Ad Hoc网路由协议在常规靶场中的应用及仿真
王祖良++李旭++张婷++郑林华
摘 要： 在试验通信系统IP化改造的要求下，建设基于多跳路由协议的无线移动自组织（Ad Hoc）试验通信网是必然的选择。传统的试验通信系统多采用集中控制的点对多点星状网，而移动自组网属于网状网，采用完全不同的组网方式，其对特定试验保障通信业务的承载能力，以及路由协议的适应性目前尚没有试验数据可供参考。对自组网路由协议在试验通信中的应用进行研究，根据想定试验场景对网络性能进行仿真分析，分别仿真了4种路由协议的数据包成功递交率、平均吞吐量以及平均时延等网络性能。仿真结果表明，4种路由协议中有3种协议综合性能完全可以满足试验通信保障任务。
关键词： 移动自组网； 路由协议； 时延； 吞吐量
中图分类号： TN915.04?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2017）21?0006?04
Application of Ad Hoc routing protocol in conventional shooting range and its simulation
WANG Zuliang1， LI Xu2， ZHANG Ting1， ZHENG Linhua3
（1. School of Information Engineering， Xijing University， Xian 710123， China； 2. Xian Satellite Control Center， Xian 710043， China；
3. College of Electrical Science and Engineering， National University y of Defense Technology， Changsha 410073， China）
Abstract： Under the requirement of test communication system for IP transformation， it is an inevitable choice for the construction of wireless mobile Ad Hoc network based on multihop routing protocol. The point?to?multipoint star network of centra?lized control is mostly used in the traditional test communication systems. The mobile Ad Hoc network belongs to mesh network， but is totally different from other networking modes. There is no experimental data for reference when the mobile Ad Hoc network is used in specific test to guarantee the carrying capacity of the communication service and adaptability of the routing protocol. The application of Ad Hoc routing protocol in test communication is studied. The network performance was simulated and analyzed according to the test scenario. The network performances （data packet delivery ratio， average throughput and average time delay） of the four routing protocols were simulated respectively. The simulation results show that the integrated performance of the three routing protocols among the four protocols can meet the supporting task of test communication.
Keywords： mobile Ad Hoc network； routing protocol； time delay； throughput
0 引 言
随着通信系统IP化改造的逐步推进实施，建设基于多跳路由协议的无线移动自组织试验通信网可以极大提升试验靶场通信保障能力，能够更好地适应高度信息化的武器装备试验保障需求。本文在此背景下对自组织路由协议在常规靶场试验通信中的应用进行研究。在介绍了两种多跳路由协议的基础上，对在试验通信保障中引入移动自组织路由协议性能进行了仿真分析，仿真结果对基于移动自组织的试验通信网络的设计部署和网络参数配置具有参考价值。
