鏈路,因此,非對稱鏈路的上游節(jié)點(diǎn)在路由選擇時可以利用這條非對稱鏈路,減少分組傳輸路徑長度,降低通信端到端時延。當(dāng)計(jì)算出多條到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)的長度相同的路徑時,選擇含有非對稱鏈路數(shù)量最多的路徑進(jìn)行傳輸,平衡了網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點(diǎn)及其周圍通信鏈路的負(fù)載,減小了丟包率,降低了分組在本地緩存隊(duì)列中的排隊(duì)時延。同時,當(dāng)路由失敗時,從路由表中選擇其他路徑較短且含有對稱鏈路數(shù)量最多的一條路徑作為備份路由,既保證了路由的魯棒性,又節(jié)省了網(wǎng)絡(luò)資源。

2.2 BLR-MPR選擇算法

傳統(tǒng)MPR選擇算法利用貪心算法選擇出來的MPR節(jié)點(diǎn)集可能會存在冗余,冗余MPR節(jié)點(diǎn)也會向全網(wǎng)洪泛TC消息,增大了控制開銷,加劇了信道負(fù)載,且在兩個一跳鄰居節(jié)點(diǎn)的連接度和覆蓋度相同的情況下會隨機(jī)地選擇一個節(jié)點(diǎn)作為本地節(jié)點(diǎn)的MPR節(jié)點(diǎn),而這個節(jié)點(diǎn)很有可能是鏈路可靠性較差的節(jié)點(diǎn),因此會造成路由失效,消息包丟失,造成通信時延增加。為此,本文提出一種基于鏈路可靠性的MPR選擇算法(MPR Selection Algorithm Based on Link Reliability,BLR-MPR),對傳統(tǒng)MPR選擇算法進(jìn)行優(yōu)化。

本文以從一跳節(jié)點(diǎn)接收HELLO消息的成功率來定義一跳節(jié)點(diǎn)到本節(jié)點(diǎn)這條鏈路的可靠性,具體操作步驟如下:

Step1 節(jié)點(diǎn)在本地統(tǒng)計(jì)從所有一跳節(jié)點(diǎn)收到的HELLO消息包的數(shù)量。

Step2 從各一跳節(jié)點(diǎn)收到的最后一個HELLO消息的包頭中提取“序號”字段,獲取一跳鄰居節(jié)點(diǎn)發(fā)送HELLO消息的數(shù)量。

Step3 計(jì)算從一跳鄰居中接收的HELLO消息的成功率,即從一跳鄰居接收的HELLO消息的數(shù)量占其發(fā)送的HELLO消息數(shù)量的比例。

具體的BLR-MPR選擇算法如下:

Step1 初始化MPR集S為空集。

Step2 檢查兩跳鄰居節(jié)點(diǎn)和一跳鄰居節(jié)點(diǎn)建立對稱鏈路的數(shù)量,如果本地節(jié)點(diǎn)的兩跳鄰居節(jié)點(diǎn)只和一個一跳鄰居節(jié)點(diǎn)之間建立了雙向鏈路,則將該一跳鄰居節(jié)點(diǎn)加入到集合S中。

Step3 計(jì)算一跳鄰居中所有節(jié)點(diǎn)的連接度,選擇連接度最大的節(jié)點(diǎn)加入到集合S中。如果連接度相同,則選擇覆蓋度最大的節(jié)點(diǎn)加入到集合S中;如果連接度和覆蓋度均相同,則選擇多個連接度和覆蓋度均相同的一跳鄰居節(jié)點(diǎn)中鏈路可靠性最大的一跳節(jié)點(diǎn)加入到集合S中。

Step4 重復(fù)Step 3,直到集合S中的節(jié)點(diǎn)能夠覆蓋本地節(jié)點(diǎn)的所有兩跳鄰居節(jié)點(diǎn)。

Step5 將集合S中的元素按照連接度從大到小進(jìn)行排序,依次檢查集合S中在不包含連接度最大的節(jié)點(diǎn)的情況下,其他節(jié)點(diǎn)是否能夠到達(dá)本地節(jié)點(diǎn)的所有兩跳節(jié)點(diǎn),如果能到達(dá)所有兩跳節(jié)點(diǎn),說明該連接度最大的節(jié)點(diǎn)是目前選擇的MPR集中的冗余節(jié)MPR點(diǎn),直接將該節(jié)點(diǎn)從S中移除;如果剩余的節(jié)點(diǎn)不能到達(dá)所有兩跳節(jié)點(diǎn),說明該節(jié)點(diǎn)必須要作為MPR節(jié)點(diǎn),不作處理。遍歷檢查完集合S中的所有一跳節(jié)點(diǎn)后,算法結(jié)束。

