基于局部穩(wěn)定性測(cè)度的戰(zhàn)術(shù)移動(dòng)自組織網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋬?yōu)化抗干擾技術(shù)研究

樓俐，范建華，徐誠(chéng)

（1.南京電訊技術(shù)研究所，江蘇南京210007；2.南京理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇南京210094）

基于局部穩(wěn)定性測(cè)度的戰(zhàn)術(shù)移動(dòng)自組織網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋬?yōu)化抗干擾技術(shù)研究

樓俐1，范建華1，徐誠(chéng)2

（1.南京電訊技術(shù)研究所，江蘇南京210007；2.南京理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇南京210094）

針對(duì)MANET組網(wǎng)模式下的戰(zhàn)術(shù)無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)，節(jié)點(diǎn)可靈活自組，通信方式多樣化，但經(jīng)多跳轉(zhuǎn)發(fā)的傳輸鏈路易受干擾影響而導(dǎo)致整體路徑失效，受干擾威脅較大的問(wèn)題，除采用一系列物理鏈路級(jí)傳統(tǒng)抗干擾手段外，還應(yīng)通過(guò)控制和優(yōu)化拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，提高干擾下通信系統(tǒng)對(duì)節(jié)點(diǎn)和鏈路失效的容忍度和網(wǎng)絡(luò)性能恢復(fù)能力，這也是提高路由等上層協(xié)議的可用性和生存能力的基礎(chǔ)。以復(fù)雜系統(tǒng)理論為指導(dǎo)，在圖論和隨機(jī)過(guò)程理論的基礎(chǔ)上分析不同通信環(huán)境條件變化對(duì)干擾阻塞狀態(tài)的影響，判別節(jié)點(diǎn)重要度和網(wǎng)絡(luò)概率連通性，提出了一種基于局部穩(wěn)定性測(cè)度的拓?fù)鋬?yōu)化方法，用于構(gòu)造高可靠網(wǎng)絡(luò)。通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)分析，驗(yàn)證了該方法的有效性，可提高實(shí)際動(dòng)態(tài)傳播條件下的軍用通信網(wǎng)絡(luò)的抗干擾能力和自優(yōu)化能力。

兵器科學(xué)與技術(shù)；軍用無(wú)線通信；戰(zhàn)術(shù)移動(dòng)自組網(wǎng)；網(wǎng)絡(luò)抗干擾；復(fù)雜系統(tǒng)理論；拓?fù)鋬?yōu)化

0　引言

以MANET架構(gòu)為基本組網(wǎng)模式的戰(zhàn)術(shù)無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)，簡(jiǎn)稱戰(zhàn)術(shù)移動(dòng)自組織網(wǎng)絡(luò)（TM），為戰(zhàn)場(chǎng)通信業(yè)務(wù)提供了無(wú)需固定基礎(chǔ)設(shè)施支持的有效無(wú)縫連接［1］。通信方式可為點(diǎn)到點(diǎn)、點(diǎn)到多點(diǎn)、多點(diǎn)到多點(diǎn)通信，支持視距和非視距鏈路。為了避開(kāi)不穩(wěn)定的受干擾鏈路和擴(kuò)大網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍，保證數(shù)據(jù)分組在源與目的節(jié)點(diǎn)之間的可靠轉(zhuǎn)發(fā)，可選擇帶寬較高、通信質(zhì)量更穩(wěn)定的多跳鏈路中繼轉(zhuǎn)發(fā)。其拓?fù)淇刂坪蛢?yōu)化目標(biāo)與一般Ad Hoc模式無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋬?yōu)化策略［2］不同，除了受地形、地貌、氣象、水文條件影響外，更容易受到外界的干擾，端到端之間存在不對(duì)稱鏈路?？紤]到有限戰(zhàn)場(chǎng)通信資源利用率和業(yè)務(wù)實(shí)時(shí)性需求的矛盾，現(xiàn)有技術(shù)條件下無(wú)法動(dòng)輒使用成百上千個(gè)節(jié)點(diǎn)組成一個(gè)大型多跳網(wǎng)絡(luò)，也難以隨時(shí)補(bǔ)充多個(gè)冗余備份節(jié)點(diǎn)，通信網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)目較少，其中任何節(jié)點(diǎn)都有成為網(wǎng)絡(luò)割點(diǎn)的可能。路由協(xié)議的生存性、頻率和用時(shí)等資源復(fù)用性能受到多變拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的影響較大。因此要求在干擾不可完全規(guī)避的情況下，依據(jù)網(wǎng)絡(luò)性能變化趨勢(shì)和變化程度，分析和評(píng)估端到端連通性和鏈接質(zhì)量，根據(jù)分析結(jié)果預(yù)測(cè)判別網(wǎng)絡(luò)脆弱環(huán)節(jié)和網(wǎng)絡(luò)割點(diǎn)，重構(gòu)魯棒的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，保證各局部子網(wǎng)具有較大連通度和較小阻塞概率，減少干擾對(duì)全網(wǎng)性能的損傷，保障網(wǎng)絡(luò)通信性能。

拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的魯棒性通常用于描述全網(wǎng)的可靠性和抗干擾能力。構(gòu)建一個(gè)穩(wěn)定可靠的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是進(jìn)行頻率、時(shí)隙、功率、流量、節(jié)點(diǎn)空間布局等網(wǎng)絡(luò)資源合理分配的基礎(chǔ)，也是避免各節(jié)點(diǎn)之間產(chǎn)生同頻干擾，能依據(jù)信道傳輸質(zhì)量和業(yè)務(wù)量大小合理確定信道傳輸速率，并能計(jì)算最佳路由規(guī)避外界電磁干擾的前提。通過(guò)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的優(yōu)化控制，有利于正確獲取網(wǎng)絡(luò)的最佳工作狀態(tài)和工作參數(shù)，可以提高網(wǎng)絡(luò)容錯(cuò)能力，減少干擾對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能的影響，使網(wǎng)絡(luò)預(yù)先形成一定的抗干擾態(tài)勢(shì)，在網(wǎng)絡(luò)受到干擾影響之前構(gòu)建抗干擾拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并為路由選擇提供足夠多的冗余鏈路規(guī)避干擾。

