基于群特征的通信自組織網(wǎng)優(yōu)化研究

田甜，董洋溢，張妍

（陜西學(xué)前師范學(xué)院，陜西 西安 710100）

0 引 言

自組織網(wǎng)（Ad Hoc）是一種自治的無線網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點可隨意移動并能以任意方式相互通信，整個網(wǎng)絡(luò)不需要配置固定的基礎(chǔ)設(shè)施，可以在不能利用或不便于利用現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施的情況下，提供一種便捷的通信環(huán)境支撐，拓寬了無線通信網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用場景。隨著物聯(lián)網(wǎng)時代的到來，基于物聯(lián)終端的自組織網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)成為移動通信技術(shù)發(fā)展的一個重要方向。目前國內(nèi)外對自組織網(wǎng)絡(luò)的研究大多集中于網(wǎng)絡(luò)拓撲、協(xié)議算法等層面，對自組織網(wǎng)中大量節(jié)點所表現(xiàn)出來的群體特征，以及群體特征對網(wǎng)絡(luò)性能影響的研究還不多見。本文從自組織網(wǎng)節(jié)點的群體特征入手，針對網(wǎng)絡(luò)協(xié)作中節(jié)點位置的管理提出相應(yīng)的優(yōu)化方案。

1 節(jié)點的群體特征與網(wǎng)絡(luò)群化概念

從自組織網(wǎng)的構(gòu)成目標(biāo)上不難看出，其網(wǎng)絡(luò)節(jié)點具有以下群體特征：（1）行動多維一體。根據(jù)目標(biāo)任務(wù)的需要，按需聚合成群，按需優(yōu)化組合。同一個節(jié)點編組，內(nèi)部的通信單元可能來自多種項目單元組合，節(jié)點編組呈現(xiàn)了多維一體的群體運動特性。（3）單元動態(tài)運動。單元動態(tài)運動是指網(wǎng)絡(luò)節(jié)點編組的空間位置、內(nèi)部結(jié)構(gòu)會隨著通信態(tài)勢和任務(wù)需要的變化而變化，呈現(xiàn)出動態(tài)運動的特性。（3）節(jié)點實時聚合。根據(jù)任務(wù)需要，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點編組的群體運動會帶來指揮機構(gòu)之間指令傳輸關(guān)系的柔性組合。這些特點充分表明，自組織網(wǎng)的節(jié)點實際上充斥著群體運動的特性。

群化是指群體化、集群化，一般是指人或物聚集在一起的現(xiàn)象。在自然界中，群化現(xiàn)象十分普遍，比如分工有序的蟻群、靈活機智的魚群、廣場聚集的人群，社交軟件中的社群，等等。學(xué)術(shù)界研究群化問題的初衷，并不是因為大量個體聚集以后規(guī)模變得龐大，而是群化節(jié)點形成后具有了新的特征和功能。以典型的魚群為例，在這個魚群的群化節(jié)點中，每一個個體的力量和功能是微不足道的，但聚合在一起的魚群整體卻能夠在覓食、躲避危險、種群繁衍中表現(xiàn)出極其智能化的行為。這種動物群體內(nèi)部的分工協(xié)作、整體協(xié)調(diào)現(xiàn)象蘊含著豐富的信息處理機制，給人類以智慧的啟迪。

基于自組織網(wǎng)的群體特征和群化含義，可對網(wǎng)絡(luò)群化的概念進行描述：網(wǎng)絡(luò)群化是指通信自組織網(wǎng)中，由節(jié)點編組的群體運動導(dǎo)致的運動節(jié)點跨網(wǎng)集群、固定節(jié)點間跨域連接、各子網(wǎng)間交鏈融合的現(xiàn)象。其中，運動節(jié)點的群化和群體運動是網(wǎng)絡(luò)群化現(xiàn)象的直接原因；固定節(jié)點群化是自組織網(wǎng)適應(yīng)運動節(jié)點群化的一種表現(xiàn)；隸屬不同分系統(tǒng)子網(wǎng)的固定節(jié)點群化使各系統(tǒng)子網(wǎng)深度交鏈，形成整個自組織網(wǎng)絡(luò)的群化。

2 網(wǎng)絡(luò)協(xié)作中節(jié)點位置管理優(yōu)化方案

在自組織網(wǎng)中，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點是可移動的，并且要求網(wǎng)絡(luò)節(jié)點間彼此通信。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點連接到上級指揮網(wǎng)絡(luò)后，為解決節(jié)點網(wǎng)絡(luò)地址動態(tài)變化的問題，必須有相應(yīng)的策略對網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的位置進行管理。在節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)群化運動中，可通過群化管理來加大對位置管理的管理力度，其具有群化服務(wù)的特性，節(jié)省了位置管理開銷。然而，將群化管理用于位置管理時需要注意以下三個方面的事項：

（1）考慮對網(wǎng)絡(luò)節(jié)點實施位置管理的必然性。自組織網(wǎng)必須支持網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的移動性，保證通信過程中網(wǎng)絡(luò)節(jié)點在任何區(qū)域都具有接受位置管理服務(wù)的能力。

