对流层散射信道下Ad Hoc网络路由防断裂技术

贺绍桐， 薛伦生,2， 陈西宏， 张凯

(1.空军工程大学 防空反导学院, 陕西 西安 710051； 2.西北工业大学 航海学院, 陕西 西安 710072)

对流层散射信道下Ad Hoc网络路由防断裂技术

贺绍桐1， 薛伦生1,2， 陈西宏1， 张凯1

(1.空军工程大学 防空反导学院, 陕西 西安 710051； 2.西北工业大学 航海学院, 陕西 西安 710072)

现有Ad Hoc网络路由防断裂研究多采用在理想信道下将单一接收端功率作为路由监测的依据。为了增强反导作战组网性能，引入通信距离远、抗干扰能力强的对流层散射信道，研究该信道及设备的特性对Ad Hoc网络路由的整体影响；提出了散射信道路由状态监控模型，力图在路由断裂之前迅速定位 “虚弱态”路由的末端节点；根据RE-AODV的优化协议，发起反向路由搜索以修复受损路由。结果显示，改进的散射信道路由修复协议RE-AODV使平均端到端时延最大降低17.1%，减小控制报文开销最大21.8%，同时能在高速状态下保持过70%的分组投递率，能较好地防止高速移动节点的路由断裂。

兵器科学与技术； Ad Hoc； 路由防断裂； 散射信道； 反向搜索； 路由修复

0 引言

Ad Hoc网络是一种无基础设施支持的移动网络，节点间通信依靠中间节点的多跳转发完成，这就要求各节点具有独立的报文转发能力。数字化战场对无线通信网络有极高的要求，正是由于Ad Hoc不依赖任何基础设施，在战时环境下，其动态自组织性及高抗毁性能够极大程度保证在任何条件下通信链路的可靠连通[1]。

无线通信自组织网络拥有卓越的动态机动性，但同样面临着路由断裂的风险：一方面原因是移动终端的局限性，另一方面是有限的信道传输带宽。Ad Hoc网络用户终端内存小，CPU处理能力低，Ad Hoc网络中的无线信道所能提供的网络带宽较低，再加上竞争共享无线信道带来的信号冲突、多径衰减及噪声和信号干扰等多种因素的影响，移动终端可得到的有效带宽有限[1]。

本文基于Ad Hoc网络按需距离矢量(AODV)路由协议，结合实际的散射传输信道提出一种路由监测模型，预测出存在断裂风险的路由链路，进而提出本地路由修复策略。

1 无线自组网路由的断裂

Ad Hoc网络诞生之初应用于军事通信[2]，多变的战场环境、节点随机移动和快速部署使各个通信节点的位置和速度时刻处在一种不确定状态，正是这种不确定状态使网络中的节点面临“边界效应”，节点运动到上一跳或下一跳节点的最大通信半径边缘。文献[3]认为，传统的路由协议致力于减小路径的开销，发现最小路径以减小时延，这种情况下，节点间距离较大，最短路径易断开[3]。

AODV协议是一种面向需求的无线自组网路由协议，路由建立的过程是由通信的发送端主动建立，如果发生路由断裂，需要重新发起路由寻的过程，会大大占用路径的带宽，而在实际的通信过程当中，除了由节点间的距离超出最大通信范围外，收发设备的参数选择以及信道的变化等因素均有可能影响信噪比，如果能够在Ad Hoc网络路由完全断裂之前，就通信受影响的程度进行快速应对，将有助于监控整个网络的路由状态。

2 散射通信条件下的路由状态监控模型

在未来的反导作战当中，火力节点之间的无线组网将是指挥控制和通信组网的基础，对流层的散射通信是利用对流层大气的不均匀性对电磁波的散射或反射而产生的一种超视距无线通信方式，以其传输距离远、机动性强、抗核爆等特点，能够弥补卫星通信的信道资源受限、微波通信视距传输的不足和光纤通信机动性较差的短板，适应反导组网作战，Ad Hoc网络监测模型决定着本地路由修复策略，将散射传输原理和无线路由链路状态高度结合，能够更加准确反映收发节点的设备和信道的状态，本文将重点研究。

对流层位于大气最低层，在此空间内存在的大量形状大小各异的空气涡漩、水汽以及浮尘等，这些对流层中的“散射体”使两地不再受地球曲率和地面障碍物等因素的影响，实现超视距通信，如图1所示。

