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简析航空高动态网络负载感知路由算法

  1问题提出
  在民用航空通信领域中,目前的航空电信网无法完全满足飞机间相互通信、分发环境感知信息等需求.因此,为了达到未来空域运行实时交互、高效通信的目标,针对上述缺陷设计适合的通信方式是非常重要的.同时在军用航空通信领域,航空通信网络承载着诸如遥测信息、指令信息等收集、传输、分发等重要任务.由于航空通信环境复杂,对于端到端的信息传输质量有着较高的需求.因此,构建可靠、快速、抗毁性好的空天地一体化通信网络是未来战场的必然需求.
  航空高动态网络是整个空天地网络的重要一环,由高速飞行、功能独立又相互协作的飞行器组成.航空高动态网络和卫星通信网络、地面通信网络、高空平台通信系统等构成了完整的空天地一体化结构.典型的航空高动态网络主要包括航空信息传输节点(TA,TransmissionAirborne-nodes)、中继节点(RN,RelayNodes)及相应的信息站(GS,GateStations)和网管节点(GW,Gateways)等.和地面的Adhoc网络相比,航空高动态网络的节点移动速度差异性明显.网络中同时存在速度较低的节点和高速运动的节点,其中高速运动节点相对速度可达2382m/s,Ma≈7.而和普通的航空自组网相比,由于应用环境的不同,航空高动态网络中对于飞行器均匀转向飞行模式(CT,ConstantTurning)和恒定速度飞行模式(CV,ConstantVelocity)的假设并不适用,网络拓扑变化更为频繁,且承载的信息传输任务更为复杂.
  2负载感知路由
  目前的机载通信设备能够依靠地空、空空数据链,将导航系统及其他机载设备产生的位置、速度以及流量等状态信息矢量(SV,StateVector)作为数据源,进行周期性对外广播,因而能够更好地辅助信息传输过程.在本文中假设航空飞行器间装载相同格式的数据链,能够直接通信.DGLAR算法主要包括路由发现、下一跳节点选择、数据发送3个部分.在路由发现的阶段,算法收集其通信范围内的节点信息及其状态向量;在下一跳节点选择阶段,算法通过和通信范围内节点的移动性度量和负载信息动态选择下一跳节点;在数据发送阶段,算法设计了相应的数据包转发策略.
  3算法性能评估
  为了验证本文提出的路由算法,采用仿真软件OPNET10.1建立动态的仿真环境.仿真环境的建立参考了实际航空通信环境中的参数,如传播损耗模型、射频功率等.应用层采用服从均匀分布的恒定比特率业务来模拟数据业务.航空飞行器终端均以相同概率产生新业务,且持续时间服从负指数分布.网络层采用本文提出的DGLAR算法.链路层使用接入控制协议802.11DCF,节点链路有一个队列长度为15个数据包大小的FIFO队列.实验分为两部分:第一部分测试在不同网络动态程度下的算法表现,第二部分测试在不同负载程度下的算法表现。
  3.1节点动态性能实验
  首先测试在大数据速率环境下不同节点速度对网络性能的影响,设定低速移动节点速度为100km/h,高速节点速度在400~600km/h的范围内逐渐增加.数据发送速率恒定为5MB/s.
  可知,3种路由算法的丢包率都受到节点移动速度的影响.GPSR和GLSR的丢包率随着节点移动速度的增大而快速累积,特别是当速度大于600km/h时丢包情况进一步严重.这主要是因为高速移动的环境下网络断链情况加剧,从而产生大量的重路由导致数据包的发送失败.另一方面,由于DGLAR考虑了节点的移动速度度量,能够减少相应丢包情况的发生,有效地提高了数据包的成功传输率.
  3.2流量负载性能实验
  接下来测试在动态环境下不同负载程度对算法性能的影响,设定低速移动节点速度为100km/h,高速节点速度为400km/h.数据发送速率从5~35MB/s逐渐递增.
  由于节点的缓存队列是有限的,随着发送速率的增加,3种路由算法的丢包率都有所增加.DGLAR的数据包成功传输率优于GPSR和GLSR,这是由于DGLAR在选择下一跳节点的时候考虑了节点的负载度量,避免了网络的流量汇聚带来的拥塞,减少了网络的丢包机率.
  4结论
  本文在对航空高动态网络特殊性及其对路由算法影响进行深入分析的基础上,设计了一种适合复杂动态环境、高速数据传输的航空高动态路由算法DGLAR.
  DGLAR根据信息发送节点和邻居节点的地理位置信息、相对移动速度和节点链路拥塞情况动态选择发送路径,提高了传输路径的稳定性和整体网络对高速数据传输的可靠性.实验结果表明:
  1)算法可显著减少因节点移动而导致的数据发送失败,从而降低信息传输丢包率,进而减少因重传而产生的拥塞概率,使网络达到负载均衡,提升网络整体资源利用率.相比GLSR算法,因节点移动而产生的丢包率可降低14.5%~43.3%,因数据发送速率增加而导致的丢包增加率可降低8.6%.
  2)算法可有效地降低了复杂通信环境的端到端时延,并随节点移动速度和数据发送速率的增加而显示出更好的传输性能,能够更好地满足业务对网络QoS路由的需求.相比GLSR算法,在节点移动速度达700km/h时,端到端时延可降低63.2%;在节点发送速率为35MB/s时,端到端时延可降低55.4%.