基于海上無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)的M-LAR協(xié)議研究

張恒菁，張永輝，陳　敏

(海南大學(xué) 信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院，海南 ?？?570228)

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基于海上無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)的M-LAR協(xié)議研究

張恒菁，張永輝，陳敏

(海南大學(xué) 信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院，海南 ?？?570228)

摘要：將位置輔助路由協(xié)議應(yīng)用于海上無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)中，并通過(guò)海上節(jié)點(diǎn)地理位置信息來(lái)限制路由請(qǐng)求的廣播范圍，從而減少了網(wǎng)絡(luò)路由開(kāi)銷(xiāo)；同時(shí)，通過(guò)在LAR協(xié)議中加入路由修復(fù)，提高了路由鏈路的穩(wěn)定性及減少了丟包率. 仿真實(shí)驗(yàn)表明：M-LAR協(xié)議的路由丟包率、路由開(kāi)銷(xiāo)及分組時(shí)延均較AODV協(xié)議與LAR協(xié)議有所減少.

關(guān)鍵詞：無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)； 海上通信； LAR協(xié)議； 本地修復(fù)

目前，海上普通用戶所使用的通信手段有單邊帶短波通信、甚高頻無(wú)線電話、蜂窩手機(jī)及海事衛(wèi)星等等，這些通信手段普遍存在通信效率低、通信質(zhì)量差及通信費(fèi)用昂貴等缺點(diǎn).相較于目前通信技術(shù)的高速發(fā)展與成熟，傳統(tǒng)的海上通信手段已難以滿足目前航運(yùn)界用戶的通信要求.為此，本文使用無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)作為海上通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，因?yàn)闊o(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)具有自組織、可擴(kuò)展及支持網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓奶匦裕m用于海上通信網(wǎng)絡(luò).

在海上無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)中，路由協(xié)議對(duì)確保鏈路連接及可靠數(shù)據(jù)包交付具有重要意義，但目前尚沒(méi)有一種針對(duì)海上通信網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議標(biāo)準(zhǔn).在目前研究中，使用于海上無(wú)線通信的路由協(xié)議主要為DSDV，TORA，DSR及AODV等[1].研究表明，經(jīng)典路由協(xié)議中的AODV協(xié)議更適用于海上通信.AODV協(xié)議是通過(guò)對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行洪泛路由請(qǐng)求信息來(lái)進(jìn)行路由查找，這種方式會(huì)造成網(wǎng)絡(luò)的波動(dòng)，并且大量路由請(qǐng)求信息會(huì)對(duì)寶貴的海上帶寬資源造成浪費(fèi).與地面環(huán)境不同的是在海上通信時(shí)，節(jié)點(diǎn)之間的鏈路具有不穩(wěn)定性，會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)包丟失，從而減少數(shù)據(jù)包的交付率.基于地理位置信息路由LAR(Location-AidedRouting，位置輔助路由)協(xié)議[2]的這種方式可以在路由尋找時(shí)避免簡(jiǎn)單的洪泛，提高路由尋找的效率，減少對(duì)帶寬資源的使用，有效避免路由環(huán)路，并且，由于船舶上普遍裝有GPS和AIS(AutomaticIdentificationSystem)系統(tǒng)，故可方便獲取自身和鄰節(jié)點(diǎn)的位置、航速、航向等信息，這些信息也是基于地理位置信息路由協(xié)議所必需的基本信息.因此，LAR協(xié)議的使用使海上無(wú)線網(wǎng)絡(luò)具有其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn).

本文首先討論海上無(wú)線Mesh通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)及海上船舶的移動(dòng)模型，將使用LAR協(xié)議作為海上無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議；同時(shí)本文對(duì)LAR路由協(xié)議進(jìn)行改進(jìn)，加入鏈路本地修復(fù)的機(jī)制，這里稱之為M-LAR(Modified-LAR)路由協(xié)議；最后通過(guò)NS2平臺(tái)進(jìn)行仿真，利用仿真數(shù)據(jù)對(duì)M-LAR協(xié)議進(jìn)行具體分析.