（2）考慮節(jié)點的位置管理與節(jié)點運動特性是密切相關(guān)的。如果節(jié)點頻繁運動，就會增加位置管理的通信開銷，相反，節(jié)點靜止或在有限區(qū)域內(nèi)活動時，其開銷相對較??；在具體的通信過程中，某個區(qū)域的節(jié)點密度增大，相應(yīng)的位置管理開銷也會隨之增加。

（3）考慮節(jié)點位置管理具有區(qū)域特性以及信令冗余特性。在兩個群化節(jié)點的邊界區(qū)域，位置更新頻繁，但更新信息公告極有可能相同或相似，信息存在冗余。

基于以上問題，本文提出一種新的網(wǎng)絡(luò)群化節(jié)點位置管理策略，總體思路為：在構(gòu)建群化節(jié)點模型的基礎(chǔ)上，將鄰近的節(jié)點組成一個群化節(jié)點。在某個位置更新的過程中，位于同一群化節(jié)點的節(jié)點成員擁有相似的位置信息和運動趨勢，因此以群化節(jié)點為粒度，統(tǒng)一進行位置更新報告，這樣就能大大降低位置更新的信令開銷和數(shù)據(jù)庫接入開銷，從而達到節(jié)省頻率資源、增加系統(tǒng)吞吐能力的目的。

群化位置管理的基本網(wǎng)絡(luò)拓撲模型是一種群化節(jié)點模型和節(jié)點對等通信模型相融合的重合模型，結(jié)構(gòu)為垂直水平混合的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。水平通信用于節(jié)點成員之間互通形成群化節(jié)點，垂直通信用于群組與上一級群組之間的信息交互。

3 基于OPNET的模型仿真

OPNET模型通常分為3+1層。第一層是網(wǎng)絡(luò)級，用來對網(wǎng)絡(luò)拓撲進行描述；第二層是節(jié)點級，對組成網(wǎng)絡(luò)拓撲的各類節(jié)點進行描述；第三層是進程級，對組成節(jié)點進程的有限狀態(tài)機進行描述；最后一層是C/C++語言代碼，是對各個進程的編程實現(xiàn)。建模流程如圖1所示，仿真項目依托橫向課題中某應(yīng)急管理中心的真實案例而展開。

圖1 OPNET建模流程圖

根據(jù)網(wǎng)絡(luò)涉及的項目類型、網(wǎng)絡(luò)規(guī)模、節(jié)點數(shù)量和互聯(lián)模式，構(gòu)建如圖2所示的基本網(wǎng)絡(luò)模型，該網(wǎng)絡(luò)模型由總指揮節(jié)點、一級指揮節(jié)點、二級指揮節(jié)點和分布單元節(jié)點共四類節(jié)點模型組成，其中包括1個總指揮節(jié)點、4個一級指揮節(jié)點、12個二級指揮節(jié)點和36個分布單元節(jié)點。總指揮節(jié)點與4個一級指揮節(jié)點通過有線以太網(wǎng)鏈路連接構(gòu)成上層的核心指控網(wǎng)絡(luò)。每個一級指揮節(jié)點下下屬三個節(jié)點集群，每個集群包含1個二級指揮節(jié)點和3個分布單元節(jié)點。

圖2 基本網(wǎng)絡(luò)模型結(jié)構(gòu)圖

上述網(wǎng)絡(luò)拓撲中除了總指揮節(jié)點與一級指揮節(jié)點間基于有線端口和通信鏈路進行信息傳輸外，其他節(jié)點間均通過無線接口收發(fā)數(shù)據(jù)。因此，為了實現(xiàn)整個網(wǎng)絡(luò)的正常運轉(zhuǎn)，提前在網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)臉I(yè)務(wù)數(shù)據(jù)、路由協(xié)議、接入方式、時隙資源及物理信道等方面進行參數(shù)配置。

為驗證和比較不同網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)下的性能，針對自組織網(wǎng)可能出現(xiàn)的不同狀態(tài)，假象并設(shè)置了12個場景，采取交叉對比的方式，分析不同策略下網(wǎng)絡(luò)性能的優(yōu)劣，仿真時間統(tǒng)一設(shè)定為2 000秒，分別采用AODV和OLSR路由協(xié)議進行對比?？砂凑展?jié)點的不同狀態(tài)將這12個場景分為四大類想定場景，即：節(jié)點靜止?fàn)顟B(tài)、節(jié)點移動狀態(tài)、節(jié)點故障狀態(tài)和全局隨機移動兼故障狀態(tài)，每一類想定場景下又分別針對傳統(tǒng)的層級化通信和網(wǎng)絡(luò)群化通信方式進行仿真比較。具體描述為：

（1）local_network_communication_with_aodv。傳統(tǒng)的層級化通信方式，即上行業(yè)務(wù)的傳遞方向必須依照分布單元節(jié)點—二級指揮節(jié)點—一級指揮節(jié)點—總指揮節(jié)點的邏輯層級傳輸，下行業(yè)務(wù)的傳遞方向與之相反，節(jié)點間基于AODV路由協(xié)議通信。

