基于智能水滴算法的戰術互聯網路由協議研究

武警工程大學信息工程系 劉廣斌

基于智能水滴算法的戰術互聯網路由協議研究

武警工程大學信息工程系 劉廣斌

路由協議是當今戰術互聯網研究的重點環節，必須具備適應戰場環境下拓撲結構變化快，數據延遲低，吞吐量高，收斂迅速的特點。針對戰場環境的新特點，提出一種基于智能水滴（Intelligent Water Drops，IWD）算法的戰術互聯網路由協議。該協議集成了智能水滴算法的收斂速度快、抗毀性能強、開銷小等優勢，通過實驗仿真對比驗證了該算法在戰術互聯網中的有較好的適應性，提高了野戰環境下數據傳輸速率，降低了消息時延。

戰術互聯網；智能水滴算法；路由協議

0　引言

戰術互聯網部署快速，無需基礎網絡設施的支持；結構靈活，能滿足戰術行動中的層級指揮要求；拓撲結構變化迅速，支持戰場網絡節點的高速移動和不規則運動；具有良好的可擴展性，支持各通信子系統能互聯互通，隨時隨地接入、退出網絡；可維持較強的魯棒性，當部分鏈路出現故障或者中斷時，整個網絡仍處于通達的狀態，具有較強的抗毀能力[1,2]。

本文將智能水滴算法應用于戰術互聯網路由協議，彌補了路由協議的不足，能更充分適應現代戰場變化。

1　智能水滴算法

智能水滴算法是群智能算法（Swarm Intelligence，SI）的最新研究成果，其模擬了自然界中河水與周圍環境相互作用的過程。理想情況下，重力促使水滴總是沿著直線到達目的地，而水滴選擇的途徑亦是到達目的地的最短路徑。現實情況下，各種不同的阻礙迫使水滴在移動過程中迂回曲折，但其始終接近理想狀況。

水滴與泥土的關系滿足三個規則：（1）流速快的水滴攜帶更多泥土；（2）水滴在泥土較少的路徑比泥土較多的路徑獲得更多的速度增量；（3）水滴更傾向于選擇泥土較少的路徑前進。進而抽象出兩個屬性：一是水滴在移動過程中攜帶的泥土量（Soil），二是水滴的速度（Velocity）。

當水滴從位置i移動到j時，其攜帶的泥土增量：

泥土增量非線性反比于時間time（i，j），我們可用下列等式表示：

IWD從位置i運動到j的時間與位置i到j的距離成正比，與其自身運動速度成反比。

下面我們使用反向啟發式函數HUD（Heuristie undesirability）來代替位置i到j的距離。HUD（i，j）表示IWD拒絕從位置i移動到j的程度。

IWD另一個規則是存在多條路徑供選擇時，更傾向于泥土量更少的路徑。以p（i，j）表示IWD在位置i選擇位置j作為下一位置的概率，反比于路徑中的泥土量。

一種可能的表達式如下：

函數min用來得到當前位置與所有可能的下一個位置之間的泥土量的最小值[3,4]。

2　基于智能水滴算法的路由算法建模與仿真

2.1網絡建模

戰術環境限制了節點發射功率，因此必須借助多跳方式完成網絡覆蓋。戰術互聯網模型采用圓和直線構成。圓作為節點路由，直線為兩個路由之間存在通達的數據鏈路。為確保智能水滴算法適應戰場變化，使用節點跳數和信號強度作為選路條件。信號強度人為劃分為四級：優良中差，分別用數字4,3,2,1表示，等級1代表兩節點間信號強度不足以支撐最低通信要求。相鄰節點正常通信路由跳數為1，經過一跳到達為2，以此類推。

2.2仿真與性能分析

仿真環境：Windows 7系統，OPNET Modeler 14.5。網絡仿真中參數配置如下：

（1）網絡環境：1000m×1000m，終端個數為100個，節點位置隨機分布；

（2）分別建立OLSR、AODV、IWD模型，測試在高（30m/ s）、中（10m/s）、低（5m/s）速下，三種模型的平均端到端時延、吞吐量和協議開銷。

智能水滴算法路由協議在起始時刻弱于OLSR協議，隨著時間增加，平均端到端時延迅速降低，并保持在一個較低水平；隨著節點移動速度增加，智能水滴算法能迅速適應節點移動速度變化，其平均時延優于OLSR協議與AODV協議，通過仿真，驗證了智能水滴算法在戰場環境中的低時延效果。

網絡吞吐量等于單位時間內所有節點成功接收數據的比特數，其直接反應了網絡的數據承載能力。通過仿真，AODV算法對速度適應性明顯好于OLSR算法，而智能水滴算法憑借其IWD對鏈路狀態的快速確認和迅速收斂，使得吞吐量在拓撲結構發生變化時仍舊保持較高的吞吐量。

節點平均代價=（建立和確認包數目）/（發送總數據包數目）。通過統計每個節點平均代價，在網絡不斷抖動的情況下，智能水滴路由算法一直保持較低水平且比較穩定，確保了用于建立和維護路由尋址的數據包在最少的狀態。由于智能水滴存在多條路徑，HUD值保證了充足的路由冗余，使其在最優路徑不通的情況下，不必重新建立新的路由，降低了節點代價。

3　結束語

本文通過對戰術互聯網的現狀及其特點進行分析，提出一種基于智能水滴算法的戰術互聯網路由協議，其能將戰場環境的劣勢變為優勢，充分適應戰術互聯網的規律。通過仿真對比現今MANET中常用的兩種路由協議與智能水滴路由算法的各項技術指標發現：本算法能快速適應戰場動態網絡的變化，收斂迅速，網絡開銷較小，同時支持冗余路由，魯棒性好，在戰術互聯網中有較強的應用潛力。

[1]閻瑾.美軍戰術互聯網體系架構研究[J].通信技術,2011.9(44):105-107.

[2]Fossa.C,Ward.D.Tactical Network Integration Test Framework[J]. MILITARY COMMUNICATIONS CONFERENCE,7-10Nov.2011:2158-2163.

[3]鄭偉明.OLSR路由協議研究及仿真[J].電子科技大學碩士學位論文,2011,5.

[4]朱金華,于寧寧.無線自組織網絡AODV路由協議研究[J].微計算機信息,2007,18:122-124.