空天地信息一體化網絡移動骨干網構建

信 侃

（中國電子科技集團公司第五十四研究所 河北 石家莊 050043）

0 引言

近年來衛星通信［1］及飛行器［2］（如無人機）均以獨特的優勢得到了迅猛發展，而最顯著的優勢為不易受陸地災害及地形的影響。為此，本文將衛星、飛行器引入通信系統，建立基于空天地信息一體化網絡的通信系統。通過飛行器及衛星的中繼與地面指揮中心的通信，避免惡劣地形及自然災害的影響，從而有效提高通信有效性。為保障該系統信息實時可靠傳輸，可構建移動骨干網（mobile backbone network， MBN），MBN 可有效簡化路由，提高網絡資源利用率，從而保證信息的實時可靠傳輸［3－4］。目前針對廣域移動自組織網絡（mobile adhoc network，MANET）移動骨干網構建的研究主要是基于地面自組織網絡的虛擬骨干網構建［5－8］，大都沒有考慮節點移動性，不能直接用于空天地信息一體化網絡等廣域MANET。而現有針對廣域移動自組織網絡MBN 構建的算法主要有Rubin等［9－10］提出的TBONE 算法和MBNP 算法。其中，前者算法為集中式，消息開銷大；而后者算法是分布式的，消息開銷小，但其構建的MBN 可能不連通。本文在MBNP 算法基礎上提出了一種分布式移動骨干網構建算法（ distributed mobile backbone network construction and maintenance， DMBNCM），該算法不但能夠構建連通的MBN，并且算法的時間和消息開銷較小，對空天地一體化的通信系統具有一定的應用前景。

1 網絡架構

由于空天地信息一體化網絡無任何基礎設施支持、所有節點地位平等，且節點均是移動的，故屬于廣域MANET的范疇。網絡架構由衛星、飛行器節點、通信終端節點及地面指揮中心構成［11］。其中，衛星負責中繼地面指揮中心與通信終端之間的通信。若通信終端因特殊地形等影響無法直接與衛星通信時，則可通過飛行器的中繼實現與地面指揮中心或衛星的通信。

基于網絡架構，可將移動節點分為兩類：一類是空天節點（air space nodes， ASNs），包括衛星和飛行器，此類節點提供地面指揮中心與通信終端信息交互服務。因此此類節點應具有較強的通信、計算能力，為提高通信效率，ASNs 需具有多個射頻終端，同時在多個頻段進行數據收發。另一類節點是通信終端節點（communication terminal nodes，CTNs），由于通信對象單一，只需一個射頻終端即可完成通信過程。

2 DMBNCM 算法

DMBNCM 算法重點在于研究MBN 構建及節點移動狀態下MBN 的維護，分為MBN 的初始構建和MBN 的連通與維護2 個階段。

DMBNCM 算法中，節點特性由以下變量決定：

（1）標識符（ID）。

（2）權值（W）。

對于網絡中的一個節點i而言，權值W（i）為節點i的度和節點標識符（ID）的組合。若x節點的度大于y節點的度，或節點度相等，則ID（x）≥ID（y）。

（3）鄰居列表ngl1 和子列表Childl1。

ngl1 和Childl1 初始狀態為空表，ngl1 表示相鄰節點的ID，Childl1 表示關聯節點的ID。

2.1 MBN 初始構建

MBN 初始構建包括鄰居節點發現和節點關聯2 個步驟，通過鄰居節點探索，節點可得到鄰居節點的信息。節點關聯過程中，根據推選規則，選擇某些ASN 節點作為主干節點，未被推選的節點作為骨干節點的成員節點，并接受骨干節點的調度。

2.1.1 拓撲學習

網絡中的每個節點在建網階段需學習周圍的網絡拓撲信息，具體過程為：每個節點廣播握手消息，消息中含有節點的ID 信息。節點通過接收鄰居節點的握手消息可以構造出鄰居列表ngl1。鄰居列表構造完成以后，將這一信息加入握手消息中，更新握手消息并再次廣播。同時，每個節點還要接收鄰居節點的握手消息，根據鄰居節點的握手消息，可以構建出鄰居節點的度、權值以及鄰居列表等信息。

