一种适用于战术网络的组移动模型*

李　宁，蒋　媛，赖荣煊，韩　序

(解放军理工大学 通信工程学院,江苏 南京 210007)



一种适用于战术网络的组移动模型*

李宁，蒋媛，赖荣煊，韩序

(解放军理工大学 通信工程学院,江苏 南京 210007)

摘要：节点移动模型在ad hoc网络研究中起了极为关键的作用，在仿真过程中，移动模型直接影响路由协议的各项性能。特别是在研究特殊环境下的ad hoc网络技术时，对移动模型的要求更为特殊，如战术网络。战术网络独有的特点和性质削弱了常用移动模型下相关研究的意义。对经典的组移动模型 (RPGM)进行了分析并提出改进方法，提出了一种新的组移动模型，模拟战术网络单兵节点在运动过程中曲折前进的情形。通过仿真比较，提出的模型更加符合战术网络的特点，适合战术网络技术仿真，具有一定的参考意义。

关键词：组移动模型;目标坐标;终点坐标;运动周期;Z-ERPGM模型

0引言

随着网络技术的日益发展，人们意识到移动Ad Hoc网络(Mobile Ad hoc NETworks,MANET)能够带来的网络领域的影响与潜力。MANET中节点移动方式的变迁对网络协议的性能能够产生较大影响，尤其在环境较为恶劣的战场环境下，甚至能使网络陷入瘫痪[1-3]。因此为了达到较好的网络协议性能，在研究网络协议过程中应选择合适的节点移动模型[4]。当前提出的移动模型大致可分为轨迹移动模型(Trace Mobility Model)和合成移动模型(Synthetic Mobility Model)。前者事先让真实节点进行移动并记录它们的轨迹信息，然后再仿真过程中让模拟节点按照相应轨迹信息进行移动，实现起来较为复杂难度也较大[5]。后者是指人为归纳节点运动特点，并运用数学工具设计特定规则或公式，在仿真过程中实时计算节点下一步运动轨迹，这类移动模型实现相对容易，成本也相对低廉。

针对军事领域中节点在运动过程中相对集中的特点，人们提出参考点组移动模型(Reference Point Group Mobility model,RPGM[6])。在RPGM中，每个群组都有一个逻辑中心(ReferencePoint,RP)，可以用逻辑中心的移动来定义整个群组的运动行为，群组的运动将由逻辑中心的运动决定。节点移动主要包括群组和个体的移动两个方面，群组所定义的是多个节点间的一种同属的逻辑关系，中心的行为定义为整个群组的移动行为，群组的移动由RP的改变来表示[7]：而个体的移动由两部分构成，一是RP的移动，另一方面是个体以RP为参考点的随机移动。除此之外，追逐团体移动模型(Pursue Mobility Model,PMM)[8-9]也是较为符合战场环境的移动模型。队列移动模型(Column Mobility Model，CMM)[10]描述了在追踪和搜索场景下节点以一列纵队的形式统一向一个方向运动的情形。在CMM中，每个节点可在其初始位置附近徘徊，且不仅限于通常的纵队移动，还可以以任意角度移动。

随着移动模型相关研究的逐渐深入，某些经典模型也逐渐暴露出了一些不足，于是人们提出了一些新的模型用于进一步的研究工作。文献[11]提出以指挥员节点为参考点且更加接近真实群组移动模型。文献[12]针对Unmanned Aerial Vehicles (无人驾驶飞机)ad hoc网络提出一种移动模型，规定UAV所有可能的运动模式，在完成某一种运动模式后以随机的方式进入下一个模式，如此往复。文献[13]在原始高斯马尔科夫移动模型基础上一种三维的增强型高斯马尔科夫(Enhanced Gauss-Markov,EGM)移动模型，该模型适用于航空领域的ad hoc网络研究，如战场UAV网络、民用飞行机网络等等。

本文着眼于战场环境下节点运动特征，首先对RPGM模型不足之处加以改进，进而针对性的提出了一种新的适用于战场环境的组移动模型——Z-ERPGM模型(Z-Enhance Reference Point Group Mobility model)。该模型充分考虑了节点在战场上可能发生的移动轨迹，主要描述节点以Z字形的行进方式向终点坐标曲折前进的情形。最后，本文针对模型自身参数以及模型下路由协议的性能进行仿真。由仿真数据可知：Z-ERPGM模型比RPGM和RWP模型更为贴近真实战场环境；另一方面，不同的移动模型对路由协议性能有着较大的影响。

