一种智能步兵雷侦察系统的ad hoc网络路由优化算法

2018-03-20华宇宁傅国强武永健郝永平张德育

沈阳理工大学学报 2018年6期

华宇宁,傅国强,武永健,郝永平,张德育,白帆,刘猛

(沈阳理工大学自动化与电气工程学院,沈阳 110159)

民用视频监控技术的发展大致经历了三个阶段[1]:模拟监控系统时代、数字化监控系统时代和远程视频监控系统时代。在模拟监控系统时代,监控系统非常复杂,投资巨大,工期长,构建监控系统的工作量也非常大,监控系统的后期维护和扩展难度高,此时的监控系统不支持音视频的远程传输。二十世纪末,随着计算机的处理能力得到飞速提升以及多媒体技术的发展,监控系统进入了第二个阶段即数字化监控系统时代,依靠计算机快速而高效的数据处理能力,可以进行音视频的采集、传输和存储,并且可以对采集到的图文信息进行多画面和高分辨率的显示。伴随网络带宽和存储传输技术的发展,图文信息依靠全数字化的无线网络进行传输,视频监控系统进入了第三个阶段即远程视频监控时代。虽然,当代的远程监控系统依靠全数字化无线网络和先进的计算机技术有着优越的性能,但是这种监控系统强烈地依靠基站,而网络基站的建设工期长、耗资巨大、网络拓扑不够灵活。在战时,网络基站极易遭受对方攻击,不适合军事领域的特殊需要。所以本文研究智能步兵雷侦察系统,其依靠基于AODV路由协议的ad hoc网络[2-3]进行数据传输。

为满足野战需要,智能步兵雷侦察系统采用嵌入式设备搭建。在军用领域,野战时需要长时间对图文信息进行采集,而野战地点又具有不确定性,没有网络基站提供服务或网络基站早已被摧毁,所以无法使用有线的通讯系统和高性能的PC机,此时需依靠ad hoc网络和高性能且低功耗的嵌入式设备完成侦察任务。在嵌入式设备中，树莓派的性能非常强大,适于图文信息的采集、处理和显示播放以及目标识别,适合作为下一代智能步兵雷侦察系统的硬件平台。

1 智能步兵雷侦察系统的硬件和软件组成

智能步兵雷的硬件组成为:硬件平台为S3C2416控制器,配置GPS定位接收机,配置水星MW300UM无线网卡,防拆装置,视频采集模块,视频显示装置。工作主频为400Mhz,运行内存选用三星的K4T51163 DDRII266 64MByte RAM内存储,程序存储选用三星公司生产的256M的NAND FLASH,并且支持使用扩展存储设备TF卡和SD卡。集成4线电阻式触摸屏接口,可以接4线电阻触摸屏,实现友好的图形界面,使步兵和智能步兵雷侦察系统之间可以容易地进行数据交互。

软件平台为Linux2.6.21,虚拟机为Ubuntu10.04,自组网路由协议为aodv-uu-0.9.6。

智能步兵雷侦察系统分为三个有机的组成部分:前端的图文信息采集节点,ad hoc网络中的中继转发节点,后方的图文信息显示节点。本系统的图文信息采集节点主要负责对战区图文信息进行收集,ad hoc网络中的中继转发节点主要负责将图文信息采集节点收集到的图文数据转发到后方,后方的图文信息显示节点通过终端显示设备把采集到的战地图文信息显示出来。

2 侦察系统的路由优化算法

2.1 路由算法的选择

移动 Ad Hoc 网络是一种带有无线收发装置的移动通讯节点组成的一个多跳的、临时性的自治通讯系统[4]。整个通讯网络没有固定的通讯基站,每个节点的位置可以自由移动；网络中通讯节点的数量可以动态变化,通讯节点可以方便快速地部署,灵活地扩展。与民用依靠基站的有中心网络相比,Ad Hoc 网络拓扑灵活、健壮性好、投资少,特别适合作战指挥、抢险救灾等特殊应用领域。因为Ad Hoc网络中节点的传输范围有限,源节点向目的节点发送数据时,通常需要中继节点进行数据转发,所以合理的路由协议是Ad Hoc网络中不可缺少的一部分，也是研究和关注的重点、热点和难点问题。

一个理想的Ad Hoc网络路由协议应当满足七个方面的特殊要求:分布式运行、提供无环路由、按需操作、单向信道支持、提供节能策略、可扩展性、安全性。Ad Hoc 网络路由协议针对不同的要求进行优化,适用于不同的网络环境[5]和应用领域,代表性的路由改进有

(1)具有能量意识的路由协议,基于这种改进方案优化的路由协议可以分为四类[6]:最小能量路由协议MER、最小电池耗费路由协议MBCR、最小最大电池耗费路由协议MMBCR、受限的最大最小电池容量路由协议CMMBCR;

(2)基于带宽受限和能量受限的环境树的多播路由协议改进方案,其在有线网络中具有突出的优越性能,典型协议[7]为MAODV、AMRIS、LGT、LAM、ABAM、ADMR。