2.1.2 節點關聯

所謂關聯就是節點將某個節點作為自己的父節點，并受其控制。本文的關聯算法包括ASN 節點關聯和CTN 節點關聯2 個子算法。

在介紹關聯算法之前，首先給出以下幾個符號的定義，以節點u為例：

①NBN（u）：節點u的BN 鄰居節點集合；

②（u）：節點u的兩跳BN 鄰居節點集合；

③NASN（u）：節點u的ASN 鄰居節點集合；

④N′ASN（u）：節點u所有未關聯的ASN 鄰居節點集合。

（1）ASN 節點（設為u）的關聯

①若NBN（u）≠Φ，則與NBN（u）中權值最大節點關聯；

②若NBN（u）＝Φ且NASN（u）≠Φ，?v∈NASN（u） 滿足NBN（v）＝Φ。則與這些節點中權值最大的關聯。

（2）CTN 節點（設為u）的關聯

CTN 節點將會與鄰接的某個ASN 節點進行關聯，分為以下幾種情形：

①若?v∈NASN（u） 滿足NBN（v）≠Φ，則與這些節點中權值最大的關聯；

②若?v∈NASN（u） 滿足NBN（v）＝Φ且v已經與ASN節點關聯，則與這些節點中權值最大的關聯；

③若?v∈NASN（u） 滿足NBN（v）＝Φ且v沒有與ASN節點關聯，則與這些節點中權值最大的關聯。

2.2 MBN 構建算法

ASN 節點（設為u）使用高頻信道周期性廣播握手消息并接收一跳范圍內其他ASN 節點握手消息，可獲得鄰節點列表ngl1，鄰居列表包括CTN 節點和ASN/BN 節點。ASN/BN 節點通過獲取這些信息進行MBN 的構建與維護。當滿足以下任何一種情形時u將自己轉換成BN 節點：

情形1：同時滿足以下2 個條件：

①NBN（u） ≠Φ；?v∈NASN（u），滿足NBN（v）＝Φ；

②?v∈N′ASN（u），w（u）＞w（v）。

情形2：?v1，v2∈NBN（u），滿足：

節點發生轉化后，立刻廣播Alter 消息公布該信息。

3 算法復雜度分析

在仿真之前，首先假設網絡規模為n，ASN 節點規模為N1，CTN 節點規模為N2，即N1＋N2＝n。網絡中最大節點度的值為Δ，每個節點的骨干節點即BN 鄰居節點數目為N。

第一階段，節點發送兩次握手消息以得到兩跳鄰居節點信息，此時網絡中消息開銷為2n次；

第二階段，節點發送一次握手消息公布局部拓撲信息，此時網絡中消息開銷為n次；

因此算法的消息復雜度為O（n）。

結論：DMBNCM 算法的消息復雜度和時間復雜度均為O（n）。

DMBNCM 與TBONE、MBNP 算法性能對比如表1所示。由表1 可見，DMBNCM 算法開銷較小，能適應空天地一體化網絡對信息傳輸的實時性要求。

表1 算法性能比較

4 算法性能仿真

假設某空天地信息一體化網絡中各節點隨機分布在一個300 km×300 km 的二維平面內，并假設ASN 節點總數設定為40。運行算法100 次。高容量作戰單元的最大通信距離為一定值，統計DMBNCM 算法生成移動骨干網的BN 節點數目，并與經典TBONE 算法和MBNP 算法進行比較，分析幾種算法的優勢和不足。

由圖1 可以看出，在相同條件下，DMBNCM 和MBNP算法生成的移動骨干網所含BN 節點數目均多于TBONE算法，表明相比分布式算法，集中式算法生成的移動骨干網規模相對較小；當ASN 節點規模一定時，隨著ASN 最大通信距離的增加，DMBNCM、MBNP、TBONE 算法的主干節點規模越來越小，表明隨著覆蓋范圍內ASN 最大通信距離的增加，普通節點的鄰居節點數目增大，較小規模節點的骨干節點即可實現全網的覆蓋［12－14］。

圖1 BN 節點數目隨節點通信距離的變化曲線

5 結語

綜上所述，針對現有通信系統易受自然災害及特殊地形影響的缺陷，本文利用衛星及無人機的優勢構建基于空天地信息一體化網絡的通信系統。移動骨干網可有效提高空天地信息一體化系統信息的傳輸性能，保證信息的實時可靠傳輸。提出了DMBNCM 分布式移動骨干網構建算法。理論分析和仿真表明，DMBNCM 算法具有較低的消息和時間復雜度，且能構建連通的移動骨干網，對于基于空天地信息一體化的通信系統具有一定的應用前景。