短波Ad Hoc路由協(xié)議仿真與性能分析

張琳娜，楊瑞娟，崔曉夢(mèng)，廖建建

(空軍預(yù)警學(xué)院，湖北武漢430019)

0 引言

短波自組網(wǎng)(HF Ad Hoc)是以短波信道作為物理媒介，一組帶有無(wú)線收發(fā)裝置的移動(dòng)節(jié)點(diǎn)組成的多跳的臨時(shí)性自治系統(tǒng)，具有成本低、機(jī)動(dòng)靈活、使用方便和抗毀性高等特點(diǎn)，適用于中遠(yuǎn)距離戰(zhàn)場(chǎng)通信。同時(shí)也存在著通信質(zhì)量差、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化快、存在單向信道、有限的傳輸帶寬等一些缺點(diǎn)。人們對(duì)它的研究是源于軍事上的需求，20世紀(jì)80年代，美軍設(shè)計(jì)了一種高抗毀性的短波自組網(wǎng)——高頻特遣部隊(duì)內(nèi)部系統(tǒng)(HF-ITF)［1］，這是最早的短波組網(wǎng)系統(tǒng)。

美國(guó)軍標(biāo) MIL-STD-188-141B［2］定義了幾種不同的路由協(xié)議，未對(duì)路由的驅(qū)動(dòng)方式、選徑標(biāo)準(zhǔn)和具體算法等一系列問(wèn)題進(jìn)行深入的論述，國(guó)內(nèi)外也很少有在這一領(lǐng)域的研究，可參考的文獻(xiàn)非常少。文獻(xiàn)［3］結(jié)合了美軍標(biāo)定義的鏈路質(zhì)量矩陣，提出了一種基于層次分析的路徑選擇算法的源動(dòng)態(tài)路由協(xié)議。文獻(xiàn)［4］提出了一種可靠多播中反饋信息的信道爭(zhēng)用方式，使短波通信實(shí)現(xiàn)可靠多播傳輸。但都沒(méi)有對(duì)短波Ad Hoc路由協(xié)議進(jìn)行系統(tǒng)的總結(jié)與分析。

下面主要從短波自組網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)出發(fā)，利用OPNET仿真軟件，對(duì)現(xiàn)有的MANET仿真模型進(jìn)行修改，使其適合于短波通信。在MANET的路由協(xié)議中選取3種典型的路由協(xié)議在短波仿真平臺(tái)中進(jìn)行仿真，最后對(duì)結(jié)果進(jìn)行性能分析。

1 自組網(wǎng)路由協(xié)議

發(fā)現(xiàn)并維護(hù)從源節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)的路由，將數(shù)據(jù)從源節(jié)點(diǎn)發(fā)送到目的節(jié)點(diǎn)是路由協(xié)議的主要功能。在自組網(wǎng)中，路由協(xié)議性能的好壞直接影響到整個(gè)網(wǎng)絡(luò)性能。到目前為止，針對(duì)自組網(wǎng)已經(jīng)開(kāi)發(fā)出許多基于各種不同策略的路由協(xié)議，按照路由建立的方式不同，可以分為［5～7］:主動(dòng)式路由協(xié)議、反應(yīng)式路由協(xié)議及混和路由協(xié)議。

在這些協(xié)議中，OLSR協(xié)議、DSR協(xié)議和AODV(OLSR:Optimized Link State Routing，DSR:Dynamic Source Routing，AODV:Ad Hoc on Demand Distance Vector)協(xié)議是自組網(wǎng)使用較多的路由協(xié)議。著重對(duì)這3種路由協(xié)議在短波自組網(wǎng)中的性能進(jìn)行對(duì)比分析。

1.1 OLSR路由協(xié)議

OLSR［8］路由協(xié)議是一種主動(dòng)式、表驅(qū)動(dòng)的路由協(xié)議，該協(xié)議中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)從其鄰節(jié)點(diǎn)中選取一組節(jié)點(diǎn)作為“多點(diǎn)中繼(MultiPoint Relay，MPR)”，只有被選作MPR的節(jié)點(diǎn)才能轉(zhuǎn)發(fā)控制信息，并將控制信息廣播給整個(gè)網(wǎng)絡(luò)。因此，MPR可以高效地控制消息泛洪，OLSR正是利用了這種機(jī)制，減少了所要傳輸?shù)男畔?shù)量，避免了廣播風(fēng)暴的形成。

