基于地理信息的航空自組網路由協議綜述

徐雪飛,甘忠輝,劉蕓江

(空軍工程大學電訊工程學院,西安 710077)

1 引 言

航空自組網是一種高度動態的無線自組織網絡,具有大尺度、高動態、臨時性、無中心節點、多質異構、時變信道和節點密度小等特點,用于飛機間一跳或多跳數據傳輸共享各類飛行信息和增值業務。航空自組網最早源自于軍事領域,其中以美國的“Minuteman”項“TTNT”項目等為代表;而進一步的發展重在民航領域,如美國的“AANET”項目和“ATENAA”等項目旨在提高民航航空管制效率。

為了提高航空自組網絡鏈路壽命,增強航空自組網絡連通性能,高效合適的路由協議成為航空自組網的研究重點和難點。本文簡要對航空自組網路由協議進行了分類,著重分析和總結了基于地理信息的航空自組網路由協議。

2 航空自組網發展現狀

美國最早開始航空自組網方面的研究。20世紀末,在美國海軍研究局(Office of Naval Research,ONR)的資助下,美國加州大學洛杉磯分校進行了“Minuteman”[1—3]項目的研究,如圖1所示,并提出了相關網絡體系結構及其路由協議HSR和LANMAR協議。而TTNT(Tactical Targeting Network Technology)是美國軍方的最新的數據鏈網絡,由Rockwell Collins公司負責研制,是一種大型的嵌入式高速、寬帶、基于IP協議的新型戰場網絡技術,支持陸海空各類作戰平臺。

圖1 Minuteman的體系結構Fig.1 Framework of Minuteman

2006年,悉尼大學(University of Sydney)研究并申請專利的AANET(Aeronautical Ad Hoc Network)[4—6],提出了在衛星、民航飛機以及地面Internet網關之間組建一個自組織網絡,如圖2所示。這種網絡能使飛行中的飛機之間直接通信,共享網絡資源,為飛機只能依賴衛星通信接入互聯網提供了有益的補充,提出了航空條件下的鏈路穩定機制、分簇算法和路由算法。

圖2 ATENAA的體系結構Fig.2 Framework of ATENAA

歐盟的ATENAA[7—9]如圖3所示。針對航空電信網的弊端,提出了航空移動Ad Hoc網絡,并著重介紹 了 其 路 由 協 議——ARPAM。 德 國 的NEWSKY[10—12],以及涉及無人機(Unmanned Aerial Vehicle,UAV)[13,14]的自組網也在其相關領域展開研究論證。2010年,美國堪薩斯大學的Justin P.Rohrer、Abdul Jabbar等人在US DoD CTEIP iNET(Integrated Network Enhanced Telemetry)和IFT(Internatianal Foundation for Telemetering)項目的支持下,針對當前高速飛行的航空節點以及不可信賴的航空通信信道質量,提出一種高動態、跨層次的航空自組網架構[15]。這種架構分別把物理層[20]、MAC層、網絡層[16,18]、傳輸層的技術進行跨層優化[17,21],特別是提出并進行部分驗證了友好型傳輸控制協議、兼容型IP網絡協議,以及基于地理定位輔助的路由協議[20]。

圖3 AANET的體系結構Fig.3 Framework of AANET

北京航空航天大學張軍、劉凱在航空移動自組織數據鏈網絡研究領域,針對民航飛行高動態、大機動以及多機協同的造成的機間數據鏈網絡重構和快速路由修復的難題,提出了機間數據鏈新型時隙選擇算法和動態時隙分配方法,改進了隨機方向移動模型。電子科技大學隆克平著重研究了航空自組網分布式協同傳輸技術、抗干擾理論、信道建模與信號設計理論與方法,以及安全可信與生存性框架等問題。清華大學孫富春提出了符合我國需求和技術現狀的天空地一體化網絡的體系結構、技術標準和規范等。西南交通大學網絡通信技術重點實驗室在“無人機群作戰網絡體系結構”的研究項目中,積極探索高移動性環境下的自組網絡技術,并提出改進最優鏈路狀態路由協議算法。西北工業大學王永生教授在無人機群通信網絡組網方面也進行了深入研究,其組網思想也是借鑒自組織網絡思想。

3 航空自組網路由協議

航空自組網是自組網在航空領域的典型應用模式,是一個高度動態的無線自組織網絡,具有大尺度、高動態、臨時性、無中心節點、多質異構、時變信道和節點密度小等特點,因此,航空自組網面臨著許多傳統網絡沒有的難題。同時,由于航空節點在通信組網過程中,數據包通過一跳或多跳進行數據傳送,所以,航空自組網的重點和難點就在于路由協議的設計和選取。