BLR-MPR選擇算法操作流程如圖3所示。原協(xié)議中的MPR選擇算法僅根據(jù)一跳鄰居和其具有連接關(guān)系的兩跳鄰居的數(shù)量大小選擇MPR集,而連接度大的節(jié)點(diǎn)往往是冗余節(jié)點(diǎn),因此會造成MPR集合的冗余。BLR-MPR選擇算法先通過貪心的思想進(jìn)行第一輪MPR節(jié)點(diǎn)集的選擇,然后對第一輪選擇的MPR節(jié)點(diǎn)集進(jìn)行反向優(yōu)化,從連接度最大的節(jié)點(diǎn)入手,剔除了第一輪選擇出的冗余MPR節(jié)點(diǎn),減小了網(wǎng)絡(luò)的控制開銷。其次,在一跳鄰居節(jié)點(diǎn)的覆蓋度和連接度相同的情況下會選擇鏈路可靠性最大的節(jié)點(diǎn)作為MPR節(jié)點(diǎn),降低了丟包率。

圖3 BLR-MPR選擇算法操作流程

3 LL-OLSR協(xié)議性能分析

3.1 控制開銷分析

在OLSR路由協(xié)議中,節(jié)點(diǎn)通過發(fā)送HELLO、TC和非對稱鏈路通告消息進(jìn)行路由表的計(jì)算,因此可以通過以下公式計(jì)算網(wǎng)絡(luò)控制開銷。

在運(yùn)行OLSR協(xié)議時,網(wǎng)絡(luò)中的每一個節(jié)點(diǎn)單位時間內(nèi)發(fā)送的HELLO消息長度可以用公式(1)表示:

(1)

式中:SLHELLO表示一條HELLO消息的平均長度;THELLO表示HELLO消息的廣播周期。因此,MPR節(jié)點(diǎn)單位時間內(nèi)發(fā)送的TC消息長度可以用公式(2)表示:

(2)

式中:SLTC表示一條TC消息的長度;TTC表示TC消息的廣播周期。由于TC消息需要向整個網(wǎng)絡(luò)廣播,每一條TC消息需要向其NM個MPR鄰居節(jié)點(diǎn)進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā),所以單位時間內(nèi)一個MPR節(jié)點(diǎn)需要轉(zhuǎn)發(fā)的TC消息長度可以用公式(3)表示:

(3)

式中:NEM表示全網(wǎng)中MPR節(jié)點(diǎn)的數(shù)量;NM表示網(wǎng)絡(luò)中任意一個節(jié)點(diǎn)選取的MPR節(jié)點(diǎn)的平均數(shù)量。所以整個網(wǎng)絡(luò)單位時間內(nèi)所產(chǎn)生的總控制開銷可以用公式(4)表示:

(4)

式中:Lenasy_link_notice表示網(wǎng)絡(luò)中的每一個節(jié)點(diǎn)單位時間內(nèi)發(fā)送的非對稱鏈路通告消息長度。減少全網(wǎng)的MPR節(jié)點(diǎn)的數(shù)量或者控制消息的長度都可以降低網(wǎng)絡(luò)控制開銷。改進(jìn)協(xié)議在選擇MPR節(jié)點(diǎn)時采用BLR-MPR選擇算法,有效地減少了網(wǎng)絡(luò)中MPR節(jié)點(diǎn)的數(shù)量;由于TC消息是定期發(fā)送的且全網(wǎng)洪泛,因此可以顯著減少網(wǎng)絡(luò)中TC消息的數(shù)量。而非對稱鏈路通告消息不是定期發(fā)送的,發(fā)送時機(jī)由實(shí)際網(wǎng)絡(luò)環(huán)境決定,因而LL-OLSR協(xié)議可以有效減少網(wǎng)絡(luò)的控制開銷。

3.2 數(shù)據(jù)包投遞成功率分析

由于LL-OLSR協(xié)議的路由算法支持非對稱鏈路,在分組傳輸時選擇含有非對稱鏈路的路徑進(jìn)行傳輸,平衡了網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點(diǎn)及其周圍通信鏈路的負(fù)載,減小了丟包率。其次,在BLR-MPR選擇算法中,在一跳鄰居節(jié)點(diǎn)的覆蓋度和連接度相同的情況下會選擇鏈路可靠性最大的節(jié)點(diǎn)作為MPR節(jié)點(diǎn),提高了數(shù)據(jù)分組傳輸?shù)目煽啃?。除此之?LL-OLSR協(xié)議還支持備份路由,增強(qiáng)了路由的健壯性,因此在數(shù)據(jù)包投遞成功率性能方面相較OLSR協(xié)議會有相應(yīng)的提升。

3.3 端到端時延分析

定義總端到端時延為Latency,則N跳鏈路總時延為

(5)

