战术移动自组织网络路由方法*

牛敏杰，李 彤，张金强，吕 军

（1.装甲兵工程学院，北京 100072；2.解放军63892部队，河南 洛阳 471003）

战术移动自组织网络路由方法*

牛敏杰1，李 彤1，张金强2，吕 军1

（1.装甲兵工程学院，北京 100072；2.解放军63892部队，河南 洛阳 471003）

战术移动自组织网络（Mobile Ad Hoc Network，MANET）作为网络中心战的重要组成，有望解决未来战场上传统作战力量与新型无人作战平台之间高效组网通信问题。战术MANET作为MANET在战场环境下的应用，可在基础设施缺乏或遭破坏的地域快速展开，具有节点自由出入、移动性高、抗毁伤性强等特点。综述了战术MANET路由协议和仿真方法，对研究方法和面临的挑战作了简要评述。

战术通信，移动自组织网络，路由协议

0 引言

以网络中心战为主导的信息化战争深刻改变着传统作战模式，以无人战车、机器人、无人值守传感器等为代表的无人战场将是未来战争的发展趋势，指挥体系扁平化和集约化对战术组网通信提出更高要求。战术MANET以其快速展开、易部署、不依赖基础设施、节点自由出入、抗毁性强等特征，成为战场环境下作战单元实现“动中通”组网的首选［1］。战术MANET发展可以追溯到1972年美国DoD支持的分组无线网项目（PRNET）［2］，广泛深入的研究始于20世纪90年代中期美军战术互联网计划的实施。近期以层次化MANET子网为核心的美军联合战术无线电系统（JTRS）［3］，旨在解决战场上缺乏基础设施条件下通信组网问题。

由于战术MANET相比传统MANET有着接入对象广泛、节点数目多、拓扑变化快、节点易毁伤等特征，主要面临物理层资源分配及网络层高效路由的挑战。本文主要对战术MANET网络结构、路由协议、仿真方法进行概述，对研究方法作了简要述评，展望了战术MANET发展前景与挑战。

1 战术MANET结构

未来战场通信面临的主要挑战在于：复杂环境下无人节点的通信与控制对网络效率要求更高，战术节点需实时信息共享，协作完成任务［4］。采用层次化MANET作为战术通信的优势主要有：①通信网络可在作战地域自由展开，不受基础设施限制，扩展性强；②节点可以自由加入或离开网络，适合战场节点易毁伤和频繁更新的组网环境；③分布式结构符合指挥体系扁平化要求，拓扑层的减少便于信息流的高效流通和战法的展开。

图1 战术MANET网络结构

图2 战术MANET各层节点信息流

随着节点数目增多、带宽需求增大和指挥层级关系需要，战术MANET一般采用分层分布式网络结构，网络分层对应指挥关系，层内采用分布式结构灵活组网。图1为旅通信网络结构示意，分层分布式结合了完全分布式和分层中心式的优点，战术MANET可对所属节点通信能力进行高效整合、灵活运用［5］。基于分群的层次化战术MANET信息流如图2所示，层1为节点接入层，包括人员、无人车、传感器等单元信息交互，群间用网关节点链接；层2为逻辑网状（Mesh）网层，为各战斗群组指挥节点间的信息交互；层3为地域Mesh网层，如可以是营级指挥所，构成覆盖战术地域的接入网络体系。各层的节点信息准确传输很大程度上依赖可靠的路由协议，确保了网络抗毁伤性、时延、带宽等战术通信基本需求。

2 战术MANET路由协议

路由协议的首要目的是建立源节点到目的节点的有效路由，提供动态的拓扑维护，使消息可以在规定的时间内以最小的代价进行有效传输［6］。目前提出的MANET路由协议大多针对特定场景，战术MANET因复杂环境约束，在继承经典协议的基础上需研究新的协议与战术网络结构、节点特性相适应［7］。战术MANET路由协议主要有基于拓扑的路由协议、基于地理位置的路由协议、基于簇的分层路由协议、网关协议等，如JTRS包含按需距离矢量路由协议（AODV）［8］、混合地标路由协议（LANMAR）［9］和簇间开放最短路径优先协议（ROSPF）［10］。

2.1 基于拓扑的路由协议

经典的MANET路由协议大多基于拓扑结构，节点通过交换路由表确定路由策略，根据路由发现策略不同分为按需式、表驱动式和混合式，其中表驱动路由尽管具有低时延特征，但维持所有节点路由表控制开销较大，不适合节点数目多、拓扑变化快的战术MANET。

