何 东，于纪言

(南京理工大学 智能弹药技术国防重点学科实验室， 南京 210094)

弹道修正火箭弹多弹组网作战系统是弹群组网作战系统在火箭弹上的一种应用。由于修正火箭弹较导弹等精确打击武器成本低廉，因此通过多枚甚至大规模的修正火箭弹组网协同对目标进行打击，具有较高的效费比。作为一种创新性的体系作战模式,修正火箭弹弹群组网协同作战系统为未来战争提供了一种能够快速反应和具有强大火力打击能力的武器系统,并提高了火箭弹的整体作战效能,而实现弹群信息互联互通的空间无线链路的机制是实现弹群组网及协同攻击的关键[1-4]。移动自组网(ad-hoc)由于具有无中心节点、无基站、能够适应节点快速移动和拓扑变化频繁的网络，在弹群组网中被广泛应用。ad-hoc网络路由算法是ad-hoc网络的核心也是实现弹群互联互通的空间无线链路的关键[5]。目前，ad-hoc较为成熟的路由协议包括DSDV、FSR、OLSR等[6]。其中AODV路由协议是一种能够较好适应ad-hoc网络的按需路由协议,该路由协议不需要维护到所有节点的路由，仅需在需要时才进行路由获取，通信结束则不再维护路由，从而节省了网络资源。然而AODV路由协议在节点高速运动的环境下，网络拓扑频繁变化，链路极易中断，导致网络性能的迅速下降，从而无法提供较好的网络通信质量[7-9]。

本文针对弹群组网的特点，在AODV的基础上设计了具有速度感知的改进型AODV路由协议(SA-AODV)。SA-AODV相比AODV引入了优先路由节点判断机制以及基于节点相对速度的链路有效时间计算机制，通过比较源节点到目的节点各条链路的有效生存时间，选择出有效生存时间最长的链路作为最佳路由线路。

1 AODV路由发现阶段分析

AODV是一种专门针对移动自组网设计的典型按需距离矢量路由协议，具有较小的额外路由控制开销[10]。AODV路由发现是通过广播的方式由源节点发送RREQ数据包来建立路由。当源节点有数据要发到目的节点时，先查看路由表中是否有到达目的节点的有效路由，如果有，则按照路由发送，如果没有，则发起路由发现过程。源节点采用泛洪广播的方式给周边一跳节点发送RREQ消息，接收到RREQ包的中间节点先查看在一段时间内是否收到具有相同标识的RREQ包，如果有，丢弃后收到的RREQ包，如果没有，处理该RREQ包。如果该节点不是目的节点且没有到达目的节点的活动路由，则建立到源节点的反向链路，以支持后来的RREP 包的回送，RREQ 跳数加一，更新目的节点序列号。如果节点是目的节点或者有到达目的节点的活动路由，则产生RREP 进行路由应答。路由应答消息沿着RREQ发送过程中建立的反向路由送到源节点，至此路由发现过程结束，源节点与目的节点建立起了通信链路。

2 AODV路由改进算法SA-AODV设计

2.1 多弹网络中AODV面临的挑战

火箭弹弹群网络中，弹节点高速运动导致网络拓扑变化频繁。由于经典AODV路由协议在路由发现阶段采用的是最短链路机制(即链路中路由节点最少)，并没有考虑通信链路中节点间的相对运动导致的通信稳定性问题。在高速运动的弹群网络中，当链路上的两个通信节点具有较大的相对运动时，弹节点将会在短时间内运动到通信半径之外，使得由AODV路由协议建立起的通信链路频繁断开。当通信链路断开后，通信网络就会通过AODV路由修复机制进行路由重建，但是利用经典的AODV路由修复机制进行路由重建往往赶不上网络拓扑变化导致链路中断的速度，从而导致整个网络通信性能急剧下降。

2.2 路由发现改进思路

在多火箭弹组网的网络中，由于修正火箭弹节点可以从弹载GPS模块中实时的获取节点的位置和速度信息。针对这一特点，可在路由发现阶段广播RREQ消息时，在RREQ消息中添加几项关于节点位置和速度的信息。源节点通过GPS获取自身的位置和速度信息后，将位置和速度信息添加到RREQ消息中构造成改进型RREQ消息，并将改进的RREQ消息广播到周围的邻居节点。当RREQ到达邻居节点后，邻居节点首先根据经典的AODV方式处理RREQ消息，当经典AODV路由算法判定该节点为中间路由节点时，通过获取RREQ消息中的速度和位置信息并结合节点自身的位置和速度信息，采用优先节点判断机制判断该路由节点是否为优先路由节点，如果是，则更新RREQ消息并向周围继续广播和转发数据分组。如果不是优先路由节点，则丢弃该RREQ消息。

