紫外光自組網按需多徑距離矢量路由算法

陳 沖,宋 鵬,李云紅,朱 磊,陳錦妮,張曉丹

(西安工程大學 電子信息學院,陜西 西安 710048)

0 引 言

紫外光通信通常采用波長為200～280 nm的日盲波段,利用大氣中氣體分子以及氣溶膠粒子的散射作用實現信息傳輸[1-3]。紫外光自組網可解決紫外光通信中發(fā)射功率低、大氣衰減嚴重、通信覆蓋范圍小等問題[4]，其優(yōu)良特性在軍事與民用通信領域具有廣泛的應用前景[5]。

1979年,DAVID團隊[6]基于橢球坐標系建立了單次散射通信模型；文獻[7]在文獻[6]的基礎上建立了共面條件下的非直視單次散射通信模型；文獻[8]研究了非共面情況下紫外光非直視通信模型性能；文獻[9]基于球面坐標系建立了非直視單次散射路徑損耗模型,該模型與仿真求得的路徑損耗擬合度較好；文獻[10]建立了紫外光非直視通信模型,并研究了不同拓撲結構下紫外光非直視3種通信方式的網絡性能。影響紫外光通信網連通性能的因素有節(jié)點密度、通信覆蓋范圍、數據傳輸速率以及發(fā)射功率等,考慮上述因素,為保證網絡有較好的連通性,網絡路由協(xié)議的設計至關重要[11]；文獻[12]在非直視3種模式基礎上研究定向洪泛路由,對比分析了其延遲、抖動、吞吐量和能耗特性；文獻[13]針對高負載與高移動性情況下AOMDV協(xié)議進行改進,延遲和傳輸率都得到改善,但未分析節(jié)點運動區(qū)域的變化對性能的影響；文獻[14]研究了紫外光非直視定向發(fā)送全向接收通信方式下的媒體接入控制(Media access control,MAC)協(xié)議,提出基于角度感知的紫外光非視距通信定向MAC協(xié)議；文獻[15]指出單向鏈路會影響MAODV協(xié)議的路由維護機制,改進后的算法有效提高了路由性能,但僅與未改進的MAODV協(xié)議進行對比分析。

本文通過分析紫外光直視傳輸模型,給出接收光功率的表達式以及單條鏈路收發(fā)裝置進行捕獲、對準與跟蹤的過程。針對紫外光Ad Hoc網絡,研究紫外光自組網AOMDV路由協(xié)議,詳細描述了算法實現過程,并且利用NS2在不同場景下對AOMDV和MAODV路由協(xié)議的性能進行仿真對比。

1 紫外光通信模型

1.1 直視紫外光通信模型

紫外光通信分為直視(LOS,line-of-sight)與非直視(NLOS,non-line-of-sight)通信[16]。直視通信就是將發(fā)射端與接收端完全對準進行通信。發(fā)射端與接收端不需要完全對準,光子經公共散射體散射后到達接收端的通信稱為非直視通信。

根據文獻[16]所述,一條LOS鏈路不僅會經受自由空間路徑損耗,還會因大氣的吸收與散射作用呈指數衰減。LOS鏈路接收端接收的光功率為

(1)

(2)

通常采用誤碼率作為評判系統(tǒng)通信質量優(yōu)劣的指標。一般情況下,良好的通信需要誤碼率小于或者等于10-5[17]。調制采用二進制通斷鍵控(OOK),忽略系統(tǒng)熱噪聲影響,在調制信號時隙內,光子數量呈泊松分布,接收端誤碼率Pe為[18]

(3)

式中:Ns表示每個脈沖間隔時隙接收端接收的光子數量。其表示為

(4)

綜合式(3)和式(4)計算可得誤碼率Pe為

(5)

(6)

根據式(5)，(6)可以得出接收光功率為

(7)

假若給定誤碼率,通過式(7)可以判斷發(fā)射的信息是否被成功接收。將式(7)的接收光功率Pr作為接收閾值,如果通信中接收到的Pr,LOS大于接收閾值Pr,則證明鏈路通信良好;如果接收到的Pr,LOS小于接收閾值Pr,則證明鏈路無法通信。

1.2 節(jié)點間的捕獲、對準和跟蹤

紫外光移動自組網通信鏈路建立的前提是要實現單條鏈路節(jié)點間的捕獲、對準與跟蹤。主從節(jié)點收發(fā)裝置完成捕獲前的位置關系如圖1所示。

圖 1 收發(fā)裝置捕獲前位置關系Fig.1 The position relationship of transceiverbefore acquisition