由于面向軍事應(yīng)用的戰(zhàn)術(shù)無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)受復(fù)雜電磁環(huán)境影響，無(wú)線信道易被截獲和干擾［3-4］，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓^大，因此網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浞€(wěn)定性問(wèn)題尤為突出，影響路由等上層協(xié)議的生存能力，然而以往的拓?fù)鋬?yōu)化控制研究主要基于計(jì)算幾何學(xué)和概率分析法［5-8］，通常要求節(jié)點(diǎn)具備全網(wǎng)信息，算法復(fù)雜且開(kāi)銷(xiāo)較大、對(duì)節(jié)點(diǎn)的布局要求過(guò)于理想化，僅適用于拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)較為固定的網(wǎng)絡(luò)，在通信環(huán)境條件復(fù)雜，存在不對(duì)稱鏈路的戰(zhàn)術(shù)無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)中通常不可行。需要設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)更為實(shí)用而高效的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分析和優(yōu)化控制方法。

1　國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究現(xiàn)狀

控制和優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以提高網(wǎng)絡(luò)可靠性和容錯(cuò)能力，是網(wǎng)絡(luò)抗干擾研究領(lǐng)域的一大熱點(diǎn)問(wèn)題。傳統(tǒng)拓?fù)鋬?yōu)化策略的研究方法主要分為兩種:計(jì)算幾何法和概率分析法［9］。計(jì)算幾何法是以幾何結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)來(lái)構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，使網(wǎng)絡(luò)拓?fù)錆M足某些特性。常見(jiàn)的幾何結(jié)構(gòu)有:最小生成樹(shù)（MST）方法［10］、相關(guān)鄰居圖（RNG）、加百利圖（GG）［11］。概率分析法是指網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)根據(jù)某種概率密度隨機(jī)分布，計(jì)算當(dāng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湟源蟾怕蕽M足某些特性時(shí)節(jié)點(diǎn)所需的最小傳輸功率和最小鄰居節(jié)點(diǎn)數(shù)。具有代表性的理論有:連續(xù)滲透理論、幾何隨機(jī)圖理論和占位理論等［12］。拓?fù)淇刂扑惴ǖ姆诸?lèi)方法也有多種，根據(jù)算法執(zhí)行方式的不同，可分為集中式拓?fù)淇刂扑惴ê头植际酵負(fù)淇刂扑惴?；根?jù)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的傳輸范圍是否相同，可分為同構(gòu)拓?fù)淇刂扑惴ê头峭瑯?gòu)拓?fù)淇刂扑惴?。拓?fù)淇刂扑惴ǜ鶕?jù)優(yōu)化目標(biāo)的不同，可分為基于幾何結(jié)構(gòu)的拓?fù)淇刂扑惴ê突谀芰坑行缘耐負(fù)淇刂扑惴āＧ罢叩哪繕?biāo)是基于單位圓盤(pán)圖（UDG）構(gòu)建滿足某些優(yōu)良幾何拓?fù)湫再|(zhì)的子圖，而后者主要關(guān)注的是網(wǎng)絡(luò)的能量有效性。

目前拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)抗干擾方面的研究重點(diǎn)在于隨拓?fù)鋾r(shí)變?nèi)绾瓮ㄟ^(guò)拓?fù)淇刂粕闪己玫木W(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，對(duì)當(dāng)前拓?fù)滟Y源重組和分配，更好地支持抗干擾路由協(xié)議，提高M(jìn)AC協(xié)議效率，保證無(wú)線傳輸利用率和網(wǎng)絡(luò)有效生存時(shí)間。Pei較早提出了無(wú)線網(wǎng)絡(luò)分級(jí)結(jié)構(gòu)［13］，是無(wú)線網(wǎng)絡(luò)分群（分簇）控制算法的基礎(chǔ)，該分級(jí)結(jié)構(gòu)得到的是一些相對(duì)于整個(gè)網(wǎng)絡(luò)而言較為穩(wěn)定和特征相似的節(jié)點(diǎn)組成的分群子網(wǎng)，減少了拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化對(duì)協(xié)議的影響，但沒(méi)有考慮選擇預(yù)設(shè)固定群首節(jié)點(diǎn)可能產(chǎn)生的通信瓶頸問(wèn)題，影響了網(wǎng)絡(luò)可靠性。為了解決該問(wèn)題，目前已有不少群首節(jié)點(diǎn)優(yōu)化選擇算法，如群首節(jié)點(diǎn)加權(quán)選舉算法（WCA）［14］，綜合考慮了節(jié)點(diǎn)ID、節(jié)點(diǎn)連接度、通信距離、節(jié)點(diǎn)移動(dòng)性度量等指標(biāo)，以及在WCA基礎(chǔ)上改進(jìn)的基于鏈路持續(xù)時(shí)間的加權(quán)選舉算法（TWCA），基于節(jié)點(diǎn)相對(duì)速度的加權(quán)選舉算法（VWCA）等，以上算法缺點(diǎn)在于指標(biāo)權(quán)重的更新相對(duì)比較頻繁，對(duì)吞吐量、時(shí)延等缺乏有效的綜合優(yōu)化。在此基礎(chǔ)上，Singhal等提出了一種群首節(jié)點(diǎn)的自適應(yīng)加權(quán)智能優(yōu)選算法［15］，可通過(guò)調(diào)整基于模糊邏輯的指標(biāo)權(quán)重改進(jìn)算法，具有較強(qiáng)通用性和靈活性，但具有較高的計(jì)算、通信和維護(hù)開(kāi)銷(xiāo)。需要在算法的自適應(yīng)性和算法效率間平衡。Mir等提出一種無(wú)線傳感網(wǎng)的可適性拓?fù)淇刂品椒ǎ?6］，對(duì)戰(zhàn)術(shù)無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)同樣具有借鑒意義，但其移動(dòng)管理方式比較復(fù)雜，并不完全適用于軍用通信節(jié)點(diǎn)移動(dòng)特性，同時(shí)也影響網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性。另外近年來(lái)分群網(wǎng)關(guān)控制、分布式控制、路標(biāo)控制等研究的目標(biāo)，都是集中于通過(guò)將網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)層層細(xì)化，從而降低全網(wǎng)通信負(fù)載，減少局部拓?fù)渥兓瘜?duì)路由的影響。我軍目前研究的戰(zhàn)場(chǎng)無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)要求保證必要的互通和迂回構(gòu)建準(zhǔn)柵格結(jié)構(gòu)。

