学术：一种基于多频分级架构的空中自组网研究

Original 2016-12-07 ☞ 信息与电子前沿

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今日荐文的作者为中国电子科学研究院专家周春华，秦智超，张平。本篇节选自论文《一种基于多频分级架构的空中自组网研究》，发表于《中国电子科学研究院学报》第10卷第1期。下面和小编一起开始学习吧~

1 引言

在现代战争中，谁掌握了制空权，就获得了胜利的主动权。随着我军装备的发展，空中节点日益增多，各飞行节点作战效能日益增强，在单机作战能力上，已经与军事强国差距变小。然而仅靠各个飞机的单独作战效能还远远不够，现代战争对体系作战能力的要求越来越高。体系作战能力的形成涉及网络、服务、应用等众多内容，其中一体化组网能力是实现体系作战的基础，如何实现众多空中节点自由动态组网，将各个空中节点互联互通，满足各种作战需求，对于空战具有重要意义。

目前，空中节点主要通过数据链互联，然而现有的数据链存在其固有缺点，与空中节点实现自由动态组网的需求存在一定差距，比如不具备多跳能力，无法通过中间节点的转发来传送信息到单个节点通信距离外的节点，空中平台通信范围受到限制；使用前需要较长时间的网络规划，对于未在配置内的新的作战单元无法加入网络；不同数据链之间无法直接互通。

移动IP及Ad hoc技术被认为是解决以上问题的有效途径，在地面无线组网等领域已经获得广泛应用，技术已经相对成熟。然而由于飞机在运动方式和信息交换等方面具有其自身特征，与地面无线网络差别很大，亟需针对飞机编队特征，研究并设计符合飞机编队组网要求的组网架构、地址分配机制及路由协议等，促进空中自由动态组网能力的形成。

2 组网设计

2.1 网络架构

在实际战场中，基本都是以飞行编队为作战单元，编队内飞机执行相同任务，飞行的速度大小方向等基本相同，因为作战任务在事先划好，飞行编队只需按照事先规划好的路线到达目的地即可。不同飞行编队间可能因为作战任务不同，或者相同的任务但是事先划定的飞行路线不同，又或者由于指挥官临场指挥的变化，导致不同飞行编队间的速度和方向差距比较大，存在着巨大的相对速度。

依据飞机编队以上运动特征，采用基于网状网的多频分级结构，不同级采用不同的通信频率，不同簇之间也采用不同频率，簇头之间以网状形式互通。簇头负责协调和管理簇内节点。组网逻辑结构如图2-1所示。整个网络分为两级，簇头组成高一级网络，采用与低级簇不同频率，同时其功率也可以根据需要进行调整，比低级簇成员的发送功率大。高级簇成为整个网络的骨干传输网，为低级网络提供传输功能。

图2-1分级式组网架构

该组网架构使得飞机编队具有独立组网、自组织和多跳路由的特点。网络中的节点互相作为其邻居节点（在其直接通信范围内的节点）的路由器，通过路由转发，实现远距离通信。通过信息的不断传递，使网内成员共享态势信息。

2.2 地址分配

飞机编队采用IP协议进行组网，需设计合理的地址分配机制，一方面需满足编队内部通信需求，综合考虑系统复杂性、通信容量、频谱资源等因素，作出最优选择；另一方面，飞机编队作为全球信息栅格网的一个组成部分，需要实现与整个信息栅格网一体化互联。地址分配如图2-1：

图2-1 节点IP地址配置

Subnet id是整个飞机编队网的网络ID，包含三个字节，默认值为172.88.23，在实际使用过程中，取决于飞机编队网所接入信息栅格网的地点，由信息栅格网DHCP分配；最后一个字节用于飞机编队内节点间通信，其中Cluster id表示飞机所在簇的ID，由三个比特组成，Node id用于表示飞机本身的节点ID，由5个比特组成。因此在一个簇内最多可容纳32个节点。

2.3 入网方式

节点的入网过程受应用场景约束，设计为两种入网方式：指定式入网和自由式入网。指定式入网的候选节点开机后，依据预案配置发送入网请求广播包，报文中包含期待加入的簇信息，对应簇头收到信息后回复候选节点，入网成功；自由式入网是在未有预案或指定式入网失败后（且允许自由入网），候选节点发送入网广播包，报文中相应字段体现自由入网属性，收到的簇头节点均回复广播信息，依据地理位置信息和/或信号链路强度选择入网。

3 分级式路由

路由协议是实现空中节点自主、动态组网的关键，其性能优劣关系到整个空中网络的性能。近程空战时，编队内飞机相互交互的信息内容主要是敌机瞬时态势、友机位置、燃料、武器配置等，数据量不算大，但是交换比较频繁；编队间交互的信息内容主要包括各自战场图片或者接受新的作战任务等战场态势，数据量较大，但交换次数相对较少。基于上述特征，设计了混合式路由协议CDAR（Cluster based Distributed Ad hoc Routing），其中簇内采用先验式路由，簇间采用反应式路由，吸取了先验式路由和反应式路由的优点，具体内容如下。

3.1 分簇算法

分簇算法用于将Ad-hoc网络划分为若干相互连通的子网，包括簇头选择、簇的形成和数据传输三步，其关键在于簇头的选择，在网络拓扑结构发生变化时会对簇进行维护。不同的分簇算法使用不同的成簇规则和簇维护规则，常见的簇维护规则有簇结构最合理、计算开销最小、网络生存时间最长和簇首的的分布最均匀等。经典的分簇算法包括最小ID分簇算法、最高节点度分簇算法、基于节点地理位置的分簇算法等，已经在各种文章中有深入研究，在此不一一赘述。

