一種智能步兵雷偵察系統的ad hoc網絡路由優(yōu)化算法

華宇寧,傅國強,武永健,郝永平,張德育,白 帆,劉 猛

(沈陽理工大學 自動化與電氣工程學院,沈陽 110159)

民用視頻監(jiān)控技術的發(fā)展大致經歷了三個階段[1]:模擬監(jiān)控系統時代、數字化監(jiān)控系統時代和遠程視頻監(jiān)控系統時代。在模擬監(jiān)控系統時代,監(jiān)控系統非常復雜,投資巨大,工期長,構建監(jiān)控系統的工作量也非常大,監(jiān)控系統的后期維護和擴展難度高,此時的監(jiān)控系統不支持音視頻的遠程傳輸。二十世紀末,隨著計算機的處理能力得到飛速提升以及多媒體技術的發(fā)展,監(jiān)控系統進入了第二個階段即數字化監(jiān)控系統時代,依靠計算機快速而高效的數據處理能力,可以進行音視頻的采集、傳輸和存儲,并且可以對采集到的圖文信息進行多畫面和高分辨率的顯示。伴隨網絡帶寬和存儲傳輸技術的發(fā)展,圖文信息依靠全數字化的無線網絡進行傳輸,視頻監(jiān)控系統進入了第三個階段即遠程視頻監(jiān)控時代。雖然,當代的遠程監(jiān)控系統依靠全數字化無線網絡和先進的計算機技術有著優(yōu)越的性能,但是這種監(jiān)控系統強烈地依靠基站,而網絡基站的建設工期長、耗資巨大、網絡拓撲不夠靈活。在戰(zhàn)時,網絡基站極易遭受對方攻擊,不適合軍事領域的特殊需要。所以本文研究智能步兵雷偵察系統,其依靠基于AODV路由協議的ad hoc網絡[2-3]進行數據傳輸。

為滿足野戰(zhàn)需要,智能步兵雷偵察系統采用嵌入式設備搭建。在軍用領域,野戰(zhàn)時需要長時間對圖文信息進行采集,而野戰(zhàn)地點又具有不確定性,沒有網絡基站提供服務或網絡基站早已被摧毀,所以無法使用有線的通訊系統和高性能的PC機,此時需依靠ad hoc網絡和高性能且低功耗的嵌入式設備完成偵察任務。在嵌入式設備中，樹莓派的性能非常強大,適于圖文信息的采集、處理和顯示播放以及目標識別,適合作為下一代智能步兵雷偵察系統的硬件平臺。

1 智能步兵雷偵察系統的硬件和軟件組成

智能步兵雷的硬件組成為:硬件平臺為S3C2416控制器,配置GPS定位接收機,配置水星MW300UM無線網卡,防拆裝置,視頻采集模塊,視頻顯示裝置。工作主頻為400Mhz,運行內存選用三星的K4T51163 DDRII266 64MByte RAM內存儲,程序存儲選用三星公司生產的256M的NAND FLASH,并且支持使用擴展存儲設備TF卡和SD卡。集成4線電阻式觸摸屏接口,可以接4線電阻觸摸屏,實現友好的圖形界面,使步兵和智能步兵雷偵察系統之間可以容易地進行數據交互。

軟件平臺為Linux2.6.21,虛擬機為Ubuntu10.04,自組網路由協議為aodv-uu-0.9.6。

智能步兵雷偵察系統分為三個有機的組成部分:前端的圖文信息采集節(jié)點,ad hoc網絡中的中繼轉發(fā)節(jié)點,后方的圖文信息顯示節(jié)點。本系統的圖文信息采集節(jié)點主要負責對戰(zhàn)區(qū)圖文信息進行收集,ad hoc網絡中的中繼轉發(fā)節(jié)點主要負責將圖文信息采集節(jié)點收集到的圖文數據轉發(fā)到后方,后方的圖文信息顯示節(jié)點通過終端顯示設備把采集到的戰(zhàn)地圖文信息顯示出來。

2 偵察系統的路由優(yōu)化算法

2.1 路由算法的選擇

移動 Ad Hoc 網絡是一種帶有無線收發(fā)裝置的移動通訊節(jié)點組成的一個多跳的、臨時性的自治通訊系統[4]。整個通訊網絡沒有固定的通訊基站,每個節(jié)點的位置可以自由移動；網絡中通訊節(jié)點的數量可以動態(tài)變化,通訊節(jié)點可以方便快速地部署,靈活地擴展。與民用依靠基站的有中心網絡相比,Ad Hoc 網絡拓撲靈活、健壯性好、投資少,特別適合作戰(zhàn)指揮、搶險救災等特殊應用領域。因為Ad Hoc網絡中節(jié)點的傳輸范圍有限,源節(jié)點向目的節(jié)點發(fā)送數據時,通常需要中繼節(jié)點進行數據轉發(fā),所以合理的路由協議是Ad Hoc網絡中不可缺少的一部分，也是研究和關注的重點、熱點和難點問題。

