航空自組網(wǎng)貪婪地理路由協(xié)議研究*

鄭 博，張衡陽，黃國策

（空軍工程大學(xué)電訊工程學(xué)院，陜西西安 710077）

0 引言

在民用航空通信中，目前廣泛使用的航空電信網(wǎng)（aeronautical telecommunication networks，ATN）存在一些問題，如無法滿足飛機(jī)自由飛行的需求、飛機(jī)之間不能相互通信、無法分發(fā)環(huán)境感知信息、體系結(jié)構(gòu)較復(fù)雜等［1］。克服這些缺陷，研究實(shí)時、高效、適應(yīng)未來發(fā)展需求的航空通信方式已成為民航通信亟待解決的問題。航空自組網(wǎng)［2］（aeronautical Ad Hoc networks，AANET）的概念就是在這種需求背景下提出的，它是由一定空域內(nèi)飛行中的航空飛行器連接建立的移動Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)（mobile Ad Hoc networks，MANET）。在該網(wǎng)絡(luò)中，飛行器之間可以互相轉(zhuǎn)發(fā)來自地面站點(diǎn)的控制指令信息，交換各自的飛行狀態(tài)、感知信息等數(shù)據(jù)，也可通過單跳或多跳通信接入地面Internet網(wǎng)關(guān)。AANET具備自組織、自修復(fù)的能力和快速、高效組網(wǎng)的優(yōu)勢，具有廣闊的應(yīng)用前景，可為空中交通管理提供新的技術(shù)手段，為越洋飛行的航班提供有效的通信保障，也可使飛行的航班接入Internet，為旅途中的乘客提供上網(wǎng)服務(wù)。目前，AANET研究與應(yīng)用的代表項目有澳大利亞悉尼大學(xué)的AANET［3］、歐盟的 NEWSKY［4］和 ATENAA［1］等。此外，美國堪薩斯大學(xué)［5］、日本東京早稻田大學(xué)［6］、以及國內(nèi)的北京航空航天大學(xué)［7］等機(jī)構(gòu)也在該領(lǐng)域開展了一些研究。

1 相關(guān)研究

由于AANET具有大尺度、高動態(tài)、臨時性、無中心節(jié)點(diǎn)、時變信道和節(jié)點(diǎn)密度小等特點(diǎn)，因而，比傳統(tǒng)地面上的MANET復(fù)雜得多，尤其在高速移動環(huán)境中存在許多尚待解決的問題，給其研究和發(fā)展不斷提出新的挑戰(zhàn)。其中，路由算法［8］是該領(lǐng)域中最重要的研究課題之一。MANET現(xiàn)有路由協(xié)議無法適應(yīng)航空環(huán)境中節(jié)點(diǎn)高速運(yùn)動對鏈路動態(tài)性和網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湓斐傻挠绊懀⒉贿m用于AANET。

在AANET項目中，Sakhaee E等人針對航空環(huán)境提出了幾種按需路由策略:文獻(xiàn)［3］提出了一種基于控制分組多路徑多普勒路由（multipath Doppler routing，MUDOR），以分組的多普勒頻移量作為衡量飛機(jī)間鏈路穩(wěn)定性的標(biāo)準(zhǔn)，通過選取多普勒頻移數(shù)值最小的鏈路構(gòu)建路由，維護(hù)了路由穩(wěn)定性;文獻(xiàn)［9］提出了支持QoS的多徑多普勒路由協(xié)議QoS-MUDOR，在MUDOR中引入了轉(zhuǎn)發(fā)最優(yōu)請求策略，避免了過多的泛洪;文獻(xiàn)［10］提出了最穩(wěn)定路徑接收策略（receive on most stable path，ROMSP），通過非分離路徑尋找更穩(wěn)定的路由，進(jìn)一步減少了控制開銷。ATENAA工程提出的 ARPAM［11］（Ad Hoc routing protocol for aeronautical mobile）是一種基于AODV和TBRPF的混合路由協(xié)議，以節(jié)點(diǎn)間的最短距離和最小跳數(shù)為原則選取路由，并引入了按需路由保持和錯誤報告機(jī)制。

