基于火场救灾的动态分组和多路径DYMO协议

卢 娇，李德敏，张 是

（东华大学 信息科学与技术学院，上海 201620）

0 引言

火灾对人们的生活、财产甚至是生命都会造成不可估量的伤害。当发生火灾时消防员怎样有效和安全的在火场执行救灾活动是十分重要的。当火灾现场的通信设备遭到破坏时，消防员无法使用现有通信工具进行信息交流，造成救灾工作无法有效开展，也影响消防员的人身安全。引入移动自组织网络[1]的概念，通过在消防员身上佩戴能够快速自组网的节点可以实现消防员间的通信。路由协议是实现各节点数据传输快速和准确的关键，也是研究的重点。

火灾伴随的浓烟、高温及障碍物等都使得火场环境相当复杂。消防员位置分散，需要通过多跳的方式来实现通信。在这种情况下，按需路由[2]是优选的路由方式。动态自组网按需路由协议（DYMO，Dynamic MANET On-Demand）[3]就是一种基于按需距离矢量路由协议（AODV，Ad Hoc On-Demand Distance Vector）[4-6]的按需路由协议。它在AODV的基础上采用了源路由的“路径收集”技术，数据分组包含了该分组传输的源路由，其他节点能够将这些信息存储下来。相比于AODV，DYMO能够使消防员记忆更多其他成员的信息，减小了防洪的次数，更适用于火场环境。

在实际情况中消防员都是通过小组协作的方式来执行任务的，并且消防员的通信链路需要较高的可靠性。因此可以引入多路径确保消防员在最优路径失效时有可选路径使其保持通信。如 I-DYMO，就是利用多条链路不相交路径来发送数据并将之与源路由结合的多路径DYMO协议[7]。该协议在动态移动环境下具有较好的稳定性，但是没有考虑动态分组，即类似分簇路由协议[8]的问题。

针对火场救灾环境，文中在DYMO的基础上引入了节点动态分组和多路径路由的概念，提出了一种适用于火场救灾的通信协议F-DYMO。

1 火场救灾的动态分组与多路径描述

进入火场的消防员就构成了一个火场救灾自组织网络。各节点能相互通信，各组长具有组内决策能力。图1即为火场消防自组织网络的拓扑图。每个消防员用“A-B”的形式来编号，“A”表示组别，“B”为组内编号。组内编号为“1”表示是每组的组长。虚线连接的两个点为可以直接通信的节点。可得出消防员进行救灾任务具有以下几个特点:

1）消防员入网与出网的频率较高:在救援人员不够的时候往往需要派遣新的消防员进入，当消防员完成某一任务后也可能直接退出网络。如图1中点“3-3”和“3-4”表示为离开或新加入的消防员。

2）消防员需要动态分组:消防员完成该项工作后根据不同的需求到不同的组工作。如黄色的节点“1-5(2-2)”原先为组2的2号成员，现为组1的5号成员。这种情况下，原先的组长要再管理这些分散开来的消防员难度加大并且管理的意义也不大。这时消防员就需要将现在任务组的组长视为新的组长，这就是消防员动态分组的问题。

3）数据传输的链路需要较高的可靠性:消防员将自身信息发送出去时，如果存在大量的信息缺失和严重信息传输延迟的通信网络会影响消防工作的有效性。路由表存储多条适宜的路径存在了路径排序的问题。如图1中链路1、2和链路3、4和5分别表示了组内和组间通信最优路径的选择问题。