一個理想的Ad Hoc網絡路由協議應當滿足七個方面的特殊要求:分布式運行、提供無環(huán)路由、按需操作、單向信道支持、提供節(jié)能策略、可擴展性、安全性。Ad Hoc 網絡路由協議針對不同的要求進行優(yōu)化,適用于不同的網絡環(huán)境[5]和應用領域,代表性的路由改進有

(1)具有能量意識的路由協議,基于這種改進方案優(yōu)化的路由協議可以分為四類[6]:最小能量路由協議MER、最小電池耗費路由協議MBCR、最小最大電池耗費路由協議MMBCR、 受限的最大最小電池容量路由協議CMMBCR;

(2)基于帶寬受限和能量受限的環(huán)境樹的多播路由協議改進方案,其在有線網絡中具有突出的優(yōu)越性能,典型協議[7]為MAODV、AMRIS、LGT、LAM、ABAM、ADMR。

(3)在自組網中利用基于GPS提供的有關節(jié)點的地理位置信息作為依據進行的路由改進方案,可以使節(jié)點在尋找路由時避免簡單的洪泛;利用相鄰節(jié)點或目的節(jié)點的位置信息,可以提高路由尋找的效率。典型協議是DREAM協議。

目前出現大量路由協議優(yōu)化方案都只是基于某些性能,進行某種程度的優(yōu)化,具有一定的優(yōu)勢,但只能滿足特定需求。還沒能設計出一種快速、準確、高效、可擴展性好的滿足各種應用環(huán)境的Ad Hoc 網絡路由協議。

在對智能步兵雷偵察系統進行大量的實地布網測試后,發(fā)現智能步兵雷偵察系統在路由尋找時產生大量的洪泛,值守時間短,鏈路極易斷裂等影響偵察系統性能的缺陷。同時考慮到智能步兵雷主控芯片S3C2416資源有限,存儲能力低,計算能力差,所以應用于智能步兵雷偵察系統的路由優(yōu)化算法應盡量簡單、資源占用少、能量損耗小。因此選擇的解決方案是:基于 GPS 輔助方案來優(yōu)化偵察系統的路由協議。在Ad Hoc網絡中利用 GPS 提供的有關節(jié)點的經緯度及海拔位置信息,提高路由尋找的效率,以使節(jié)點在尋找路由時避免簡單的洪泛,降低算法能耗,延長智能步兵雷的值守時間。最典型的基于 GPS 輔助優(yōu)化[7]的是DREAM 路由協議；DREAM路由協議對于節(jié)點移動速度表現出很好的強壯性,但是在重負荷環(huán)境下效果較差。智能步兵雷節(jié)點鋪設后基本保持位置不變,節(jié)點間沒有相對運動,但為轉發(fā)圖文信息，Ad Hoc網絡卻承受超強的負荷。因此DREAM 路由協議并不適合智能步兵雷通訊系統。為滿足智能步兵雷偵察系統的特殊需要,基于GPS 輔助的方案對AODV路由協議[8]進行優(yōu)化。

2.2 路由算法的優(yōu)化

智能步兵雷節(jié)點為能完成數據轉發(fā)任務,需要移植AODV路由協議。所以由智能步兵雷通訊模塊所組成的無線 ad hoc網絡是一種按需路由的無線多跳對等網絡:兩個信號彼此覆蓋不到的智能步兵雷節(jié)點可以通過中繼節(jié)點的路由轉發(fā)進行數據交互。AODV協議只有節(jié)點有待發(fā)送的數據時才會發(fā)起路由請求[9-10],動態(tài)的建立網絡拓撲結構,使無線網絡更加可靠,擴展更加靈活；該路由協議分為路由發(fā)現和路由維護兩部分。

智能步兵雷的偵察系統依靠ad hoc網絡傳輸數據。網絡中的各個智能步兵雷通訊節(jié)點采用無線多跳的方式進行數據傳輸,相比傳統的點對點或點對多點的通訊方式,ad hoc網絡在路由選擇上更加靈活,數據的傳輸上也更加的可靠。但使用Ad hoc網絡進行數據傳輸時,隨著跳數增加,數據的轉發(fā)次數也會隨之上升,鏈路斷裂[11]的風險隨之增加,網絡吞吐量隨之下降,路由尋找時產生大量的洪泛,占用大量通訊資源。在單信道環(huán)境下,要想提高圖文數據吞吐量可以通過拓展帶寬和提高通訊鏈路穩(wěn)定性來實現。