1 移动自组网路由协议
移动自组网也叫MANET（Mobile Ad Hoc Network）网络，是一种具有自愈能力的多跳网络，节点之间需要通过多跳路由协议进行数据包的转发。移动自组网拓扑常常处于随机变化中，主要是由于节点随机移动、信道不规则变化以及节点的随意加入和退出网络等原因造成。自组网路由协议生成和维护路由表，动态监控自组网拓扑变化，定位目的节点的逻辑位置，根据源节点发起的数据传输需求，寻址目的节点，并完成数据的转发。
Ad Hoc路由协议按照路由信息建立方式分类，可以分为主动路由协议和按需路由协议两类。
（1） 主动路由协议
主动路由协议即是不管源节点有无数据需要发送，各节点主动发现、生成和维护路由信息。方法是通过周期性广播路由协议信息而实现。同时，各节点必须维护去往全网所有节点的路由。本文以BELLMANFORD协议为例给出主动路由协议算法过程。
BELLMANFORD实现步骤如下：
步骤一：路由费用度量。利用源节点到目的节点所需的跳数、时间延迟量或者数据队列长度作为路由费用。
步骤二：路由信息广播。各节点间隔一定周期向邻居节点广播路由信息，以实现所有节点均能感知本网络中所有其他节点的路由费用信息。
步骤三：路由决策。按照步骤一定义的路由费用，以费用最小为原则选择需要转发的下一跳节点。
步骤四：路由信息的维护。在建立了路由信息后，每个节点需要实时维护一个路由表，路由表中需要包括路由费用、目的节点地址以及下一跳地址等信息。
（2） 按需路由协议
在按需路由协议中，拓扑结构和路由表是按照源节点的发送需求而建立的，并且仅在源节点有数据需要发送而又缺失去往目的节点的路由时，才启动路由发现算法。DSR和AODV是两个主要的按需路由协议，与主动路由协议类似，按需路由协议也包括路由发现和路由维护两个过程。
在DSR路由协议中，源节点动态广播路由请求信息RREQ，除目的节点外，其余中间节点收到RREQ信息后，如果RREQ路由记录中没有包括本节点，则将本节点地址追加到RREQ路由记录里，然后再向周围节点广播更新后的RREQ信息。对于目的节点，则收到RREQ分组信息后向源节点发回路由回答分组信息RREP。
2 移动自组网在试验通信中的应用
建设基于多跳路由协议的无线移动自组织试验通信网，可以极大地提升试验通信保障能力，能够更好地适应信息化武器装备试验保障的需求。多跳自组织网络作为一种无线组网形式，支持不同技术标准，可以在异构环境下提供多种服务，具有组网简单、方便和易于扩展等优点，支持节点的随意加入和退出，具有抗毁顽存性好，能够很好地满足场区覆盖范围可变、实现动中通、适应试验任务快速展开以及外场试验独立组网等要求。
归纳起来，在试验通信中引入无线移动自组网具有以下优点：
（1） 提高网络可靠性
与目前试验通信中广泛采用的点到点微波通信系统相比，无线移动自组网采用网状网结构，当其中的某条链路出现故障，节点可自动转换到其他可达的迂回链路，网络的可靠性有了大幅提高。
（2） 提高网络覆盖范围
采用分级分层结构，利用支持802.16的增强节点搭建骨干网络，支持802.11的低功耗节点组成二级节点。采用802.16技术专项研制的增强节点可以实现单跳10 km范围的通信，在五级转发的情况下可以最大实现60 km场区覆盖。
（3） 组网灵活、可扩展性强
采用多跳组网，任一节点既可作为信息发送点和信息接收点，又可作为路由为其他节点转发数据分组，具有自组织和自愈性。
3 性能仿真与评估
3.1 试验场景想定
想定一次60 km射程的常规武器试验，需要提供6个参试节点的通信保障任务，包括试验指挥1个节点，坐标为（0，0），发射测控节点1个，坐标为（0，1），中段测量节点2个，坐标为（10，0）和（10，10），末段测量节点2个，坐标为（60，0）和（60，10），以上坐標单位为km。为此，除参试点位6个节点外，还需要在中段到末段间布置4个节点作为路由中继，采用移动自组网多跳路由实现60 km射程的全覆盖。此外，为了实现自组网接入试验网，利用发测节点作为AP节点实现与固网的信息交换，场景示意图如图1所示。仿真平台采用GloMoSim无线网络仿真工具进行仿真，通过网络配置实现离散事件仿真，可以得到各层仿真统计结果（本文只统计分析应用层性能），并利用Matlab工具对结果文件中的数据进行绘图分析。
3.2 仿真参数
仿真参数配置如表1所示。
3.3 通信业务设置
（1） 话音业务
模拟试验指挥节点1依次对发测节点2，中段测量节点3、4以及末段测量节点9、10五个节点的指挥调度，试验指挥采用轮询形式向其余5个节点发起指挥口令，指挥口令和应答口令通话时长均为8 s。话音分组类型为CBR，分组长度为100 B，分组间隔为100 ms，则比特速率为[100×80.1=]8 Kb/s，用于模拟8 Kb/s的数字语音编码数据，共发送数据分组数为[8×8×1 000/8/100=]80，考虑一定富裕量，仿真中发送分组数为90，时间间隔为10 s。
（2） 视频业务