3.1 航空自組網路由協議的設計基本原則

航空自組網設計的關鍵在提供航空節點之間高效率、高質量的路由協議,具體反映為增加路由壽命、增加鏈路壽命等網絡連通性能指標上。由于航空節點具有高速移動的特性,導致網絡拓撲結構變化迅速復雜,所以,傳統因特網的路由協議不能適用于航空自組網。根據航空自組網的特點,其路由協議設計的基本原則應該滿足以下幾個方面:

(1)收斂性:由于航空自組網變化迅速的拓撲結構,短時間會造成大量的路由失效,所以路由應該能夠及時地進行彈性調整,避免路由環路的產生;

(2)分布性:由于航空節點處于空間上的游離狀態,每個節點為了達到通信和路由的任務,都要有路由協議的處理能力,即具有分布式特性;

(3)開銷性:由于航空自組網面臨當前日益緊張的頻譜資源和有限的傳輸帶寬,所以,有限的控制開銷是保證網絡連通效率的關鍵;

(4)時效性:由于航空自組網時變的網絡拓撲結構,鏈路失效的情況產生率很高,同時,航空節點的本身特性導致無法進行海量的數據處理,從而導致陷入無窮計算的死循環,極大地占用了信息處理資源;

(5)安全性:由于開放性的網絡環境和分布式的數據處理傳送結構,面臨著惡意的網絡攻擊和修改的概率大大提升,所以要進行網絡安全方面的充分考慮和設計,維護網絡的安全和效率。

3.2 航空自組網路由協議的分類

航空自組網路由協議分類繁多,種類復雜,至今,已經提出了很多基于不同策略的路由協議。

3.2.1 按照發現路由的驅動模式分

按照發現路由的驅動模式分主動型、反應型、混合型。反應型路由例如AODV和DSR,通過構建一個按需的資源-目的節點路徑來進行通信。但是,這種方式存在著弊端:首先,在尋找路徑過程中存在著延時以及不穩定性,效率得不到保證;其次,在航空通信中,這種路徑可能不能維持足夠的連接強度;再次,整個網絡的路徑請求數目一旦超過額定容量標準,就會引發成為廣播風暴,故對一些時間敏感的應用和短時通信連接等情景不太合適。

而在另一方面,主動式路由例如DSDV和OLSR也有缺陷。由于每個節點都保存了一個或多個路由信息表,雖然這對于路徑的選擇有很大的幫助,但是,大量的路由信息存在著隱藏的問題,即當網絡中節點數目增加時,網絡拓撲結構信息量成非線性增加,從而消耗掉大量的帶寬;同時,網絡節點信息需要頻繁的更新也是造成路由開銷過大的主要原因。由于網絡中的每一個節點都必須建立路由項,所以伸縮性受到很大影響。

為了解決反應式路由和主動式路由的不足,結合兩者優點的綜合路由產生了,例如CEDAR、ZRP、Terminode Routing,CEDAR路由協議利用分布式主動構造網絡的核心結構,在帶寬和穩定鏈路范圍等衡量指標上有很大的提高;ZRP路由協議運用跳數將網絡劃分區域,在區域內外使用不同的路由算法,保證了區域內通信的質量并兼顧區域外;Terminode Routing把距離作為衡量使用路由算法的工具,近處使用一種基于距離矢量的主動式路由算法,遠距則改用基于地理位置信息的路由算法,靈活度高,網絡彈性好。

3.2.2 按照路由協議所依據的網絡邏輯結構分

按照路由協議所依據的網絡邏輯結構分平面型路由協議和層次型路由協議。以上的路由協議都屬于扁平式的網絡結構,在這種網絡結構中,路由表的大小和控制信息的數量與節點總數的平方成正比,所以對于大型網絡的應用存在著諸多不便,網絡鏈路質量存在很大問題。而層次型路由就在這種前提下產生了,它將整個網絡按照地理區域進行等級劃分為層,每層分出若干個群組,高層的群組再細分為子群組,每個節點只需要存儲自己所在的最低級層路由表以及所有直接的上層路由表,不需要進行全網絡節點信息路由表的存儲,大大減少了路由開銷。同時,一旦群組拓撲結構發生變化,鏈路狀態的更新只限于群組內部,減少了通信的冗余。