總結(jié)以往研究，由于網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化控制的目標(biāo)是提高網(wǎng)絡(luò)的抗毀性和生存性，因而工作網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)盡量為一個(gè)均勻拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。為了計(jì)算重組優(yōu)化方案，首先通過(guò)獲取網(wǎng)絡(luò)的各種資源數(shù)據(jù)，包括網(wǎng)絡(luò)當(dāng)前工作拓?fù)?，探測(cè)網(wǎng)絡(luò)無(wú)線通信最大可連通的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)的信道資源及占用率情況，網(wǎng)絡(luò)通信鏈路傳輸速率及誤碼特性，網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)量及其流量分布特性等主要資源數(shù)據(jù)，作為網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋭?dòng)態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)的依據(jù)。

本文借鑒復(fù)雜系統(tǒng)理論，參考動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)演化模型［17］，在戰(zhàn)場(chǎng)末端無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)采取MANET形式的基本架構(gòu)基礎(chǔ)上，提出基于節(jié)點(diǎn)穩(wěn)定性測(cè)度的拓?fù)鋬?yōu)化控制方法，提高面向戰(zhàn)場(chǎng)實(shí)際對(duì)抗動(dòng)態(tài)傳播條件下通信網(wǎng)絡(luò)抗干擾能力和自優(yōu)化能力。

2　干擾環(huán)境下網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渚植糠€(wěn)定性測(cè)度

2.1網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浞€(wěn)定性評(píng)估方法

拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的魯棒性反映了全網(wǎng)的可靠性和抗干擾能力。而拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的魯棒性又取決于端到端的通信能力。因此，利用復(fù)雜系統(tǒng)理論，構(gòu)建動(dòng)態(tài)演化的網(wǎng)絡(luò)模型，描述節(jié)點(diǎn)和鏈路的可靠性和可用性，并據(jù)此明確端到端的連通性和鏈接質(zhì)量，是實(shí)現(xiàn)拓?fù)鋬?yōu)化控制的基礎(chǔ)。

本文給出一種基于復(fù)雜自適應(yīng)系統(tǒng)的拓?fù)淇刂品椒?，利用?fù)雜系統(tǒng)的小世界理論的跳躍性和隨機(jī)性，采用局部拓?fù)鋬?yōu)化算法優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，可避免節(jié)點(diǎn)需要掌握全網(wǎng)信息帶來(lái)的計(jì)算、交互和存儲(chǔ)開(kāi)銷(xiāo)。圖1給出了一個(gè)戰(zhàn)術(shù)分隊(duì)移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景實(shí)例，共存在9個(gè)移動(dòng)通信節(jié)點(diǎn)，部分鏈路由于受到地形遮擋或外界干擾源影響無(wú)法進(jìn)行可靠通信。根據(jù)鏈路質(zhì)量判別，能明確哪些節(jié)點(diǎn)和鏈路受干擾和拓?fù)渥兓闆r，得到強(qiáng)依賴度鏈路和可靠節(jié)點(diǎn)大致分布情況，從而分析網(wǎng)絡(luò)局部穩(wěn)定性和全網(wǎng)連通性的關(guān)系。

圖1　一種戰(zhàn)術(shù)分隊(duì)移動(dòng)自組通信網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)場(chǎng)景Fig.1 A mobile communication networking scenario of tactical unit

如前所述，拓?fù)湓椒€(wěn)定，網(wǎng)絡(luò)抗干擾能力和協(xié)議生存能力越強(qiáng)，在構(gòu)建魯棒穩(wěn)定的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)前需要對(duì)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浞€(wěn)定性進(jìn)行評(píng)估預(yù)測(cè)。通?？捎萌缦碌耐?fù)涮匦詤?shù)描述網(wǎng)絡(luò)性能［18-19］:

3）節(jié)點(diǎn)介數(shù):網(wǎng)絡(luò)中所有路徑經(jīng)過(guò)該節(jié)點(diǎn)數(shù)量，介數(shù)高的節(jié)點(diǎn)和一旦失效，會(huì)造成多個(gè)最短路徑失效，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)通信效率下降。節(jié)點(diǎn)的介數(shù)越高，該節(jié)點(diǎn)分裂網(wǎng)絡(luò)的可能性越大，網(wǎng)絡(luò)脆弱性越大，網(wǎng)絡(luò)可靠性和穩(wěn)定性越差。因此節(jié)點(diǎn)介數(shù)一定程度上反映了節(jié)點(diǎn)成為網(wǎng)絡(luò)割點(diǎn)的可能性。