节点3从仿真开始持续向节点2发送视频数据，数据类型为CBR，分组长度为1 500 B，发送分组间隔为1 ms，则比特速率为12 Mb/s，用于模拟高清视频。
3.4 仿真结果分析
（1） 分组成功递交率
分组成功递交率随信道带宽变化的仿真结果如图2所示，信道带宽为10～28 Mb/s，分别仿真了两种主动路由协议WRP，BELLMANFORD和两种按需路由协议AODV，DSR。
由图2可以看出，从分组成功递交率看，AODV成功递交分组的性能明显比其他三种协议差，无法满足试验要求。性能最好的两种路由协议为DSR和BELLMANFORD，性能相当，当底层信道速率大于16 Mb/s时成功率接近99%，DSR为99.1%左右，BELLMANFORD为98.7%左右，若在应用层再利用重传反馈等措施对可靠性加以改善，完全可以满足试验要求。WRP协议性能稍逊于DSR和BELLMANFORD，直到底层信道带宽大于22 Mb/s以后成功率才稳定在97.3%以上，在应用层采用良好的重传反馈措施下依然可以满足试验要求。
（2） 平均吞吐量性能
平均吞吐量随底层信道带宽的变化曲线如图3所示。
由图3可知，从网络平均吞吐量性能看，WRP协议性能最差，其他三种性能大致相当。WRP协议需要底层带宽高于22 Mb/s吞吐量性能才趋于稳定。而其他三种协议在16 Mb/s以上即可达到稳定。
（3） 平均时延性能
平均时延随底层信道带宽变化规律如图4所示。
由图4可知，在信道带宽大于16 Mb/s时仿真的4种路由协议平均时延均小于1 ms，在14 Mb/s这个点上，时延性能优劣顺序依次为WRP，AODV，BELLMANFORD和DSR，但差别并不明显，WRP最小为35 ms，DSR最大为42 ms。在12 Mb/s点上，依次为AODV，WRP，BELLMANFORD和DSR，差别也不明显，相差小于5 ms。而在小于12 Mb/s时，由于信道带宽小于业务速率，分组成功递交率很低，时延统计并没有实际意义，不予考虑。
总之，从时延性能看，当信道带宽大于14 Mb/s时，平均时延均小于50 ms，完全可以满足话音、视频和数据业务需求。
（4） 综合性能分析
从上面对4种路由协议分组成功递交率、网络平均吞吐量及平均时延的仿真结果看，综合各种性能，除AODV协议由于成功递交率过低不能满足要求外，其余三种路由协议均可满足试验保障通信需求。虽然在信道带宽较低时DSR时延稍大，但并不影响业务传输质量，三种路由协议综合性能优劣依次为DSR，BELLMANFORD和WRP。
4 结 语
本文对四种路由协议在试验通信保障中的性能进行了仿真分析，结果表明，从分组成功递交率、网络平均吞吐量及平均时延等三个指标综合性能看，除AODV协议外，其余三种路由协议，即DSR，BELLMANFORD和WRP均可满足试验保障通信需求。本文研究结果对试验保障通信网络的论证、系统设计和参数配置具有一定的理论指导意义。
参考文献
[1] 史雨雨.无线传感器网络能量优化路由算法的研究[D].上海：东华大学，2016.
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[3] SINGH R， SINGH D K， KUMAR L. Performance evaluation of DSR and DSDV routing protocols for wireless Ad Hoc networks [J]. International journal of advanced networking and applications， 2011， 2（4）： 732?737.
[4] LIU Si， ?LVECZKY Peter Csaba， MESEGUER José. Modeling and analyzing mobile Ad Hoc networks in real?time Maude [J]. Journal of logical and algebraic methods in programming， 2015， 85（1）： 34?66.
[5] 刘宏，夏未君，王其涛.一种安全节能的Ad Hoc网络路由协议设计[J].东北师大学报（自然科学版），2016（2）：83?88.
[6] 沈丹丹，王立华，王宇，等.AODV协议在渔船超短波自组网中的仿真与分析[J].计算机科学，2016，43（z1）：285?287.
[7] 王昊，孔令荣，芮义斌.一种基于稳定路由策略的AODV改进路由协议[J].电光与控制，2016（7）：24?28.
[8] KHATTAK Zafar Mehmood， IQBAL Muddesar， WANG Xing?heng. A comparative performance study of Ad Hoc routing protocols to improve the route discovery process of AODV [J]. International journal of adaptive， resilient and autonomic systems， 2014， 5（4）： 1?14.
