Ad Hoc網(wǎng)路由協(xié)議在常規(guī)靶場(chǎng)中的應(yīng)用及仿真

王祖良++李旭++張婷++鄭林華

摘 要： 在試驗(yàn)通信系統(tǒng)IP化改造的要求下，建設(shè)基于多跳路由協(xié)議的無(wú)線移動(dòng)自組織（Ad Hoc）試驗(yàn)通信網(wǎng)是必然的選擇。傳統(tǒng)的試驗(yàn)通信系統(tǒng)多采用集中控制的點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)星狀網(wǎng)，而移動(dòng)自組網(wǎng)屬于網(wǎng)狀網(wǎng)，采用完全不同的組網(wǎng)方式，其對(duì)特定試驗(yàn)保障通信業(yè)務(wù)的承載能力，以及路由協(xié)議的適應(yīng)性目前尚沒(méi)有試驗(yàn)數(shù)據(jù)可供參考。對(duì)自組網(wǎng)路由協(xié)議在試驗(yàn)通信中的應(yīng)用進(jìn)行研究，根據(jù)想定試驗(yàn)場(chǎng)景對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能進(jìn)行仿真分析，分別仿真了4種路由協(xié)議的數(shù)據(jù)包成功遞交率、平均吞吐量以及平均時(shí)延等網(wǎng)絡(luò)性能。仿真結(jié)果表明，4種路由協(xié)議中有3種協(xié)議綜合性能完全可以滿足試驗(yàn)通信保障任務(wù)。

關(guān)鍵詞： 移動(dòng)自組網(wǎng)； 路由協(xié)議； 時(shí)延； 吞吐量

中圖分類號(hào)： TN915.04?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2017）21?0006?04

Application of Ad Hoc routing protocol in conventional shooting range and its simulation

WANG Zuliang1， LI Xu2， ZHANG Ting1， ZHENG Linhua3

（1. School of Information Engineering， Xijing University， Xian 710123， China； 2. Xian Satellite Control Center， Xian 710043， China；

3. College of Electrical Science and Engineering， National University y of Defense Technology， Changsha 410073， China）

Abstract： Under the requirement of test communication system for IP transformation， it is an inevitable choice for the construction of wireless mobile Ad Hoc network based on multihop routing protocol. The point?to?multipoint star network of centra?lized control is mostly used in the traditional test communication systems. The mobile Ad Hoc network belongs to mesh network， but is totally different from other networking modes. There is no experimental data for reference when the mobile Ad Hoc network is used in specific test to guarantee the carrying capacity of the communication service and adaptability of the routing protocol. The application of Ad Hoc routing protocol in test communication is studied. The network performance was simulated and analyzed according to the test scenario. The network performances （data packet delivery ratio， average throughput and average time delay） of the four routing protocols were simulated respectively. The simulation results show that the integrated performance of the three routing protocols among the four protocols can meet the supporting task of test communication.

Keywords： mobile Ad Hoc network； routing protocol； time delay； throughput

0 引 言

隨著通信系統(tǒng)IP化改造的逐步推進(jìn)實(shí)施，建設(shè)基于多跳路由協(xié)議的無(wú)線移動(dòng)自組織試驗(yàn)通信網(wǎng)可以極大提升試驗(yàn)靶場(chǎng)通信保障能力，能夠更好地適應(yīng)高度信息化的武器裝備試驗(yàn)保障需求。本文在此背景下對(duì)自組織路由協(xié)議在常規(guī)靶場(chǎng)試驗(yàn)通信中的應(yīng)用進(jìn)行研究。在介紹了兩種多跳路由協(xié)議的基礎(chǔ)上，對(duì)在試驗(yàn)通信保障中引入移動(dòng)自組織路由協(xié)議性能進(jìn)行了仿真分析，仿真結(jié)果對(duì)基于移動(dòng)自組織的試驗(yàn)通信網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)部署和網(wǎng)絡(luò)參數(shù)配置具有參考價(jià)值。

1 移動(dòng)自組網(wǎng)路由協(xié)議

移動(dòng)自組網(wǎng)也叫MANET（Mobile Ad Hoc Network）網(wǎng)絡(luò)，是一種具有自愈能力的多跳網(wǎng)絡(luò)，節(jié)點(diǎn)之間需要通過(guò)多跳路由協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā)。移動(dòng)自組網(wǎng)拓?fù)涑３Ｌ幱陔S機(jī)變化中，主要是由于節(jié)點(diǎn)隨機(jī)移動(dòng)、信道不規(guī)則變化以及節(jié)點(diǎn)的隨意加入和退出網(wǎng)絡(luò)等原因造成。自組網(wǎng)路由協(xié)議生成和維護(hù)路由表，動(dòng)態(tài)監(jiān)控自組網(wǎng)拓?fù)渥兓?，定位目的?jié)點(diǎn)的邏輯位置，根據(jù)源節(jié)點(diǎn)發(fā)起的數(shù)據(jù)傳輸需求，尋址目的節(jié)點(diǎn)，并完成數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)。