4）網(wǎng)絡(luò)連通度:用A=（aij）n×n表示網(wǎng)絡(luò)的鄰接矩陣，其中，aii=0，若存在鄰接鏈路則aij=1，否則aij=0，若網(wǎng)絡(luò)鏈路對(duì)稱則有aij=aji.λi為A的特征根為網(wǎng)絡(luò)的連通度。

由于節(jié)點(diǎn)介數(shù)和全網(wǎng)連通度計(jì)算復(fù)雜，本文設(shè)計(jì)的一種新的局部度量法描述節(jié)點(diǎn)成為網(wǎng)絡(luò)割點(diǎn)的可能性，可作為整體網(wǎng)絡(luò)魯棒性的評(píng)價(jià)依據(jù)。

2.2節(jié)點(diǎn)局部穩(wěn)定性計(jì)算方法

由于所研究的網(wǎng)絡(luò)對(duì)象不同，面向軍事應(yīng)用的多跳移動(dòng)無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)抗干擾測(cè)度與普通Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)如無(wú)線傳感網(wǎng)的抗毀指標(biāo)不完全相同，如果僅僅考慮網(wǎng)絡(luò)連通性，只能反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)被干擾破壞的難易，不能描述網(wǎng)絡(luò)在干擾條件下的業(yè)務(wù)維持和故障恢復(fù)能力，因此需要考慮容錯(cuò)性和恢復(fù)性等指標(biāo)。

由于干擾特征存在局部一致性，因此利用復(fù)雜系統(tǒng)小世界理論，借鑒現(xiàn)代代數(shù)拓?fù)鋵W(xué)三角剖分法，設(shè)計(jì)節(jié)點(diǎn)局部穩(wěn)定性評(píng)價(jià)算法優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。Newman［17］基于拓?fù)鋵W(xué)三角剖分法提出一種基于稠密網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渚奂禂?shù)的計(jì)算方法，不考慮網(wǎng)絡(luò)中存在度為1的節(jié)點(diǎn)，推論節(jié)點(diǎn)聚集系數(shù)就是構(gòu)成的三角形總數(shù)與三元組總數(shù)的比值。定義三元組就是一個(gè)節(jié)點(diǎn)無(wú)序地與其他節(jié)點(diǎn)存在兩條連邊。適用于多以網(wǎng)狀網(wǎng)形式存在、密集拓?fù)涞臒o(wú)線傳感網(wǎng)等。存在的問(wèn)題是，如引言中所述，考慮有限信道資源利用率和通信效率問(wèn)題，戰(zhàn)術(shù)MANET組網(wǎng)節(jié)點(diǎn)數(shù)目稀疏，在戰(zhàn)場(chǎng)干擾環(huán)境下，節(jié)點(diǎn)易失效甚至損毀，難以隨時(shí)補(bǔ)充多個(gè)冗余備份節(jié)點(diǎn)，且組網(wǎng)形式可為網(wǎng)狀、鏈狀多種形式，存在節(jié)點(diǎn)的度為1的可能（在本文研究的戰(zhàn)術(shù)MANET網(wǎng)絡(luò)中度為0的節(jié)點(diǎn)認(rèn)為是脫網(wǎng)節(jié)點(diǎn)），因此依據(jù)Newman的聚集系數(shù)計(jì)算公式，將導(dǎo)致聚集系數(shù)計(jì)算為無(wú)窮大。對(duì)此Reuven等［20］提出的校正方法是，當(dāng)度為1且聚集系數(shù)計(jì)算為無(wú)窮大時(shí)，直接令聚集系數(shù)為最小值0.但該校正方法無(wú)法準(zhǔn)確比較存在不同數(shù)量葉子節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，導(dǎo)致判別結(jié)果出現(xiàn)偏差。

考慮戰(zhàn)場(chǎng)對(duì)抗條件下戰(zhàn)術(shù)MANET組網(wǎng)節(jié)點(diǎn)隨時(shí)存在節(jié)點(diǎn)度為1的可能性，本文提出一種節(jié)點(diǎn)局部穩(wěn)定性度量計(jì)算方法，描述拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的容錯(cuò)性和穩(wěn)定性。和節(jié)點(diǎn)i相鄰接的節(jié)點(diǎn)j和節(jié)點(diǎn)k若也存在鄰接鏈路，則表明到節(jié)點(diǎn)i的鏈路存在可替換的鏈路，如圖2所示。

圖2　節(jié)點(diǎn)三元組和鏈路閉合三角形構(gòu)成示意圖Fig.2 Schematic diagram of triple of nodes and link closed triangles

若節(jié)點(diǎn)i與近鄰j、k存在可靠鏈路，則節(jié)點(diǎn)i、j、k組成三元組〈i，j，k〉，同理有節(jié)點(diǎn)三元組〈i，m，n〉，〈i，m，j〉，〈i，n，k〉等；i與近鄰j、k存在可靠鏈路且j、k間也同時(shí)存在可靠鏈路，則節(jié)點(diǎn)i、j、k的鏈路組成三角形Δijk，同理有三角形Δimn和Δijm.由于三角網(wǎng)中的節(jié)點(diǎn)度不小于2，其中任意兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間存在至少兩條無(wú)共邊的路徑，且跳數(shù)最少、最可靠。因此節(jié)點(diǎn)與近鄰組成的三角網(wǎng)最可靠。存在節(jié)點(diǎn)三元組是形成鏈路三角形的必要條件。

若節(jié)點(diǎn)i與近鄰節(jié)點(diǎn)構(gòu)成三角形的數(shù)目越多，則存在冗余鏈路的可能性越大，網(wǎng)絡(luò)脆弱性越低。由于僅當(dāng)該節(jié)點(diǎn)是樹(shù)狀圖的葉子節(jié)點(diǎn)時(shí)，即節(jié)點(diǎn)度D（i）=1，無(wú)法構(gòu)造節(jié)點(diǎn)三元組，此時(shí)存在一個(gè)二元組Ntwotuple（i）=1，因此節(jié)點(diǎn)的局部穩(wěn)定度為

若節(jié)點(diǎn)i為樹(shù)狀拓?fù)涞娜~子節(jié)點(diǎn)，即節(jié)點(diǎn)度D（i）＜2，存在Ntwotuple（i）=1，且Ntriple（i）= Ntriangle（i）=0，因此Mc=0.