圖1中CT是發(fā)射裝置形成的發(fā)射光錐,CR是接收裝置形成的視場光錐。主從節(jié)點裝置的初始相位是任意的,兩者的初始相位差隨機分布在0°～360°之間。主節(jié)點以固定轉速運動,從節(jié)點轉速以某一加速度線性增加,在較短時間內,主從節(jié)點從任意相對位置與初始相位差的條件下實現對接,從節(jié)點接收到主節(jié)點發(fā)送的實時相角與方位等信息,完成捕獲過程[17]。對準指的是完成捕獲后,從節(jié)點對接收的信息進行處理,調整自身轉速,并在主節(jié)點旋轉幾個周期后,從節(jié)點指向相角與主節(jié)點相角相等,實現兩者直視通信。主從節(jié)點收發(fā)裝置對準時,位置關系如圖2所示。跟蹤指的是在完成捕獲與對準兩個過程后,慢慢調整從節(jié)點轉速,讓收發(fā)裝置始終保持良好的動態(tài)對準。

圖 2 收發(fā)裝置對準時位置關系Fig.2 The position relationship of transceiver when pointing

依據式(5),當主節(jié)點的偏轉角與從節(jié)點的偏轉角都等于θ,誤碼率等于10-5時,發(fā)射端的傳輸碼速率為

(8)

(9)

式中：(PM)n為第n個光子最多經過M次散射可到達接收端的總概率。

(10)

2 紫外光自組織網絡路由協(xié)議

2.1 AOMDV路由實現過程

AOMDV 協(xié)議的主旨是在路由發(fā)現的時候建立多條路由,選擇一條為通信的主路由,其余作為備份路由.當主路由發(fā)生斷裂,啟用備份路由進行通信。只有當全部路徑都無法正常通信才需要開啟新的路由發(fā)現過程[20]。AOMDV路由實現的過程如圖3所示,其中S為源節(jié)點,D為目的節(jié)點,其余則是中間節(jié)點。圖3(a)圖建立了兩條源節(jié)點S到目的節(jié)點D的鏈路不相關路徑,其中一條作為主路徑,一條作為備份路徑;圖3(b)展示了主路徑發(fā)生斷裂以后啟動備份路徑進行通信;圖3(c)展示了主路徑和備份路徑均發(fā)生斷裂,通信無法正常進行,因此重新開啟路由發(fā)現過程。圖3(d)展示了路徑發(fā)生斷裂后,圖3(e)發(fā)生斷裂處的上一節(jié)點E在一跳范圍內啟動路由發(fā)現過程,節(jié)點E與D間的扇形區(qū)域增加搜索概率。后面節(jié)點依照這樣的步驟繼續(xù)搜索,直到重新找到源節(jié)點S到目的節(jié)點D的通信鏈路,如圖3(i)所示。

圖 3 AOMDV路由實現過程Fig.3 AOMDV routing implemented process

2.2 紫外光自組網路由的建立

在實際通信中,通信節(jié)點的發(fā)射端與接收端指向會不斷變化。紫外光自組網路由的建立過程如圖4所示。圖4中1-2-3-4-6所示為一條通信鏈路,其中每個節(jié)點既有發(fā)射端,也有接收端,小角度為發(fā)射端發(fā)散角,大角度為接收端視場角。源節(jié)點旋轉,發(fā)射端廣播路由請求(RREQ)消息。節(jié)點2與節(jié)點1建立單條鏈路,節(jié)點3與節(jié)點2建立單條鏈路,節(jié)點4與節(jié)點3建立單條鏈路,節(jié)點6與節(jié)點4建立單條鏈路,節(jié)點1到節(jié)點6的通信鏈路1-2-3-4-6建立完成,如圖4中黑色實線所示。同樣的方法,節(jié)點1可以通過節(jié)點5與節(jié)點6建立起另外一條鏈路,藍色點劃線所示。到目前為止,網絡中1-6節(jié)點都與1個或2個節(jié)點建立了可靠的鏈路。因為通信節(jié)點的收發(fā)裝置是旋轉的,每個節(jié)點在保證可靠鏈路捕獲、對準以及跟蹤的時候,鄰近節(jié)點間的收發(fā)裝置還有可能形成紫外光非直視通信鏈路。圖4中節(jié)點2和節(jié)點5有可能建立非直視鏈路,如綠色虛線所示。圖4中節(jié)點3和節(jié)點5也有可能建立非直視鏈路,如紫色點劃線所示.這樣就可以建立節(jié)點1與節(jié)點6之間的多條通信鏈路。

圖 4 紫外光自組網路由的建立過程Fig.4 UV Ad Hoc network routing established process

3 仿真與分析

3.1 仿真參數設置

利用NS2進行仿真, Sedest產生節(jié)點運動場景,節(jié)點在運動區(qū)域內自由移動。分別對節(jié)點運動區(qū)域、節(jié)點數目和節(jié)點最大移動速度進行仿真實驗。仿真參數如表1所示,仿真參數中的接收閾值由式(7)中的接收光功率確定。

表 1 路由協(xié)議仿真參數設置

由于運動場景文件是隨機生成的,為了使仿真結果準確,利用多次仿真測試結果的平均值評價系統(tǒng)性能。選用以下2個指標對網絡路由協(xié)議的性能進行分析比較[21]:

(1) 端到端時延=總時延/目的節(jié)點接收的總數據包;

