基于AODV的多弹组网路径稳定路由算法

高 翔，于纪言

(南京理工大学 智能弹药技术国防重点学科实验室， 南京 210094)

火箭弹多弹组网作战系统是弹群组网作战系统在火箭弹上的一种应用。由于修正火箭弹成本低廉，因此通过多枚大规模的修正火箭弹组网协同对目标进行打击，效费比较高。实现弹群组网协同攻击的关键技术则在于实现弹群信息互联互通的空间无线链路机制[1-3]。移动自组网(ad-hoc)由于具有无中心节点、无基站、能够适应节点快速移动和拓扑变化频繁的网络，在弹群组网中被广泛应用。ad-hoc网络路由算法是ad-hoc网络的核心也是实现弹群互联互通的空间无线链路的关键[4]。目前，ad-hoc较为成熟的路由协议包括DSDV、FSR、OLSR等。[5]其中AODV路由协议是一种能够较好适应ad-hoc网络的按需路由协议,该路由协议不需要维护到所有节点的路由，仅需在需要时才进行路由获取，通信结束则不再维护路由，从而节省了网络资源。然而AODV路由协议在节点高速运动的环境下，网络拓扑频繁变化，链路极易中断，导致网络性能的迅速下降，从而无法提供较好的网络通信质量[6-8]。目前，国内外针对该问题，提出了多种改进方案。例如李明军等[9]提出的路由评估函数和链路状态预测机制，使路由在失效前启动局部修复。文献[10]提出的AODV-BR算法，其主要利用备份路由替换失效路由，但是需要付出维护多个备份路由的代价，而且快速变化的拓扑图也会导致备份路由失效；文献[11]提出的AODV-BA算法，其主要是通过对路由链路状态的检测，发现链路中较弱的连接，从而提前进行路由修复，但界定路由链路状态的标准缺乏足够的理论依据；文献[12]提出的通过相关性的路由选择算法，从而选择最稳定的链路；文献[13]提出通过接收信号强度变化，预测链路的稳定性。然而这些算法没有充分考虑网络拓扑对路由的影响。特别是当变化频繁时，相对稳定的链路也易失效。文献[14]通过调整跳数、平均连接度以及最小带宽的权值系数，使得移动自组网的性能有了很大的提高。然后该方法的实际应用意义不大。文献[15]利用网格中节点的位置信息，有效限制路由查询包的泛洪区域，结合预测策略和节点不相交路径策略来选择多条稳定的节点路由。

针对弹群组网的特点，本文在AODV的基础上设计了结合速度感知和路径稳定的改进型AODV路由协议(RS-AODV)。RS-AODV在路由发现阶段的节点选取上引入了新的评判机制，综合考虑了节点的剩余能量和路由跳数因素，建立路由路径评估函数。通过建立的路径评估函数来比较源节点到目的节点各条链路的稳定性，选择稳定性较好的链路作为最佳路由线路。

1 AODV路由发现阶段分析

AODV是一种专门针对移动自组网设计的典型按需距离矢量路由协议，具有较小的额外路由控制开销。AODV路由发现是通过广播的方式由源节点发送RREQ数据包来建立路由。当源节点有数据要发到目的节点时，先查看路由表中是否有到达目的节点的有效路由，如果有，则按照路由发送，如果没有，则发起路由发现过程[16]。源节点采用泛洪广播的方式给周边一跳节点发送RREQ消息接收到RREQ包的中间节点先查看在一段时间内是否收到具有相同标识的RREQ包，如果有，丢弃后收到的RREQ包，如果没有，处理该RREQ包。路由应答消息沿着RREQ发送过程中建立的反向路由送到源节点，至此路由发现过程结束，源节点与目的节点建立起了通信链路。

