面向航空集群网络的改进型AODV路由协议

张步硕，陈柯帆，迟晓燕，吕 娜，赵鹏博

(1.空军工程大学 信息与导航学院，西安 710077；2.中国电子系统设备工程公司研究所，北京 100141)

面向航空集群网络的改进型AODV路由协议

张步硕1，陈柯帆1，迟晓燕2，吕 娜1，赵鹏博1

(1.空军工程大学 信息与导航学院，西安 710077；2.中国电子系统设备工程公司研究所，北京 100141)

航空集群作战是未来空战重要作战模式，作战的场景、对象、态势更加复杂多变，经典的AODV(ad hoc on-demand distance vector routing)路由协议由于存在网络节点资源耗费不均以及无法适应网络拓扑结构快速变化等问题，不能很好地适应航空集群网络。提出一种基于资源可用模型和断裂链路快速修复模型的改进型AODV路由协议。协议通过设计资源可用模型改善航空集群网络中节点存储资源、计算资源、带宽资源耗费不均的问题，提高节点生存时间，并且通过设计断裂链路快速修复模型，降低重启路由发现频率，使其能更好地适应网络拓扑快速变化的航空集群网络。仿真表明，与经典的AODV协议相比，该协议在降低网络中死亡节点数目以及重启路由发现频率方面都有显著提升，对航空集群网络具有较强的适应能力。

航空集群网络；路由协议；AODV

0 引 言

信息时代簇生的信息化战争改变了人们对于传统作战的理解，作战系统由平台中心向网络中心转变，战场环境更加复杂多变。在航空作战方面，为了使航空作战平台能在复杂多变的战场环境中更好更有效地完成作战任务，近年来，研究人员研究发现自然界的生物如蚂蚁、蜜蜂等，虽然自身结构行为非常简单，但这些简单生物通过群体的协作，表现出复杂的行为特性，能够完成远远超过个体能力的复杂任务。为了掌握航空作战的战场主动权，受自然界生物行为启发，将生物集群的理念应用到航空作战领域，提出航空集群的理念，产生了航空集群作战这一未来航空作战的重要模式，而基于航空集群的灵巧空战模式便需要更为灵活的组网形式、更为合理高效的网络资源分配与利用、更高的信息传输速率和可靠性等。需要构建支持航空集群作战的具体无线网络，作为军事航空通信发展的未来方向，航空集群网络在这些需求背景下被提出[1-3]。航空集群网络要能够为航空集群快速高效地执行作战任务提供通信支持，其与实际作战任务具有灵活耦合关系。航空集群网络是无线自组织网在航空集群应用背景下产生的具体网络，无限自组织网络中路由协议是影响其性能的关键技术，因此，路由协议也是影响航空集群网络的关键技术[4]。

航空集群网络由于具有网络拓扑高速变化、集群飞机自身的存储资源、计算资源、带宽资源有限等特点，不同于常见的车载网、传感器网等无限自组织网络，因此现有的多数在传感器网、车载网等应用背景下设计的路由协议不能很好地适应于航空集群网络。AODV(ad hoc on-demand distance vector routing)路由协议[5]作为一种经典的无线网络路由协议应用十分广泛，AODV路由协议可以实现在飞机之间动态地、自发地路由，使飞机能够很快地获得通向所需目的的路由，同时又不用维护当前没有使用的信息，路由开销小，节省飞机可用资源，网络资源[6]占用少，可扩展性强，并且能够对断链的拓扑变化快速做出反应，适合于航空集群作战的场景。但是，现有的多数文献都是研究Ad Hoc网络[6]大背景下的AODV路由协议，对于Ad Hoc网络在航空集群网络应用背景下对路由协议的研究很少，文献[7]针对Ad Hoc网络提出了一种改进型AODV路由协议，在路由发现和链路局部修复上作了改进，提高了链路的修复效率，但是只对于网络中的节点具有双向链路，并没有对单向链路进行研究。文献[8]针对Ad Hoc网络提出另一种改进型AODV协议,提出设置备份以避免路由重建，路由开销得到降低，但同时备份路由增加了路由空间开销，网络性能优化不明显。文献[9]针对多跳Ad Hoc网络提出盲合作通信，可以在源节点和目的节点之间的多跳路径上获取分级增益，在不依赖信道状态信息、拓扑信息以及额外的信号负载的基础上，实现较高的包投递率和平均端到端吞吐量。文献[10]提出一种思想，即可以通过对中继节点位置及其服务覆盖范围进行联合优化增强网络性能。文献[11]指出可以通过网络编码的方式有效地利用有限的网络资源，提出了一种新的动态编码控制机制，引入最优编码节点选择机制和编码节点管理策略来提升网络性能。文献[12]针对Ad Hoc网络提出了应用博弈模型解决节点能量过早耗尽的问题，其中，提出了网络节点资源有限的概念，但仅仅考虑了节点的能量资源，并没有考虑通信过程中的通信资源。文献[13]针对Ad Hoc网络，为了改善其中间节点由于各种原因不能提供路由工作的情况下，提出在发送路由请求时，在原有的消息格式中加入特定字段用来改善路由重启发现频率，但没有考虑节点自身资源消耗情况。