在AANET中，地理路由協(xié)議得到了研究人員的廣泛重視。NEWSKY項目基于GPSR（greedy perimeter stateless routing）協(xié)議，提出了地理負(fù)載共享路由［12］（geographic load share routing，GLSR），以前進(jìn)速度（即前進(jìn)量與隊列時延的比值）為度量，滿足離目的節(jié)點(diǎn)最近和最短隊列（join the shortest queue，JSQ）的原則，有效緩解了GPSR協(xié)議中的擁塞問題?？八_斯大學(xué)提出的AeroRP協(xié)議［5］以節(jié)點(diǎn)間的截獲時間（the time to intercept，TTI）選取路由，同時采用擁塞指示（congestion indicator）來克服擁塞。北京航空航天大學(xué)提出的位置網(wǎng)格路由（location-based grid routing，LBGR）算法［7］，令分組沿路由發(fā)現(xiàn)時的網(wǎng)格軌跡傳輸，解決了節(jié)點(diǎn)高速移動引起的路徑重建問題。Seo D W等人［13］提出了將GPSR協(xié)議和廣播式自動相關(guān)監(jiān)視（automatic dependent surveillance-broadcast，ADS-B）系統(tǒng)相結(jié)合的策略，利用ADS-B中的周期性廣播取代了GPSR中的HELLO消息，可大大降低網(wǎng)絡(luò)開銷。

本文在NS2網(wǎng)絡(luò)仿真平臺中搭建了AANET網(wǎng)絡(luò)模型，仿真評估了貪婪地理路由協(xié)議在航空自組網(wǎng)中的性能，深入分析了其在高動態(tài)航空環(huán)境下存在的問題，為后續(xù)的研究工作奠定了基礎(chǔ)。

2 GPSR協(xié)議

GPSR［14］是目前應(yīng)用最廣泛的一種地理路由協(xié)議，它不需要維護(hù)路由表，是一種無狀態(tài)的路由協(xié)議。GPSR協(xié)議通過周期性的HELLO發(fā)送機(jī)制使每個節(jié)點(diǎn)都維護(hù)著一張鄰居節(jié)點(diǎn)表，當(dāng)節(jié)點(diǎn)要發(fā)送或轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)分組時依據(jù)鄰居節(jié)點(diǎn)表選擇下一跳節(jié)點(diǎn)。GPSR采用2種轉(zhuǎn)發(fā)方式:貪婪轉(zhuǎn)發(fā)（greedy forwarding）和邊界轉(zhuǎn)發(fā)（perimeter forwarding）。在通常情況下，GPSR協(xié)議采用貪婪轉(zhuǎn)發(fā)模式，下一跳節(jié)點(diǎn)是距離目的節(jié)點(diǎn)最近且比自身距離目的節(jié)點(diǎn)更近的節(jié)點(diǎn)，但當(dāng)出現(xiàn)路由空洞現(xiàn)象致使貪婪算法不能選擇下一跳時，就采用邊界轉(zhuǎn)發(fā)模式。

3 仿真與分析

為了評估GPSR協(xié)議在航空自組網(wǎng)環(huán)境中的性能，利用網(wǎng)絡(luò)仿真平臺NS2對其性能進(jìn)行仿真，并與AODV協(xié)議在相同運(yùn)動場景和業(yè)務(wù)場景條件下的性能進(jìn)行比較。

在AANET中，民航飛機(jī)通常沿航線飛行，其飛行高度基本保持不變，從而AANET的網(wǎng)絡(luò)場景可由三維空間簡化為二維平面。同時，由于飛機(jī)飛行時的速率和方向基本不變，這里采用恒定速度移動模型來描述飛機(jī)的運(yùn)動方式。由于飛機(jī)的飛行速率大致介于500～1000 km/h之間，本文設(shè)定飛機(jī)的速率分布于［140，280］m/s。文獻(xiàn)［15］通過計算認(rèn)為航空飛行器的空—空通信半徑為160～500 km，本文在仿真中取300 km。