图1 利用对流层散射组网通信模型Fig.1 Troposcattter communication model

将散射通信方式应用于反导作战的火力拦截网，需要其在目标区域内快速构建Ad Hoc无线自组网络，并对网络的链路状态进行实时掌握。文献[4]当中，将每一个通信节点的最大传输范围和传输功率等参数视为固定量，唯一的变量是通信节点距离d，以此为前提条件寻找替代节点[4]。

(1)

式中：Pr为接收功率(dBw)；Pt为发射功率(dBw)；Gt、Gr分别为发射、接收天线增益(dBi)；ht、hr为各自天线的高度。

而在实际的通信过程当中，网络节点能够通过调节天线的角度θ和设备发射功率Pt等设备参数方式调整传输距离、控制设备噪声[5]，进而提高整个Ad Hoc网络的通信质量。首先需要找到表征设备本身收发能力的参量，本文用设备能力即收发系统总增益G∑(dB)加以描述：

G∑=Pt+Gt+Gr+LO+PN+RO,

(2)

式中：LO为总馈线损耗(dB)；RO为门限信噪比(dBw)，对于频率调制而言RO=10 dB，对于数字通信而言，不同的调制解调方式，有相应的归一化门限信噪比(Eb/N0)th，Eb、N0分别为每比特信号能量、噪声功率谱密度；PN为接收机的噪声功率(dB)

PN=-204+Fr+10lgFb,

(3)

式中：Fr为接收机噪声系数(dB)；Fb为信道带宽(MHz)。

以上的模型描述是对设备能力即收发系统总增益G∑的描述，在实际通信过程中，两个Ad Hoc网络节点之间的无线信道对通信质量有着重要影响。本文引述张明高[5]提出的对流层散射信道传输损耗模型，L(1-p)可以理解成p%的时间内多超过的小时中值传输损耗，p为传播可靠度。

L(1-p)=M+30lgf+10lgd+30lgθ+

N(H,h)+Lc-Gt-Gr-C(q)Y(90),

(4)

式中：f为频率(MHz)；d为路径长度(km);θ为无线电与地平线的夹角；N(H,h)为考虑公共体积底部影响的项，H、h分别为频域、时域的传递函数；Lc为口径- 介质耦合损耗；M、Y分别表示气象因子与大气结构参数，决定于气候类型；C(q)为以q为函数的系数，典型值有C(50)=0，C(90)=1，C(99)=1.82.

有了设备增益的参量G∑和散射信道的传输损耗参量L(1-p)，可以借助二者之差来描述Ad Hoc网络路由节点之间路由链路状态裕量ALS：

ALS(p)=G∑-Lm(p),

(5)

式中：Lm(p)为散射信道的传输损耗。

之所以引入传播可靠度p，是因为对于Ad Hoc无线路由传输而言，链路状态并不是非通即断的，不同链路针对不同信息会有不同标准的通信质量要求。设定不同的路由阈值p0，当该链路的可靠度p>p0时，认为该路由能正常传递该信息；当链路的可靠度p达到或低于该阈值p0时，认为该路由进入“虚弱态”，这时，需要路由监测模型发出警示信号，并开启相应的本地路由修复工作。

由上文可知，ALS(p)包含了收发设备的实际增益，同时考虑到了散射信道的传输损耗，监测模型当中所有的Ad Hoc路由状态的变化都将由可靠度p反映。

求可靠度p需要引入标准偏差σs，散射传播的慢衰落呈对数正态分布，标准偏差σs表示中值电平的离散程度，即对应84%的传播可靠度所需的链路状态裕量ALS(p).

图2 不同标准偏差下链路状态裕量与可靠度关系图Fig.2 Relation between ALS(p) and p at different σs

图2描绘的是不同标准偏差σs下，由链路状态裕量ALS(p)得到传播可靠度p的经验对应关系。下面简述标准偏差σs的求法[5]。

标准偏差σs主要和通信距离d有关，会随着距离d的增大而缓慢减小，1967年，美国国家标准局经过大量数据测算，得到的数据见表1.