(3)在自组网中利用基于GPS提供的有关节点的地理位置信息作为依据进行的路由改进方案,可以使节点在寻找路由时避免简单的洪泛;利用相邻节点或目的节点的位置信息,可以提高路由寻找的效率。典型协议是DREAM协议。

目前出现大量路由协议优化方案都只是基于某些性能,进行某种程度的优化,具有一定的优势,但只能满足特定需求。还没能设计出一种快速、准确、高效、可扩展性好的满足各种应用环境的Ad Hoc 网络路由协议。

在对智能步兵雷侦察系统进行大量的实地布网测试后,发现智能步兵雷侦察系统在路由寻找时产生大量的洪泛,值守时间短,链路极易断裂等影响侦察系统性能的缺陷。同时考虑到智能步兵雷主控芯片S3C2416资源有限,存储能力低,计算能力差,所以应用于智能步兵雷侦察系统的路由优化算法应尽量简单、资源占用少、能量损耗小。因此选择的解决方案是:基于 GPS 辅助方案来优化侦察系统的路由协议。在Ad Hoc网络中利用 GPS 提供的有关节点的经纬度及海拔位置信息,提高路由寻找的效率,以使节点在寻找路由时避免简单的洪泛,降低算法能耗,延长智能步兵雷的值守时间。最典型的基于 GPS 辅助优化[7]的是DREAM 路由协议；DREAM路由协议对于节点移动速度表现出很好的强壮性,但是在重负荷环境下效果较差。智能步兵雷节点铺设后基本保持位置不变,节点间没有相对运动,但为转发图文信息，Ad Hoc网络却承受超强的负荷。因此DREAM 路由协议并不适合智能步兵雷通讯系统。为满足智能步兵雷侦察系统的特殊需要,基于GPS 辅助的方案对AODV路由协议[8]进行优化。

2.2 路由算法的优化

智能步兵雷节点为能完成数据转发任务,需要移植AODV路由协议。所以由智能步兵雷通讯模块所组成的无线 ad hoc网络是一种按需路由的无线多跳对等网络:两个信号彼此覆盖不到的智能步兵雷节点可以通过中继节点的路由转发进行数据交互。AODV协议只有节点有待发送的数据时才会发起路由请求[9-10],动态的建立网络拓扑结构,使无线网络更加可靠,扩展更加灵活；该路由协议分为路由发现和路由维护两部分。

智能步兵雷的侦察系统依靠ad hoc网络传输数据。网络中的各个智能步兵雷通讯节点采用无线多跳的方式进行数据传输,相比传统的点对点或点对多点的通讯方式,ad hoc网络在路由选择上更加灵活,数据的传输上也更加的可靠。但使用Ad hoc网络进行数据传输时,随着跳数增加,数据的转发次数也会随之上升,链路断裂[11]的风险随之增加,网络吞吐量随之下降,路由寻找时产生大量的洪泛,占用大量通讯资源。在单信道环境下,要想提高图文数据吞吐量可以通过拓展带宽和提高通讯链路稳定性来实现。

本文是基于智能步兵雷侦察系统带宽一定的情况下,采用路由优化算法选择稳定的通讯链路,降低链路断裂的风险,提高通讯链路的稳定性,降低路由寻找时的洪泛,节省路由寻找和维护路由的时间和资源,最终提高侦察系统性能来完成对智能步兵雷侦察系统的优化。

优化智能步兵雷侦察系统的思路是:依据智能步兵雷节点的地理位置信息,首先计算源节点与目标节点间直线距离,判断目的节点和源节点之间是否在一跳的最佳通讯距离之内,如果超出最优通讯距离,则选择最优中继节点加入:保证下一跳最优距离的同时,选择跳数最少的通讯链路。通过这种算法选择出最优的通讯路径,保证在通讯链路稳定的情况下,数据转发的次数最少。

2.3 路由寻找

智能步兵雷侦察系统的路由寻找过程如图1所示。

源节点A有数据需要发送给目的节点D时,源节点A才会发起路由寻找过程:首先A查找自己的路由表,寻找通往目的节点D的活动路由,并且根据节点间的地理位置信息计算源节点A和目的节点 D 之间的直线距LAD是否大于最优数据传输距离ΔL;如果源节点A和目的节点D之间的通讯距离不大于最优数据传输距离ΔL,源节点A和目的节点D就可以直接进行数据传输;如果源节点A和目的节点D之间的通讯距离大于最优数据传输距离ΔL,源节点A和目的节点D之间不能直接进行数据传输；然后源节点A会向其下游节点发送路由请求,选择最优的中继节点。最优中继节点的条件是:中继节点B到达源节点A和目的节点D连线的垂线HB最短,并且源节点A到中继节点B的距离LAB最接近最优通讯距离ΔL,最终选择节点B为中继节点。中继节点B有需要转发的数据发往目的节点D,中继节点B开始发起路由寻找:发现中继节点C到达B节点和目的节点D的连接线的垂线HC最短,且LBC的距离最接近最优通讯距离ΔL,所以选择节点C作为下一跳的中继节点。C节点的路由表中有通往D节点的活动路由,且中继节点C和目的节点D的距离LCD<ΔL,中继节点C和目的节点D就可以直接进行数据传输了。