2.1.1 按需路由

经典的按需路由协议有动态源路由协议（DSR）、按需距离矢量协议（AODV）等，战术场景按需路由多是AODV、DSR在具体应用中的延伸。Gong等［11］采用跨层设计思想，提出了多信道MANET的按需路由信道分配协议CA-AODV和多跳CA-AODV结合按需路由的信道分配算法，有效减少了通信计算开销和存储难度。Boice等［12］针对MANET间歇性通断特征提出内容与空间-时间相适应路由（SCaTR），在没有直接路由的情况下用代理节点的方式，参考链路以往信息路由。

2.1.2 混合结构路由

混合结构综合了表驱动式可靠性低时延和按需式开销低的优势，适用于大型战术无线网络，基本思想为使用区域组网和骨干网的概念减少网络负载。经典的混合结构路由协议有区域路由协议ZRP［13］、地标路由协议 LANMAR［14］等。

Souihli等［15］提出负载均衡的MANET最短路径协议，提出一种新的路由代价度量方法，改善了网络负载平衡。Xiaochuan等［16］针对MANET频繁的拓扑变化及需要动态转换的路由表和按需路由策略，提出了基于链路可靠性的混合路由（LRHR），该协议依据链路可靠性分配边缘权重，选择路由权值和最高的链路作为骨干路由。

2.2 基于簇的分层路由协议

分簇组网已成为战术MANET典型特征，采用基于簇的分层组网结构可提高网络容量和路由效率，如美军近期数字无线电（NTDR）采用基于无线开放最短路径优先协议（ROSPF）的分簇组网方案。

最初的分层路由，如Eriksson等［17］针对大型网络和动态网络提出动态地址机制提高大规模MANET的网络性能，实现了大型网络在分层地址树内分配和维持动态地址。Al-Karaki［18］提出通过建立虚拟无线骨干链路（VGA）的MANET分簇算法，将物理拓扑分为虚拟的块状网格拓扑，相比传统路由更稳定、吞吐量更大。Abdulai等［19］针对节点再次广播“路由请求”时提高MANET信道竞争水平问题，提出两种基于先验定价转发概率方法以减少请求包数量的2P-Schem机制。最小连通支配集（CDS）算法可有效减少路由开销，Hazarika R［20］提出一种基于负载的分层自组网骨干节点选择算法LoB-CDS，分析比较了CDS及k-CDS算法在MANET应用时的最大吞吐率，一定程度上解决了分层MANET中终端负载瓶颈引起网络性能下降的问题。战术MANET中单兵和传感器节点携带能源有限，Kawadia设计了一系列异构自组网节能方案，如CLUSTERPOW21协议采用动态和隐性分簇方法，分簇标准考虑节点能量，通过预先执行低能量级下包封装而不是直接转发实现节能。

2.3 基于地理位置的路由协议

战术节点具有定位功能，基于地理位置的路由协议充分利用了该特征，不依赖频繁更新的路由表，在减少路由开销和灵活性上更有优势，可分为位置感知路由和区域多播路由。

2.3.1 位置感知路由

位置感知路由中MANET节点能感知其他节点位置，早期的协议利用GPS提供的精确坐标辅助路由，如贪婪边缘无状态路由（GPSR）［22］、位置辅助路由（LAR）［23］等。Chou 等［24］提出将动态信标机制用于MANET的地理位置转发算法（DRM），减少了慢移动节点路由维持开销，提高了快移动节点的转发速率。Li等［25］提出的MANET位置辅助知识提取路由（LAKER），通过减少“路由请求”分发的带状区域减小路由发现的网络开销。Na和Kim［26］提出的地标路由协议（GLR）解决MANET中盲目迂回和三角路由问题，GLR通过发现两条相反路径绕过无效区域解决该问题。

2.3.2 区域多播路由

区域多播路由指源节点向目的区域路由，消息依据地理信息在目的区域内广播，适合战场态势或命令的局部传达。相比泛洪，区域多播路由减少了路由开销，但由于网络分割算法缺陷会导致消息盲区。Ko等［27］提出的MANET区域多播路由（GeoTORA）建立在单播TORA路由基础上，源节点多播消息到目的区域，当区域内任一节点收到该消息时即将包在区域进行广播。Liao等［28］提出基于网格的MANET区域多播路由协议（GeoGRID），GeoGRID依据位置信息定义转发区域，网络按照地理区域分为逻辑网格，每个网格中选择一个网关节点负责转发多播包。