若節(jié)點(diǎn)i非樹(shù)狀拓?fù)涞娜~子節(jié)點(diǎn)，即節(jié)點(diǎn)度D（i）≥2，此時(shí)若Mc=0，則判斷該節(jié)點(diǎn)非?？赡艹蔀榫W(wǎng)絡(luò)割點(diǎn)，為避免該節(jié)點(diǎn)成為割點(diǎn)，需要在其近鄰節(jié)點(diǎn)構(gòu)建閉合三角形，其中允許閉合三角形數(shù)

以最小費(fèi)用代價(jià)構(gòu)建最穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)，則Ntriangle（i）= D（i）-1.按照最短路的鏈接建立方法，通過(guò)發(fā)射功率控制和節(jié)點(diǎn)移動(dòng)速率控制等方法，在近鄰節(jié)點(diǎn)間添加鏈路構(gòu)建閉合三角形。

2.3基于節(jié)點(diǎn)局部穩(wěn)定性測(cè)度的拓?fù)淇刂扑惴?/p>

網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)控制需要考慮使路由快速收斂，提高傳輸效率同時(shí)要保證網(wǎng)絡(luò)的容錯(cuò)性，增強(qiáng)對(duì)隨機(jī)干擾的魯棒性。介數(shù)大的節(jié)點(diǎn)會(huì)增加網(wǎng)絡(luò)的脆弱性，因此要提高節(jié)點(diǎn)穩(wěn)定度。每個(gè)節(jié)點(diǎn)的局部穩(wěn)定度都較高的網(wǎng)絡(luò)具有較高容錯(cuò)性和通信效率，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的穩(wěn)定度越大，則與近鄰間通信的可替代鏈路越多，節(jié)點(diǎn)鏈路的冗余度和分離度越高，網(wǎng)絡(luò)抗干擾能力越強(qiáng)。

根據(jù)以上拓?fù)浞€(wěn)定性測(cè)度，可得到網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性的評(píng)測(cè)。由于三角網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)滿足網(wǎng)絡(luò)平均度任意節(jié)點(diǎn)具有至少兩條的無(wú)共邊鏈路，且路徑跳數(shù)最少，最可靠，因此三角網(wǎng)最為穩(wěn)定。要滿足此穩(wěn)定性條件，以最小代價(jià)進(jìn)行拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)優(yōu)化。然而現(xiàn)實(shí)中無(wú)法實(shí)現(xiàn)全網(wǎng)內(nèi)部全為三角結(jié)構(gòu)，退而求其次，要求任何兩個(gè)節(jié)點(diǎn)存在不共邊的路徑，即等效于利用小世界原理將網(wǎng)絡(luò)分割時(shí)，要得網(wǎng)絡(luò)最小分割的局部為環(huán)狀，避免局部出現(xiàn)樹(shù)狀網(wǎng)，導(dǎo)致部分鏈路或節(jié)點(diǎn)斷開(kāi)出現(xiàn)割集。否則在樹(shù)的葉子節(jié)點(diǎn)間增加鏈接，形成局部拓?fù)洵h(huán)結(jié)構(gòu)。

拓?fù)鋬?yōu)化控制算法步驟描述如下:

1）根據(jù)每個(gè)節(jié)點(diǎn)的近鄰關(guān)系，計(jì)算出原拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖。

2）計(jì)算出節(jié)點(diǎn)度、節(jié)點(diǎn)局部穩(wěn)定度。

3）如節(jié)點(diǎn)i穩(wěn)定度Mc（i）=0，則將節(jié)點(diǎn)標(biāo)記加入可能的割點(diǎn)集Nsplit，并繼續(xù)，否則跳轉(zhuǎn)步驟5.

4）如節(jié)點(diǎn)度D（i）為1，則將該節(jié)點(diǎn)列入待調(diào)整節(jié)點(diǎn)隊(duì)列Q，并記錄該節(jié)點(diǎn)及其鄰節(jié)點(diǎn)為二元組（鄰節(jié)點(diǎn)，葉子節(jié)點(diǎn)i）即（Nbr（i），i），繼續(xù)；如節(jié)點(diǎn)度D（i）≥2，則轉(zhuǎn)步驟6.

5）如果節(jié)點(diǎn)i穩(wěn)定度Mc（i）=1，則說(shuō)明該節(jié)點(diǎn)與近鄰組成的局部網(wǎng)絡(luò)拓?fù)錇槿蔷W(wǎng)絡(luò)，穩(wěn)定性最高。將該節(jié)點(diǎn)標(biāo)記為最大穩(wěn)定度節(jié)點(diǎn)Nstable，跳轉(zhuǎn)步驟7；否則如果0＜Mc（i）＜1，則標(biāo)記該節(jié)點(diǎn)加入潛在的不穩(wěn)定節(jié)點(diǎn)集Nsub_unstable，繼續(xù)。

6）判斷節(jié)點(diǎn)是否存在度為1的鄰節(jié)點(diǎn)，如存在，則該鄰節(jié)點(diǎn)為樹(shù)狀拓?fù)涞娜~子節(jié)點(diǎn)，將該節(jié)點(diǎn)和度為1的相鄰葉子節(jié)點(diǎn)記錄入二元組（鄰節(jié)點(diǎn)，葉子節(jié)點(diǎn)i），即（i，Nbrleaf（i）），并將Nbrleaf（i）列入待調(diào)整節(jié)點(diǎn)隊(duì)列Q.