1.2 DSR路由協(xié)議

DSR路由協(xié)議是最早出現(xiàn)的利用反應(yīng)式路由思想設(shè)計(jì)的路由協(xié)議，該協(xié)議中使用了“源路由”，即每個(gè)發(fā)送的數(shù)據(jù)分組的分組頭中都攜帶著一條完整的、按序排列的節(jié)點(diǎn)序列，包含了完整的收發(fā)節(jié)點(diǎn)列表。在DSR路由協(xié)議只需要維護(hù)與之通信的節(jié)點(diǎn)路由，不存在任何形式的周期性分組，減少了網(wǎng)絡(luò)開(kāi)銷，但缺點(diǎn)是每個(gè)數(shù)據(jù)分組都攜帶路由信息，增加了分組長(zhǎng)度。

1.3 AODV路由協(xié)議

AODV路由協(xié)議是反應(yīng)式路由協(xié)議的一種，采用了“目的節(jié)點(diǎn)序列號(hào)”來(lái)防止緩存中的路由信息過(guò)期及環(huán)路的產(chǎn)生，并吸取了DSR中路由維護(hù)的思想。不同的是，AODV協(xié)議的數(shù)據(jù)報(bào)頭不再需要攜帶完整的路徑信息，有效地減少了報(bào)頭對(duì)信道的占用，提高了系統(tǒng)的效率。AODV也存在著不足之處，它限定了網(wǎng)絡(luò)中的傳輸信道必須為雙向信道，并且路由表僅維護(hù)一條到指定目節(jié)點(diǎn)的路由，當(dāng)路由失效時(shí)，需要立即發(fā)起請(qǐng)求過(guò)程。

2 OPNET短波網(wǎng)絡(luò)建模

2.1 短波節(jié)點(diǎn)模型

由于OPNET Modeler所自帶的無(wú)線收發(fā)信機(jī)模型中反映傳輸特性的管道階段并不符合短波信道特性，所以需要對(duì)其進(jìn)行修改使其適合于短波信道仿真。主要對(duì)3個(gè)管道階段進(jìn)行了修改，使其符合短波信道的基本特性。

2.1.1 閉合階段

閉合階段［9］是管道的第3個(gè)階段，由無(wú)線發(fā)射機(jī)“closure model”屬性描述，用來(lái)確定傳輸范圍是否在可通信范圍內(nèi)。在OPNET中默認(rèn)的閉合階段是基于視距通信的。因此，短波通信需要對(duì)其進(jìn)行修改。短波通信一個(gè)典型的特點(diǎn)是有寂靜區(qū)存在，寂靜區(qū)為從地波所能到達(dá)的最遠(yuǎn)距離到天波所能到達(dá)的最近距離的這段范圍。所以在修改閉合階段時(shí)必須把寂靜區(qū)考慮在內(nèi)。因此，設(shè)定在收發(fā)節(jié)點(diǎn)距離在30～100 km不可通信。

2.1.2 傳播時(shí)延階段

傳播時(shí)延階段［9］是無(wú)線收發(fā)機(jī)管道的第6個(gè)階段，由無(wú)線發(fā)射機(jī)的“Propdel Model”屬性表示，用來(lái)計(jì)算數(shù)據(jù)分組在無(wú)線信道上的傳播時(shí)間。在OPNET中對(duì)傳播時(shí)延的設(shè)計(jì)是基于視距通信的，并將收發(fā)節(jié)點(diǎn)間的直線距離設(shè)為通信距離。然而在短波通信中有信號(hào)既可以通過(guò)地波傳播，也可以通過(guò)天波傳播，故需要修改傳輸距離的計(jì)算方法。又因?yàn)槎滩ㄐ盘?hào)傳播時(shí)延的計(jì)算方法與OPNET默認(rèn)的傳播時(shí)延的計(jì)算方法不同，也需要對(duì)其進(jìn)行修改。