(2) 丟包率=丟失的數據包/源節(jié)點發(fā)送的總數據包。

3.2 不同節(jié)點運動區(qū)域下的時延和丟包率

移動節(jié)點數目固定為15個,節(jié)點運動區(qū)域范圍為(20×20) m2～(300×300) m2,節(jié)點運動區(qū)域與時延的關系如圖5所示。

圖 5 節(jié)點運動區(qū)域與時延的關系

Fig.5 The connection of moving areas and delay

隨著節(jié)點運動區(qū)域增加,MAODV協(xié)議時延趨勢先上升后下降。其原因是節(jié)點運動區(qū)域增加導致網絡拓撲變化頻繁,鏈路產生故障的頻率增高,消耗大量時間修復鏈路,由此將帶來節(jié)點時延增加。當節(jié)點運動區(qū)域很大時,系統(tǒng)的時延慢慢減小,是因為區(qū)域太大使得鏈路的建立更加困難,不得不縮短鏈路長度,降低了傳輸時間,延遲減小。AOMDV協(xié)議的時延剛開始基本不變,在運動區(qū)域長度為100 m以后逐漸增加,在230 m以后時延高于MAODV協(xié)議。這主要是由于最初節(jié)點運動區(qū)域較小,AOMDV協(xié)議有自身的備份路徑存在,路徑斷裂時,節(jié)點會啟用備份路徑建立通信鏈路。隨著運動區(qū)域的增大,直至所有備份路徑完全失效,源節(jié)點重新發(fā)起路徑尋找過程,導致時延最終大于MAODV協(xié)議。

移動節(jié)點數目固定為15個,節(jié)點運動區(qū)域范圍為(20×20) m2～(300×300) m2,節(jié)點運動區(qū)域與丟包率的關系如圖6所示。

圖 6 節(jié)點運動區(qū)域與丟包率的關系Fig.6 The connection of moving areas and packet loss rate

隨著節(jié)點運動區(qū)域增加,MAODV協(xié)議丟包率趨勢先上升后下降;AOMDV協(xié)議的丟包一直上升。節(jié)點數一定,運動區(qū)域增大,網絡拓撲結構發(fā)生變化,數據傳輸鏈路遭到破壞,加劇網絡擁塞,丟包率提升。當運動區(qū)域很大時,MAODV協(xié)議丟包率逐漸降低,而AOMDV協(xié)議依舊增大。這是因為MAODV協(xié)議隨著運動區(qū)域的增加,通信路徑建立變得困難,通信路徑長度縮短,丟包減小。AOMDV協(xié)議備份路徑失效,源節(jié)點需要重新尋找傳輸路徑,導致大量的丟包。

3.3 不同節(jié)點數目下的時延和丟包率

節(jié)點運動區(qū)域為(150×150) m2,節(jié)點數目變化范圍為3～30。節(jié)點運動區(qū)域固定,移動節(jié)點數目與時延和丟包率的關系如圖7和圖8所示。隨著節(jié)點數不斷增加,MAODV協(xié)議時延與丟包率均先上升后下降。原因是節(jié)點自由移動,節(jié)點數的增加雖使通信鏈路的建立變得相對容易,但也導致通信鏈路變長,傳輸時間增加,丟包現象加重。AOMDV協(xié)議隨著節(jié)點數的增加,丟包率和時延都呈降低趨勢,這是由于隨著節(jié)點數的增加,通信鏈路的建立變得相對容易,備份路徑增多,丟包率和時延相對降低。

圖 7 移動節(jié)點數目與時延的關系

圖 8 移動節(jié)點數目與丟包率的關系Fig.8 The connection of number of nodesand packet loss rate

3.4 不同節(jié)點最大移動速度下的時延和丟包率

節(jié)點最大移動速度與時延和丟包率的關系如圖9所示。設定節(jié)點數目為15個,節(jié)點運動區(qū)域為(150×150) m2,節(jié)點最大移動速度變化范圍為(5～20) m·s-1,其他參數不變。

由圖9可知,隨著最大移動速度的增大,AOMDV和MAODV協(xié)議時延和丟包率都呈增大趨勢。但AOMDV協(xié)議的時延和丟包率都遠遠小于MAODV協(xié)議。因為隨著最大移動速度的增加,單條鏈路損壞程度愈加嚴重,鏈路修復耗費一定時間,時延增加,丟包率增大。節(jié)點最大移動速度10 m·s-1以后,MAODV協(xié)議時延和丟包增長速度更快。

4 結 論

(1) 在相同區(qū)域條件下,節(jié)點數較小時選擇MAODV協(xié)議,通信性能較好；節(jié)點數較大時選擇AOMDV協(xié)議,通信性能較好。

(2)在相同節(jié)點數條件下,節(jié)點運動區(qū)域較小時選用AOMDV協(xié)議,通信性能較好；節(jié)點運動區(qū)域較大時選用MAODV協(xié)議,通信性能較好。

(3)節(jié)點最大移動速度增大,AOMDV協(xié)議性能表現更優(yōu)。下一步工作,將研究拓撲結構變化對紫外光自組網AOMDV協(xié)議產生的影響。

(a) 最大移動速度和時延

(b)最大移動速度和丟包率