7）節(jié)點(diǎn)標(biāo)識(shí)號(hào)加1，如標(biāo)識(shí)號(hào)=N，繼續(xù)，否則轉(zhuǎn)步驟3.

8）將待調(diào)整節(jié)點(diǎn)隊(duì)列Q中的所有葉子節(jié)點(diǎn)i按節(jié)點(diǎn)標(biāo)識(shí)號(hào)排序，按最小代價(jià)在葉子節(jié)點(diǎn)間添加鏈路。原則是最短路優(yōu)先以及葉子節(jié)點(diǎn)的鄰節(jié)點(diǎn)度數(shù)高者優(yōu)先。

9）如待調(diào)整節(jié)點(diǎn)隊(duì)列Q中僅剩一個(gè)葉子節(jié)點(diǎn)i，則選擇一個(gè)Nsplit/｛i｝中節(jié)點(diǎn)與葉子節(jié)點(diǎn)i按最小代價(jià)添加鏈路，可降低割點(diǎn)分裂網(wǎng)絡(luò)的可能性。

10）直到所有調(diào)整節(jié)點(diǎn)隊(duì)列Q中的葉子節(jié)點(diǎn)全部添加鏈路完畢，再次計(jì)算所有節(jié)點(diǎn)度、節(jié)點(diǎn)局部穩(wěn)定度，保存并顯示拓?fù)湔{(diào)整結(jié)果，退出算法流程。

3　實(shí)際通信網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)與生成

工程實(shí)踐中，由于拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的魯棒性取決于端到端的通信能力，因此判別和預(yù)測(cè)端到端的連通性和鏈接質(zhì)量，從而發(fā)現(xiàn)和生成網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，是實(shí)現(xiàn)拓?fù)鋬?yōu)化的前提，因此如何正確生成網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對(duì)實(shí)施網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋬?yōu)化至關(guān)重要。

節(jié)點(diǎn)接收信號(hào)強(qiáng)度能在一定程度上反映出鏈路質(zhì)量繼而反映出網(wǎng)絡(luò)連通程度。目前已有不少基于信噪比的檢測(cè)模型和基于衛(wèi)星輔助定位位置預(yù)測(cè)，進(jìn)行鏈路可靠性判別的算法，以適用于無(wú)線傳感網(wǎng)等。然而在實(shí)際戰(zhàn)術(shù)MANET網(wǎng)絡(luò)中，受環(huán)境和硬件條件所限，缺乏GPS等輔助設(shè)備支持。盡管信號(hào)強(qiáng)度能在一定程度上反應(yīng)節(jié)點(diǎn)間鏈路的連接情況，但是反映的僅是當(dāng)前節(jié)點(diǎn)間鏈路的連接狀態(tài)，不能很好說(shuō)明鏈路的變化并反映出下一時(shí)刻的狀態(tài)。因此還需要判別節(jié)點(diǎn)先后接收到的測(cè)試包測(cè)得的信號(hào)強(qiáng)度的變化情況對(duì)連通狀態(tài)進(jìn)行預(yù)測(cè)。表1給出接收短測(cè)試包時(shí)記錄的當(dāng)前接收信號(hào)強(qiáng)度及預(yù)設(shè)接收門(mén)限。

對(duì)于節(jié)點(diǎn)B，如果接收鄰居節(jié)點(diǎn)A控制分組的信號(hào)強(qiáng)度大于最佳接收信號(hào)門(mén)限，說(shuō)明鄰居節(jié)點(diǎn)A和節(jié)點(diǎn)B之間的鏈路狀態(tài)良好，圖3給出了接收信號(hào)強(qiáng)度與節(jié)點(diǎn)相對(duì)位置關(guān)系示意。

圖3　接收信號(hào)強(qiáng)度與節(jié)點(diǎn)相對(duì)位置關(guān)系Fig.3 Relationship between received signal strength and relative location of nodes

當(dāng)接收信號(hào)強(qiáng)度在有效通信和最小接收信號(hào)閾值之間時(shí)，還需要判別信號(hào)強(qiáng)度的前后變化情況，較為穩(wěn)定的鏈路在短時(shí)間內(nèi)鏈路斷鏈的可能性很小，故而才可判定存在可靠鏈路，即認(rèn)為通信節(jié)點(diǎn)間在邏輯上存在共邊。本文提出如下判別規(guī)則:

規(guī)則1.若節(jié)點(diǎn)B從節(jié)點(diǎn)A接收到的當(dāng)前信號(hào)強(qiáng)度值PAB≥Pth_strong，則意味著節(jié)點(diǎn)B已經(jīng)進(jìn)入節(jié)點(diǎn)A的完全可靠通信范圍之內(nèi)，設(shè)定鏈路可靠性LRAB=1，兩節(jié)點(diǎn)存在共邊。