图1 火场消防自组织网络拓扑

2 针对火场救灾的路由协议F-DYMO

针对火场救灾的特点和存在的问题，结合DYMO路由协议的内容，本节从动态分组和多路径两方面内容着手，提出适用于火场救灾的F-DYMO路由协议。

2.1 基于动态分组的DYMO的改进

消防员节点设定一个组成员编号，包括了组编号和组内编号变量。消防员在执行任务期间，随着他所在的组不同，组成员编号会相应的改变。

当消防员完成某项任务后，广播一个请求获取新组长的信息给各组的组长，当某一组的组长收到该信息后，进行判断，如果选择该消防员为新的成员，则回复一个确认加入的信息，并将新的组内编号连同位置信息和任务内容等一并发送给该消防员，消防员收到确认信息后，更新其组成员编号，并按照新组长的指示开始执行任务。

离开和新入网的节点需要广播一个信息，其他节点收到离开信息就会自动在路由表中删除该节点的相关信息，当收到加入信息就会在路由表中加入该节点的信息，组长收到成员加入的信息，就将其加入管理列表从而实现对新加入成员的管理调度。

2.2 基于多路径的DYMO的改进

首先可以根据I-DYMO的方法，保存跳数比最短路径不大于2跳的其他路径，并提出了最优路径的选择方法用于在路由表中标识出路径的排序。

最优路径的选择原则是:先选择跳数最短的为最优路径。当存在跳数相同时，判断中间节点是否为同一组的成员，优先选择中间节点为同一组的路径。当跳数相同且节点均为同一组内节点时，优先选择中间节点中空闲节点多的路径。如果连空闲节点数都相同时，就可以随机选择一条路径作为最优路径传输数据。判断的同时，对每一条路径都加以一个排序的编号，当最优路径由于某些因素不可用时，能够马上使用次优路径来传输数据。

由此，在DYMO的基础上实现了改进的适用于火灾现场消防救灾的路由协议F-DYMO。由于加入的一些条件，F-DYMO比DYMO的控制信息开销增大，但是存储多条路径可有效加强网络的可靠性。

3 仿真与结果分析

在Linux中用NS2[9]进行仿真。基本参数为:场景大小为300 m×300 m，指定场景的节点数为27个，节点通信半径为20 m，传输层协议为TCP，应用层协议为CBR，网络层路由协议为AODV、DYMO和 F-DYMO，最大排队序列为50，移动速度(m/s)分别为0.5、1、1.5、2、2.5和3，仿真时间为300s。

将AODV、DYMO和F-DYMO这3个路由协议从分组投递率、平均端到端时延和归一化路由开销这3方面比较分析。分组投递率是目的节点接收分组的个数与源节点发送分组的个数的比值。平均端到端时延为目的节点的分组接收时间与源节点的相应分组发送时间的平均差值。归一化路由开销则是成功发送一个数据分组到目的节点而发送的路由控制分组的个数。

由于实际情况下消防员移动速度变化不大且网内节点数量适宜，在图2中3个协议的分组投递率均高于90%，但在移动速度变快的情况下，F-DYMO的分组投递率更高，由此可知 F-DYMO协议中的链路具有更高的可靠性。从图3可知F-DYMO的端到端时延明显比其他两个路由协议的要小，这正是体现F-DYMO中多路径概念的意义。图4是归一化路由开销曲线，从图4中可知，F-DYMO的路由开销明显比其他AODV和DYMO高出很多。这是由于F-DYMO为了提高链路可靠性加入了很多路由控制信息。

图2 分组投递率曲线

图3 平均端到端时延曲线

图4 归一化路由开销曲线

5 结语

针对火场救灾提出了一种火场救灾自组织网络，分析了火场救灾特点提出了消防员分组协作和数据传输链路需要良好可靠性的需求。由此在DYMO的基础上提出了一种基于火场救灾的动态分组和多路径的路由协议 F-DYMO，并在NS2中将F-DYMO协议与DYMO和AODV进行对比分析，得出F-DYMO通信链路可靠性高，由此造成的路由开销也相对增加的结果。因此F-DYMO是一种适用于火场救灾的路由协议，具有链路可靠性高和可扩展性好的特点。

[1]盛敏.移动 Ad Hoc网络关键技术研究[D].西安:电子科技大学,2003.

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