①地波傳輸距離。在傳輸距離較近時(shí)，短波可以像長(zhǎng)、中波一樣靠地波進(jìn)行短距離傳播。利用地波傳播形式的信號(hào)，頻率范圍大約是1.5～5 MHz。地波的衰減隨著頻率的升高而增大，所以即使用1 000 W的發(fā)射機(jī)，陸上傳播距離也僅為100 km左右。根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，選取30 km為地波傳輸距離。

②計(jì)算傳播時(shí)延。在通信距離小于等于30 km時(shí)，短波信號(hào)直線傳輸，傳播時(shí)延的計(jì)算方法為:

式中，ΔT為傳播時(shí)延;D為無(wú)線收發(fā)節(jié)點(diǎn)之間的距離;C為光的傳播速度。

在通信距離大于100 km時(shí)，短波信號(hào)通過(guò)電離層的D層、E層、F1層、F2層分別反射形成多徑延時(shí)，多徑延時(shí)是傳播時(shí)延的一部分。多徑延時(shí)和通信距離有密切的關(guān)系，本文在仿真中固定選取傳播距離600 km的多徑延時(shí)為6 ms。則短波通信的傳播時(shí)延的計(jì)算方法為:

式中，h為反射點(diǎn)高度。由于F2層和其他層不一樣，在日落后并沒(méi)有完全消失，仍保持有剩余電離，所以選取F2層為反射層;Δτ為多徑時(shí)延。

2.1.3 接收功率階段

接收功率階段［9］是無(wú)線收發(fā)機(jī)的第8個(gè)階段，由無(wú)線接收機(jī)的“Power Model”屬性描述，該階段的目的是計(jì)算到達(dá)數(shù)據(jù)包信號(hào)的接收功率。

在該階段中，OPNET默認(rèn)的路徑傳輸損耗為自由空間傳輸損耗，并不符合短波信道的特性，因此需要對(duì)該管道進(jìn)行修改。短波信道路徑損耗的計(jì)算公式［10］為:

式中，Lp0為自由空間傳播損耗;La為電離層吸收損耗;Lg為多跳地面反射損耗;Yp為額外系統(tǒng)損耗。

針對(duì)設(shè)計(jì)好的模型進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明該模型能反映短波通信的基本特性。

2.2 網(wǎng)絡(luò)模型

利用建立好的短波節(jié)點(diǎn)搭建的短波Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)分布如圖1所示。

圖1 HF Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)模型

在2個(gè)環(huán)境下進(jìn)行分析:仿真環(huán)境1:節(jié)點(diǎn)固定;仿真環(huán)境2:節(jié)點(diǎn)以20 m/s速度自由移動(dòng)。仿真參數(shù)值如表1所示。

表1 仿真參數(shù)值

3 仿真結(jié)果分析

在仿真中設(shè)定了不同的種子數(shù)，每個(gè)路由仿真5次，最后取其平均值而得。選取以下統(tǒng)計(jì)量:網(wǎng)絡(luò)時(shí)延、路由開(kāi)銷、網(wǎng)絡(luò)吞吐量和數(shù)據(jù)丟失量。

3.1 固定節(jié)點(diǎn)仿真結(jié)果

由圖2可以看出，OLSR路由協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)時(shí)延小于AODV和DSR路由協(xié)議，這是由于OLSR先應(yīng)式路由的特點(diǎn)所決定的。而AODV和DSR都是反映式路由，所以時(shí)延比OLSR大很多。

圖2 固定節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)時(shí)延

由圖3和圖4可以發(fā)現(xiàn)，OLSR協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)吞吐量最大，路由開(kāi)銷卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于AODV協(xié)議并略高DSR協(xié)議的路由開(kāi)銷。