（2）whole_network_communication_with_aodv。網(wǎng) 絡(luò)群化，節(jié)點間的上下行業(yè)務(wù)傳遞不依賴于各層級的嚴格限制，只要在信號可達的通信范圍內(nèi)即可直接根據(jù)自組網(wǎng)絡(luò)由建立的下一跳轉(zhuǎn)方向進行業(yè)務(wù)傳遞，該場景下節(jié)點間基于AODV路由協(xié)議通信。

（3）whole_network_communication_with_olsr。該場景下節(jié)點間基于OLSR路由協(xié)議通信。

（4）local_network_mobile_roaming_with_aodv。傳統(tǒng)層級通信網(wǎng)絡(luò)，該場景下個別節(jié)點按照既定的運動軌跡在本網(wǎng)內(nèi)或不同子網(wǎng)間移動漫游，模擬節(jié)點執(zhí)行特定通信任務(wù)時在不同區(qū)域下的入網(wǎng)、退網(wǎng)和路由變化過程。

（5）whole_network_mobile_roaming_with_olsr。模擬節(jié)點執(zhí)行特定任務(wù)時在不同區(qū)域下的入網(wǎng)、退網(wǎng)和路由變化過程。

（6）local_network_failure_with_aodv。在不同時間點分別對某個二級指揮節(jié)點、一級指揮節(jié)點和總指揮節(jié)點設(shè)置故障，考察不同級別關(guān)鍵節(jié)點出現(xiàn)故障后對網(wǎng)絡(luò)性能的影響。

（7）local_network_random_mobility_failure_with_aodv。在不同時間點出現(xiàn)不同級別的關(guān)鍵節(jié)點發(fā)生設(shè)備故障，并且讓所有移動節(jié)點在隨機移動的狀態(tài)下進行通信，考察這種復(fù)合多變的狀態(tài)下整個網(wǎng)絡(luò)性能的變化情況，該場景下所有節(jié)點基于AODV路由協(xié)議通信。

針對上述網(wǎng)絡(luò)仿真場景，比較各場景下網(wǎng)絡(luò)性能的差異，這里分別根據(jù)應(yīng)用層業(yè)務(wù)、網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議、接入?yún)f(xié)議和物理鏈路幾個方面的統(tǒng)計結(jié)果對網(wǎng)絡(luò)性能進行綜合考察。所選擇的統(tǒng)計結(jié)果包括全局統(tǒng)計結(jié)果Global Statistic、節(jié)點統(tǒng)計結(jié)果Node Statistic和鏈路統(tǒng)計結(jié)果Link Statistic。選擇的統(tǒng)計內(nèi)容包括FTP、AODV、OLSR、TDMA和Link Statistic，如圖3所示。

圖3 統(tǒng)計結(jié)果選擇

4 仿真結(jié)果分析

綜合上述各類仿真場景及結(jié)果分析，針對仿真案例規(guī)模下的網(wǎng)絡(luò)組成結(jié)構(gòu)、互聯(lián)方式以及所需傳輸?shù)臉I(yè)務(wù)量，采用傳統(tǒng)層級的網(wǎng)絡(luò)管理方式，通過逐層的信息上報，信息融合，再到逐層的指令信息下發(fā)，這中間存在各層級的中轉(zhuǎn)處理和控制，可能會造成不同編隊間、不同地域間、不同單位間通信時，需要經(jīng)過很多環(huán)節(jié)的中繼處理后才能最終抵達目的端。一方面增加了業(yè)務(wù)傳輸?shù)臅r延和丟包概率，降低了時效性；另一方面又造成各級網(wǎng)絡(luò)對其指揮節(jié)點的依賴性高，網(wǎng)絡(luò)抗毀性和魯棒性差，一旦各核心節(jié)點遭受到攻擊，整個網(wǎng)絡(luò)的通信將陷于癱瘓狀態(tài)。文中提出的網(wǎng)絡(luò)模型設(shè)置方案，其網(wǎng)絡(luò)組成單元身份等級的平級化，大大減少了網(wǎng)絡(luò)整體和局部對核心節(jié)點的依賴性，降低了網(wǎng)絡(luò)故障的波及范圍，使得整個網(wǎng)絡(luò)的成員組網(wǎng)靈活多變，進而提升網(wǎng)絡(luò)的抗毀能力和魯棒性。

5 結(jié) 論

根據(jù)仿真案例結(jié)果分析，為了使自組織網(wǎng)更好地滿足未來通信的發(fā)展需求，使各通信單元間能夠更為靈活、可靠地進行信息共享，建議對傳統(tǒng)指揮系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)進行扁平化改進，即各層級、各指揮部門在其信號所能覆蓋的通信范圍內(nèi)，通過對底層通信技術(shù)和組網(wǎng)絡(luò)由方式的改進，重視網(wǎng)絡(luò)協(xié)作中節(jié)點的位置管理，通過群化節(jié)點模型的設(shè)計方案，盡可能通過最少跳數(shù)將信息傳送到目的端，即實現(xiàn)較少的中間環(huán)節(jié)的快捷轉(zhuǎn)發(fā)，進而提高信息傳輸?shù)臅r效性。