在Linux系統(tǒng)中利用NS2．34搭建航空自組網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)模型，具體參數(shù)設(shè)置如表1所示。根據(jù)不同的運(yùn)動速率，在各運(yùn)動場景下隨機(jī)生成10個運(yùn)動場景文件，最終結(jié)果取10次仿真結(jié)果的平均值。每次仿真結(jié)束后，用gawk語言編程對仿真結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計分析，求得各性能指標(biāo)與節(jié)點(diǎn)運(yùn)動速率之間的關(guān)系，利用Matlab畫出相應(yīng)的性能比較參數(shù)圖，如圖1、圖2和圖3所示。

表1 航空自組網(wǎng)仿真參數(shù)Tab 1 Simulation parameters in aeronautical Ad Hoc networks

由圖1、圖2和圖3可得，隨著節(jié)點(diǎn)運(yùn)動速率的增大，GPSR和AODV協(xié)議的數(shù)據(jù)傳輸成功率不斷降低，平均端到端時延不斷增大，而且由于成功接收的分組數(shù)量減少，其控制開銷也越來越大。這說明隨著節(jié)點(diǎn)運(yùn)動速率的增大，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞膭討B(tài)性增強(qiáng)，網(wǎng)絡(luò)性能惡化。對比GPSR與AODV協(xié)議，當(dāng)節(jié)點(diǎn)運(yùn)動速率低于200m/s時，GPSR協(xié)議的性能總體上優(yōu)于AODV協(xié)議，但當(dāng)節(jié)點(diǎn)速率高于200 m/s時，GPSR協(xié)議的性能嚴(yán)重下降，難以適應(yīng)高動態(tài)變化的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?。這是因為GPSR采用固定周期的HELLO發(fā)送機(jī)制，當(dāng)節(jié)點(diǎn)速率增大后，各節(jié)點(diǎn)維護(hù)的鄰居節(jié)點(diǎn)表難以準(zhǔn)確反映鄰居節(jié)點(diǎn)的地理位置信息，造成通信暫盲現(xiàn)象嚴(yán)重，從而導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)性能下降;同時GPSR協(xié)議中分組沿著貪婪轉(zhuǎn)發(fā)策略選取的節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)，這將造成轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生較大的排隊時延，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)擁塞，使得分組傳送成功率和平均端到端時延都增大。

為了使GPSR協(xié)議更好地適應(yīng)高動態(tài)的AANET，必須對協(xié)議中的周期性HELLO發(fā)送機(jī)制和貪婪轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制進(jìn)行改進(jìn)。對于周期性HELLO發(fā)送機(jī)制，應(yīng)根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的動態(tài)性自適應(yīng)地選擇HELLO發(fā)送周期，以克服通信暫盲現(xiàn)象;對于貪婪轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制，應(yīng)考慮網(wǎng)絡(luò)中各個節(jié)點(diǎn)的負(fù)載情況，在路由選擇過程中根據(jù)節(jié)點(diǎn)的負(fù)載情況對網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行負(fù)載均衡，避開負(fù)載較重的節(jié)點(diǎn)，減輕局部擁塞。

圖1 數(shù)據(jù)分組傳送成功率Fig 1 Success rate of data grouping transmission

圖2 控制開銷Fig 2 Control consumption

圖3 平均端到端時延Fig 3 Average end-to-end delay

4 結(jié)束語

本文在全面總結(jié)AANET路由協(xié)議研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，針對大尺度、高動態(tài)的航空通信環(huán)境，仿真評估了貪婪地理路由GPSR協(xié)議的性能。仿真結(jié)果表明:當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的運(yùn)動速率低于200 m/s時，GPSR協(xié)議的性能總體上優(yōu)于AODV協(xié)議，但當(dāng)節(jié)點(diǎn)速率高于200 m/s時，GPSR協(xié)議的性能嚴(yán)重下降，難以適應(yīng)高動態(tài)變化的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，必須對協(xié)議中周期性HELLO發(fā)送機(jī)制和貪婪轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制等方面進(jìn)行改進(jìn)。

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