本文是基于智能步兵雷偵察系統帶寬一定的情況下,采用路由優(yōu)化算法選擇穩(wěn)定的通訊鏈路,降低鏈路斷裂的風險,提高通訊鏈路的穩(wěn)定性,降低路由尋找時的洪泛,節(jié)省路由尋找和維護路由的時間和資源,最終提高偵察系統性能來完成對智能步兵雷偵察系統的優(yōu)化。

優(yōu)化智能步兵雷偵察系統的思路是:依據智能步兵雷節(jié)點的地理位置信息,首先計算源節(jié)點與目標節(jié)點間直線距離,判斷目的節(jié)點和源節(jié)點之間是否在一跳的最佳通訊距離之內,如果超出最優(yōu)通訊距離,則選擇最優(yōu)中繼節(jié)點加入:保證下一跳最優(yōu)距離的同時,選擇跳數最少的通訊鏈路。通過這種算法選擇出最優(yōu)的通訊路徑,保證在通訊鏈路穩(wěn)定的情況下,數據轉發(fā)的次數最少。

2.3 路由尋找

智能步兵雷偵察系統的路由尋找過程如圖1所示。

源節(jié)點A有數據需要發(fā)送給目的節(jié)點D時,源節(jié)點A才會發(fā)起路由尋找過程:首先A查找自己的路由表,尋找通往目的節(jié)點D的活動路由,并且根據節(jié)點間的地理位置信息計算源節(jié)點A和目的節(jié)點 D 之間的直線距LAD是否大于最優(yōu)數據傳輸距離ΔL;如果源節(jié)點A和目的節(jié)點D之間的通訊距離不大于最優(yōu)數據傳輸距離ΔL,源節(jié)點A和目的節(jié)點D就可以直接進行數據傳輸;如果源節(jié)點A和目的節(jié)點D之間的通訊距離大于最優(yōu)數據傳輸距離ΔL,源節(jié)點A和目的節(jié)點D之間不能直接進行數據傳輸；然后源節(jié)點A會向其下游節(jié)點發(fā)送路由請求,選擇最優(yōu)的中繼節(jié)點。最優(yōu)中繼節(jié)點的條件是:中繼節(jié)點B到達源節(jié)點A和目的節(jié)點D連線的垂線HB最短,并且源節(jié)點A到中繼節(jié)點B的距離LAB最接近最優(yōu)通訊距離ΔL,最終選擇節(jié)點B為中繼節(jié)點。中繼節(jié)點B有需要轉發(fā)的數據發(fā)往目的節(jié)點D,中繼節(jié)點B開始發(fā)起路由尋找:發(fā)現中繼節(jié)點C到達B節(jié)點和目的節(jié)點D的連接線的垂線HC最短,且LBC的距離最接近最優(yōu)通訊距離ΔL,所以選擇節(jié)點C作為下一跳的中繼節(jié)點。C節(jié)點的路由表中有通往D節(jié)點的活動路由,且中繼節(jié)點C和目的節(jié)點D的距離LCD<ΔL,中繼節(jié)點C和目的節(jié)點D就可以直接進行數據傳輸了。

圖1 偵察系統的通訊拓撲

2.4 路由維護

路由建立后,各節(jié)點為維護已經建立的路由,每個節(jié)點周期地向自己的鄰居節(jié)點廣播發(fā)送HELLO消息,作為與相鄰節(jié)點的相互連接信息。HELLO消息的生存時間TTL值被設置為1,既保證該消息的傳播范圍僅限于發(fā)送節(jié)點和相鄰節(jié)點之間,收到HELLO消息的節(jié)點將建立或更新一條至發(fā)送節(jié)點的路由。于此同時,在AODV路由協議中,任何節(jié)點收到任何控制報文,也具有和收到顯示性的HELLO消息一樣的意義，因為其通過控制消息報文中的源IP地址顯示出有效連接性。如果一條路由在其有效時間內沒有被使用或者節(jié)點確定有效路由的下一跳無法到達時,則該路由無效。當節(jié)點檢測到某一路由無效時,其在路由表中將該路由表項設置為無效,且再經過一段時間才將其刪除。

3 實地布網測試實驗結果分析

實驗環(huán)境簡介:使用三個通訊節(jié)點基于AODV協議進行實地組網測試,進行智能步兵雷偵察系統實地布網測試多跳通信的實驗:源節(jié)點A為偵察系統的圖文數據顯示節(jié)點,其IP地址是192.168.42.2;中繼節(jié)點B為偵察系統中繼轉發(fā)節(jié)點,其IP地址是192.168.43.3;目的節(jié)點D為偵察系統圖文數據采集節(jié)點,其IP地址是192.168.43.7。