2 AODV路由改进算法RS-AODV设计

2.1 多弹网络中AODV面临的挑战

火箭弹弹群网络中，弹节点高速运动导致网络拓扑变化频繁。由于经典AODV路由协议在路由发现阶段采用的是最短链路机制(即链路中路由节点最少)并没有考虑通信链路中节点间的相对运动导致的通信稳定性问题。在高速运动的弹群网络中，当链路上的两个通信节点具有较大的相对运动时，弹节点将会在短时间内运动到通信半径之外，使得由AODV路由协议建立起的通信链路频繁断开。当通信链路断开后，通信网络就会通过AODV路由修复机制进行路由重建，但是利用经典的AODV路由修复机制进行路由重建往往赶不上网络拓扑变化导致链路中断的速度，从而导致整个网络通信性能急剧下降。

2.2 路由发现阶段的改进

在多火箭弹组网的网络中，由于火箭弹自带GPS模块，弹载GPS跟新飞行的实时位置、速度、以及剩余能量所需要的时间小于一微秒，且消耗能量极少，因此可以通过GPS模块知道火箭弹在飞行途中节点的实时位置、速度以及剩余能量。那么可以在路由发现阶段广播RREQ消息的时候，在RREQ中附加节点的位置信息和速度信息。即源节点通过自身的GPS获取自身的位置和速度以及剩余能量信息后，将这些消息添加到RREQ消息中构造新的RREQ消息，然后将新的RREQ消息广播到周围的相邻节点。当新的RREQ消息到达相邻节点后，相邻节点首先根据经典的AODV路由协议处理该RREQ消息，当经典的AODV路由算法判定该节点为中间路由点时，通过获取RREQ消息中的速度和位置信息，采用优先节点机制判断该节点是否为优先节点，如果是则更新RREQ消息，然后向周围继续广播消息和转发数据分组。如果不是，则丢弃该节点。

2.3 优先节点判断机制

2.2节所提到的优先节点判断机制是根据当前节点的位置和上一跳节点的相对运动的大小以及方向进行筛选的。设节点C所在位置坐标为(xC,yC,zC)，速度为vC与z轴的夹角为γC、速度在xOy面的投影与x轴的夹角为φC。设节点D坐标为(xD,yD,zD)，速度为vD与z轴的夹角为φD、速度在xOy面的投影与x轴的夹角为φD，且节点D接收到了由节点C发来的改进型RREQ消息。考虑到节点的最大通信半径和可靠性要求可知，节点C和D之间的距离为LCD≤pR，其中R为节点的通信半径，p为可靠性参数(取0.7-1)。因此可知优先路由节点需满足的第一个条件为:

(xC-xD)2+(yC-yD)2+(zC-zD)2≤ρ2R2

(1)

(2)

(3)

当节点通过经典AODV筛选确定为中间路由节点时，如果满足式(1)、式(3)，则被选定为优先节点。

图1 两个节点的相对运动速度

2.4 RS-AODV链路选择机制

2.4.1路由稳定度

确定了优先节点后，需要从挑选出来的链路中选择性能最优的路径进行通信。传统的AODV路由协议以跳数为度量值来选取传输路径，不考虑链路状态，很容易选取链路不稳定的路径。为此本文在选取路由链路时考虑以下因素：1) 节点跳数：路由失效概率和节点跳数的数量成正比。2) 节点剩余能量：剩余能量越少，越容易失效。

针对以上的两个因素，设计了一个评估路由稳定度的度量值G，G的公式如下：

(4)

式(4)中，G为度量值；hop为跳数；nod为网络总的节点数；E为每个节点的初始能量；Er为剩余的能量；m1、m2表示权重的值，m1+m2=1,在本公式中m1、m2的值分别为0.7和0.3。

当G的值越小，表明链路的稳定性越高。

2.4.2链路可用时间预测算法

在Adhoc网络中，两节点只有在一定的距离内，才能直接通信，文献[17]指出在Ad hoc网络中，当节点距离较远时符合双射线的模型，其接受信号功率为：

(5)