本文针对航空集群网络应用背景下的路由协议进行研究，对AODV路由协议进行改进，通过设计资源可用模型改善节点存储资源、计算资源、带宽资源耗费不均的问题，提高节点生存时间，并且通过设计断裂链路快速修复模型，降低重启路由发现频率，使其能更好地适应网络拓扑快速变化；提出了一种基于资源可用模型和断裂链路快速修复模型的改进型AODV路由协议(resources available and broken link quick repairing-AODV，RaBlqr-AODV)；改善了航空集群网络中节点存储资源、计算资源、带宽资源分配的合理性、增强了对网络拓扑高速变化的适应能力，能够更好地适应航空集群网络。

1 AODV路由协议分析

1.1 AODV协议路由选择策略概述

经典的AODV协议中，协议的消息主要包括3种，负责路由启动发现的路由请求消息(route request, RREQ)，负责回复RREQ的路由应答消息(route replies, RREP)，负责报告链路断裂的路由错误消息(route error, RRER)[14]。当某一源节点需要向目的节点发送消息时而并无到目的节点的路由时，便会发送RREQ消息，RREQ中带有目的节点和源节点的地址，中间节点收到该信息后，会检查自身是否是目的节点，如果是,则回复RREP消息，如果不是，检查自身是否存在到目的节点的路由信息，如果存在，则回复RREP消息，如果不存在，就继续采取洪范的方式转发[15]。最终，目的节点或是具有到目的节点路由的中间节点收到RREQ，都会回复RREP，源节点根据需要选择判断哪条应答消息路径更短，选择路径最短的更新自己的路由信息，建立路径。如果检测到断裂链路，并且有消息正在通过这条链路进行发送时，中断位置的上行节点便会发送RRER消息，相应的使用该链路的节点便会删除该路由，重新发送RREQ消息寻找新路径[16]。

1.2 AODV协议路由选择策略缺点分析

AODV路由协议由于基于“最短路径”作为寻路准则，在无线网络中很可能导致网络中的中间节点被多条链路公用进行路由转发而成为热点，而网络中的边界节点却很少被使用，如图1所示，节点s1,s2,s3,s4在同一时刻都想与节点d进行信息交互，但是d不在他们的通信范围内，此时节点s1,s2,s3,s4通过“最短路径”准则确定只能通过h1节点进行转发，不经过其他节点进行转发，h1成为热点，这种现象很容易造成网络中间节点h1由于过度耗尽自身资源而无法继续提供路由转发而变成死亡节点。

图1 死亡节点示意图Fig.1 Death nodes

同时在航空集群网络中，由于网络拓扑变化速度非常快，在短时间内很容易导致飞机间建立好的路由迅速断裂，对于业务量大的飞机间的信息交换便不能一次性地完成，因此对于航空集群网络来说，快速的链路修复率很重要，而链路修复率可用路由发现频率刻画，路由发现频率为源节点发送RREQ的个数与目的节点成功接收RREQ分组的个数的比值。而经典的AODV路由协议由于在网络拓扑变化快速的无线网络中路由发现频率较高[9]，无法适应拓扑变化快速的无线网络的需求，不能很好地适应航空集群网络。