[9] LALITHA V， RAJESH R S. AODV_RR： a maximum transmission range based Ad Hoc on?demand distance vector routing in MANET [J]. Wireless personal communications， 2014， 78（1）： 491?506.
[10] MAHMOUD T M， AI?MAHDI H， WAHED M， et al. Performance evaluation of some routing protocols using TCP traffic types in mobile Ad Hoc networks [J]. International journal of computer science issues， 2014， 11（4）： 60?67.
[11] JOHNSON D B， AMALTZ D. The dynamic source routing protocol for mobile Ad Hoc network [R]. [S.l.]： Network Working Group， 2003.
[12] 李刚.MANET中基于能量的改进型AODV协议[J].华侨大学学报（自然科学版），2016（4）：503?506.
摘 要： 在试验通信系统IP化改造的要求下，建设基于多跳路由协议的无线移动自组织（Ad Hoc）试验通信网是必然的选择。传统的试验通信系统多采用集中控制的点对多点星状网，而移动自组网属于网状网，采用完全不同的组网方式，其对特定试验保障通信业务的承载能力，以及路由协议的适应性目前尚没有试验数据可供参考。对自组网路由协议在试验通信中的应用进行研究，根据想定试验场景对网络性能进行仿真分析，分别仿真了4种路由协议的数据包成功递交率、平均吞吐量以及平均时延等网络性能。仿真结果表明，4种路由协议中有3种协议综合性能完全可以满足试验通信保障任务。
关键词： 移动自组网； 路由协议； 时延； 吞吐量
中图分类号： TN915.04?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2017）21?0006?04
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Abstract： Under the requirement of test communication system for IP transformation， it is an inevitable choice for the construction of wireless mobile Ad Hoc network based on multihop routing protocol. The point?to?multipoint star network of centra?lized control is mostly used in the traditional test communication systems. The mobile Ad Hoc network belongs to mesh network， but is totally different from other networking modes. There is no experimental data for reference when the mobile Ad Hoc network is used in specific test to guarantee the carrying capacity of the communication service and adaptability of the routing protocol. The application of Ad Hoc routing protocol in test communication is studied. The network performance was simulated and analyzed according to the test scenario. The network performances （data packet delivery ratio， average throughput and average time delay） of the four routing protocols were simulated respectively. The simulation results show that the integrated performance of the three routing protocols among the four protocols can meet the supporting task of test communication.
Keywords： mobile Ad Hoc network； routing protocol； time delay； throughput