表1 距离与标准偏差经验公式Tab.1 Empirical equation of d and σs

为了更具体得到σS与d的关系，可参见(6)式～(8)式，σs,pσs,mσs,s分别为平原地区、山区、海面的经验公式。

σs,p=7+0.09ΔNse-0.000 3ds,

(6)

σs,m=4.6+0.06ΔNse-0.000 3ds,

(7)

σs,s=8.8+0.11ΔNse-0.000 3ds,

(8)

式中：ds是接收、发射节点至中间障碍点之间的距离，对于光滑球面，ds=d；Ns为大气折射率。

另外，对于散射绕射传播的标准偏差σd为

σd=4.6+0.06ΔNse-0.006d,

(9)

式中：ΔNs等于Ns的测试值减去Ns的年平均值，即

(10)

式中：

(11)

T为绝对温度(K)，ps为大气压强(mbar)，e为绝对湿度(mbar)，e=pwer，pw为水蒸气压强，er为相对湿度。

通信节点的发送端定期将发送设备的参数向路由的接收端发送，发送过程中，散射信道的相关参量如路径长度d、无线电与地平线的夹角θ以及N(H,h)为考虑公共体积底部影响等将会一同发送至接收端进行可靠度p的计算。每一个节点都需要定期维护这样一张路由状态检测表，具体来看，该路由表当中的每一个状态条目包含了四部分{ALS(p)、p、Source_IP、TIME}，分别是路由状态裕量ALS(p)、传播可靠度p、源IP地址和距离上一次路由刷新的时间TIME，一旦路由表中出现传输可靠度p低于相应链路的阈值，源IP地址丢失或者超出了路由刷新时间，接收端就会认为该段路由进入了“虚弱态”。

3 反向搜索机制下的本地路由修复协议

Ad Hoc无线自组网本身的动态性更需要以需求为导向的路由协议，所以，当前关于Ad Hoc网络路由防断裂的研究中，多是基于AODV协议进行改进。文献[3]提出的方案是用一个节点代替准失效链路，但通信失效的原因可能是中间信道损耗过大造成连续两个路由节点失效，无法保证多个路由节点失效时均能用某一个节点代替。文献[4]提出AODV的改进路由协议，核心思想是某通信节点失效时，迅速找到替代的节点。本文认为除了节点，链路本身也可以造成路由的断裂，应当正确定位，避免通信资源的浪费。文献[6]提出的闲时逆寻，战时通信环境变化复杂，闲时状态难以准确捕捉。基于上文提出的Ad Hoc无线网络监测模型能够对链路和设备情况进行监测，本文提出始于路由接收端的RE-AODV反向搜索修复协议。

用Ad Hoc网络拓扑图描述RE-AODV反向搜索修复协议[7-8]，如图3所示。

图3 建立AODV基本型的Ad Hoc网络Fig.3 AODV basic Ad Hoc network

图3中：a-b-c-d为已经通过AODV建立好的路由，首先，定义关于节点的路由转发规则：

规则1：按照前文所述路由监测模型，某段链路(b-c)的接收节点经过解算，传播可靠度p低于阈值p0，即认为该路由进入“虚弱态”，即路由出现问题，无法保证现有信息的传输质量，可以启动路由修复模型，防止路由断裂。此时，c点并不是直接刷新全部的相邻节点路由状态监测表，而是首先向已经建立的路由的下一跳d发送刷新条目。如果没有得到d的回应，c将停止向其他相邻点报告路由监测状态。

规则2：确保路由接收端节点不会向已知的“虚弱态”上游路由的节点发送更新条目，即如果d点已经从c获知b-c路由进入“虚弱态”，则不会通过c-d向c点发出更新请求。

规则3：在更新相邻路由节点路由状态监测表的过程中，并非直接将原路由条目直接发送，需要编译成路由修复表。例如：c点在将b-c进入“虚弱态”的信息向d发送前，先从自己的路由表当中查询到自己的IP地址以及从源节点a-c的跳数，并将a-c的跳数作为序列号node打在新的字段上作为段首，其次是b-c段的路由状态表，最后，是转发节点即c点的IP地址和转发时间，具体格式如图4所示。

图4 路由修复表组成字段
Fig.4 Fields of Route repair table

Ad Hoc网络中，任何一段路由都有可能进入“虚弱态”，利用反向搜索算法修复本地路由的核心思想是从“虚弱态”链路的最下游节点向上游发起路由修复请求，在图3中，如果c首先发现b-c段由进入“虚弱态”，但是不能确定c-d路由的状态，那c首先要向d发出确认信息，而不是直接刷新相邻节点的路由状态表，假设c-d路由也同样需要修复，那修复过程的起点将是d而非c. 因此，c点为整个路由的目标节点，却是反向路由修复的起点，这种前置规则能够在找到真正的修复起点d之前大大节省路由开销[9]。