2 RaBlqr-AODV协议模型设计

针对以上分析的AODV具有的缺点，设计资源可用模型和断裂链路快速修复模型改进AODV协议，提出RaBlqr-AODV协议，改善网络死亡节点数和路由发现频率。

2.1 资源可用模型

针对AODV路由协议采用最短路径导致部分节点成为热点而过度耗尽自身资源变成死亡节点的问题，本文设计资源可用模型改善此不足。

为了改善这一不足，将航空集群网络中节点本身所能提供的计算资源、存储资源、带宽资源作为重要考虑因素。因为航空集群网络中节点的这些资源有限。因此，从节点自身出发，考虑节点自身所能提供的这些资源与转发路由信息节点所需要消耗的这些资源作比较。

模型中定义代价函数为

(1)

(1)式中：LBi为节点i所能提供的带宽资源；Bi为节点i接收信息所需的带宽资源；LCi为节点i所能提供的计算资源；Ci为节点i接收消息所需的计算资源；LSi为节点i所能提供的存储资源；Si为节点i接收消息所需的存储资源。vi(si)的取值在节点带宽、计算、存储资源足够时，取值为1，如果所需的某一资源或几个资源超过节点相应剩余资源时，则取值为0。

源节点在发送RREQ消息时，将本次发送任务的数据量携带进RREQ中，加入link_number字段的RREQ消息格式如图2所示，将保留字段中4 bit划分出来(用DA表示)存放当前任务数据量大小。中间节点接收该信息后，会根据路由请求信息中携带的本次发送任务的数据量来计算自己的代价值，根据计算结果判断自己是否有能力转发该信息，结果为正，则说明自身所能提供的计算资源、存储资源、带宽资源大于转发该信息所需要的资源，自身有能力转发该信息；如果为零，则说明自身所能提供的资源中至少有一个小于转发该信息所需的该类资源，自身没有能力转发该信息。这样便可以有效避免部分节点成为热点。改善航空集群网络中节点存储资源、计算资源、带宽资源耗费不均的问题，提高节点生存时间。

类型JRGDU保留DA跳数路由请求识别码(RREQID)link＿number目的节点IP地址(DestinationIPAddress)目的节点序列号(DestinationSequenceNumber)源节点IP地址(OriginatorIPAddress)源节点序列号(OriginatorSequenceNumber)

图2 加入link_number字段的RREQ消息格式

Fig.2 RREQ message formate by adding link_numbermessage field

2.2 断裂链路快速修复模型

将依据资源可用模型中代价函数确定的可以传输数据的几条路由统统标记为逻辑1，证明这些链路可用，再在这些标记为1的路径中，选择节点的平均邻居节点数最多的链路，作为最终选路。因为一个节点的邻居节点的数目一定程度上反映了网络中该节点的局部状态信息，节点的平均邻居数越多，当发生链路断裂时，可进行的选择就越多，节点修复断裂链路的成功性就会增大，相应的便可以减少重启路由发现的频率，使网络的性能进一步提高。如图2所示，在源节点发出的RREQ消息中加入link_number字段，用来存储整个路由链路中所有邻居节点的邻居数目的总和。

加入link_number字段的RREQ消息格式分析如表1所示。

此格式中，增加了一个link_number字段，用于记录路径中所有中间节点的邻居节点的总数，航空集群的飞机数目一般在20～50架次，以中间节点的平均邻居节点数为4，链路中总结点数不超过200，此字段长度设为8 bit。

中间节点在收到该消息后，将自身的邻居节点个数的值依次累加到该字段，目的节点查看原有字段hop_count的值确定跳数Kl，查看link_number字段中的NNumberl,根据

(2)

确定平均邻居节点个数。

表1 加入link_number字段的RREQ消息格式分析Tab.1 Message format analysis of RREQ merged with link_number

通过设计断裂链路快速修复模型，有效改善路由发现频率，使其能够更好地适应拓扑变化快速的航空集群网络。

2.3 效用函数构建

分析之前所述AODV协议资源耗费不均以及路由发现频率较高的缺点，结合以上分析的2种模型，构建解决上述不足的RaBlqr-AODV协议的效用函数[17]表示为

Ul=LOGIC(∏ivi(si))·NANumberl

(3)

(3)式中，LOGIC(∏ivi(si))表示某条链路可用性的逻辑值，其值为

LOGIC(∏ivi(si))=

(4)

(4)式中，vi(si)表示某条链路上节点i的代价函数值。LOGIC(∏ivi(si))值为1表示该链路可用，用RLOGIC(∏ivi(si))表示，为0表示不可用，用ELOGIC(∏ivi(si))表示。