0 引 言
随着通信系统IP化改造的逐步推进实施，建设基于多跳路由协议的无线移动自组织试验通信网可以极大提升试验靶场通信保障能力，能够更好地适应高度信息化的武器装备试验保障需求。本文在此背景下对自组织路由协议在常规靶场试验通信中的应用进行研究。在介绍了两种多跳路由协议的基础上，对在试验通信保障中引入移动自组织路由协议性能进行了仿真分析，仿真结果对基于移动自组织的试验通信网络的设计部署和网络参数配置具有参考价值。
1 移动自组网路由协议
移动自组网也叫MANET（Mobile Ad Hoc Network）网络，是一种具有自愈能力的多跳网络，节点之间需要通过多跳路由协议进行数据包的转发。移动自组网拓扑常常处于随机变化中，主要是由于节点随机移动、信道不规则变化以及节点的随意加入和退出网络等原因造成。自组网路由协议生成和维护路由表，动态监控自组网拓扑变化，定位目的节点的逻辑位置，根据源节点发起的数据传输需求，寻址目的节点，并完成数据的转发。
Ad Hoc路由协议按照路由信息建立方式分类，可以分为主动路由协议和按需路由协议两类。
（1） 主动路由协议
主动路由协议即是不管源节点有无数据需要发送，各节点主动发现、生成和维护路由信息。方法是通过周期性广播路由协议信息而实现。同时，各节点必须维护去往全网所有节点的路由。本文以BELLMANFORD协议为例给出主动路由协议算法过程。
BELLMANFORD实现步骤如下：
步骤一：路由费用度量。利用源节点到目的节点所需的跳数、时间延迟量或者数据队列长度作为路由费用。
步骤二：路由信息广播。各节点间隔一定周期向邻居节点广播路由信息，以实现所有节点均能感知本网络中所有其他节点的路由费用信息。
步骤三：路由决策。按照步骤一定义的路由费用，以费用最小为原则选择需要转发的下一跳节点。
步骤四：路由信息的维护。在建立了路由信息后，每个节点需要实时维护一个路由表，路由表中需要包括路由费用、目的节点地址以及下一跳地址等信息。
（2） 按需路由协议
在按需路由协议中，拓扑结构和路由表是按照源节点的发送需求而建立的，并且仅在源节点有数据需要发送而又缺失去往目的节点的路由时，才启动路由发现算法。DSR和AODV是两个主要的按需路由协议，与主动路由协议类似，按需路由协议也包括路由发现和路由维护两个过程。
在DSR路由协议中，源节点动态广播路由请求信息RREQ，除目的节点外，其余中间节点收到RREQ信息后，如果RREQ路由记录中没有包括本节点，则将本节点地址追加到RREQ路由记录里，然后再向周围节点广播更新后的RREQ信息。对于目的节点，则收到RREQ分组信息后向源节点发回路由回答分组信息RREP。
2 移动自组网在试验通信中的应用
建设基于多跳路由协议的无线移动自组织试验通信网，可以极大地提升试验通信保障能力，能够更好地适应信息化武器装备试验保障的需求。多跳自组织网络作为一种无线组网形式，支持不同技术标准，可以在异构环境下提供多种服务，具有组网简单、方便和易于扩展等优点，支持节点的随意加入和退出，具有抗毁顽存性好，能够很好地满足场区覆盖范围可变、实现动中通、适应试验任务快速展开以及外场试验独立组网等要求。
归纳起来，在试验通信中引入无线移动自组网具有以下优点：
（1） 提高网络可靠性
与目前试验通信中广泛采用的点到点微波通信系统相比，无线移动自组网采用网状网结构，当其中的某条链路出现故障，节点可自动转换到其他可达的迂回链路，网络的可靠性有了大幅提高。
（2） 提高网络覆盖范围
采用分级分层结构，利用支持802.16的增强节点搭建骨干网络，支持802.11的低功耗节点组成二级节点。采用802.16技术专项研制的增强节点可以实现单跳10 km范围的通信，在五级转发的情况下可以最大实现60 km场区覆盖。
（3） 组网灵活、可扩展性强
采用多跳组网，任一节点既可作为信息发送点和信息接收点，又可作为路由为其他节点转发数据分组，具有自组织和自愈性。
3 性能仿真与评估
3.1 试验场景想定
想定一次60 km射程的常规武器试验，需要提供6个参试节点的通信保障任务，包括试验指挥1个节点，坐标为（0，0），发射测控节点1个，坐标为（0，1），中段测量节点2个，坐标为（10，0）和（10，10），末段测量节点2个，坐标为（60，0）和（60，10），以上坐標单位为km。为此，除参试点位6个节点外，还需要在中段到末段间布置4个节点作为路由中继，采用移动自组网多跳路由实现60 km射程的全覆盖。此外，为了实现自组网接入试验网，利用发测节点作为AP节点实现与固网的信息交换，场景示意图如图1所示。仿真平台采用GloMoSim无线网络仿真工具进行仿真，通过网络配置实现离散事件仿真，可以得到各层仿真统计结果（本文只统计分析应用层性能），并利用Matlab工具对结果文件中的数据进行绘图分析。
3.2 仿真参数
仿真参数配置如表1所示。
3.3 通信业务设置
（1） 话音业务