由于飞机具备惯导等装备，能够提供移动速度和位置等信息，因此，本文综合考虑节点ID、运动速度和地理位置信息，将三个指标拟合构成簇头选择的依据，网络中任意节点M被选为簇头的概率M_p取决与计算公式：

M_p=a*W_ID+b*W_speed+c*W_Pos

其中，W_ID代表节点ID，W_speed代表节点移动速度，W_Pos代表节点位置信息，a、b、c是权重系数，三者之和为1，实际应用中可根据需要对三个权重系数进行调整。

3.2 簇内路由

依据飞机编队组网特征，簇内路由策略选择先验式路由算法DSDV。DSDV是一种无环路距离矢量路由协议，基于Bellman-Ford路由协议针对ad hoc网络特征改进而产生的，是经典的表驱动路由算法。在DSDV路由协议中，每个节点都会维护一张路由表，用于记录到网络中其他任何节点的路由信息。此外，节点会周期性地与邻居节点交换路由信息，或者当网络拓扑结构发生变化时，通过与邻居节点交换路由实现路由表更新。由于DSDV协议实时维护路由信息，因此获取路由的时间短，非常适用于对实时性要求比较高的网络环境。

1) 路由表结构

本文设计的DSDV的先验路由表中仅包含四个字段：

a) dst：目的地址ID；

b) next：下一跳路由地址；

c) hop：跳数；

d) seqno：序列号，标识路由条目的新旧程度。

2) 路由更新机制

基于路由表的路由算法的实现过程中，都存在路由更新机制。本文中，定义两种路由更新方法：定时更新与触发式更新。更新者线程存在两个定时机制，其一，每隔5s进行一次路由更新；其二，每间隔1s进行一次触发更新检测，对于依据更新时间排队的更新项目，进行广播发送。考虑路由表更新为整个网络带来的负载开销问题，两种更新策略均采用增量式更新，即每次更新时，仅仅更新“需要更新”的路由内容。两种更新的更新内容范畴见表3-1。

表3-1路由更新机制表

3) 路由插入/修改策略

路由广播包到达后，需依据报文内容对路由表进行更新操作，对路由更新报文中的每条更新数据，逐条处理，具体流程见图3-1：

a) 首先检测是否存在，若不存在已有路由表项，则说明是新入网节点，更新本机路由表并设定立即触发式更新；

b) 对于已经存在的表项，比较序列号，若序列号相同，意味着不同路径到来的路由信息，此时需要比较跳数，跳数小则留用（更新路由表），跳数大则忽略。此部分的更新机制是：跳数小更新路由表后，检测新的跳数与上次更新的跳数是否一致，若一致则设置定时更新；否则设置为立即更新（发现了一跳与以往不同的最短路径）；

c) 如序列号不同，则剩余两种情况：序列号更大，表示路由信息更新，此时坚决更新路由表，并设置为定时更新。序列号更小，说明邻居节点给出了一个“旧信息”，此时不更新路由表，但是将路由中真实的“信息”设置为触发更新。

图3-1 路由更新算法

4) 链路中断的检测/处理方法

链路中断的检测可采用两种方法：

a) 链路层检测到某条链路中断时，向网络层路由协议发送报告；

b) 路由协议进行时间推断，当节点很长一段时间未收到某个节点发送的路由分组时，就认为本节点到该节点的链路断开，则将相应的路由条目的跳数设为无穷大来描述断开的链路。

当有链路断开时会更新断开节点对应的路由，将该不可达节点路由的序列号在原有基础上加1，跳数设为-1，并发送一个更新分组。

3.3 簇间路由

簇间路由是实现簇间通信的基础，本文采用反应式路由策略，源节点首先查找自己的路由表，如果发现存有目的地址的路由信息，直接转发，如果没有路由信息，发起一个路由发现的过程，通过在簇首和网关节点之间进行查找，获取到目的节点的路由。

簇间的反应式路由采用以簇为单位的有限洪泛思想，通过三种报文实现，即路由请求报文RREQ、路由回复报文RREP和路由差错报文REER。当源节点S需要寻找到目的节点D的路由时，S向本簇簇头发送RREQ报文，本簇簇头在收到RREQ报文后，通过网关节点转发到邻接簇的簇头，而邻接簇的簇头将RREQ报文通过网关节点转发至它的邻接簇的簇头。如此下去，RREQ报文将在网关节点和簇头以及连接它们的普通节点组成的骨干网上洪泛，直到到达目的节点D为止。

图3-2 路由发现流程

路由发现流程见图3-2，详细处理流程如下：

1) 当簇头节点收到RREQ报文，说明存在一条到达源节点的路由，将此路由添加到自己的路由表中；

2) 簇头节点收到RREQ报文后，将查找自身路由表，如果存在到达目的节点的路由，则它沿原路径反向向源节点S发送RREP报文并丢弃该RREQ报文；

3) 如果不存在到达目的节点的路由，则向邻接簇转发RREQ报文，并将该簇头的节点ID加入到报文的路由序列中；

4) 当网关节点接收到来自不同路径的同一RREQ报文时，将后接收到的重复的RREQ报文丢弃；

5) 如果没有合适的网关节点可供转发，则丢弃RREQ报文；

6) 目的节点收到RREQ报文后，将沿原路径反向向源节点发送RREP报文。

在完成路由查找后，即可进行数据传输，将沿着RREP报文的路径反向逐跳传输，最终实现簇间通信。

4 仿真分析