為對比智能步兵雷偵察系統在路由優(yōu)化前后的性能差異,本文用五組實測數據進行說明。

實驗一:鏈路穩(wěn)定性對比實驗

智能步兵雷偵察系統路由算法優(yōu)化前后,智能步兵雷偵察系統鏈路穩(wěn)定性對比數據如圖2所示。

圖2 優(yōu)化前后鏈路節(jié)點數對比

路由優(yōu)化后通訊鏈路中的節(jié)點數量明顯增加,提高了ad hoc網絡中通訊節(jié)點的利用率,同時優(yōu)化了一跳數據傳輸的距離,提高了通訊鏈路穩(wěn)定性,降低了鏈路斷裂的風險。

實驗二:端到端時延對比試驗

智能步兵雷偵察系統路由算法優(yōu)化前后,端到端時延對比數據如圖3所示。

由于經算法優(yōu)化后,智能步兵雷偵察系統的通訊鏈路更加穩(wěn)定可靠,降低了數據傳輸過程中鏈路斷裂的風險,降低路由尋找和路由維護的開銷,并且節(jié)省了頻繁鏈路修復[12]的時間,提高了通訊系統有效利用率,最終使偵察系統的圖文數據的傳輸更加流暢,也就降低了偵察系統的端到端時延,最終實現偵察系統獲得圖文信息實時性的提升。

圖3 優(yōu)化前后通訊系統的端到端時延

實驗三:通訊系統負荷對比實驗

智能步兵雷偵察系統路由算法優(yōu)化前后,通訊系統的負荷對比數據如圖4所示。

圖4 算法優(yōu)化前后網絡負荷對比

路由優(yōu)化算法投入后,保證偵察系統的通訊鏈路更加穩(wěn)定,從而提高智能步兵雷通訊系統的有效利用率,使數據傳輸更加流暢,降低了中繼節(jié)點緩沖區(qū)的占用,系統的實時性增加,所以優(yōu)化后的負荷曲線整體比較平穩(wěn),避免了負荷的劇烈變化對通訊系統的沖擊。

實驗四:優(yōu)化前后通訊系統顯示端輸入數據對比實驗

智能步兵雷通訊系統路由算法優(yōu)化前后,通訊系統顯示端的輸入數據量對比曲線如圖5所示。

圖5 優(yōu)化前后偵察系統顯示端數據輸入速率對比

路由優(yōu)化后通訊鏈路更加穩(wěn)定,端到端時延降低,使通訊環(huán)境得到改善,通訊系統圖文信息傳輸更加流暢,所以優(yōu)化后的通訊系統顯示端的圖文數據輸入速率曲線即流暢又緊湊,圖文數據的傳輸效率較高,圖像畫面更加清晰流暢。

實驗五:通訊系統流量統計對比實驗

智能步兵雷偵察系統路由算法優(yōu)化前后,通訊系統圖文采集端傳輸等量圖文數據,在偵察系統顯示端流量統計數據曲線如圖6所示。

圖6 優(yōu)化前后通訊系統流量統計

造成偵察系統路由優(yōu)化前傳輸等量圖文數據時所需流量和時間居高不下的原因是通訊鏈路不夠穩(wěn)定,圖文數據傳輸時通訊鏈路會頻繁發(fā)生斷裂,造成通往目的節(jié)點的鏈路頻繁失效,為保證數據的正確性和完整性,傳輸不完整的數據會被當即放棄;頻繁的路由修復過程中,需要重新尋找新的路由,這需要消耗額外的時間和資源,增加網絡負擔；所以在傳輸等量圖文信息時需要更多的流量，這是偵察系統路由優(yōu)化前,流量統計曲線居高不下的主要原因。偵察系統路由優(yōu)化后,通訊鏈路更加穩(wěn)定,不會頻繁出現鏈路斷裂的情況,避免了頻繁的路由尋找和路由修復過程,消耗的網絡流量相對較少,流量統計曲線保持在相對較低的水平。所以通訊系統路由優(yōu)化算法投入后,網絡有效利用率和數據傳輸的效率都得到了提高,同時也提高了通訊系統數據傳輸的穩(wěn)定性和實時性。

4 結論

經過路由優(yōu)化算法優(yōu)化的智能步兵雷通訊系統的通訊鏈路更加穩(wěn)定,端到端時延明顯下降,通訊系統負荷降低,圖文信息的傳輸更加流暢,通訊系統顯示節(jié)點獲取圖文信息的實時性和完整性得到了進一步保障,能滿足軍事領域野戰(zhàn)偵察的需要。