2.3 优先节点判断机制

优先节点的判断机制是根据当前节点的位置和上一跳节点的相对运动速度的大小及方向进行节点筛选。设节点A所在位置坐标为(xA,yA,zA)，速度为vA与z轴的夹角为γA、速度在xoy面的投影与x轴的夹角为φA。设节点B坐标为(xB,yB,zB),速度为vB与z轴的夹角为γB、速度在xoy面的投影与x轴的夹角为φB，且节点B接收到了由节点A发来的改进型RREQ消息。考虑到节点的最大通信半径和可靠性要求可知，节点A和B之间的距离为LAB≤pR，其中R为节点的通信半径，p为可靠性参数(取0.7～1)。因此可知优先路由节点需满足的第一个条件为:

(xA-xB)2+(yA-yB)2+(zA-zB)2≤ρ2R2

(1)

(2)

(3)

当节点通过经典AODV筛选确定为中间路由节点时，如果满足式(1)、(3)两式则被选定为优先节点。

2.4 SA-AODV路由选择机制

SA-AODV路由选择机制是基于路由有效生存时间(RLTRouting Lifetime)的AODV路由选择改进策略。SA-AODV路由选择机制的思路为：首先利用优先节点判断机制对转发性能较好的节点进行筛选并建立多条到达目的节点的有效路由，并在这多条到达目的节点的路由中选择一条有效生存时间最长的路径进行数据通信。当目的节点接收到改进型RREQ消息后，首先根据经典的AODV算法处理RREQ消息，接着会添加由GPS模块获取的自身位置和速度信息到原有的路由响应消息RREP中，并沿着反向路径将改造过的路由响应消息(改进型RREP)发送至源节点。改进型RREP消息相比原有的RREP增加了响应节点的位置和速度信息。在向源节点发送改进型RREP过程中，中间节点收到目的节点发送的RREP消息后，首先缓存由上一个节点发来的改进型RREP消息中的位置和速度信息，然后用自身的位置和速度信息改写改进型RREP中的位置和速度字段的信息。因此在反向路径上的所有节点都可以知道上一跳转发节点的位置和速度信息。由于节点可以通过自身携带的GPS模块获取自身的位置和速度信息，因此可以根据反向链路上一跳节点的位置和速度信息以及本身的位置和速度信息计算两节点间的链路有效生存时间LST。

(4)

令：

(5)

因此解可知：

(6)

由于路由链路需要保证整个链路上所有的节点与节点间的通信畅通，如果某个节点与节点间的链路断开时整个路由将失效，因此路由有效生存时间为整个路由链路上各个节点间链路保持有效通信时间的最小值。如图2所示，源节点S到目的节点的路由有效时间计算公式为：

RLT=min(LST1,LST2,LST3,…,LSTn)

(7)

图1 LST计算原理图

各节点间的链路有效时间LST可以利用式(6)计算得到,同时将计算所得的LST和已存储在RREP消息中的RLT进行比较，如果新计算的LST小于RREP消息中 的RLT值，则更新LST为新的RLT值，否则不更新RREP中的RLT值，并沿着反向路径对RREP消息进行转发。当RREP最终到达目的节点时，根据上面的计算流程就可以知道该条路由中所有节点之间的链路生存时间，源节点同时可以根据收到的RREP消息知道整条路由的有效生存时间RLT。当源节点收到所有的路由线路上返回的RREP消息后，就可以根据消息中携带的RLT信息比较各路由线路的路由生存时间RLT，从而选出一跳路由生存时间最长的路由线路作为数据通信链路。SA-AODV路由选择流程如图3所示。

图3 SA-AODV路由选择算法流程

2.5 SA-AODV算法评估

相较与经典的AODV算法，SA-AODV 引入了优先接节点判断机制以及有效链路时间计算，从而保证了无线链路的稳定性。SA-AODV在路由发现阶段，由于改进型RREQ和改进型RREP消息都增加了节点的速度和位置信息，需要与弹载的GPS模块进行通信获取该信息，因此存在一定的时间消耗导致路由发现阶段较经典AODV耗时较多。火箭弹组网的网络中由于节点的速度快，拓扑变化频繁的特点，经典AODV应用于该网络中时，会由于选择了相对运动速度较大的节点作为路由节点从而导致链路频繁断开，需要频繁发起链路修复。经典AODV链路修复分为本地修复和重新发起路由发现，由于频繁的拓扑变化，往往导致本地修复失败而不得不重新发起路由发现，重新发起路由发现则需要泛洪广播RREQ消息，不仅耗时较多，同时会造成大量网络资源的严重浪费。

SA-AODV在路由发现阶段通过优先节点判断机制和链路有效时间计算，虽然相比AODV有一定的时间消耗，但是由于选择了源节点到目的节点中最稳定的链路，降低了链路断开后重新发起路由发现的风险。因此SA-AODV路由算法在多弹组网网络通信的整个过程中，虽然增加了路由发现的时间，但是降低了链路中断的风险，从而避免了链路修复耗时，使得整体性能有了大幅提升。