2.4 外部网关协议

战术MANET子网通过骨干网连通能有效提升协作能力，但子网由于任务、隶属、模式等差异，难以直接互通，需要设计高效的外部网关协议（EGP）［29］。传统的网关协议如边际网关协议（BGP）设计初衷是应用于静态商用网络，协议设定和机制不适用战术MANET链路。Carl G［30］等提出用于军事移动网络的改进BGP协议，该协议使用微自治系统有效防止了小系统分离。美陆军研究室的Chau C等［31］提出MANET域间路由协议，该协议运行不用考虑域内采用何种路由，也可远距离直接或通过中继网关实现域间链接。Lee S等［32］提出一种支持异构MANET之间通信的域间MANET路由协议（InterMR），采用基于属性地址和周期性更新Beacons响应由节点移动引起的域内和域间信息变化，实现了异构网络之间的无缝链接。

3 战术MANET路由协议仿真

战术MANET路由协议开发主要采用计算机仿真方法，相比测试床或实际部署具有性价比高、速度快、灵活性强的优势［33］，而准确评估协议的基础建立在贴近战术场景的节点移动模型之上。

3.1 节点移动模型

3.1.1 基于轨迹的模型

基于轨迹的模型中节点移动特性从现实数据中统计得到，需要长时间以足够节点为样本分析获取，如 Patterson等［34］和 Kim 等［35］分别从统计的角度获取了节点移动轨迹。战术移动模型获取受到样本容量、场景设置等约束条件影响，很难通过实测统计方式获取移动轨迹。

3.1.2 综合模型

综合模型大多基于概率方法描述现实移动场景特征，如自由移动的随机路点模型［36］、群组移动的参考点群移动模型［37］，其中群组移动模型更符合战术场景。刘行兵等［38］提出以指挥员节点为参考点的战术MANET群组移动模型；Milan Rollo等［39］提出一种战术网络环境下异构单元群移动模型，利用软件仿真路由协议检验拓扑控制的有效性；戴晖等［40］建立了战术MANET移动模型（TAM），通过仿真比较得出TAM模型符合战术想定；Das T［41］提出了一种战场环境下协作群移动模型（CGM）。

以上模型都假设节点处于开放的无障碍区域，不符合真实场景，地域受限移动模型更准确反映复杂的战场环境，如Agenda Driven移动模型［42］利用路径约束节点选择目的地。Jardosh等［43］研究了障碍移动模型细节，利用障碍物模拟建筑，创建了节点移动路径。Sabbir Ahmed［44］提出逼真的现实场景MANET任务决定移动模型（MCM），包含了遇到障碍物和街道环境下节点拟人化的移动轨迹选择。

3.2 仿真评估

仿真方法评估战术MANET路由协议主要步骤有：选择仿真参数、执行实验和分析结果，其中参数的选取对协议的正确评估尤为重要。网络性能参数主要有：吞吐量、分组递交率、丢包率、时延、路由开销和能量消耗等，主流网络仿真平台对网络参数的支持如表1所示［45］。众多工具中NS2/3离散事件仿真器在路由协议开发中使用最为广泛，一方面由于其开源和易扩展的特点，同时包含了从物理层到应用层常用的协议和节点移动模型，便于开发时直接使用或进行修改。

表1 典型仿真平台对网络参数的支持

4 总结与挑战

随着网络中心战在现代战场中的作用愈发重要，本文通过综述文献得出采用基于分簇的分层分布式网络结构是战术MANET发展趋势，设计符合战术网络结构的高效路由协议是战术组网的基础，建立贴近战场环境的移动模型是准确评估协议的关键。

战场环境下通信节点面临很多威胁，如链路不稳定、拓扑变化快、节点易毁伤、延迟容忍低、地形环境复杂等，设计可靠的路由协议是实现战术MANET的核心和难点，面临的主要挑战有：①当分组在网络间中继时，IP层和MAC层拥堵造成的排队延迟是战术通信延迟主因，战术MANET协议设计时需考虑跨层资源共享以缓解通信延迟；②尽管已提出许多MANET路由协议，但针对战术场景的研究不多，设计具有稳定连通性、高带宽、低开销、抗毁性强的路由协议仍是主要研究内容；③战术MANET的安全性直接关系到战术效能发挥，设计有效的隐私保护、访问控制、安全位置验证等安全协议尤为关键。

［1］ELMASRY G.A comparative review of commercial tactical wireless networks［J］.IEEE Communications，2010，48（10）：54-59.

［2］MURPHY A L，ROMAN G C，VARGHESE G.An exercise in formal reasoning about mobile communications［C］//Proceedings of 1998 IEEE Ninth International Workshop on Sofeware Specification and Design.Ise Shima，1998：25-33.

［3］GEORGE F.Elmasry tactical wireless communications and networks［M］.New Jersey：Wiley，2012：129-131.