規(guī)則2.若Pth_strong≥PAB＞Pth_weak，此時(shí)表明節(jié)點(diǎn)B仍然位于節(jié)點(diǎn)A的有效通信范圍之內(nèi)。由于節(jié)點(diǎn)A、B之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)無(wú)法確定，可能正相互靠近，也可能正相互背離，所以該范圍內(nèi)的通信狀態(tài)并不是完全可靠的，此時(shí)對(duì)鏈路的可靠性可做如下估計(jì):設(shè)ΔPAB為前后兩個(gè)連續(xù)測(cè)試窗口期Tw測(cè)定的接收信號(hào)強(qiáng)度均值之差，表示節(jié)點(diǎn)A、B間鏈路接收信號(hào)強(qiáng)度的變化。umin為最低信號(hào)差閾值，umax為最高信號(hào)差閾值，umin、umax分別可根據(jù)測(cè)試窗口期Tw設(shè)置和節(jié)點(diǎn)移動(dòng)速率確定以及發(fā)射機(jī)最大、最小發(fā)射功率計(jì)算得到，Tw則根據(jù)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)規(guī)模設(shè)置。若ΔPAB≤umin，則表示節(jié)點(diǎn)A、B相對(duì)位置沒(méi)有太大的變化，節(jié)點(diǎn)B將繼續(xù)處在節(jié)點(diǎn)A的通信范圍內(nèi)，鏈路斷鏈可能性較小，認(rèn)為該鏈路可以用來(lái)進(jìn)行可靠信息傳輸，由此設(shè)置A、B間鏈路可靠性LRAB=1；若節(jié)點(diǎn)A、B間鏈路信號(hào)強(qiáng)度的變化值ΔPAB＞umin且ΔPAB≤umax，則表示節(jié)點(diǎn)A、B間的相對(duì)距離有變大的趨勢(shì)，此時(shí)鏈路的可靠性估值進(jìn)行歸一化處理得

LRAB=（umax-ΔPAB）/（umax-umin）.（2）

鏈路間的可靠性LRAB與節(jié)點(diǎn)間的信號(hào)強(qiáng)度的變化幅度增長(zhǎng)而降低。如果此時(shí)測(cè)得節(jié)點(diǎn)A、B間的鏈路信號(hào)強(qiáng)度的變化超出了門(mén)限umax，表明A、B間相對(duì)距離較大，正處于相反方向運(yùn)動(dòng)LRAB=0，認(rèn)為不存在可靠共邊。

規(guī)則3.若當(dāng)前接收到的信號(hào)強(qiáng)度值Pth-min＜PAB≤Pth-weak，則節(jié)點(diǎn)B處于節(jié)點(diǎn)A的不可靠通信范圍內(nèi)，此時(shí)的鏈路隨時(shí)都可能斷裂，應(yīng)當(dāng)將該包丟掉，若節(jié)點(diǎn)B處于節(jié)點(diǎn)A的檢測(cè)半徑之外，Pth-min≥PAB則節(jié)點(diǎn)B將根本收不到節(jié)點(diǎn)A的任何信息，判定無(wú)可靠鏈路。

另外在組網(wǎng)之后無(wú)線網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓€可以結(jié)合網(wǎng)絡(luò)層測(cè)量端到端的包成功投遞率來(lái)快速判斷和預(yù)測(cè)。但是僅從端到端的丟包率并不能反映鏈路的有效剩余生命期和鏈路的生存能力。本文作者還研究了鏈路的穩(wěn)定性、對(duì)稱性、可靠性因子，計(jì)算節(jié)點(diǎn)對(duì)之間是否存在可靠鏈路，由此快速判別節(jié)點(diǎn)共邊的拓?fù)渥兓闆r預(yù)測(cè)拓?fù)渥兓厔?shì)，在本文中不再贅述。

4　仿真示例

以某通信網(wǎng)絡(luò)為例，進(jìn)行基本網(wǎng)絡(luò)參數(shù)設(shè)置，網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)總數(shù)N=9，本例中假設(shè)所有正常通信鏈路均能滿足端到端的基本業(yè)務(wù)的包投遞率及時(shí)延需求。按網(wǎng)絡(luò)連通狀態(tài)構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖如圖4（a）所示，生成節(jié)點(diǎn)度大小的分布情況如圖4（b）所示。為了進(jìn)一步提高網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性和抗干擾能力，現(xiàn)要求優(yōu)化該網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，為實(shí)施拓?fù)淇刂铺峁Q策依據(jù)。

可得各節(jié)點(diǎn)的拓?fù)涮匦詤?shù)測(cè)量值如表2所示。

得到局部穩(wěn)定度為0的所有可能的網(wǎng)絡(luò)割點(diǎn)集合Nsplit=｛1，5，6，7，8，9｝、待調(diào)整的葉子節(jié)點(diǎn)集Q=｛1，6，9｝、以及穩(wěn)定節(jié)點(diǎn)集Nstable=｛4｝、潛在的不穩(wěn)定節(jié)點(diǎn)Nsub_unstable=｛2，3｝.

以最小代價(jià)構(gòu)建穩(wěn)定度高的網(wǎng)絡(luò)，按照節(jié)點(diǎn)局部網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性測(cè)量評(píng)估方法，進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化控制，按照最短路及最小構(gòu)造代價(jià)原則，可添加虛擬鏈路L（1，6）.剩余葉子節(jié)點(diǎn)9將與可能的剩余網(wǎng)絡(luò)割點(diǎn)集中Nsplit/｛9｝個(gè)節(jié)點(diǎn)匹配，在相同最短路及最小代價(jià)約束下，優(yōu)先與連接節(jié)點(diǎn)度最低的割點(diǎn)建立連接，避免增加節(jié)點(diǎn)間的互擾。在本例中，最終僅添加兩條虛擬鏈路L（1，6）、L（6，9）即可構(gòu)建如下穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò):該網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洳辉俅嬖诠?jié)點(diǎn)度D（i）＜2的節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)對(duì)之間都存在兩條以上不共邊的路徑，是較為規(guī)則的高穩(wěn)定性網(wǎng)絡(luò)，且實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋬?yōu)化的代價(jià)較低。