式(5)中，Pr和Pt分别是节点接收和发送分组信号功率；d为两个节点之间的距离；Hr是接收节点天线高度；Ht是发送节点的天线高度；Gr是接收节点天线的增益，而Gt为发送节点的天线增益；L使整个系统的损失因子，在这里取L为1。考虑到Hr、Ht、Gr和Gt都是常量，则式(5)可以简写为：

(6)

根据式(6),计算出收发节点之间的距离为：

(7)

当接收天线和发送天线超过通信距离，链路就会断开，式(7)计算出了节点之间的距离，因此可以根据收发信号的功率对链路有效性进行检测和预测。预测链路可用时间的算法是基于最新的两组功率和时间的样本值，以及两个节点的最远通讯距离D。

假设有弹节点a和b，在一段时间内相对速度保持稳定，其相对地移动过程简化为平面相对运动模型如图2所示。

图2 弹节点相对运动模型

(8)

(9)

(10)

式(10)中，l0、l1和l2分别表示三角形ab0b1、ab1b2和ab0b2周长的1/2，d0和d1通过式(7)计算出来，联合式(8)、式(9)和式(10)可以计算出链路中断时刻t，从而得到链路可用时间ti=t-t1。

由于路由链路需要保证整个链路上所有的节点与节点间的通信顺畅，如果某一个节点到其他节点的链路断开，整个路由也随之失效。因此整个链路的生存时间取决于各个节点之间保持通讯的最小值，路由生存时间计算如图3所示。那么，源节点到目标节点的路由有效间计算公式如下：

RLT=min(LST1,LST2,LST3,…,LSTn)

(11)

图3 路由生存时间计算

两个节点之间的生存时间LST即为上文中的链路可用时间ti，同时将计算所得到的LST和已存储在路由应答消息(RREP)中的RLT进行比较，如果新计算的LST小于RREP消息中的RLT进行比较，则将原有的RLT更新为LST值，否则不更新RREP中的RLT值，并沿着反向路径对RREP消息进行转发。当源节点收到所有线路上返回的RREP消息后，就可以根据每个消息中的RLT信息比较各条路由生存时间，根据公式(12)选出一条最优的路由路线作为数据通信链路。

M=n1Q+n2RLT

(12)

式(12)中，M是路由路径性能综合评估指标，M越大，路由性能越好；n1+n2=1,n1取0.4，n2取0.6。

2.5 RS-AODV算法评估

RS-AODV的路由选择流程框图如图4所示。

图4 RS-AODV算法流程框图

RS-AODV算法在传统的AODV算法上引入了优先节点判断机制、链路生存时间和路由稳定度评估指标。RS-AODV在路由发现阶段，其RREQ和RREP都做了改进，在其中加入了节点的速度、位置以及能量信息，这需要从弹载的GPS模块获得该信息，因此会在路由发现阶段多耗费一定的时间。

RS-AODV算法在路由阶段虽然相比AODV有一定的时间消耗，但是它根据路由稳定度和生存时间综合评估，选出了最稳定的链路，降低了链路断开后重新发起路由发现的风险，使得整体性能有了很大的提升。

3 协议仿真及仿真结果分析

3.1 仿真参数

本文采用OPNETmodeler14.5作为网络仿真工具对传统的AODV，AODV-FIX,以及改进的RS-AODV路由协议进行仿真分析和局部比较。本文采用的火箭弹类型为107火箭弹。仿真参数配置如表1所示。

表1 仿真参数配置

根据107修正火箭弹的一般射程，设置仿真区域为10 km×10 km的正方形区域。节点的运动模型采用107的理论弹道模型，通过在Matlab中编程解算出107火箭弹每间隔0.01 s的坐标位置、偏航角(yaw)、侧滚角(roll)、倾斜角(pitch)以及当前位置时火箭弹的运动速度和方向。将matlab解算出来的弹道数据，导入OPNET节点轨迹文件中，并在其节点属性中将轨迹文件配置到对应的节点。仿真中的数据采用contact模型，总仿真时间设置为72 s。