规则2、规则3思想仍然是定位路由最下游的“虚弱态”节点，反向寻找最优修复路径，从而可以避免各个“虚弱态”的路由节点发起各自的修复路由的请求，这样可以大大降低Ad Hoc网络的全网路由开销并减小端到端时延。将跳数node作为字段的最开始能够使每一个节点的都有可能收到来自上游或下游的路由状态表，节点可根据跳数将已知悉的路由状态向下游节点发送，使得最下游的虚弱态节点在发起反向路由搜索之前掌握整个链路的状态。RE-RODV反向搜索修复协议主要处理过程为：

步骤1 启动反向路由搜索修复[6]。最下游的路由“虚弱态”节点d，已经收到了来自于b、c转发的路由状态表，确认b-c、c-d段的链路进入“虚弱态”，为了防止这两段路由发生断裂，需要从d开始向上游节点发起路由修复请求，发送请求的节点并非向全部d点的相邻节点发出广播(广播的字段是携带有路由修复表的RREQ，称之为RE-RREQ，同理，收到的回复信息是RE-RREP)，由规则2，d不会像c发出RE-RREQ消息。同样，并非全部路由都具有替代原有路由的能力，如前文所说，不同的路由段传递信息的能力不同，取决于信息的本身，也取决于链路的状态，衡量的特征量为可靠度p，p值越高，路由越能够满足高质量通信，所以，当p

步骤2 反向链路和正向链路的建立。根据路由的发起节点d所获得的路由修复表中的路由状态，可以判断出“虚弱态”链路b-c-d以及路由的修复目标节点b，经过了步骤1的初始转发节点的筛选，排除了向d-e发送RE-RREQ信息。当通信连接的终端间存在有效路由时，AODV不执行任何操作，直接可以将其作为修复路由。如果不存在d-e和d-i至b的有效路由，原节点配置的AODV协议将启动，途经的节点经过步骤1节点的筛选，向符合条件的邻居节点广播，直到该分组被送到一个具有“足够新”路由的中间节点或目的节点本身。如图5所示。

图5 基于RE-AODV反向搜索修复算法的路由建立Fig.5 Route establishment based on reverse search and repair algorithm of RE-AODV

“足够新”路由指到目的节点的路由且目的节点序列号大于或等于路由请求消息RE-RREQ中的目的序列号。请求分组中的序列号用来防止路由环路，并能判断中间节点是否响应了相应的路由请求，节点将丢弃重复收到的请求分组。当序列号相同时，反向路由的目标节点将选择各段节点的平均传输可靠度p最大的路由完成路由建立。路由的建立包括：一是反向链路的建立，每个节点接收到路由请求消息RE-RREQ消息后都会缓存到源节点的路由，形成反向链路；二是正向链路的建立，对路由请求消息RE-RREQ消息的回复，可以由目的节点产生或由一个具有“足够新”[1]路由的中间节点产生。由于有先前建立好的反向链路，因此路由应答消息RE-RREP采用单播方式发送至源节点。

步骤3 路由刷新。当不稳定路由本地修复完成之后，路径长度可能与修复前不一致，那么修复区域之外的节点缓存的路由距离向量将会不一致，影响通信的正常进行和以后的路由修复工作，所以必须通过一定的机制将路由刷新一致。当路由目的节点(也就是反向搜索的路由起点d)接收到RE-RREP时，获知路由被成功修复过一次，将向原路由的源节点a节点发送路由刷新请求RU-REQ(hop count=0)，源节点a向目的节点d回复刷新回复RU- REP(hop count=0)，RU-REQ和RU-REP沿修复后的路由传播[3,10-11]，沿途各节点根据RU-REQ和RU-REP的距离矢量刷新相应的路由距离矢量。

4 仿真分析

在网络仿真技术软件OPNET平台下对AODV和RE-AODV进行仿真分析[12]，图6、图7分别为节点模型和路由进程。仿真节点设置为50个，在300 km×300 km的区域内随机分布的场景内进行测试，场景当中由2个节点随机生成业务流，各段链路的传输可靠度随机，“虚弱态”阈值为p0=80%，进入“虚弱态”的链路概率为20%，链路节点移动模型为Random-Way-Point，MAC协议采用标准的IEEE802.11 CSMA/CA协议，通信采用512 B定长数据包，节点的移动速度分别为0、5 m/s、10 m/s、15 m/s、20 m/s、25 m/s、30 m/s、35 m/s,实际的散射通信设备的单挑通信距离为50 km, 在仿真中进行相应比例缩小为25，信道带宽为2 MB/s，最大路由跳数12跳。经OPNET仿真，得到结果如图8～图10所示。节点模型和路由进程分别为：