圖3 固定節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)吞吐量

圖4 固定節(jié)點(diǎn)路由開(kāi)銷

這是由于AODV協(xié)議在需要通信時(shí)，在源節(jié)點(diǎn)發(fā)出RREQ的每個(gè)中間節(jié)點(diǎn)都要不停地廣播RREQ直到找到目的節(jié)點(diǎn)為止，所以產(chǎn)生很大的開(kāi)銷。而OLSR只對(duì)被選為MRP的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行廣播，所以小于AODV協(xié)議的路由開(kāi)銷。DSR不用周期性地廣播路由信息，所以路由開(kāi)銷最小。

由圖5可以看出，OLSR協(xié)議的數(shù)據(jù)丟失量遠(yuǎn)小于AODV和DSR兩種路由協(xié)議所帶來(lái)的數(shù)據(jù)丟失量，這是由于在OLSR協(xié)議中MPR優(yōu)化從2個(gè)方面降低控制開(kāi)銷:①因?yàn)镺LSR路由協(xié)議只需要廣播MPR選擇器，所以廣播拓?fù)涞姆纸M小得多;②由于只有MPR節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)廣播分組，極大程度上降低了信息泛洪。OLSR的這些特征提供了更多的帶寬傳輸數(shù)據(jù)，進(jìn)一步減輕了擁塞。所以，其數(shù)據(jù)丟失量最小。

圖5 固定節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)丟失量

3.2 移動(dòng)節(jié)點(diǎn)仿真結(jié)果

移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的仿真結(jié)果圖與固定節(jié)點(diǎn)差別不大，只對(duì)關(guān)鍵數(shù)據(jù)求均值如表2所示。

表2 均值數(shù)據(jù)對(duì)比

比較得出，3種路由協(xié)議在25個(gè)節(jié)點(diǎn)的仿真環(huán)境下，移動(dòng)和固定的性能差別不大，只有AODV路由協(xié)議中的數(shù)據(jù)丟失量有小幅度的增加，吞吐量降低。這是因?yàn)?，?.6×1011m2的通信范圍內(nèi)，節(jié)點(diǎn)移動(dòng)速度為20 m/s并不會(huì)產(chǎn)生太大的網(wǎng)絡(luò)變化。但是當(dāng)節(jié)點(diǎn)移動(dòng)產(chǎn)生鏈路中斷時(shí)，AODV路由協(xié)議需要調(diào)用新的路由尋找過(guò)程，及時(shí)對(duì)路由進(jìn)行更新，并廣播到所有的節(jié)點(diǎn)，這使得網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)丟失量增大，吞吐量下降。而DSR路由協(xié)議由于在緩存中存儲(chǔ)多條路由，在中斷發(fā)生時(shí)，仍可以選擇源路由中的備用路由進(jìn)行通信。OLSR路由協(xié)議為先驗(yàn)式路由，各節(jié)點(diǎn)始終維護(hù)著一個(gè)完整的路由表，所以不會(huì)產(chǎn)生額外的控制傳輸。從整體性能來(lái)看，在節(jié)點(diǎn)移動(dòng)的仿真環(huán)境下，OLSR路由的性能仍然優(yōu)于AODV與DSR。

4 結(jié)束語(yǔ)

在短波通信中，有限的傳輸帶寬決定了路由協(xié)議在保證通信質(zhì)量的前提下選擇路由開(kāi)銷小的路由協(xié)議，從對(duì)3種路由的仿真結(jié)果可以看出，DSR路由協(xié)議的路由開(kāi)銷最小，但是DSR路由協(xié)議帶來(lái)的網(wǎng)絡(luò)吞吐量最低，數(shù)據(jù)的丟失率也較高，無(wú)法較好地保持通信質(zhì)量。AODV路由協(xié)議的整體性能都比DSR和OLSR的性能差。OLSR路由的開(kāi)銷雖高于DSR，但是帶來(lái)的網(wǎng)絡(luò)吞吐量最大，時(shí)延最小，數(shù)據(jù)丟失率同樣也最小。由仿真結(jié)果可知，OLSR表驅(qū)動(dòng)路由協(xié)議更適合短波Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)使用。下一步，可以可以在降低協(xié)議路由開(kāi)銷進(jìn)行研究。

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