模拟试验指挥节点1依次对发测节点2，中段测量节点3、4以及末段测量节点9、10五个节点的指挥调度，试验指挥采用轮询形式向其余5个节点发起指挥口令，指挥口令和应答口令通话时长均为8 s。话音分组类型为CBR，分组长度为100 B，分组间隔为100 ms，则比特速率为[100×80.1=]8 Kb/s，用于模拟8 Kb/s的数字语音编码数据，共发送数据分组数为[8×8×1 000/8/100=]80，考虑一定富裕量，仿真中发送分组数为90，时间间隔为10 s。
（2） 视频业务
节点3从仿真开始持续向节点2发送视频数据，数据类型为CBR，分组长度为1 500 B，发送分组间隔为1 ms，则比特速率为12 Mb/s，用于模拟高清视频。
3.4 仿真结果分析
（1） 分组成功递交率
分组成功递交率随信道带宽变化的仿真结果如图2所示，信道带宽为10～28 Mb/s，分别仿真了两种主动路由协议WRP，BELLMANFORD和两种按需路由协议AODV，DSR。
由图2可以看出，从分组成功递交率看，AODV成功递交分组的性能明显比其他三种协议差，无法满足试验要求。性能最好的两种路由协议为DSR和BELLMANFORD，性能相当，当底层信道速率大于16 Mb/s时成功率接近99%，DSR为99.1%左右，BELLMANFORD为98.7%左右，若在应用层再利用重传反馈等措施对可靠性加以改善，完全可以满足试验要求。WRP协议性能稍逊于DSR和BELLMANFORD，直到底层信道带宽大于22 Mb/s以后成功率才稳定在97.3%以上，在应用层采用良好的重传反馈措施下依然可以满足试验要求。
（2） 平均吞吐量性能
平均吞吐量随底层信道带宽的变化曲线如图3所示。
由图3可知，从网络平均吞吐量性能看，WRP协议性能最差，其他三种性能大致相当。WRP协议需要底层带宽高于22 Mb/s吞吐量性能才趋于稳定。而其他三种协议在16 Mb/s以上即可达到稳定。
（3） 平均时延性能
平均时延随底层信道带宽变化规律如图4所示。
由图4可知，在信道带宽大于16 Mb/s时仿真的4种路由协议平均时延均小于1 ms，在14 Mb/s这个点上，时延性能优劣顺序依次为WRP，AODV，BELLMANFORD和DSR，但差别并不明显，WRP最小为35 ms，DSR最大为42 ms。在12 Mb/s点上，依次为AODV，WRP，BELLMANFORD和DSR，差别也不明显，相差小于5 ms。而在小于12 Mb/s时，由于信道带宽小于业务速率，分组成功递交率很低，时延统计并没有实际意义，不予考虑。
总之，从时延性能看，当信道带宽大于14 Mb/s时，平均时延均小于50 ms，完全可以满足话音、视频和数据业务需求。
（4） 综合性能分析
从上面对4种路由协议分组成功递交率、网络平均吞吐量及平均时延的仿真结果看，综合各种性能，除AODV协议由于成功递交率过低不能满足要求外，其余三种路由协议均可满足试验保障通信需求。虽然在信道带宽较低时DSR时延稍大，但并不影响业务传输质量，三种路由协议综合性能优劣依次为DSR，BELLMANFORD和WRP。
4 结 语
本文对四种路由协议在试验通信保障中的性能进行了仿真分析，结果表明，从分组成功递交率、网络平均吞吐量及平均时延等三个指标综合性能看，除AODV协议外，其余三种路由协议，即DSR，BELLMANFORD和WRP均可满足试验保障通信需求。本文研究结果对试验保障通信网络的论证、系统设计和参数配置具有一定的理论指导意义。
参考文献
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[4] LIU Si， ?LVECZKY Peter Csaba， MESEGUER José. Modeling and analyzing mobile Ad Hoc networks in real?time Maude [J]. Journal of logical and algebraic methods in programming， 2015， 85（1）： 34?66.
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[6] 沈丹丹，王立华，王宇，等.AODV协议在渔船超短波自组网中的仿真与分析[J].计算机科学，2016，43（z1）：285?287.
[7] 王昊，孔令荣，芮义斌.一种基于稳定路由策略的AODV改进路由协议[J].电光与控制，2016（7）：24?28.
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[10] MAHMOUD T M， AI?MAHDI H， WAHED M， et al. Performance evaluation of some routing protocols using TCP traffic types in mobile Ad Hoc networks [J]. International journal of computer science issues， 2014， 11（4）： 60?67.
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[12] 李刚.MANET中基于能量的改进型AODV协议[J].华侨大学学报（自然科学版），2016（4）：503?506.