式中:di表示點(diǎn)到點(diǎn)總時延。LL-OLSR協(xié)議通過BLR-MPR選擇算法優(yōu)化了MPR節(jié)點(diǎn)集,減少了網(wǎng)絡(luò)控制開銷,減輕了信道負(fù)載,降低了數(shù)據(jù)分組的排隊(duì)處理時延,從而減小了單跳總時延d。其次,改進(jìn)協(xié)議的路由算法利用了短波自組網(wǎng)中大量存在的非對稱鏈路,在進(jìn)行路由選擇時,當(dāng)源節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)的路徑中存在非對稱鏈路且路徑較短時,就會選擇這條路徑,減小了分組傳輸?shù)穆窂介L度,平衡了網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點(diǎn)及其周圍鏈路的負(fù)載。若路由失敗了,則啟用備份路由。綜合以上分析,LL-OLSR協(xié)議相比OLSR協(xié)議降低了總端到端時延。

3.4 吞吐量分析

由于LL-OLSR協(xié)議采用BLR-MPR選擇算法進(jìn)行MPR節(jié)點(diǎn)的選擇,在一跳鄰居節(jié)點(diǎn)的連接度和覆蓋度相同的情況下,選擇鏈路可靠性最大的節(jié)點(diǎn)作為MPR節(jié)點(diǎn),提高了數(shù)據(jù)分組傳輸成功率。同時,該算法減小了網(wǎng)絡(luò)中MPR節(jié)點(diǎn)的數(shù)量,減少了網(wǎng)絡(luò)中TC消息的發(fā)送數(shù)量,降低了數(shù)據(jù)分組的排隊(duì)處理時延。其次,LL-OLSR協(xié)議的路由算法利用了網(wǎng)絡(luò)中的非對稱鏈路,減小了分組傳輸?shù)穆窂介L度,平衡了網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)周圍的負(fù)載,降低了總端到端時延。因此,LL-OLSR協(xié)議在吞吐量性能方面優(yōu)于原協(xié)議。

4 仿真驗(yàn)證

選擇OLSR協(xié)議[7]、II-OLSR協(xié)議[11]與本文提出的LL-OLSR協(xié)議進(jìn)行分析比較。

4.1 仿真參數(shù)設(shè)置

本文使用Windows 10平臺上的OPNET Modeler 14.5仿真軟件對OLSR協(xié)議、II-OLSR協(xié)議以及LL-OLSR協(xié)議進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn),設(shè)置了節(jié)點(diǎn)數(shù)分別為10,20,30,40,50的仿真場景。仿真參數(shù)如表1所示,每個仿真場景做5次仿真實(shí)驗(yàn),仿真結(jié)果取5次實(shí)驗(yàn)結(jié)果的平均值。

表1 仿真參數(shù)設(shè)置

4.2 仿真結(jié)果分析

4.2.1 控制開銷

控制開銷指網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)發(fā)送的控制消息的總長度。圖4表明,LL-OLSR協(xié)議在控制開銷性能方面優(yōu)于II-OLSR協(xié)議和標(biāo)準(zhǔn)OLSR協(xié)議。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)場景的節(jié)點(diǎn)數(shù)為10時,LL-OLSR協(xié)議和OLSR協(xié)議的控制開銷基本持平,原因是LL-OLSR協(xié)議中的非對稱鏈路通告消息也占據(jù)了一部分網(wǎng)絡(luò)控制開銷。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)數(shù)量逐漸增大時,LL-OLSR協(xié)議的BLR-MPR選擇算法對傳統(tǒng)MPR選擇算法進(jìn)行了優(yōu)化,減小了全網(wǎng)MPR節(jié)點(diǎn)的數(shù)量,由于TC控制消息只由MPR節(jié)點(diǎn)發(fā)送并且全網(wǎng)洪泛,因而顯著減少了網(wǎng)絡(luò)中TC消息的洪泛數(shù)量,其降低的控制開銷遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于非對稱鏈路通告消息產(chǎn)生的控制開銷,因此整體減小了網(wǎng)絡(luò)控制開銷。而II-OLSR協(xié)議未對MPR集進(jìn)行優(yōu)化,沒有在全局的范圍優(yōu)化控制消息的發(fā)送數(shù)量,只是用發(fā)送增量信息代替發(fā)送完整信息,減小了消息長度,因此其產(chǎn)生的控制開銷大于LL-OLSR協(xié)議。