1RPGM模型

(1)

图1　RPGM中节点新位置确定示意

图2　RPGM中节点移动误差累积示意

2Z-ERPGM移动模型

2.1RPGM模型的改进

我们首先限定节点与节点组的误差上限为r，每次确定新位置时的累积误差不能超过r，用公式表达为：

(2)

2.2Z-ERPGM模型

2.2.1流程描述

Z-ERPGM具体工作流程主要分初始和正常工作两个阶段：初始阶段中，Z-ERPGM根据给定的节点组初始中心坐标位置(即RP1)，在一定范围内等概地随机布置节点，节点在节点组范围内均匀分布；然后在仿真区域内为每一个节点组等概地随机取一个坐标点作为该节点组的初始终点坐标。经初始化后，节点移动进入正常工作阶段，此时节点以一定概率向不同的方向先运动一段距离，然后再调整行进方向，并始终保持节点最终运动方向始终朝着终点坐标。当第一次到达指定终点坐标时，节点围绕该坐标点运动一段时间后随机选取下一个终点坐标位置，并同样以Z字形行进方式向该坐标点进发。

在Z-ERPGM模型中，节点运动过程类似RWP移动模型，主要区别在于每个周期选取目标坐标的方法。Z-ERPGM根据节点上一运动周期的参考点RP和终点坐标位置以及组移动情况选择下一周期的目标参考点坐标RP，最后在加入一个随机矢量而生成新的目标坐标点。在节点运动过程中，同组节点速度可能存在差异，导致某些节点的目标坐标选取频率更快，因此每次节点组的新参考点RP的选择都由运动最快的那个节点所决定(如图3中虚线的ac段路径)。

为了使同组节点在存在一定的速度差异的情况下，速度慢的节点能保持和速度快的节点保持同样的“历史参考点坐标”，避免由于“历史参考点坐标”的不同导致同组节点运动轨迹出现紊乱，所以在算法实现过程中记录每一个更新的RP是非常有必要的(如图3中虚线的ab段路径)。

图3　节点目标坐标选取流程

2.2.2运动周期

在RandomWayPoint(RWP)模型中，节点在仿真区域中随机的选取一个起始坐标和目标坐标，以恒定的速率从起始地运动到目的地，随后在目的地暂停一段时间。之后选取新的目标坐标开始下一次运动，如此反复，直至仿真结束。由于模型中节点运动明显的重复性，因此我们定义这一过程为一个运动周期，每个周期都有一个相对应的决定节点运动方向的“目标坐标”。显然，一个运动周期由两个时期组成，即节点的移动期和停留期。

2.2.3组参考点坐标读取

节点在上个周期的目标坐标点处度过停留期后，需要重新选择新的目标坐标来实现曲折前进。首先需要确认该节点是否是所在节点组移动最快的节点。若不是，则读取节点组参考点坐标作为当前节点的下一步运动的参考点坐标(图3中ab段路径)；若是则自行定义整个节点组的下一参考点坐标(图3中ac段路径)。

1)当Ni>nj时，即存在同组节点在参考点坐标选取次数上大于该节点，节点直接读取节点组的历史参考点坐标作为其下一个目标坐标。这样，后行节点才能与先行节点保持稳定的“组关系”而不至于出现组分裂的现象。

2)当Ni=nj时，说明节点j是参考点坐标选取频率最快的节点。此时，该节点需要自行确定下一RP，领导整个节点组的运动趋势。

当节点组所有节点中运动最快的节点到达目标坐标后，由于Ni=nj，所以该节点组的下一步运动趋势由该节点所决定。

图4所示，图中虚线表示节点组起始坐标和终点坐标的连线。所谓Z字形运动轨迹，其实就是节点在运动过程中的一种左右摆动的运动轨迹，即节点在虚线的上下方位置来回变换而形成的运动轨迹。在确定RP之前节点需要判断自身处于虚线的上方还是下方，在上方时节点偏向于向下方运动，在下方时则偏向于向上方运动。当节点是其所在节点组中运动速度最快的节点时，整个节点组的下一步运动趋势就由该节点所决定，随后跟上的同组节点应随着当前节点的运动趋势进行下一步的移动。