图6 节点模型Fig.6 Node model

图7 路由进程Fig.7 Routing process

图8 不同最大移动速度下的平均端到端时延Fig.8 Average end-to-end delay at different maximum moving speeds

图9 不同最大移动速度下的控制报文开销Fig.9 Control packet overhead at different maximum moving speeds

图10 不同最大移动速度下的分组投递率Fig.10 Packet delivery fraction at different maximum moving speeds

根据网络性能比较的需要，采用平均端到端时延、控制报文开销以及分组投递率进行性能分析，以得出路由即将中断时由源节点重新发起AODV和RE-AODV反向搜索算法的性能差异[13]。

平均端到端时延是指各口的节点收到数据分组的时间与相应源节点产生数据分组的时间之差的平均值。控制报文开销是为传送数据包而发送的路由控制分组开销。由图8和图9可以看出，速度较低时(≤15 m/s)，RE-AODV算法的时延和网络开销相对较大。这是因为路由健康程度较高，断裂的速度较慢，而RE-AODV的监测会带来相应节点的额外时延并增加相应开销。但是当速度大于15 m/s时，Ad Hoc网络的健康程度显著降低，路由开始断裂，原有AODV中的路由建立过程反复发起，带来较大时延和控制报文开销。而RE-AODV本地修复依靠故障定位和快速修复在反向搜索中相比端到端时延最大降低17.1%并减小控制报文开销最大达到21.8%.

图10中的分组投递率是指实际接收的数据分组与源节点发送数据分组的比值。由仿真结果可以看出，速度较小时，路由健壮性较好，分组投递的成功率较为接近，随着速度的增加，链路断裂可能性在增大。而RE-AODV协议的分组投递率整体高于AODV协议，特别在节点的最大移动速度大于20 m/s时，由于AODV协议在链路断裂后，断裂的上游节点可能因缓存大量数据包而溢出，其分组投递率明显低于RE-AODV协议。而RE-AODV协议通过准确监测路由状态而大大减少了链路断裂次数，在节点以较大速度(20 m/s)运动时能够保持70%以上的分组投递率。

5 结论

本文首先提出了将散射通信运用在Ad Hoc网络中，结合了其传输特点，构建散射通信条件下的路由状态监控模型，使得不同的路由能够根据其所传输信息的不同标准得出可靠传输的阈值，进而利用反向搜索算法对“虚弱态”的链路进行起点定位和本地修复。当节点快速移动时，散射监测模型下的RE-AODV反向搜索修复算法相比于AODV协议的修复过程，能够平均降低路由控制报文开销最高10%～20%，能够较大程度提高反导作战的组网效能。

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Anti-fracture Technology of Ad Hoc Network Routing in Tropospheric Scatter Channel

HE Shao-tong1, XUE Lun-sheng1,2, CHEN Xi-hong1, ZHANG Kai1

(1. Air and Missile Defense College, Air Force Engineering University, Xi’an 710051, Shaanxi, China；2.School of Marine Science and Technology, Northwestern Polytechnical University, Xi’an 710072, Shannxi China)

Most of the existing Ad Hoc network routing researches are to use the single receiver power as the basis of the ideal channel. In order to enhance the performance of anti-missile network, the tropospheric scatter channel with long communication distance and anti-interference ability is introduced, and the overall effect of the channel and device characteristics on Ad Hoc network routing is studied. According to the AODV optimization protocol, a monitoring model for the routing status of scatter channel is proposed, which can quickly locate the end nodes of “ weak ” routing and initiate a reverse search for damaged routes before the routes break. Simulated results show that the improved routing protocol RE-AODV reduces the average end-to-end delay by 17.1% and the maximum control packet overhead by 21.8%. The packet delivery ratio of RE-AODV algorithm maintains at 70% or even higher, which proves that it can prevent the routing fault of high-speed mobile nodes.

ordnance science and technology; Ad Hoc; routing anti-fracture; scatter channel; reverse search; route repair

2016-03-22

国家自然科学基金项目(61671468)

贺绍桐(1991—), 男, 硕士研究生。 E-mail: hst1022@126.com； 薛伦生(1972—)， 男， 教授， 博士生导师。 E-mail: pxx_0308064@163.com

TP393.04

A

1000-1093(2016)12-2317-07

10.3969/j.issn.1000-1093.2016.12.018