图1 侦察系统的通讯拓扑

2.4 路由维护

路由建立后,各节点为维护已经建立的路由,每个节点周期地向自己的邻居节点广播发送HELLO消息,作为与相邻节点的相互连接信息。HELLO消息的生存时间TTL值被设置为1,既保证该消息的传播范围仅限于发送节点和相邻节点之间,收到HELLO消息的节点将建立或更新一条至发送节点的路由。于此同时,在AODV路由协议中,任何节点收到任何控制报文,也具有和收到显示性的HELLO消息一样的意义，因为其通过控制消息报文中的源IP地址显示出有效连接性。如果一条路由在其有效时间内没有被使用或者节点确定有效路由的下一跳无法到达时,则该路由无效。当节点检测到某一路由无效时,其在路由表中将该路由表项设置为无效,且再经过一段时间才将其删除。

3 实地布网测试实验结果分析

实验环境简介:使用三个通讯节点基于AODV协议进行实地组网测试,进行智能步兵雷侦察系统实地布网测试多跳通信的实验:源节点A为侦察系统的图文数据显示节点,其IP地址是192.168.42.2;中继节点B为侦察系统中继转发节点,其IP地址是192.168.43.3;目的节点D为侦察系统图文数据采集节点,其IP地址是192.168.43.7。

为对比智能步兵雷侦察系统在路由优化前后的性能差异,本文用五组实测数据进行说明。

实验一:链路稳定性对比实验

智能步兵雷侦察系统路由算法优化前后,智能步兵雷侦察系统链路稳定性对比数据如图2所示。

图2 优化前后链路节点数对比

路由优化后通讯链路中的节点数量明显增加,提高了ad hoc网络中通讯节点的利用率,同时优化了一跳数据传输的距离,提高了通讯链路稳定性,降低了链路断裂的风险。

实验二:端到端时延对比试验

智能步兵雷侦察系统路由算法优化前后,端到端时延对比数据如图3所示。

由于经算法优化后,智能步兵雷侦察系统的通讯链路更加稳定可靠,降低了数据传输过程中链路断裂的风险,降低路由寻找和路由维护的开销,并且节省了频繁链路修复[12]的时间,提高了通讯系统有效利用率,最终使侦察系统的图文数据的传输更加流畅,也就降低了侦察系统的端到端时延,最终实现侦察系统获得图文信息实时性的提升。

图3 优化前后通讯系统的端到端时延

实验三:通讯系统负荷对比实验

智能步兵雷侦察系统路由算法优化前后,通讯系统的负荷对比数据如图4所示。

图4 算法优化前后网络负荷对比

路由优化算法投入后,保证侦察系统的通讯链路更加稳定,从而提高智能步兵雷通讯系统的有效利用率,使数据传输更加流畅,降低了中继节点缓冲区的占用,系统的实时性增加,所以优化后的负荷曲线整体比较平稳,避免了负荷的剧烈变化对通讯系统的冲击。

实验四:优化前后通讯系统显示端输入数据对比实验

智能步兵雷通讯系统路由算法优化前后,通讯系统显示端的输入数据量对比曲线如图5所示。

图5 优化前后侦察系统显示端数据输入速率对比

路由优化后通讯链路更加稳定,端到端时延降低,使通讯环境得到改善,通讯系统图文信息传输更加流畅,所以优化后的通讯系统显示端的图文数据输入速率曲线即流畅又紧凑,图文数据的传输效率较高,图像画面更加清晰流畅。

实验五:通讯系统流量统计对比实验

智能步兵雷侦察系统路由算法优化前后,通讯系统图文采集端传输等量图文数据,在侦察系统显示端流量统计数据曲线如图6所示。

图6 优化前后通讯系统流量统计

造成侦察系统路由优化前传输等量图文数据时所需流量和时间居高不下的原因是通讯链路不够稳定,图文数据传输时通讯链路会频繁发生断裂,造成通往目的节点的链路频繁失效,为保证数据的正确性和完整性,传输不完整的数据会被当即放弃;频繁的路由修复过程中,需要重新寻找新的路由,这需要消耗额外的时间和资源,增加网络负担；所以在传输等量图文信息时需要更多的流量，这是侦察系统路由优化前,流量统计曲线居高不下的主要原因。侦察系统路由优化后,通讯链路更加稳定,不会频繁出现链路断裂的情况,避免了频繁的路由寻找和路由修复过程,消耗的网络流量相对较少,流量统计曲线保持在相对较低的水平。所以通讯系统路由优化算法投入后,网络有效利用率和数据传输的效率都得到了提高,同时也提高了通讯系统数据传输的稳定性和实时性。