圖4 控制開銷比較

4.2.2 數(shù)據(jù)包投遞成功率

圖5表明,LL-OLSR協(xié)議在數(shù)據(jù)包投遞成功率性能方面整體上優(yōu)于標(biāo)準(zhǔn)OLSR協(xié)議和II-OLSR協(xié)議。當(dāng)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)量保持不變時,由于II-OLSR 協(xié)議減少了控制開銷,因而減小了網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)總量,降低了出現(xiàn)信道擁塞的概率,因此提高了數(shù)據(jù)包投遞成功率。而LL-OLSR協(xié)議采用BLR-MPR選擇算法,提高了分組傳輸?shù)目煽啃?并對傳統(tǒng)MPR選擇算法進(jìn)行了優(yōu)化,有效地減小了網(wǎng)絡(luò)的控制開銷,減輕了信道負(fù)載。其次,LL-OLSR協(xié)議的路由選擇方案利用了非對稱鏈路,平衡了網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的負(fù)載,還具有備份路由機(jī)制,增強(qiáng)了路由的魯棒性。

圖5 數(shù)據(jù)包投遞成功率比較

4.2.3 端到端時延

圖6表明,LL-OLSR協(xié)議在端到端時延性能方面優(yōu)于標(biāo)準(zhǔn)OLSR協(xié)議和II-OLSR協(xié)議。由于II-OLSR協(xié)議用發(fā)送增量信息代替發(fā)送完整信息,降低了控制開銷,使得信道負(fù)載得到減輕,因而端到端時延性能優(yōu)于標(biāo)準(zhǔn)OLSR協(xié)議。而LL-OLSR協(xié)議提出的共同鄰居檢測機(jī)制使得節(jié)點(diǎn)可以大幅減少路由發(fā)現(xiàn)時延,并且在路由時可以利用非對稱鏈路,減少了分組傳輸?shù)穆窂介L度,平衡了網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)及其周圍鏈路的負(fù)載。其次,LL-OLSR協(xié)議提出了基于鏈路可靠性的MPR選擇算法,選擇了更加可靠的鏈路進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸,降低了重傳的概率;同時BLR-MPR選擇算法還降低了系統(tǒng)控制開銷,減輕了信道負(fù)載,降低了數(shù)據(jù)分組的排隊(duì)處理時延。因此,LL-OLSR協(xié)議相較OLSR協(xié)議和LD-OLSR協(xié)議在端到端時延性能方面有了明顯的改善。

圖6 端到端時延比較

4.2.4 吞吐量

圖7表明,LL-OLSR協(xié)議在吞吐量性能方面優(yōu)于OLSR協(xié)議和II-OLSR協(xié)議。由于II-OLSR協(xié)議減少了網(wǎng)絡(luò)控制開銷,減輕了信道負(fù)載,在相同時間內(nèi)成功傳輸了更多的數(shù)據(jù)包,增加了網(wǎng)絡(luò)的吞吐量。由上文分析可知,LL-OLSR協(xié)議的BLR-MPR算法將鏈路可靠性納入MPR節(jié)點(diǎn)選擇指標(biāo),同時進(jìn)一步減少了網(wǎng)絡(luò)中MPR節(jié)點(diǎn)的數(shù)量,減小了網(wǎng)絡(luò)中的控制開銷,降低了信道負(fù)載,可以提高數(shù)據(jù)包的傳輸成功率。其次,LL-OLSR協(xié)議在節(jié)點(diǎn)路由選擇時利用了非對稱鏈路,降低了傳輸總時延,同時平衡了網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)及其周圍鏈路的負(fù)載。因此,LL-OLSR協(xié)議在吞吐量性能方面優(yōu)于OLSR協(xié)議和II-OLSR協(xié)議。

圖7 吞吐量比較

5 結(jié)束語

針對OLSR協(xié)議應(yīng)用在短波自組網(wǎng)時信道占用率和通信時延過高對網(wǎng)絡(luò)通信造成的影響,本文提出了一種低時延的短波自組網(wǎng)OLSR協(xié)議。通過共同鄰居檢測機(jī)制來檢測網(wǎng)絡(luò)中存在的非對稱鏈路,節(jié)點(diǎn)在路由選擇時利用這些非對稱鏈路,減少了分組傳輸?shù)穆窂介L度,平衡了網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)及其周圍鏈路的負(fù)載。通過BLR-MPR選擇算法,綜合節(jié)點(diǎn)連接度和鏈路可靠性為MPR節(jié)點(diǎn)集選擇指標(biāo),提高了分組傳輸?shù)目煽啃浴７抡娼Y(jié)果表明,LL-OLSR協(xié)議能在業(yè)務(wù)不需要雙向傳輸確認(rèn)的場景中改善控制開銷、吞吐量、端到端時延和數(shù)據(jù)包投遞成功率等網(wǎng)絡(luò)性能指標(biāo)。在未來的工作中,將繼續(xù)研究在業(yè)務(wù)需要雙向傳輸確認(rèn)的場景中改善OLSR協(xié)議應(yīng)用在短波自組網(wǎng)中的性能。