3.2.3 按照路由協議是否運用地理信息定位系統分

按照路由協議是否運用地理信息定位系統分地理信息路由協議和非地理信息路由協議,如圖4所示。地理信息路由協議[18,20]現階段被提出,通過鄰節點偵聽機制,借助于地理定位信息和一個有限的路由更新表,從而建立一個下一跳路由表。顯然,地理信息路由是一種主動型路由,所以能夠保證低的路由開銷;同時,由于存在一定的路由更新,所以在拓撲結構發生變化時,也能進行相應的調整變化;最后,這種傳輸機制是基于地理信息的,所以不同于普通路由需要進行地理上的收斂,很適合于高動態的航空通信網絡環境。例如 LAR、DREAM、SIFT和GRID,這些路由協議運用GPS定位技術來確定下一跳,利用網絡拓撲信息很少。其中,LAR利用地理定位信息減少在路由發現階段一個區域內過多的聯系;DREAM通過存儲節點地理定位信息來確保數據傳輸的方向和效率;APRAM是一個混合型商業航空網絡路由,運用地理定位信息尋找最佳路徑來完成數據的傳送。但是,這種路由算法也有缺陷,即路由空洞現象(節點比其任何鄰居節點距離目的節點都近,但卻沒有直接鏈路可以達到),一旦這種現象產生,地理信息路由協議就必須采取其它的方式尋找路徑,從而失去路由協議的本質屬性,并會帶來一系列路由效率問題。

圖4 自組網路由協議按照運用定位系統分類Fig.4 Classification of Ad Hoc routing protocols according to position-based system

另外,移動自組網絡中還有考慮網絡負載平衡的路由協議、QoS路由協議、功率感知路由協議等。

3.3 基于地理信息的典型航空自組網路由協議

3.3.1 距離效應路由協議

距離效應路由協議(Distance Routing Effect Algorithm for Mobility,DREAM)[22,23]是一種方向性、有限洪泛式的基于地理位置信息的路由協議算法,每個網絡中的節點都包含一個所有節點位置的信息表,同時,周期性地利用洪泛進行定位信息包的更新。

距離效應路由協議以距離效應為路由算法準則,當節點之間的距離越近,節點信息表更新的頻率越快。同時,控制包的發送頻率與源節點的移動速度相關,即節點位置信息表的更新頻率受制于與注冊節點之間的距離。

當源節點S向目的節點D發送信息時,它開始搜索自己的位置信息表以及目的節點的位置信息。如果指向節點D的方向是存在的、有效的,那么節點S向包含節點D的前向域內洪泛式的發送信息。否則,一個發現節點D的洪泛式搜索進程將被激活,當一個節點A收到信息時,它先檢查自己是否是目的節點,如果是,將反饋給源節點一個確認信息;如果不是,節點A將重復同樣的步驟把信息向自己的鄰節點廣播出去,直到節點D接收到信息。

3.3.2 輔助定位路由協議

輔助定位路由協議(Location Aided Routing Protocol,LAR)[24—26]屬于一種特殊的反應型路由,主要特點在于利用每個節點所包含的定位信息來減少路由的開銷。當源節點需要向一個目的節點發送數據時,源節點利用定位信息向一個前向域進行洪泛式請求,取代以往面向整個網絡進行洪泛式請求,極大地減小了網絡路由的開銷。

通常,有兩種方案進行路由選擇,第一種是計算出一個限定域,限制了路由請求包到達目的節點的邊界;第二種是在請求包中存儲目的節點的位置信息。顯然,輔助定位路由也是一種尋求最短路徑的路由算法。但是當網絡拓撲結構變化較快,呈現出高動態的特性時,輔助定位路由由于洪泛式搜索失效而會趨向于普通的洪泛式路由,失去原有特性。

3.3.3 地理信息尋址路由協議

地理信息尋址路由協議(Geographic Addressing and Routing)[27]是組播式路由協議的一個特殊情況,它將組播的一個個分組定義為一個個地理上的區域。在各個有地址的域內,數據通過組播進行傳播。地理信息尋址路由協議細化為3個路由協議,分別為洪泛式路由協議、限制性洪泛式路由協議和非洪泛式路由協議。

地理信息尋址路由協議系統由GeoRouter、GeoNode、GeoHost 3部分組成,GeoRouter負責傳遞地理相關消息,GeoNode是地理路由系統的出入口,GeoHost負責發送和接收地理相關消息。