3 协议仿真及仿真结果分析

3.1 仿真参数

本文采用OPNETmodeler14.5作为网络仿真工具进行仿真,本文采用的火箭弹类型为107火箭弹。仿真参数配置如表1所示。

表1 仿真参数配置

107修正火箭弹的一般射程在10 km之内，因此将仿真区域设置为10 km×10 km的正方形区域。节点的运动模型采用107的理论弹道模型，通过在Matlab中编程解算出107火箭弹每间隔0.01 s的坐标位置、偏航角(yaw)、侧滚角(roll)、倾斜角(pitch)以及当前位置时火箭弹的运动速度和方向。将matlab解算出来的弹道数据，导入到以.trj为扩展名的OPNET节点轨迹文件中，并在OPNET的节点属性中将轨迹文件配置到对应的节点。仿真中发送的数据大小采用contact模型，间隔时间设置为每个节点每间隔0.5 s产生一个1 024 bits大小的数据包。总仿真时间根据107火箭弹的弹群的飞行总时间进行计算，设置为72 s。

3.2 仿真实验及结果分析

3.2.1仿真实验

在仿真过程中有以下几个假设：

假设1，火箭弹发射的瞬间通信模块开启，落地引爆瞬间通信模块失去通信能力；

假设2，每门107火箭炮的发射规律相同，炮与炮之间的间距为200 m并且每门炮布置在同一直线上；

假设3，单门火箭炮发射火箭弹时，弹与弹之间的发射间隔为1 s，每个火箭弹除了发射的初始位置不一样以外，具有相同的发射前后角，俯仰角以及初速度(火箭炮发射规律)；

假设4，各弹节点的通信半径相同。分别对单门火箭炮按照发射规律发射火箭弹以及多门火箭炮按照发射规律齐射进行了组网仿真实验，并对比了采用AODV路由算法以及SA-AODV路由算法组网时节点间端到端的延时、丢包率、路由开销等影响网络性能的关键指标进行了对比。

图4是5门火箭炮按照发射规律齐射60枚火箭弹在OPENT网络层的拓扑结构图，图4中带箭头的白色线条是弹道轨迹在xoy面上的投影，弹节点在仿真过程中将沿着弹道轨迹从初始位置飞到落点位置，在飞行过程中与其他弹节点进行组网和数据传输。

图4 60枚火箭弹在OPNET中的网络拓扑

3.3.2仿真结果及分析

仿真结果图中，AODV代表弹节点采用经典AODV路由协议进行组网并沿着火箭弹的弹道轨迹运动。AODV-FIX作为参考项，弹节点采用了经典AODV路由协议组网，但是弹节点在原发射位置固定不动。SA-AODV与AODV相似，仿真了火箭弹弹节点在全弹道飞行过程中的组网性能，不同点在于AODV采用了经典的AODV路由算法，而SA-AODV采用的路由算法是基于AODV的速度感知路由改进算法。

图5和图6是随着弹节点的增加对应的AODV、AODV-FIX、SA-AODV端到端的时延变化图以及网络的整体丢包率变化图。对比AODV曲线上的点的时延始终大于AODV-FIX，这是因为弹群节点沿着各自弹道轨迹运动时，由于弹节点的高速运动导致弹群网络拓扑变化频繁，使得弹节点间链路频繁断开从而导致弹节点间的通信时延增大和弹群网络间通信的丢包率也随之增大。由于AODV-FIX曲线中弹节点的位置是不随时间而变化的，因此弹节点间的链路变化较小，因此端到端的时延也较小。AODV-FIX曲线端到端的时延随着节点的增加而增大，主要原因是随着节点增加，通信链路中间路由节点也随之增加，从而导致网络整体端到端的时延增大。在图5和图6中，对比SA-AODV和AODV的端到端时延曲线以及丢包率曲线可知，SA-AODV端到端的时延以及丢包率都低于AODV,因此SA-AODV比AODV在弹群组网环境下有更好的性能，且性能有很大的提升。主要原因是，SA-AODV路由算法相对于经典的AODV路由算法引入通过节点相对运动速度来选择下一跳路由节点以及通过计算每条可达的路由路线的最长有效生存时间选择最佳路由线路的机制，从而保证了弹节点之间通信链路的稳定，降低了弹节点高速运动对弹群网络拓扑的影响，从而降低了弹群网络通信时端到端的时延以及丢包率。

图5 端到端时延曲线

图6 丢包率曲线

由于SA-AODV路由算法中，节点获取当前自身的位置和速度信息以及计算路由有效生存时间和选择最佳路由路线都需要消耗一定的时间，因此在图7中，SA-AODV路由发现时间曲线相比采用经典AODV路由算法的其他两条曲线，明显路由发现耗时较大。

4 结论

本文通过在路由发现阶段采用基于节点通信半径和节点位置的优先路由节点选择机制，以及引入基于节点间相对运动速度计算有效链路生存时间的最佳链路选择机制对经典的AODV路由算法进行改进。通过网络仿真对比了SA-AODV和AODV在高速飞行的弹群网络中端到端的时延、丢包率以及路由发现时间等网络性能的关键指标。仿真实验表明，虽然SA-AODV在路由发现阶段比经典的AODV耗时较多，但当网络建立后，SA-AODV相对于AODV端到端的时延和网络通信的丢包率明显下降。因此，SA-AODV比AODV在高速运动弹群网络中具有更稳定的通信能力。

图7 路由发现时间曲线