在每次选取RP时，我们将起始坐标指向终点坐标的方向作为 “逻辑东方”，则可决定剩下的逻辑方位。基于上述原因，我们用概率表示节点的偏好，p1,p2,p3,p4分别表示节点选择逻辑东北方、逻辑西北方、逻辑西南方、逻辑东南方的概率。显然，为了实现节点上下摆动的运动方式，这些概率都是因节点与虚线的相对位置变化而变化的。当节点抵达目标坐标后，应决定下一RPk(xk,yk)，并根据新生成的参考点决定下一个目标坐标位置。其主要步骤可分为以下几步(见图4)，且很大程度上依赖于上一运动周期的参考点坐标RPk-1(xk-1,yk-1)的位置：

1)节点首先以概率的形式决定下一个运动的大致方向，即逻辑方位。

3)最后以随机方式选择下一步运动的距离lk，为保证节点在运动过程中实现多次的方向改变，文中令lk≤L/10，其中L为起始坐标与终点坐标的直线距离。

4)此时，根据上述指标，节点下一步运动的参考点坐标(xk,yk)即确定，可由公式表达如式(3)：

(3)

图4　节点目标坐标选取示意

综合以上描述，节点目标选取工作流程如下：①确定自身所处位置，判断在虚线上方或下方；②依据预设概率，随机选择一个方向(即与逻辑东方的夹角α)；③依据预设的目标坐标偏离距离大小在选定方向上选取一个坐标点。此时该坐标点即为下一周期的RP，并记录以此RP以便后行节点读取。确定RP之后，节点依从上文提出的改进的RPGM模型精确选取目标坐标P。至此，Z-ERPGM模型的一个周期工作完结，随后进入下一个工作周期。

3仿真分析

3.1仿真平台

ONE (Opportunistic Network Environment simulator)[14-16]是一种针对机会网络仿真而开发的基于离散事件的开源仿真引擎[17]。延展性较好，实现了多种基本的路由算法以及一些经典的改进路由算法，通过编程可实现对移动模型的可视化仿真和各项数据的采集。

3.2仿真主要评价参数

为合理评价各个模型的特点，我们从两个方面进行仿真。首先综合考虑多个常见移动模型参数度量[18]，主要包括移动性度量和连通性度量。其中，移动性度量主要包含空间相关性程度和时间相关性程度。连通性度量主要包含链路平均持续时间和路径平均持续时间。其次，从路由的角度出发，以Epidemic Routing为例测试RPGM和Z-ERPGM两种模型对该路由性能的影响。

3.2.1移动性度量

(4)

(5)

1)空间相关性程度Dspacial(i,j,t)

(6)

空间相关性程度指的是两个节点之间的速度相似程度。如果两个节点在同一方向上移动那么它们就具有很高的空间相似度。

2)时间相关性程度Dtemporal(i,t,t′)

(7)

时间相关性程度指的是某节点在两个时间点的速度相似程度，也可以节点当前时刻的速度对于先前时刻速度的依赖程度，能较为直观地反映该节点速度变化程度。

3.2.2连通性度量

连通性度量主要反映网络节点间的通信机会大小、通信持续时间等方面问题，比较直观的反应了网络各部分间的连通性好坏。

(8)

其中，LD(i,j)表示节点i和j之间的链路持续时间，N表示网络中所有节点的集合，N是一段时间内网络产生的链路总数。

(9)

其中，M是一段时间内网络中产生的路径总数。一般的，两条或两条以上相接的链路才能构成一条路径，所以N≥M。

3.3结果及分析

3.3.1移动模型参数仿真及分析

根据上述仿真环境参数，采用蒙特卡罗法对同一模型重复仿真并取各参数平均值作为最终评定参数指标。

表1　仿真参数

图5　链路平均持续时间

图6　路径平均持续时间

图7　空间相关性程度

图8　时间相关性程度

从图6中可以看出，RWP模型在整个模型仿真时间内产生的可用路径数量极为稀少，在持续时间上也明显落后，而Z-ERPGM和RPGM模型则能持续产生路径，导致这种现象的主要原因还是因为同组节点间的频繁相遇。如图7所示，在空间相关性程度上群移动模型明显具有两极分化的特点。另外，所有节点间运动都相互独立的RWP模型的空间相关性程度也很低，且在模型趋于平稳后该参数数值始终大于0。