Ad Hoc路由協(xié)議按照路由信息建立方式分類，可以分為主動(dòng)路由協(xié)議和按需路由協(xié)議兩類。endprint

（1） 主動(dòng)路由協(xié)議

主動(dòng)路由協(xié)議即是不管源節(jié)點(diǎn)有無(wú)數(shù)據(jù)需要發(fā)送，各節(jié)點(diǎn)主動(dòng)發(fā)現(xiàn)、生成和維護(hù)路由信息。方法是通過(guò)周期性廣播路由協(xié)議信息而實(shí)現(xiàn)。同時(shí)，各節(jié)點(diǎn)必須維護(hù)去往全網(wǎng)所有節(jié)點(diǎn)的路由。本文以BELLMANFORD協(xié)議為例給出主動(dòng)路由協(xié)議算法過(guò)程。

BELLMANFORD實(shí)現(xiàn)步驟如下：

步驟一：路由費(fèi)用度量。利用源節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)所需的跳數(shù)、時(shí)間延遲量或者數(shù)據(jù)隊(duì)列長(zhǎng)度作為路由費(fèi)用。

步驟二：路由信息廣播。各節(jié)點(diǎn)間隔一定周期向鄰居節(jié)點(diǎn)廣播路由信息，以實(shí)現(xiàn)所有節(jié)點(diǎn)均能感知本網(wǎng)絡(luò)中所有其他節(jié)點(diǎn)的路由費(fèi)用信息。

步驟三：路由決策。按照步驟一定義的路由費(fèi)用，以費(fèi)用最小為原則選擇需要轉(zhuǎn)發(fā)的下一跳節(jié)點(diǎn)。

步驟四：路由信息的維護(hù)。在建立了路由信息后，每個(gè)節(jié)點(diǎn)需要實(shí)時(shí)維護(hù)一個(gè)路由表，路由表中需要包括路由費(fèi)用、目的節(jié)點(diǎn)地址以及下一跳地址等信息。

（2） 按需路由協(xié)議

在按需路由協(xié)議中，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和路由表是按照源節(jié)點(diǎn)的發(fā)送需求而建立的，并且僅在源節(jié)點(diǎn)有數(shù)據(jù)需要發(fā)送而又缺失去往目的節(jié)點(diǎn)的路由時(shí)，才啟動(dòng)路由發(fā)現(xiàn)算法。DSR和AODV是兩個(gè)主要的按需路由協(xié)議，與主動(dòng)路由協(xié)議類似，按需路由協(xié)議也包括路由發(fā)現(xiàn)和路由維護(hù)兩個(gè)過(guò)程。

在DSR路由協(xié)議中，源節(jié)點(diǎn)動(dòng)態(tài)廣播路由請(qǐng)求信息RREQ，除目的節(jié)點(diǎn)外，其余中間節(jié)點(diǎn)收到RREQ信息后，如果RREQ路由記錄中沒(méi)有包括本節(jié)點(diǎn)，則將本節(jié)點(diǎn)地址追加到RREQ路由記錄里，然后再向周圍節(jié)點(diǎn)廣播更新后的RREQ信息。對(duì)于目的節(jié)點(diǎn)，則收到RREQ分組信息后向源節(jié)點(diǎn)發(fā)回路由回答分組信息RREP。

2 移動(dòng)自組網(wǎng)在試驗(yàn)通信中的應(yīng)用

建設(shè)基于多跳路由協(xié)議的無(wú)線移動(dòng)自組織試驗(yàn)通信網(wǎng)，可以極大地提升試驗(yàn)通信保障能力，能夠更好地適應(yīng)信息化武器裝備試驗(yàn)保障的需求。多跳自組織網(wǎng)絡(luò)作為一種無(wú)線組網(wǎng)形式，支持不同技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，可以在異構(gòu)環(huán)境下提供多種服務(wù)，具有組網(wǎng)簡(jiǎn)單、方便和易于擴(kuò)展等優(yōu)點(diǎn)，支持節(jié)點(diǎn)的隨意加入和退出，具有抗毀頑存性好，能夠很好地滿足場(chǎng)區(qū)覆蓋范圍可變、實(shí)現(xiàn)動(dòng)中通、適應(yīng)試驗(yàn)任務(wù)快速展開(kāi)以及外場(chǎng)試驗(yàn)獨(dú)立組網(wǎng)等要求。

