空天地信息一體化網(wǎng)絡(luò)移動骨干網(wǎng)構(gòu)建

信 侃

（中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所 河北 石家莊 050043）

0 引言

近年來衛(wèi)星通信［1］及飛行器［2］（如無人機(jī)）均以獨(dú)特的優(yōu)勢得到了迅猛發(fā)展，而最顯著的優(yōu)勢為不易受陸地災(zāi)害及地形的影響。為此，本文將衛(wèi)星、飛行器引入通信系統(tǒng)，建立基于空天地信息一體化網(wǎng)絡(luò)的通信系統(tǒng)。通過飛行器及衛(wèi)星的中繼與地面指揮中心的通信，避免惡劣地形及自然災(zāi)害的影響，從而有效提高通信有效性。為保障該系統(tǒng)信息實(shí)時可靠傳輸，可構(gòu)建移動骨干網(wǎng)（mobile backbone network， MBN），MBN 可有效簡化路由，提高網(wǎng)絡(luò)資源利用率，從而保證信息的實(shí)時可靠傳輸［3－4］。目前針對廣域移動自組織網(wǎng)絡(luò)（mobile adhoc network，MANET）移動骨干網(wǎng)構(gòu)建的研究主要是基于地面自組織網(wǎng)絡(luò)的虛擬骨干網(wǎng)構(gòu)建［5－8］，大都沒有考慮節(jié)點(diǎn)移動性，不能直接用于空天地信息一體化網(wǎng)絡(luò)等廣域MANET。而現(xiàn)有針對廣域移動自組織網(wǎng)絡(luò)MBN 構(gòu)建的算法主要有Rubin等［9－10］提出的TBONE 算法和MBNP 算法。其中，前者算法為集中式，消息開銷大；而后者算法是分布式的，消息開銷小，但其構(gòu)建的MBN 可能不連通。本文在MBNP 算法基礎(chǔ)上提出了一種分布式移動骨干網(wǎng)構(gòu)建算法（ distributed mobile backbone network construction and maintenance， DMBNCM），該算法不但能夠構(gòu)建連通的MBN，并且算法的時間和消息開銷較小，對空天地一體化的通信系統(tǒng)具有一定的應(yīng)用前景。

1 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

由于空天地信息一體化網(wǎng)絡(luò)無任何基礎(chǔ)設(shè)施支持、所有節(jié)點(diǎn)地位平等，且節(jié)點(diǎn)均是移動的，故屬于廣域MANET的范疇。網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)由衛(wèi)星、飛行器節(jié)點(diǎn)、通信終端節(jié)點(diǎn)及地面指揮中心構(gòu)成［11］。其中，衛(wèi)星負(fù)責(zé)中繼地面指揮中心與通信終端之間的通信。若通信終端因特殊地形等影響無法直接與衛(wèi)星通信時，則可通過飛行器的中繼實(shí)現(xiàn)與地面指揮中心或衛(wèi)星的通信。

基于網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，可將移動節(jié)點(diǎn)分為兩類：一類是空天節(jié)點(diǎn)（air space nodes， ASNs），包括衛(wèi)星和飛行器，此類節(jié)點(diǎn)提供地面指揮中心與通信終端信息交互服務(wù)。因此此類節(jié)點(diǎn)應(yīng)具有較強(qiáng)的通信、計(jì)算能力，為提高通信效率，ASNs 需具有多個射頻終端，同時在多個頻段進(jìn)行數(shù)據(jù)收發(fā)。另一類節(jié)點(diǎn)是通信終端節(jié)點(diǎn)（communication terminal nodes，CTNs），由于通信對象單一，只需一個射頻終端即可完成通信過程。

2 DMBNCM 算法

DMBNCM 算法重點(diǎn)在于研究MBN 構(gòu)建及節(jié)點(diǎn)移動狀態(tài)下MBN 的維護(hù)，分為MBN 的初始構(gòu)建和MBN 的連通與維護(hù)2 個階段。

DMBNCM 算法中，節(jié)點(diǎn)特性由以下變量決定：

（1）標(biāo)識符（ID）。

（2）權(quán)值（W）。

對于網(wǎng)絡(luò)中的一個節(jié)點(diǎn)i而言，權(quán)值W（i）為節(jié)點(diǎn)i的度和節(jié)點(diǎn)標(biāo)識符（ID）的組合。若x節(jié)點(diǎn)的度大于y節(jié)點(diǎn)的度，或節(jié)點(diǎn)度相等，則ID（x）≥ID（y）。

（3）鄰居列表ngl1 和子列表Childl1。

ngl1 和Childl1 初始狀態(tài)為空表，ngl1 表示相鄰節(jié)點(diǎn)的ID，Childl1 表示關(guān)聯(lián)節(jié)點(diǎn)的ID。