1海上通信系統(tǒng)模型

由于海上通信節(jié)點(diǎn)具有移動(dòng)性，其網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)會(huì)不斷變化，且隨著船舶移動(dòng)，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)亦會(huì)有所增加或減少，從而導(dǎo)致海上無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)數(shù)量會(huì)隨機(jī)產(chǎn)生變化.本次研究的海上通信系統(tǒng)模型是使用無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)作為網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，但考慮到船舶的移動(dòng)性，故在本次仿真中還引入了船舶移動(dòng)模型.

1.1海上無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)由Ad-Hoc網(wǎng)絡(luò)發(fā)展而來(lái)，是Ad-Hoc網(wǎng)絡(luò)的一種特殊形態(tài).無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)具有性價(jià)比高、擴(kuò)展性強(qiáng)、部署快捷、可靠性高和應(yīng)用前景廣等優(yōu)點(diǎn)[3].其自主組織、自主配置和自主管理的特點(diǎn)使其適用于海上通信[4].海上無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)無(wú)需預(yù)先進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)部署，其節(jié)點(diǎn)之間自動(dòng)建立連接，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的位置、數(shù)量變化不影響整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的使用；并且該海上無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)兼容其他網(wǎng)絡(luò)，如網(wǎng)絡(luò)可以通過(guò)衛(wèi)星鏈路、陸地基站等接入Internet[5].目前，無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)普遍使用IEEE802.16Mesh模式與IEEE802.16e作為底層標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議[6].

在海上無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)中，AP節(jié)點(diǎn)之間可選擇多跳鏈路進(jìn)行通信，當(dāng)有新節(jié)點(diǎn)加入或者有節(jié)點(diǎn)退出時(shí)，網(wǎng)絡(luò)將自動(dòng)進(jìn)行配置，且所有AP(AccessPoint，接入點(diǎn))節(jié)點(diǎn)的骨干網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)卡連接著全向天線，這樣海上無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)就可以通過(guò)衛(wèi)星或者陸地基站接入Internet，從而有效降低了訪問(wèn)外網(wǎng)的成本.

1.2船舶移動(dòng)模型由于海上船舶節(jié)點(diǎn)具有移動(dòng)的特性，這會(huì)導(dǎo)致海上無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)變化，因此在海上無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)模型中加入船舶移動(dòng)模型，能夠使對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能的分析更加準(zhǔn)確.新加坡的科學(xué)家對(duì)新加坡海事及港務(wù)管理局提供的AIS數(shù)據(jù)進(jìn)行了詳細(xì)分析，并建立行駛在新加坡海峽的船舶移動(dòng)模型，如圖1所示[7-8].該研究對(duì)AIS數(shù)據(jù)的分析重點(diǎn)在特定海域上航行船只的到達(dá)時(shí)間間隔和船速.針對(duì)船舶實(shí)際航行軌跡的研究表明，在該航道兩個(gè)方向上船舶移動(dòng)模型的差異甚小，船舶的流動(dòng)格局變化不明顯[9].

圖2中船舶航線分為東西2種，兩個(gè)方向的航線相互平行，每個(gè)方向的航道寬20km，陸地基站與海岸的距離為10km.數(shù)據(jù)顯示，海上船只移動(dòng)方向一般會(huì)限于航線及海上交通管制，船只航速一般在30節(jié)(52km·h-1)以下.船速的概率密度分布函數(shù)如下所示：

(1)

其中，c為乘積因子，μ為速度的平均值，σ為速度的標(biāo)準(zhǔn)偏差.對(duì)于西向航行的船舶，c= 4.763 146，μ= 10.383 780，σ= 5.488 477.而對(duì)于東向航行的船舶，c= 4.354 804，μ= 10.80 0865，σ= 5.189 037.對(duì)于船舶的到達(dá)時(shí)間間隔，數(shù)據(jù)顯示：在不同方向航道上船只到達(dá)的時(shí)間間隔無(wú)明顯差異，兩個(gè)方向上超過(guò)60%的船舶的到達(dá)時(shí)間間隔在400 s以內(nèi).對(duì)該數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線擬合可以得到：

p(t)=a×bt，

(2)

其中，a是兩只船舶的到達(dá)時(shí)間間隔，而a和b是公式的系數(shù).對(duì)西行航線上的船舶，a= 0.292 064，b= 0.998 286.東行航線上的船舶，a= 0.284 495，b= 0.998 324.