歸納起來(lái)，在試驗(yàn)通信中引入無(wú)線移動(dòng)自組網(wǎng)具有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1） 提高網(wǎng)絡(luò)可靠性

與目前試驗(yàn)通信中廣泛采用的點(diǎn)到點(diǎn)微波通信系統(tǒng)相比，無(wú)線移動(dòng)自組網(wǎng)采用網(wǎng)狀網(wǎng)結(jié)構(gòu)，當(dāng)其中的某條鏈路出現(xiàn)故障，節(jié)點(diǎn)可自動(dòng)轉(zhuǎn)換到其他可達(dá)的迂回鏈路，網(wǎng)絡(luò)的可靠性有了大幅提高。

（2） 提高網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍

采用分級(jí)分層結(jié)構(gòu)，利用支持802.16的增強(qiáng)節(jié)點(diǎn)搭建骨干網(wǎng)絡(luò)，支持802.11的低功耗節(jié)點(diǎn)組成二級(jí)節(jié)點(diǎn)。采用802.16技術(shù)專項(xiàng)研制的增強(qiáng)節(jié)點(diǎn)可以實(shí)現(xiàn)單跳10 km范圍的通信，在五級(jí)轉(zhuǎn)發(fā)的情況下可以最大實(shí)現(xiàn)60 km場(chǎng)區(qū)覆蓋。

（3） 組網(wǎng)靈活、可擴(kuò)展性強(qiáng)

采用多跳組網(wǎng)，任一節(jié)點(diǎn)既可作為信息發(fā)送點(diǎn)和信息接收點(diǎn)，又可作為路由為其他節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)分組，具有自組織和自愈性。

3 性能仿真與評(píng)估

3.1 試驗(yàn)場(chǎng)景想定

想定一次60 km射程的常規(guī)武器試驗(yàn)，需要提供6個(gè)參試節(jié)點(diǎn)的通信保障任務(wù)，包括試驗(yàn)指揮1個(gè)節(jié)點(diǎn)，坐標(biāo)為（0，0），發(fā)射測(cè)控節(jié)點(diǎn)1個(gè)，坐標(biāo)為（0，1），中段測(cè)量節(jié)點(diǎn)2個(gè)，坐標(biāo)為（10，0）和（10，10），末段測(cè)量節(jié)點(diǎn)2個(gè)，坐標(biāo)為（60，0）和（60，10），以上坐標(biāo)單位為km。為此，除參試點(diǎn)位6個(gè)節(jié)點(diǎn)外，還需要在中段到末段間布置4個(gè)節(jié)點(diǎn)作為路由中繼，采用移動(dòng)自組網(wǎng)多跳路由實(shí)現(xiàn)60 km射程的全覆蓋。此外，為了實(shí)現(xiàn)自組網(wǎng)接入試驗(yàn)網(wǎng)，利用發(fā)測(cè)節(jié)點(diǎn)作為AP節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)與固網(wǎng)的信息交換，場(chǎng)景示意圖如圖1所示。仿真平臺(tái)采用GloMoSim無(wú)線網(wǎng)絡(luò)仿真工具進(jìn)行仿真，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)配置實(shí)現(xiàn)離散事件仿真，可以得到各層仿真統(tǒng)計(jì)結(jié)果（本文只統(tǒng)計(jì)分析應(yīng)用層性能），并利用Matlab工具對(duì)結(jié)果文件中的數(shù)據(jù)進(jìn)行繪圖分析。

3.2 仿真參數(shù)

仿真參數(shù)配置如表1所示。

3.3 通信業(yè)務(wù)設(shè)置

（1） 話音業(yè)務(wù)

模擬試驗(yàn)指揮節(jié)點(diǎn)1依次對(duì)發(fā)測(cè)節(jié)點(diǎn)2，中段測(cè)量節(jié)點(diǎn)3、4以及末段測(cè)量節(jié)點(diǎn)9、10五個(gè)節(jié)點(diǎn)的指揮調(diào)度，試驗(yàn)指揮采用輪詢形式向其余5個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)起指揮口令，指揮口令和應(yīng)答口令通話時(shí)長(zhǎng)均為8 s。話音分組類型為CBR，分組長(zhǎng)度為100 B，分組間隔為100 ms，則比特速率為[100×80.1=]8 Kb/s，用于模擬8 Kb/s的數(shù)字語(yǔ)音編碼數(shù)據(jù)，共發(fā)送數(shù)據(jù)分組數(shù)為[8×8×1 000/8/100=]80，考慮一定富裕量，仿真中發(fā)送分組數(shù)為90，時(shí)間間隔為10 s。