2.1 MBN 初始構(gòu)建

MBN 初始構(gòu)建包括鄰居節(jié)點(diǎn)發(fā)現(xiàn)和節(jié)點(diǎn)關(guān)聯(lián)2 個步驟，通過鄰居節(jié)點(diǎn)探索，節(jié)點(diǎn)可得到鄰居節(jié)點(diǎn)的信息。節(jié)點(diǎn)關(guān)聯(lián)過程中，根據(jù)推選規(guī)則，選擇某些ASN 節(jié)點(diǎn)作為主干節(jié)點(diǎn)，未被推選的節(jié)點(diǎn)作為骨干節(jié)點(diǎn)的成員節(jié)點(diǎn)，并接受骨干節(jié)點(diǎn)的調(diào)度。

2.1.1 拓?fù)鋵W(xué)習(xí)

網(wǎng)絡(luò)中的每個節(jié)點(diǎn)在建網(wǎng)階段需學(xué)習(xí)周圍的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫畔ⅲ唧w過程為：每個節(jié)點(diǎn)廣播握手消息，消息中含有節(jié)點(diǎn)的ID 信息。節(jié)點(diǎn)通過接收鄰居節(jié)點(diǎn)的握手消息可以構(gòu)造出鄰居列表ngl1。鄰居列表構(gòu)造完成以后，將這一信息加入握手消息中，更新握手消息并再次廣播。同時，每個節(jié)點(diǎn)還要接收鄰居節(jié)點(diǎn)的握手消息，根據(jù)鄰居節(jié)點(diǎn)的握手消息，可以構(gòu)建出鄰居節(jié)點(diǎn)的度、權(quán)值以及鄰居列表等信息。

2.1.2 節(jié)點(diǎn)關(guān)聯(lián)

所謂關(guān)聯(lián)就是節(jié)點(diǎn)將某個節(jié)點(diǎn)作為自己的父節(jié)點(diǎn)，并受其控制。本文的關(guān)聯(lián)算法包括ASN 節(jié)點(diǎn)關(guān)聯(lián)和CTN 節(jié)點(diǎn)關(guān)聯(lián)2 個子算法。

在介紹關(guān)聯(lián)算法之前，首先給出以下幾個符號的定義，以節(jié)點(diǎn)u為例：

①NBN（u）：節(jié)點(diǎn)u的BN 鄰居節(jié)點(diǎn)集合；

②（u）：節(jié)點(diǎn)u的兩跳BN 鄰居節(jié)點(diǎn)集合；

③NASN（u）：節(jié)點(diǎn)u的ASN 鄰居節(jié)點(diǎn)集合；

④N′ASN（u）：節(jié)點(diǎn)u所有未關(guān)聯(lián)的ASN 鄰居節(jié)點(diǎn)集合。

（1）ASN 節(jié)點(diǎn)（設(shè)為u）的關(guān)聯(lián)

①若NBN（u）≠Φ，則與NBN（u）中權(quán)值最大節(jié)點(diǎn)關(guān)聯(lián)；

②若NBN（u）＝Φ且NASN（u）≠Φ，?v∈NASN（u） 滿足NBN（v）＝Φ。則與這些節(jié)點(diǎn)中權(quán)值最大的關(guān)聯(lián)。

（2）CTN 節(jié)點(diǎn)（設(shè)為u）的關(guān)聯(lián)

CTN 節(jié)點(diǎn)將會與鄰接的某個ASN 節(jié)點(diǎn)進(jìn)行關(guān)聯(lián)，分為以下幾種情形：

①若?v∈NASN（u） 滿足NBN（v）≠Φ，則與這些節(jié)點(diǎn)中權(quán)值最大的關(guān)聯(lián)；

②若?v∈NASN（u） 滿足NBN（v）＝Φ且v已經(jīng)與ASN節(jié)點(diǎn)關(guān)聯(lián)，則與這些節(jié)點(diǎn)中權(quán)值最大的關(guān)聯(lián)；

③若?v∈NASN（u） 滿足NBN（v）＝Φ且v沒有與ASN節(jié)點(diǎn)關(guān)聯(lián)，則與這些節(jié)點(diǎn)中權(quán)值最大的關(guān)聯(lián)。