2M-LAR路由協(xié)議

LAR協(xié)議可控制網(wǎng)絡(luò)中RREQ(RouteRequest，路由請(qǐng)求)分組的洪泛范圍，減少控制信息對(duì)網(wǎng)絡(luò)的開(kāi)銷(xiāo)，控制網(wǎng)絡(luò)的波動(dòng)[10].在海上無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點(diǎn)之間的鏈接不穩(wěn)定，海浪波動(dòng)及海上天氣變化會(huì)造成節(jié)點(diǎn)間鏈路的隨機(jī)中斷.為此，本文對(duì)LAR協(xié)議的期望域進(jìn)行了改進(jìn)，并加入鏈路中斷處的本地修復(fù)，增加了期望域的精確度，提高了鏈路的穩(wěn)定性及數(shù)據(jù)的交付率.

2.1M-LAR協(xié)議期望域與尋找域 在LAR協(xié)議中，假設(shè)源節(jié)點(diǎn)S知道目的節(jié)點(diǎn)D在t0時(shí)刻的位置(Xd,Yd)與速度v.那么在t0時(shí)，節(jié)點(diǎn)D的期望域?yàn)?Xd,Yd)，圓心半徑為r=v(t1-t0)[11].為提高準(zhǔn)確性及控制開(kāi)銷(xiāo)，M-LAR協(xié)議使用節(jié)點(diǎn)D的平均速度vavg計(jì)算期望域半徑，并在期望域半徑中加上一個(gè)可容忍因子σ.則M-LAR協(xié)議期望域的半徑如下式所示：

R=(t1-t0)vavg+σ，

(3)

式中，可容忍因子σ由RREQ分組從源節(jié)點(diǎn)S傳送到目的節(jié)點(diǎn)D所用時(shí)間所決定.假設(shè)節(jié)點(diǎn)S、中繼節(jié)點(diǎn)與節(jié)點(diǎn)D在一條直線上，兩點(diǎn)之間距離為節(jié)點(diǎn)無(wú)線信號(hào)最大覆蓋范圍.則節(jié)點(diǎn)S到節(jié)點(diǎn)D之間最小跳數(shù)為：

(4)

其中d為節(jié)點(diǎn)S與節(jié)點(diǎn)D之間距離.假設(shè)節(jié)點(diǎn)之間傳輸RREQ分組所需時(shí)間為tRREQ ，則可算出RREQ分組到達(dá)節(jié)點(diǎn)D的可容忍時(shí)間ttol=tRREQ*Hmin，則可得出可容忍因子σ為：

σ=ttol*vavg，

(5)

M-LAR協(xié)議的期望域如圖2所示.尋找域?yàn)榘垂?jié)點(diǎn)S與目的節(jié)點(diǎn)D的期望域的矩形，該矩形邊分別于X、Y軸平行.節(jié)點(diǎn)S在廣播RREQ分組時(shí)，只有在尋找域中的節(jié)點(diǎn)才能轉(zhuǎn)發(fā)RREQ分組或者回復(fù)RREP(RouteReply，路由應(yīng)答)分組，尋找域外的節(jié)點(diǎn)則丟棄該RREQ分組.

2.2M-LAR協(xié)議的本地修復(fù)在海上無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)中，當(dāng)鏈路中斷時(shí)使用M-LAR協(xié)議進(jìn)行本地修復(fù)如下圖所示.源節(jié)點(diǎn)S正在給目的節(jié)點(diǎn)D傳輸數(shù)據(jù)包時(shí)，節(jié)點(diǎn)J檢測(cè)到與節(jié)點(diǎn)K斷開(kāi)連接.節(jié)點(diǎn)J先緩存數(shù)據(jù)包，并啟動(dòng)本地修復(fù)，尋找其他替代路由到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)D.這里本地修復(fù)方法使用LAR協(xié)議基于距離的轉(zhuǎn)發(fā)策略，選取距目的節(jié)點(diǎn)較近的鄰節(jié)點(diǎn)作為下一跳節(jié)點(diǎn).如圖3中節(jié)點(diǎn)E替代節(jié)點(diǎn)K作為達(dá)目的節(jié)點(diǎn)D的中繼節(jié)點(diǎn)，J節(jié)點(diǎn)使用新的鏈路進(jìn)行傳輸.假如J收不到RREP分組，則向源節(jié)點(diǎn)發(fā)送RRER分組報(bào)告鏈路錯(cuò)誤.