（2） 視頻業(yè)務(wù)

節(jié)點(diǎn)3從仿真開(kāi)始持續(xù)向節(jié)點(diǎn)2發(fā)送視頻數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)類型為CBR，分組長(zhǎng)度為1 500 B，發(fā)送分組間隔為1 ms，則比特速率為12 Mb/s，用于模擬高清視頻。

3.4 仿真結(jié)果分析

（1） 分組成功遞交率

分組成功遞交率隨信道帶寬變化的仿真結(jié)果如圖2所示，信道帶寬為10～28 Mb/s，分別仿真了兩種主動(dòng)路由協(xié)議WRP，BELLMANFORD和兩種按需路由協(xié)議AODV，DSR。

由圖2可以看出，從分組成功遞交率看，AODV成功遞交分組的性能明顯比其他三種協(xié)議差，無(wú)法滿足試驗(yàn)要求。性能最好的兩種路由協(xié)議為DSR和BELLMANFORD，性能相當(dāng)，當(dāng)?shù)讓有诺浪俾蚀笥?6 Mb/s時(shí)成功率接近99%，DSR為99.1%左右，BELLMANFORD為98.7%左右，若在應(yīng)用層再利用重傳反饋等措施對(duì)可靠性加以改善，完全可以滿足試驗(yàn)要求。WRP協(xié)議性能稍遜于DSR和BELLMANFORD，直到底層信道帶寬大于22 Mb/s以后成功率才穩(wěn)定在97.3%以上，在應(yīng)用層采用良好的重傳反饋措施下依然可以滿足試驗(yàn)要求。endprint

（2） 平均吞吐量性能

平均吞吐量隨底層信道帶寬的變化曲線如圖3所示。

由圖3可知，從網(wǎng)絡(luò)平均吞吐量性能看，WRP協(xié)議性能最差，其他三種性能大致相當(dāng)。WRP協(xié)議需要底層帶寬高于22 Mb/s吞吐量性能才趨于穩(wěn)定。而其他三種協(xié)議在16 Mb/s以上即可達(dá)到穩(wěn)定。

（3） 平均時(shí)延性能

平均時(shí)延隨底層信道帶寬變化規(guī)律如圖4所示。

由圖4可知，在信道帶寬大于16 Mb/s時(shí)仿真的4種路由協(xié)議平均時(shí)延均小于1 ms，在14 Mb/s這個(gè)點(diǎn)上，時(shí)延性能優(yōu)劣順序依次為WRP，AODV，BELLMANFORD和DSR，但差別并不明顯，WRP最小為35 ms，DSR最大為42 ms。在12 Mb/s點(diǎn)上，依次為AODV，WRP，BELLMANFORD和DSR，差別也不明顯，相差小于5 ms。而在小于12 Mb/s時(shí)，由于信道帶寬小于業(yè)務(wù)速率，分組成功遞交率很低，時(shí)延統(tǒng)計(jì)并沒(méi)有實(shí)際意義，不予考慮。

總之，從時(shí)延性能看，當(dāng)信道帶寬大于14 Mb/s時(shí)，平均時(shí)延均小于50 ms，完全可以滿足話音、視頻和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)需求。

（4） 綜合性能分析

從上面對(duì)4種路由協(xié)議分組成功遞交率、網(wǎng)絡(luò)平均吞吐量及平均時(shí)延的仿真結(jié)果看，綜合各種性能，除AODV協(xié)議由于成功遞交率過(guò)低不能滿足要求外，其余三種路由協(xié)議均可滿足試驗(yàn)保障通信需求。雖然在信道帶寬較低時(shí)DSR時(shí)延稍大，但并不影響業(yè)務(wù)傳輸質(zhì)量，三種路由協(xié)議綜合性能優(yōu)劣依次為DSR，BELLMANFORD和WRP。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文對(duì)四種路由協(xié)議在試驗(yàn)通信保障中的性能進(jìn)行了仿真分析，結(jié)果表明，從分組成功遞交率、網(wǎng)絡(luò)平均吞吐量及平均時(shí)延等三個(gè)指標(biāo)綜合性能看，除AODV協(xié)議外，其余三種路由協(xié)議，即DSR，BELLMANFORD和WRP均可滿足試驗(yàn)保障通信需求。本文研究結(jié)果對(duì)試驗(yàn)保障通信網(wǎng)絡(luò)的論證、系統(tǒng)設(shè)計(jì)和參數(shù)配置具有一定的理論指導(dǎo)意義。

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