［4］ROBERT S，MURALI T，JOHN M.Availability of Ad Hoc wireless networks of unmanned ground vehicles with group mobility［C］//2013 IEEE 46th Hawaii International Conference on System Sciences，Hawaii，2013：5097-5105.

［5］韩金冶，花江，汪晓宁.战术Ad Hoc网络结构与路由研究综述［J］.电子技术，2008，46（3）：160-165.

［6］JUNHAI L，DANXIA Y，LIU X.A survey of multicast routing protocols for mobile Ad hoc networks［J］.IEEE Communications Surveys and Tutorials，2009，11（1）：78-91.

［7］MAMATHA G S，SHARMA S C.Network layer attacks and defense mechanisms in MANETS：a survey［J］.International Journal of Computer Applications，2010，9（9）：12-17.

［8］PERKINS C，ROYER E.Ad hoc on-demand distance vector routing［C］//2th IEEE Workshop on Mobile Computing Systems and Applications，New Orleans，1999：99-100.

［9］KAIXIN X，XIAOYAN H，MARIO G.A landmark routing in Ad hoc networks with mobile backbones［J］.Journal of Parallel and Distributed Computing，2003，63（3）：110-122.

［10］JOSSELINV ，OLICIERB.OnlineOSPFweightsoptimization inIPnetworks［J］.ComputerNetworks，2014，60（9）：1-12.

［11］GONG M，MIDKIFF S，MAO S.On-demand routing and channel assignment in multi-channel mobile Ad hoc networks［J］.Ad Hoc Networks，2009，7（1）：63-78.

［12］BOICE J，GARCIA J，OBRACZKA K.Combining on-demand and opportunistic routing for intermittently connected networks［J］.Ad Hoc Networks，2009，7（1）：201-218.

［13］SAMAR P，PRARLMAN M，HAAS S.Independent zone routing：an adaptive hybrid routing framework for Ad hoc wireless networks ［J］.IEEE/ACM Transactions on Net-working，2004，12（4）：595-608.

［14］PEI G，GERLA M，HONG X.LANMAR：Landmark routing for large scale wireless Ad hoc networks with group mobility［C］//IEEE ACM MobiHoc，2000：11-18.

［15］SOUIJLI O，FRIKHA M，HAMOUDA M.Load-balancing in MANET shortest path routing protocols［J］.Ad Hoc Networks，2009，7（2）：431-442.

［16］XIAOCHUAN X，GANG W.Link reliability based hybrid routing fortacticalmobile Ad hoc network［J］.Journal of SystemsEngineeringandElectronics，2008，19（2）：259-267.

［17］ ERIKSSON J，FALOUTSOS M，KRISHNAMURTHY S.Scalable Ad hoc routing：the case for dynamic addressing［C］//Proceedings of IEEE INFOCOM，2004：1108-1119.

［18］ AL-KARAKI J，KAMAL A.Efficient virtual-backbone routing in mobile Ad hoc networks ［J］.Computer Networks，2008，52（2）：327-350.

［19］ABDULAI J，OOLD-KHAOUA M，MACKENZIE L.Adjusted probabilistic route discovery in mobile Ad hoc networks［J］.Computers and Electrical Engineering，2009，35（1）：168-182.

［20］HAZARIKA R，HARLAN B.A load-based approach for selecting the backbone terminals for a hierarchical Ad hoc network［C］//2014 IEEE Military Communications Conference，New York，2014：1139-1144.

［21］KAWADIA V，KUMAR P.Power control and clustering in ad hoc networks［C］//Proceedings of IEEE INFOCOM，2003：459-469.

［22］KARP B，KUNG H.GPSR：Greedy perimeter stateless routing for wireless networks［C］//Proceedings of ACM Mobi-Com，Nortel，2000：243-254.

［23］YOUNG B，NITIN H.Location-aided routing （LAR）in mobile Ad hoc networks［J］.Wireless Networks，2000，6（1）：307-321.

［24］CHOU C，SSU K，JIAU H.Dynamic route maintenance for geographic forwarding in mobile Ad hoc networks［J］.Computer Networks，2008，52（2）：418-431.

［25］LI J，MOHAPATRA P.LAKER：location aided knowledge extraction routing for mobile Ad hoc networks［C］//Proceedings of IEEE WCNC，New Orleans，2003：1180-1184.

［26］NA J，KIM C.Glr：A novel geographic routing scheme for large wireless Ad hoc networks［J］.Computer Networks，2006，50（17）：3434-3448.

［27］KO Y，VAIDYA N.GeoTORA：A protocol for geo-casting in mobile Ad hoc networks［C］//Proceedings of IEEE ICNP，Osaka，2000：240-249.

