基于智能水滴算法的战术互联网路由协议研究

武警工程大学信息工程系 刘广斌

基于智能水滴算法的战术互联网路由协议研究

武警工程大学信息工程系 刘广斌

路由协议是当今战术互联网研究的重点环节，必须具备适应战场环境下拓扑结构变化快，数据延迟低，吞吐量高，收敛迅速的特点。针对战场环境的新特点，提出一种基于智能水滴（Intelligent Water Drops，IWD）算法的战术互联网路由协议。该协议集成了智能水滴算法的收敛速度快、抗毁性能强、开销小等优势，通过实验仿真对比验证了该算法在战术互联网中的有较好的适应性，提高了野战环境下数据传输速率，降低了消息时延。

战术互联网；智能水滴算法；路由协议

0　引言

战术互联网部署快速，无需基础网络设施的支持；结构灵活，能满足战术行动中的层级指挥要求；拓扑结构变化迅速，支持战场网络节点的高速移动和不规则运动；具有良好的可扩展性，支持各通信子系统能互联互通，随时随地接入、退出网络；可维持较强的鲁棒性，当部分链路出现故障或者中断时，整个网络仍处于通达的状态，具有较强的抗毁能力[1,2]。

本文将智能水滴算法应用于战术互联网路由协议，弥补了路由协议的不足，能更充分适应现代战场变化。

1　智能水滴算法

智能水滴算法是群智能算法（Swarm Intelligence，SI）的最新研究成果，其模拟了自然界中河水与周围环境相互作用的过程。理想情况下，重力促使水滴总是沿着直线到达目的地，而水滴选择的途径亦是到达目的地的最短路径。现实情况下，各种不同的阻碍迫使水滴在移动过程中迂回曲折，但其始终接近理想状况。

水滴与泥土的关系满足三个规则：（1）流速快的水滴携带更多泥土；（2）水滴在泥土较少的路径比泥土较多的路径获得更多的速度增量；（3）水滴更倾向于选择泥土较少的路径前进。进而抽象出两个属性：一是水滴在移动过程中携带的泥土量（Soil），二是水滴的速度（Velocity）。

当水滴从位置i移动到j时，其携带的泥土增量：

泥土增量非线性反比于时间time（i，j），我们可用下列等式表示：

IWD从位置i运动到j的时间与位置i到j的距离成正比，与其自身运动速度成反比。

下面我们使用反向启发式函数HUD（Heuristie undesirability）来代替位置i到j的距离。HUD（i，j）表示IWD拒绝从位置i移动到j的程度。

IWD另一个规则是存在多条路径供选择时，更倾向于泥土量更少的路径。以p（i，j）表示IWD在位置i选择位置j作为下一位置的概率，反比于路径中的泥土量。

一种可能的表达式如下：

函数min用来得到当前位置与所有可能的下一个位置之间的泥土量的最小值[3,4]。

2　基于智能水滴算法的路由算法建模与仿真

2.1网络建模

战术环境限制了节点发射功率，因此必须借助多跳方式完成网络覆盖。战术互联网模型采用圆和直线构成。圆作为节点路由，直线为两个路由之间存在通达的数据链路。为确保智能水滴算法适应战场变化，使用节点跳数和信号强度作为选路条件。信号强度人为划分为四级：优良中差，分别用数字4,3,2,1表示，等级1代表两节点间信号强度不足以支撑最低通信要求。相邻节点正常通信路由跳数为1，经过一跳到达为2，以此类推。

2.2仿真与性能分析

仿真环境：Windows 7系统，OPNET Modeler 14.5。网络仿真中参数配置如下：

（1）网络环境：1000m×1000m，终端个数为100个，节点位置随机分布；

（2）分别建立OLSR、AODV、IWD模型，测试在高（30m/ s）、中（10m/s）、低（5m/s）速下，三种模型的平均端到端时延、吞吐量和协议开销。

智能水滴算法路由协议在起始时刻弱于OLSR协议，随着时间增加，平均端到端时延迅速降低，并保持在一个较低水平；随着节点移动速度增加，智能水滴算法能迅速适应节点移动速度变化，其平均时延优于OLSR协议与AODV协议，通过仿真，验证了智能水滴算法在战场环境中的低时延效果。

网络吞吐量等于单位时间内所有节点成功接收数据的比特数，其直接反应了网络的数据承载能力。通过仿真，AODV算法对速度适应性明显好于OLSR算法，而智能水滴算法凭借其IWD对链路状态的快速确认和迅速收敛，使得吞吐量在拓扑结构发生变化时仍旧保持较高的吞吐量。

节点平均代价=（建立和确认包数目）/（发送总数据包数目）。通过统计每个节点平均代价，在网络不断抖动的情况下，智能水滴路由算法一直保持较低水平且比较稳定，确保了用于建立和维护路由寻址的数据包在最少的状态。由于智能水滴存在多条路径，HUD值保证了充足的路由冗余，使其在最优路径不通的情况下，不必重新建立新的路由，降低了节点代价。

3　结束语

本文通过对战术互联网的现状及其特点进行分析，提出一种基于智能水滴算法的战术互联网路由协议，其能将战场环境的劣势变为优势，充分适应战术互联网的规律。通过仿真对比现今MANET中常用的两种路由协议与智能水滴路由算法的各项技术指标发现：本算法能快速适应战场动态网络的变化，收敛迅速，网络开销较小，同时支持冗余路由，鲁棒性好，在战术互联网中有较强的应用潜力。

[1]阎瑾.美军战术互联网体系架构研究[J].通信技术,2011.9(44):105-107.

[2]Fossa.C,Ward.D.Tactical Network Integration Test Framework[J]. MILITARY COMMUNICATIONS CONFERENCE,7-10Nov.2011:2158-2163.

[3]郑伟明.OLSR路由协议研究及仿真[J].电子科技大学硕士学位论文,2011,5.

[4]朱金华,于宁宁.无线自组织网络AODV路由协议研究[J].微计算机信息,2007,18:122-124.