3.2 仿真实验及结果分析

3.2.1仿真实验

在本文的仿真过程中，需要遵循以下几个条件假设：

1) 每一门火箭炮具有相同的发射规律，炮和炮之间的距离为300 m且每门炮布置在同一直线上；

2) 通信模块在发射瞬间开启，爆炸后失去通信能力；

3) 每一门火箭炮在发射火箭弹时，发射间隔为1 s,每个火箭弹的发射规律相同，各弹节点的通信半径相同。

对多门火箭炮按照发射规律进行了组网仿真实验，并对比了采用了AODV路由算法以及RS-AODV路由算法组网时节点间丢包率，路由开销以及端到端的延时等性能进行对比分析。图5是5门火箭炮按照发射规律齐射60枚火箭弹在OPNET网络层的拓扑结构图，弹节点在仿真过程中将沿着弹道轨迹从初始位置飞到落点位置，在飞行过程中与其他弹节点进行组网和数据传输。图5中的白色线条是弹道轨迹在xOy面上的投影。

图5 60枚火箭弹在OPNET中的网络拓扑结构图

3.2.2仿真结果及分析

仿真结果图中，AODV代表弹节点采用经典AODV路由协议进行组网并沿着火箭弹的弹道轨迹运动。AODV-FIX作为参考项，主要区别AODV的是弹节点在原发射位置固定不动。RS-AODV与AODV相似，仿真了火箭弹弹节点在全弹道飞行过程中的组网性能，但是采用的是改进的AODV算法。

图6和图7是三种路由协议的端到端的时延变化图以及网络整体丢包率变化曲线。随着弹节点的增加，AODV曲线上点的时延始终大于AODV-FIX，这是因为AODV-FIX协议中弹的节点位置是固定的，不随时间变化，因此链路变化较小。AODV-FIX曲线中端到端的时延增大是由于通信链路的路由节点不断增加。而在传统的AODV协议中，弹群节点沿着各自弹道轨迹运动，由于弹节点的高速运动导致其网络拓扑变化频繁，使得弹节点之间链路频繁断开从而使得弹群间的通讯时延增大以及丢包率增大。在图6和图7中，对比RS-AODV协议和AODV协议的端到端时延曲线以及丢包率曲线可以发现，RS-AODV的时延和丢包率都远低于AODV，因此RS-AODV在多弹组网中有更好的性能，通信的质量有了很大的提高。这是因为，RS在路由发现阶段根据速度信息筛选出优先节点，然后根据速度信息计算出各条链路的可用时间以及路由稳定度评估函数筛选出性能最佳的通信链路，从而保证了弹节点之间的通信链路的稳定，降低弹节点高速运动对网络拓扑造成的影响，从而降低通信丢包率和端到端的时延。

在RS路由算法中，由于节点要获取自身速度信息和能量信息以及计算链路可用时间，从而筛选最优路径需要消耗一定的时间，因此RS-AODV的路由发现时间要比AODV的路由发现时间要长。路由发现时间曲线如图8所示。

图6 端到端时延曲线

图7 丢包率曲线

图8 路由发现时间曲线

4 结论

本文通过在路由发现阶段采用基于节点通信半径和节点位置的优先路由节点选择机制，以及引入基于节点间相对运动速度计算有效链路可用时间，建立路由稳定度函数，最后根据链路可用时间和路由稳定度来筛选出最佳通信路径。通过网络仿真对比了RS-AODV和AODV在高速飞行的弹群网络中端到端的时延、丢包率以及路由发现时间等网络性能的关键指标。仿真实验表明，虽然RS-AODV在路由发现阶段比经典的AODV耗时较多，但当网络建立后RS-AODV相对于AODV端到端的时延和网络通信的丢包率明显下降。因此，RS-AODV比AODV在高速运动弹群网络中具有更稳定的通信能力。