在地理信息尋址路由協議中,地理位置信息在協議中起的作用類似于IP地址在TCP/IP協議中的作用,主要目的在于把網絡協議和地理位置相結合,方便提供一些與地理位置相關的網絡服務。地理信息尋址路由協議適用于有一定層次和結構的網絡,但是要求路由節點位置比較固定,其余節點可以是移動的。

3.3.4 基于柵格的路由協議

基于柵格的路由協議(Grid Routing Protocol,GRID)[28,29]是一種完全定位的感知型路由協議。在GRID路由協議中,整個網絡被劃分為若干個大小固定的虛擬柵格,每個柵格中,通過一定的策略選取一個節點擔當網關,負責通過本柵格內的所有數據包的轉發。路由策略采取從柵格到柵格之間通過預先選取的網關節點進行。當網關節點移動出相應的柵格時,柵格中自動選出新的網關節點來繼續維持路由。

同時,由于GRID將整個網絡劃分為柵格,所以,只要柵格中存在節點,那么路由就不會中斷和失效,有效地增強了路由的生存性,降低了節點移動對整個路由的影響。

GRID路由協議包含一系列的網絡開銷,即網關節點的選取、多回合的路由選取和應答、路由維護,以及一個解決網關節點移動出原柵格的廣播路由信息表策略,所以在進行路由的過程中能量問題比較突出。

3.3.5 基于路徑簡單前向路由協議

基于路徑簡單前向(Simple Forwarding over Trajectory,SIFT)[24]路由協議是一種新型的基于前向路徑的路由協議。但不同于傳統的前向路徑路由協議,基于路徑簡單前向路由協議運用廣播技術代替點對點傳播而且不需要鄰節點的信息。

基于路徑簡單前向路由協議不發送任何控制包,一旦一個節點收到一個數據包,便根據自身的位置與路徑的相關度和最后一個發送節點設定一個定時器,越靠近路徑或者距離最后一跳越遠,定時器設定的時間期限越短。如果一個節點的數據包被另一個節點提前得到,那么這個節點會將這個數據包丟棄,否則,這個數據包將繼續傳送出去直到時間期限到達,因此,數據包會在最短時間期限的節點上進行傳送。同時,每個節點會存儲最近數據包的收發表來避免數據環路的發生。

由于中間的節點從數據包的頭部獲得所有的路由需求信息,所以這些節點不需要任何鄰節點的信息,即不需要交換控制包,很適用于高動態的自組網網絡環境。

3.3.6 貪婪周邊無狀態路由協議

貪婪周邊無狀態路由協議(Greedy Perimeter Stateless Routing,GPSR)[30]是一種基于傳統貪婪轉發方案的路由協議。在貪婪周邊無狀態路由協議中,一個節點的路由僅依賴于一跳范圍內的鄰節點,每一步,節點將數據包發送給距離目的節點最近的鄰節點。但是這種路由方式存在一系列的弊端。首先,由于網絡結構的動態性,節點的鄰節點可能會移動出節點的傳送范圍,這會導致錯誤的前向傳送決定,從而發生丟包現象。其次,當一個源節點向自己的鄰節點廣播控制信息時,由于信道的耗損,這會導致鄰節點和源節點無法正常通信,從而讓源節點將鄰節點錯誤地從鄰節點信息表中刪除。

由于貪婪周邊無狀態路由協議有貪婪轉發模式和周邊邊界轉發模式兩種分組轉發模式,所以,當貪婪轉發模式失敗時,如網絡數據傳輸遭遇路由空洞,協議會自動進入周邊邊界轉發模式來保證數據的傳輸有效性,而當條件滿足于貪婪轉發模式時,再自動轉回貪婪轉發模式,直至數據傳送到目的地址。

4 發展趨勢

隨著航空工業的發展,實現一種實時、高效、可靠的通信方式已成為航空通信的發展方向,而航空自組網的固有屬性決定了其將會是未來航空通信的重點發展方向,也是未來航空通信發展的必然趨勢。在航空自組網的結構設計中,路由協議的設計將是航空自組網設計所面臨的最重大挑戰,路由協議的側重點在于如何建立完全分布式的、安全的、有效的適合高動態的航空通信網絡的路由算法。未來的目標是通過航空自組網通信協議的標準化研究,提出適用于大多數航空通信業務的航空自組網網絡架構,從而讓航空通信業務更加便捷、舒適。

1）健全工作機構。按照農村危房改造工作需要，鄉鎮人民政府調整充實農村危房改造工作領導小組，相關工作人員抓好項目的組織實施。

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