M-LAR協(xié)議本地修復(fù)過(guò)程如下所示：

1) 節(jié)點(diǎn)J檢測(cè)到與下一跳節(jié)點(diǎn)K斷開(kāi)連接，則節(jié)點(diǎn)J暫時(shí)緩存當(dāng)前待發(fā)送數(shù)據(jù)，并向鄰節(jié)點(diǎn)廣播本地修復(fù)路由請(qǐng)求分組RRREQ(RouteRepairRequest，路由修復(fù)請(qǐng)求)，在RRREQ分組中包含節(jié)點(diǎn)J與目的節(jié)點(diǎn)D的距離DISTj.

2) 鄰節(jié)點(diǎn)收到RRREQ分組則計(jì)算與目的節(jié)點(diǎn)距離DISTj與自己鄰節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)距離DISTx.如果DISTj+δ>DISTx，則將DISTx代替RRREQ分組中的DISTj，并轉(zhuǎn)發(fā)到該分組.如圖3，節(jié)點(diǎn)E收到RRREQ分組，其判斷自身符合轉(zhuǎn)發(fā)條件并轉(zhuǎn)發(fā)RRREQ分組.節(jié)點(diǎn)D收到RRREQ分組后回復(fù)RREP分組，建立修復(fù)路徑.節(jié)點(diǎn)J通過(guò)新路徑給節(jié)點(diǎn)E發(fā)送數(shù)據(jù)分組，使用該鏈路替代斷開(kāi)鏈路.

3) 假如節(jié)點(diǎn)J在啟動(dòng)路徑修復(fù)，不能找到有效的路徑到達(dá)節(jié)點(diǎn)D，則向源節(jié)點(diǎn)S回復(fù)RRER分組，通知源節(jié)點(diǎn)其鏈路無(wú)效，則源節(jié)點(diǎn)S則重新開(kāi)始路由建立過(guò)程.

3仿真分析

本文使用NS2平臺(tái)，搭建海上環(huán)境中無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)模型，并對(duì)M-LAR協(xié)議、LAR協(xié)議和AODV協(xié)議進(jìn)行仿真.在仿真模型中船舶移動(dòng)模型在章節(jié)2中圖2所示.這里選擇隨機(jī)船只作為發(fā)送節(jié)點(diǎn)，仿真與陸地基站通信.在通信鏈路建立后，隨機(jī)關(guān)閉無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)中某幾個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)，并觀察對(duì)比仿真結(jié)果中路由發(fā)現(xiàn)時(shí)延、路由開(kāi)銷(xiāo)及丟包率.詳細(xì)仿真參數(shù)如表1所示.

表1　仿真參數(shù)

為了評(píng)估M-LAR協(xié)議性能，圖4為仿真通信過(guò)程中隨機(jī)中斷無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)中1到5個(gè)節(jié)點(diǎn)，不同中斷節(jié)點(diǎn)數(shù)下的丟包率.其中節(jié)點(diǎn)總數(shù)為20個(gè).圖5與圖6分別為不同節(jié)點(diǎn)數(shù)量下的路由開(kāi)銷(xiāo)及不同節(jié)點(diǎn)速度下的數(shù)據(jù)分組時(shí)延.

圖4中，丟包率隨著中斷節(jié)點(diǎn)數(shù)的增加而增加，M-LAR協(xié)議的丟包率比AODV協(xié)議和LAR協(xié)議的丟包率要明顯小很多.可看出M-LAR協(xié)議的本地修復(fù)有效的控制了海上通信網(wǎng)絡(luò)中的丟包率.