对于图8，由于时间相关性程度描述的是同一节点在不同时间点上的速度改变程度。所以，RPGM和RWP模型在这方面的性能基本处于同一水平。而Z-ERPGM模型具有“左右摆动”的运动特点，节点速度在短时间内可能出现大幅变化，这就降低了时间相关性程度。

3.3.2两种移动模型下路由协议性能的仿真及分析

由以上仿真结果可知，Z-ERPGM和RPGM移动模型两者在移动性和连通性方面具有较大差异，这有可能导致同一路由协议在这两种移动模型下得到截然不同的性能。为验证这点，我们以Epidemic Routing为例，通过仿真分析两种移动模型的不同。

为更好的通过路由机制体现移动模型的不同，我们设置消息的目的节点不与源节点同组。与此同时，由于组运动模型的特殊性，节点组间相遇机会较小，成功到达目的节点的消息也相对较少。

图9　RPGM模型下投递率

图10　Z-RPGM模型下投递率

图11　RPGM模型下投递时延性能

图12　Z-RPGM模型下投递时延性能

图9、图10所示的是Epidemic Routing在两种移动模型下的消息投递率性能表现，前者柱状条排列紧密且数值较大，后者排列稀疏且数值较小。很显然，RPGM在投递率性能方面优于Z-ERPGM。在时延性能方面，如图10、11所示，两种模型基本处于相同水平。说明Epidemic Routing在RPGM模型下的性能优于在Z-ERPGM模型下的性能，主要原因在于Z-ERPGM节点间的强“组关系”，节点相遇机会基本取决于节点组的运动活跃程度，节点组愈不活跃，消息就愈发无法得到有效的传递。

综合图9～12，经典的Epidemic Routing在两种移动模型下并没有得到较为理想的性能，进一步说明合适的移动模型是路由机制的设计与评定的基础。

4结语

本文首先对经典组移动模型RPGM进行了分析，并针对其“组关系弱化”的问题提出了改进方法。然后针对战术网单兵节点可能的运动方式与轨迹，进一步提出了Z-ERPGM模型，模拟战场环境下战士为隐蔽身形和保全自身而向目标地曲折前进的运动轨迹。仿真结果表明，Z-ERPGM具有不同于RPGM的特点，如强组关系、组间通信相对较弱、组间独立性高等，这与战场环境更为吻合，基于该模型设计的路由协议具有较强的实际应用价值。

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A Group Mobility Model Suitable for Tactical Network

LI Ning,JIANG Yuan,LAI Rong-xuan,HAN Xu

(School of Communication Engineering,PLA University of Science and Technology,Nanjing Jiangsu 210003,China)

Abstract：The mobility model of nodes plays a pivotal role in the research of ad hoc network technology and has a direct effect on various performances of the routing protocol during simulations,particularly in the research of ad hoc network in special environments,which requires need more special mobility models,such as TANET (TActical NETworks).The specific characteristics and nature of tactical network may reduce the meaning of TANET correlation studies based on normal mobility model.A classical group mobility model named RPGM is analyzed,and modified method proposed,and then a new group mobility model modeling the zigzag walk of individual soldier presented.The simulation shows that the proposed mobility model is suitable for TANET and for the simulation of network technology,and thus is of certain reference significance.

Key words：group mobility model; target coordinate; destination coordinate; period of motion; Z-ERPGM (Enhance Reference Point Group Mobility) model

doi:10.3969/j.issn.1002-0802.2016.02.012

* 收稿日期：2015-09-06；修回日期：2015-12-20Received date:2015-09-06；Revised date：2015-12-20

基金项目：国家自然科学基金项目(No.61371123)，江苏省基金重点专项(No.BK2011002)，国家自然科学基金青年项目(No.61301165)

Foundation Item:National Natural Science Foundation of China(No.61371123),Special Foundation of Jiangsu Province(No.BK2011002),National Natural Science Foundation of China for Young Scholar(No.61301165)

中图分类号：TP393

文献标志码：A

文章编号：1002-0802(2016)02-0182-07

作者简介：

李宁(1967-)，男，副教授(硕导)，主要研究方向为ad hoc网络技术；

蒋媛(1991-)，女，硕士研究生，主要研究方向为信号感知处理；

赖荣煊(1990-)，男，硕士研究生，主要研究方向为ad hoc网络技术；

韩序(1990-)，男，硕士研究生，主要研究方向为移动通信。