［28］LIAO W，TSENG Y，LO K，et al.GeoGRID：a geocasting protocol for mobile Ad hoc networks based on grid［J］.Journal of Internet Technology，2000，1（2）：23-32.

［29］TERRENCE G，DOW S.A survey of tactically suitable exterior gateway protocols［C］//2013 IEEE Military Communications Conference，New York，2013：487-491.

［30］CARL G，SHAH K.Performance of BGP among mobile military networks［C］//2011 IEEE Military Communications Conference，New York，2011：679-686.

［31］ CHAU C，CROWCROFT J，LEE K，et al.Inter-domain routing for mobile ad hoc networks［C］//3rd International Workshop on Mobility in the Evolving Internet Architecture，Seattle，2008：61-66.

［32］LEE S.InterMR：Inter-MANET routing in heterogeneous MANETs［C］//7th IEEE International Conference on Mobile Ad hoc and Sensor Systems（MASS），San Francisco，2010：372-381.

［33］FRIGINAL J，DAVID A，JUAN R，et al.A survey of evaluation platforms for Ad hoc routing protocols：a resilience perspective［J］.Computer Networks，2014，75（9）：395-413.

［34］PATTERSON D，LIAO L.Opportunity knocks：A system to providecognitiveassistancewithtransportationservices［C］//International Conference on Ubiquitous Computing，Lecture Notes in Computer Science，Nottingham，2004：433-450.

［35］KIMM，KOTZD，KIMS.Extractingamobilitymodelfromrealusertraces［C］//INFOCOM，Barcelona，Spain，2006：1-13.

［36］WANG T，CHOR P.Evaluating inter-arrival time in general random waypoint mobility model［J］.Ad Hoc Networks，2013，11（9）：124-137.

［37］HONG X，GERLA M，PEI G.A group mobility model for Ad hoc wireless networks［C］//International Workshop on Modeling Analysis and Simulation of Wireless and Mobile Systems，ACM Press，1999：53-60.

［38］刘行兵，孙华，郑雪峰，等.战术Ad hoc网单元群组移动模型研究［J］.中南大学学报（自然科学版），2012，43（4）：1382-1386.

［39］MARIK V，STRASSER T，ZOITLA.Mobility model for tactical networks［C］//HoloMAS 2009，Berlin Heidelberg，2009：254-265.

［40］戴晖，于全，汪李峰.战术移动Ad hoc网络仿真中移动模型研究［J］.系统仿真学报，2007，19（5）：1165-1169.

［41］DAS T，ROY S.Employing cooperative group mobility model for mobile target tracking in MWSN［C］//Applications and Innovations in Mobile Computing，2015：55-61.

［42］ZHENG Q，HONG X.Agenda driven mobility modeling［J］.International Journal of Ad Hoc and Ubiquitous Computing，2010，5（1）：22-36.

［43］JARDOSH A，BELDING E.Real world environment models for mobile Ad hoc networks［J］.IEEE Journal on Special Areas in Communications，2005，23（3）：622-632.

［44］SABBIR A，GOUR C，JOARDER K.An environment-aware mobility model for wireless Ad hoc network ［J］.Computer Networks，2010，54（9）：1470-1489.

［45］FRIGINAL J，DAVID A，JUAN-CARLOS R，et al.A survey of evaluation platforms for Ad hoc routing protocols：a resilience perspective ［J］.Computer Networks，2014，75（12）：395-413.

A Comprehensive Overview on Routing Method of Tactical Mobile Ad Hoc Network

NIU Min-jie1，LI Tong1，ZHANG Jin-qiang2，LYU Jun1
（1.Academy of Armored Force Engineering，Beijing 100072，China；2.Unit 63892 of PLA，Luoyang 471003，China）

Tactical mobile ad hoc network is considered an integral part of network centric operations，expected to address efficient network communication between traditional combat forces and unmanned combat platforms issues in future battlefield environment.Tactical mobile ad hoc network is the application of Mobile Ad hoc Network （MANET）in the battlefield，can expand in the area lacking of infrastructure or destroyed，the nodes have the features of highly mobile，free access networks，strong anti-destruct.In this paper，the latest research progresses in routing protocols and mobile modeling and simulation of tactical MANET is surveyed，briefly reviewed the research methods and challenges.

tactical communication，mobile ad hoc network，routing protocols

TP309

：A

10.3969/j.issn.1002-0640.2017.06.001

2016-05-15

：2016-06-17

军内科研基金资助项目

牛敏杰（1990- ），男，甘肃天水人，博士研究生。研究方向：移动自组织网络，战术无人车通信。

1002-0640（2017）06-0001-05