圖5中為AODV協(xié)議、LAR協(xié)議與M-LAR協(xié)議路由開(kāi)銷(xiāo)對(duì)比.結(jié)構(gòu)顯示LAR協(xié)議與M-LAR協(xié)議的路由協(xié)議控制分組開(kāi)銷(xiāo)少于AODV協(xié)議，原因在于LAR協(xié)議與M-LAR協(xié)議都對(duì)RREQ分組廣播范圍做了限制.M-LAR協(xié)議減少了鏈路中斷時(shí)重新廣播RREQ分組請(qǐng)求的概率，因此M-LAR協(xié)議的路由開(kāi)銷(xiāo)明顯少于LAR協(xié)議.

圖6中，M-LAR協(xié)議的分組時(shí)延小于LAR協(xié)議與AODV協(xié)議，且隨著速度增加分組時(shí)延變化不大.LAR協(xié)議與AODV協(xié)議的分組時(shí)延接近，隨著節(jié)點(diǎn)速度提高，LAR協(xié)議的分組時(shí)延逐漸優(yōu)于AODV協(xié)議.可得出在由鏈路斷開(kāi)的情況下，M-LAR協(xié)議的本地修復(fù)有效的減少了數(shù)據(jù)的丟包，本地直接的重新尋找路由及轉(zhuǎn)發(fā)對(duì)減少分組時(shí)延起到重要作用.

4總結(jié)

本文研究LAR協(xié)議應(yīng)用于海上無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)，并為適應(yīng)海上無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)的特殊環(huán)境對(duì)LAR協(xié)議進(jìn)行改進(jìn).目前無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)的研究中使用的路由協(xié)議存在路由開(kāi)銷(xiāo)過(guò)大的不足，并且海上存在海浪或天氣快速變化等特殊情況，造成通信鏈路的不穩(wěn)定性.LAR協(xié)議通過(guò)其期望域限制RREQ信息的廣播，避免路由查找?guī)?lái)的網(wǎng)絡(luò)波動(dòng).并通過(guò)在LAR協(xié)議中加入本地修復(fù)功能，減少鏈路不穩(wěn)定造成丟包率的上升.最后對(duì)M-LAR協(xié)議、LAR協(xié)議及AODV協(xié)議的進(jìn)行仿真，并將數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比研究.結(jié)果表明了M-LAR協(xié)議能夠減少丟包率及路由控制分組的開(kāi)銷(xiāo)，降低了數(shù)據(jù)分組時(shí)延，有效地提高了海上無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)性能.

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收稿日期：2015-11-05

基金項(xiàng)目：海南省應(yīng)用技術(shù)研發(fā)與示范推廣專項(xiàng)(No.ZDXM2015104)；國(guó)家自然科學(xué)基金(61561018)

作者簡(jiǎn)介：張恒菁(1990-)，男，海南萬(wàn)寧人，海南大學(xué)信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院2013級(jí)碩士研究生，E-mail：hjzhang1990@163.com 通信作者： 張永輝(1974-)，男，山東寧津人，博士，教授，研究方向：信息與通信工程，E-mail：zhyhemail@163.com

文章編號(hào)：1004-1729(2016)02-0140-05

中圖分類(lèi)號(hào)：TN 929.5

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：ADOl：10.15886/j.cnki.hdxbzkb.2016.0021

Modified LAR Protocol Based on Maritime Wireless Mesh Network

Zhang Hengjing, Zhang Yonghui, Chen Min

(CollegeofInformationScienceandTechnology,HainanUniversity,Haikou570228,China)

Abstract：In the study, LAR protocol was used in maritime Wireless Mesh Network, and the nodes location on the sea was used to limit the broadcast range of routing request to reduce the cost. A route recovery mechanism was added into LAR protocol to improve the stability of the routing link and reduce the packet loss rate. The simulation results indicated that the packet loss rate, routing overhead and packet delay of M-LAR were lower than that of AODV and LAR significantly.

Keywords：Wireless Mesh Network, maritime communication, LAR protocol, local repair