这样，在有效避免航空集群网络中部分节点成为热点外，可以有效改善重启路由发现频率，提升网络整体性能。

3 RaBlqr-AODV协议机制描述

3.1 路由发现

无线网络路由协议的基本操作是先通过路由发现选取合适的路径，再通过路由维护保持节点的邻居连接信息表，在需要查找路由时为节点提供策略选择依据。根据这一思路设计了RaBlqr-AODV的路由协议机制。

当源节点要发送数据时，先进行路由发现。检查路由表中有没有到目的节点的路径，如果有，则不进行任何操作；如果没有，则广播RREQ消息，消息中携带本次发送任务的数据量，同时，在RREQ路由消息中增加一个link_number字段。

中间节点接收处理RREQ消息流程如图3所示，处理过程具体如下：

1)中间节点会依据资源可用模型计算代价函数vi(si)，根据代价函数的正负判断自己是否有能力转发该信息，如果没有，则直接丢弃；如果有，计算自己邻居节点个数加入link_number字段。

2)节点检查自身路由表中是否存在到目的节点路由信息，如果存在，则检查是否收到过相同源ID的RREQ消息，如果没有，则转发RREQ消息。这样做是为了使目的节点可以根据链路中节点的平均邻居节点个数做出更好的路由选择，因此当中间节点存在到目的节点的路由时，也不能回复RREP消息，只能继续转发直到目的节点自身收到RREQ消息；如果收到过相同源ID的RREQ消息，则判断当前收到的RREQ消息中跳数度量字段的值是否大于以前收到过RREQ消息跳数度量字段的值，如果大于，则进行丢包处理，如果小于，则更新路由信息，转发RREQ消息。这样做是为了选取路径相对较短的路由。如果节点不存在到目的节点的路由消息，同样地转发该RREQ包，直到找到目的节点。

图3 中间节点接收处理RREQ消息Fig.3 Intermediate node receives and handles RREQ message

目的节点收到多个来自源节点的RREQ包，这些RREQ包都经过可用路由到达目的节点，目的节点根据效用函数选用U=MAX[LOGIC(∏ivi(si))·(NANumberl)]的路径作为最终路径。

至此，路由发现完成，该机制尽可能做到单个节点和整个网络性能的优化，避免热点区域节点过早耗尽自身资源的同时选择跳数少的路径，并通过平均邻居节点个数进一步优化最终选路，改善重启路由发现频率。

3.2 路由维护

在路由维护阶段节点定期广播Hello消息，用来保持节点的邻居链接信息表，这样在数据需要查找路由时，为节点的策略选择提供依据。如果在一段时间内节点没有收到某个邻居节点的任何数据包，就断定它与此邻居节点已断开，此时便产生路由错误消息RRER，收到路由错误消息RRER的节点便不能使用原路径抵达目的节点，便会删除该路由，重新发送RREQ消息寻找新路径。

4 仿真结果与分析

实验采用MATLAB仿真工具，对RaBlqr-AODV和AODV进行仿真比较，针对航空集群作战的集群作战特点，选择仿真场景如下：为完成既定作战目标T组建了航空作战平台数量为50的航空集群，场景大小设置为500 km×500 km,飞机的传输距离为100 km,飞机可用频谱带宽为100 MHz，飞机主频为17.5 MHz,飞机可用缓存区大小设置为65 000 bytes,数据流类型为恒定码流，报文大小为50 bytes，报文发送间隔为0.25 s，节点移动模型为随机路点，随机路点模型是指节点初始处于暂停状态，而后节点在仿真区域中随机选择一个目的地，并以一个随机的速度朝此目的地匀速移动，节点的移动速度服从均匀分布，各个节点的移动速度和方向的选择不受其他节点影响，结点抵达目的地后再次暂停一段时间，然后重复上述过程，仿真次数为50次，表示相同场景下该实验重复执行50次，每次仿真时间5 s,本文假设同一时刻共有10组节点(每组2个)正在进行通信。