2.2 MBN 構(gòu)建算法

ASN 節(jié)點(diǎn)（設(shè)為u）使用高頻信道周期性廣播握手消息并接收一跳范圍內(nèi)其他ASN 節(jié)點(diǎn)握手消息，可獲得鄰節(jié)點(diǎn)列表ngl1，鄰居列表包括CTN 節(jié)點(diǎn)和ASN/BN 節(jié)點(diǎn)。ASN/BN 節(jié)點(diǎn)通過獲取這些信息進(jìn)行MBN 的構(gòu)建與維護(hù)。當(dāng)滿足以下任何一種情形時u將自己轉(zhuǎn)換成BN 節(jié)點(diǎn)：

情形1：同時滿足以下2 個條件：

①NBN（u） ≠Φ；?v∈NASN（u），滿足NBN（v）＝Φ；

②?v∈N′ASN（u），w（u）＞w（v）。

情形2：?v1，v2∈NBN（u），滿足：

節(jié)點(diǎn)發(fā)生轉(zhuǎn)化后，立刻廣播Alter 消息公布該信息。

3 算法復(fù)雜度分析

在仿真之前，首先假設(shè)網(wǎng)絡(luò)規(guī)模為n，ASN 節(jié)點(diǎn)規(guī)模為N1，CTN 節(jié)點(diǎn)規(guī)模為N2，即N1＋N2＝n。網(wǎng)絡(luò)中最大節(jié)點(diǎn)度的值為Δ，每個節(jié)點(diǎn)的骨干節(jié)點(diǎn)即BN 鄰居節(jié)點(diǎn)數(shù)目為N。

第一階段，節(jié)點(diǎn)發(fā)送兩次握手消息以得到兩跳鄰居節(jié)點(diǎn)信息，此時網(wǎng)絡(luò)中消息開銷為2n次；

第二階段，節(jié)點(diǎn)發(fā)送一次握手消息公布局部拓?fù)湫畔?，此時網(wǎng)絡(luò)中消息開銷為n次；

因此算法的消息復(fù)雜度為O（n）。

結(jié)論：DMBNCM 算法的消息復(fù)雜度和時間復(fù)雜度均為O（n）。

DMBNCM 與TBONE、MBNP 算法性能對比如表1所示。由表1 可見，DMBNCM 算法開銷較小，能適應(yīng)空天地一體化網(wǎng)絡(luò)對信息傳輸?shù)膶?shí)時性要求。

表1 算法性能比較

4 算法性能仿真

假設(shè)某空天地信息一體化網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點(diǎn)隨機(jī)分布在一個300 km×300 km 的二維平面內(nèi)，并假設(shè)ASN 節(jié)點(diǎn)總數(shù)設(shè)定為40。運(yùn)行算法100 次。高容量作戰(zhàn)單元的最大通信距離為一定值，統(tǒng)計(jì)DMBNCM 算法生成移動骨干網(wǎng)的BN 節(jié)點(diǎn)數(shù)目，并與經(jīng)典TBONE 算法和MBNP 算法進(jìn)行比較，分析幾種算法的優(yōu)勢和不足。

由圖1 可以看出，在相同條件下，DMBNCM 和MBNP算法生成的移動骨干網(wǎng)所含BN 節(jié)點(diǎn)數(shù)目均多于TBONE算法，表明相比分布式算法，集中式算法生成的移動骨干網(wǎng)規(guī)模相對較??；當(dāng)ASN 節(jié)點(diǎn)規(guī)模一定時，隨著ASN 最大通信距離的增加，DMBNCM、MBNP、TBONE 算法的主干節(jié)點(diǎn)規(guī)模越來越小，表明隨著覆蓋范圍內(nèi)ASN 最大通信距離的增加，普通節(jié)點(diǎn)的鄰居節(jié)點(diǎn)數(shù)目增大，較小規(guī)模節(jié)點(diǎn)的骨干節(jié)點(diǎn)即可實(shí)現(xiàn)全網(wǎng)的覆蓋［12－14］。

圖1 BN 節(jié)點(diǎn)數(shù)目隨節(jié)點(diǎn)通信距離的變化曲線

5 結(jié)語

綜上所述，針對現(xiàn)有通信系統(tǒng)易受自然災(zāi)害及特殊地形影響的缺陷，本文利用衛(wèi)星及無人機(jī)的優(yōu)勢構(gòu)建基于空天地信息一體化網(wǎng)絡(luò)的通信系統(tǒng)。移動骨干網(wǎng)可有效提高空天地信息一體化系統(tǒng)信息的傳輸性能，保證信息的實(shí)時可靠傳輸。提出了DMBNCM 分布式移動骨干網(wǎng)構(gòu)建算法。理論分析和仿真表明，DMBNCM 算法具有較低的消息和時間復(fù)雜度，且能構(gòu)建連通的移動骨干網(wǎng)，對于基于空天地信息一體化的通信系統(tǒng)具有一定的應(yīng)用前景。