圖4　網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖及網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)度Fig.4 Network topology and node degree distribution

表2　拓?fù)涮匦詤?shù)測(cè)量值Tab.2 Measured values of topological characteristic parameters

若要實(shí)現(xiàn)更為可靠的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，則需提高所有剩余網(wǎng)絡(luò)割點(diǎn)集Nsplit中所有節(jié)點(diǎn)的穩(wěn)定度，按最小代價(jià)最短路原則構(gòu)造冗余鏈路L（2、6）、L（5，6）、L（6，7）、L（6，8），得到拓?fù)鋬?yōu)化校正前后的局部穩(wěn)定度如圖5所示，即使節(jié)點(diǎn)6的節(jié)點(diǎn)度D增加，但由于Mc同時(shí)增大，因此不會(huì)增加成為割點(diǎn)的可能。拓?fù)鋬?yōu)化后幾乎所有節(jié)點(diǎn)局部穩(wěn)定度增強(qiáng)，并滿足節(jié)點(diǎn)平均度大于2，且任意端到端之間存在兩條以上不共邊的路徑。

圖5　拓?fù)鋬?yōu)化控制前后的節(jié)點(diǎn)局部穩(wěn)定度Fig.5 Local stability of nodes before and after topology optimization

原拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)下網(wǎng)絡(luò)割點(diǎn)集中所有節(jié)點(diǎn)的局部穩(wěn)定度得到了增強(qiáng)，網(wǎng)絡(luò)更加魯棒可靠。

5　結(jié)論

本文在對(duì)傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)性質(zhì)、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇刂啤⒕W(wǎng)絡(luò)可靠性研究基礎(chǔ)上，分析了網(wǎng)絡(luò)級(jí)抗干擾能力缺陷，應(yīng)用復(fù)雜系統(tǒng)理論給出了一種基于節(jié)點(diǎn)局部穩(wěn)定性測(cè)度的拓?fù)鋬?yōu)化方法，提出實(shí)施拓?fù)淇刂坪椭亟M的指導(dǎo)方案，有利于網(wǎng)絡(luò)性能的改進(jìn)和完善。仿真結(jié)果驗(yàn)證了該拓?fù)漕A(yù)測(cè)和拓?fù)淇刂品椒ǖ目尚行院陀行浴Ｍ負(fù)鋬?yōu)化最終目標(biāo)是通過(guò)拓?fù)淇刂剖侄螛?gòu)建更為合理魯棒的抗干擾拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并依據(jù)重組后的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)調(diào)整頻率分配、重新設(shè)定信道傳輸速率等網(wǎng)絡(luò)工作參數(shù)，充分利用網(wǎng)絡(luò)資源提高網(wǎng)絡(luò)的可靠性和抗干擾能力。該方法適用于建立了軟件無(wú)線電技術(shù)，以及支持分布式或集中式網(wǎng)絡(luò)管理技術(shù)基礎(chǔ)上的各類(lèi)軍用無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)。后續(xù)的研究需要進(jìn)一步驗(yàn)證和分析不同干擾模式和移動(dòng)場(chǎng)景下的拓?fù)鋬?yōu)化算法復(fù)雜度和重組效率，并結(jié)合抗干擾路由策略問(wèn)題進(jìn)行跨層分析，并在拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)優(yōu)化重組基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)高可靠的上層協(xié)議設(shè)計(jì)。

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Research on Topologically Optimized Anti-jamming Technology for Tactical MANETs

LOU Li1，F(xiàn)AN Jian-hua1，XU Cheng2
（1.Nanjing Telecommunication Technology Research Institute，Nanjing 210007，jiangsu，China；2.School of Mechanical Engineering，Nanjing University of Science and Technology，Nanjing 210094，Jiangsu，China）

The military wireless communication network based on MANET architecture is characterized by a variety of communication modes and flexible self-organizations of nodes，but the multi-hop wireless transmission links are vulnerable to interference.In addition to using a series of traditional anti-jamming technologies at physical and link layers，the control and optimization means of network topology for getting better invulnerability and survivability become key issues in the research of anti-jamming policy of network layer.In dynamic electromagnetic interference environment，the tolerance of node or link failures is the basis of improving the survivability of the upper layer protocols，as well as the network recovery capability.According to the complex system theory，graph theory and random process theory，the influence of dynamic communication condition in battlefield is analyzed，and then a topology optimization method based on the measures of local stability is proposed in view of the importance of nodes and the connectivi-ty of topology in order to construct a more reliable network.Simulated results show that the proposed method provides satisfactory efficiency and can improve the anti-jamming and self-optimizing performances of military communication networks under dynamic transmission.

ordnance science and technology；military wireless communication；tactical MANET；network anti-jamming；complex system theory；topology optimization

源節(jié)點(diǎn)A向鄰居節(jié)點(diǎn)發(fā)送短測(cè)試包記錄接收信號(hào)強(qiáng)度完全可靠通信區(qū)域接收信號(hào)門(mén)限可靠通信區(qū)域接收信號(hào)門(mén)限最小接收信號(hào)門(mén)限B收到A發(fā)來(lái)的測(cè)試包PAB P th-strong P th-weak Pth-min C收到A發(fā)來(lái)的測(cè)試包PAC

TN915.02

A

1000-1093（2016）09-1662-08

10.3969/j.issn.1000-1093.2016.09.016

2016-01-12

總裝備部預(yù)先研究基金項(xiàng)目（9140C020301140C02008）；中國(guó)博士后科學(xué)基金項(xiàng)目（2014M562539）

樓俐（1982—），女，工程師。E-mail:louie1000@163.com；范建華（1971—），男，研究員。E-mail:fjh710119@126.com