AODV与RaBlqr-AODV死亡节点数的实验结果如图4所示。AODV协议由于选择最少跳为转发路径，没有控制节点间资源消耗的均衡，导致某些节点成为关键节点，频繁地完成转发任务，致使其所能提供的存储资源、计算资源、带宽资源被耗尽，无法继续正常提供路由转发功能，成为死亡节点。RaBlqr-AODV协议设计资源可用模型，节点会根据代价函数的值来决定自己是否有能力提供转发，如果有能力则继续进行转发，如果自身资源不够则放弃转发，有效改善了某些节点成为热点过早耗尽其存储资源、计算资源、有效带宽，改善了网络性能，从图4可以看出，RaBlqr-AODV协议相对于AODV协议在死亡节点数量方面有明显下降。

图4 死亡节点个数与仿真次数曲线Fig.4 Curve between number of death nodes and simulation time

AODV与RaBlqr-AODV路由发现频率的实验结果如图5所示。路由发现频率为源节点发送RREQ的个数与目的节点成功接收RREQ分组的个数的比值。可以看出，RaBlqr-AODV协议中目的节点选择的路由是邻居节点数最多的链路，一个节点的邻居节点数目在一定程度上反映了网路的局部状态信息，节点的平均邻居数目越多，节点修复断裂链路成功的概率越大，因此当某些链路断裂时，更容易修复链路，源节点重启路由发现的频率也会相应地降低，从图5可以看出，RaBlqr-AODV的路由发现频率明显比AODV降低了许多。

图5 路由发现频率与仿真次数曲线Fig.5 Curve between frequency of route discovery and simulation time

综上所述，RaBlqr-AODV协议可以更好地均衡网络中节点存储资源、计算资源、带宽资源的分配，提高了节点的生存时间，并有效地降低了重启路由频率，改善了链路修复的成功率。

5 结束语

本文针对航空集群网络重点提出了改进型路由协议(RaBlqr-AODV)，阐述了RaBlqr-AODV协议的相关思路，设计了资源可用模型和断裂链路快速修复模型来提高节点生存时间和网络链路修复率，分析了RaBlqr-AODV的协议机制，并将RaBlqr-AODV与AODV进行了对比分析，仿真结果表明，RaBlqr-AODV路由协议相较于AODV路由协议对网络中节点生存时间以及网络链路修复率都有明显改善，能够更好地适应于航空集群网络。

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(编辑：张 诚)

The National Natural Science Foundation of China (61302153)

Aeronautic swarm operation will become an important combat mode in the future, the scenes, objects and situation in swarm operation will become more complicated, the classical AODV routing protocol cannot meet the demand of rapid structural changes of network topology and the consumption of node resources are not well distributed. Therefore, an improved AODV routing protocol based on resource availability model and broken link quick repairing model (RaBlqr-AODV) is put forward in this paper. By designing resource availability model, this method can improve the storage resources, computing resources, bandwidth resources so that unbalanced consumption can be solved in aeronautic swarm network. Furthermore, the survival time of the node can be enhanced, and by means of designing broken link quickly repairing model and reducing the frequency of discovering restarted route, it can be better adapted to aeronautic swarm network. Simulation results show that the proposed protocol can significantly decrease the number of dead nodes in the network and the frequency of route discovery and has stronger adaptability to aeronautic swarm network compared with the classical AODV protocol.

aeronautic swarm network; routing protocol; AODV

10.3979/j.issn.1673-825X.2017.04.009

2016-07-25

2016-11-15 通讯作者：张步硕 1055130073@qq.com

国家自然科学基金(61302153)

TN915.04；TP393

A

1673-825X(2017)04-0480-07

Improved AODV routing protocol for aeronautic swarm network

(1.School of Information and Navigation, Air Force Engineering University, Xi’an 710077, P.R. China；2.Institution of China Electronic System Engineering Corporation, Beijing 100411, P.R. China)

张步硕(1993-)，男，陕西省周至人，硕士研究生，主要研究方向为军事航空通信。E-mail:1055130073@qq.com。 陈柯帆(1990-)，男，四川省南充市人，主要研究领域为航空MAC协议。 迟晓燕(1982-)，女，山东即墨人，工程师，主要研究方向为移动通信安全。 吕 娜(1970-)，女，陕西西安市人，博士，教授，硕士研究生导师，主要研究领域为军事航空通信。 赵鹏博(1992-)，男，陕西省岐山人，主要研究方向为军事航空通信。

ZHANG Bushuo1, CHEN Kefan1, CHI Xiaoyan2, LV Na1,ZHAO Pengbo1