第31卷 第2期四川兵工学报2010年2月
Ξ 收稿日期:2009-12-17
作者简介：陈树斌(1981—)，男，硕士研究生，主要从事电子与通信工程研究;
张磊(1972—)，男，博士，副教授，硕士生导师，主要从事嵌入式系统，分布式计算研究.
基于W i Fi 的战术互联网路由协议性能分析京津唐
Ξ
陈树斌
1,2
，张 磊1，杨盘龙
1
(1.解放军理工大学通信工程学院，南京 210007;2.北京南口66459部队，北京 102202)
摘要：以分层分布式战术互联网实际应用环境为背景，在W iFi 组成的战术互联网中，利用仿真平台Qual N et 对
AODV 、DSR 、LAR 、OLSR 路由协议的性能进行了仿真比较.实验结果表明,AODV 协议在高传输速率和大负荷的战场环境下，能更好地发挥其性能.
关键词:W iFi；战术互联网;AODV;DSR;LAR;OLS R；性能分析中图分类号:TP393文献标识码:A 文章编号:1006-0707(2010)02-0052-04 战术互联网(tactical internet,TI )最早是美军为解决其三大无线战术通信系统(SI N CG ARS 、EP LRS 、MSE )均不能满足数字化战场通信需求而提出的，其设计目标是实现战术级用户间的无缝通信链接，通常应用在师及以下机动作战部队.战术互联网是数字化部队的基础设施，其主要功能是承载数据业务，实现语音数据传输以及完成战斗单元动态组网与协调通信.
然而在实际应用中，通常存在无线信道传输速率小的瓶颈，这成为了制约战术互联网发展的重要因素.文献[1]指出，美军团和营配备的EP LRS 系统，在通用战术图像传输网和火力支援协调网中的速率分别为7.2kbp s 和14.4kbp s；而韩国目前所使用的战术互联网，传输速率仅为9.6kbp s [2].
W iFi (wireless fidelity )，又称802.11标准，其最大优点就是传输速度高.其中的802.11b 可以达到11M bp s，并可根据信号的强弱在2,5.5,11M bp s 之间进行切换.另外，其无线电波的覆盖范围也较广，半径可达300英尺(约100m )左右.V ivat o 公司推出的新型终端，能把目前W i -Fi 的通信距离扩大到4英
里(约6.5k m )[3].这虽然和目前普遍使用的战术电台传输距离无法相比，但这个范围是能够满足海军陆战队、机械化步兵及装甲兵等移动速度快、节点相对集中的战术分队的使用要求的，因而具有非常广阔的前景.
将W iFi 整合于战术互联网，应用于实际军事，可以带来很多突出优点.比如，可提高战术互联网的无缝链接，提高数据传输和态势感知能力，另外其通信距离小也不利于被监听等等.也基于这个应用前景，各国军方都在积极论证将W iFi 应用于战术互联网[1].当然，将其应用于实际还有一些技术问题需要解决，本文中暂不作分析.本文中关注的重点则是整合了W iFi 的战术互联网，不同于普通的无线自组织网络，选择哪1个协议具有更好的性能.
1 仿真环境分析
在战场环境下，网络负载和网络拓扑结构都在不断发生变化，故选择合适的路由协议是关系到战术互联网能否发挥其效能的关键问题.目前许多基于战术互联网环境的仿真，受限于仿真软件或仿真模型，战术背景不足，仍缺少针对性.在充分研究了美军战术的基础上，本文中以1个美军装甲营为仿真对象，模拟配备了扩频W iFi 系统的装甲目标组成的战术互联网络，对4种经典路由协议AODV [4]、
DSR [5]、LAR [6]、OLSR [7]
的性能进行了仿真比较
.
图1 美军数字化师EP LRS 战术电台
分布拓扑及直方图
文献[8]给出了1个美军数字化师EP LRS 战术电台分布图.从图1中可以看出，网络中的节点主要集中在某几个区域，区域内部有明显的集特性，呈现出分层分布的特点.根据文献[9]提出的“分层分阶段拓扑生成算法”，将1个装甲营的队形配置成图2所示的结构
.
图2 仿真队形配置
图2中:Y 点为营指,A 、B 、C 、D 分别为下一级作战和战
斗支援单位.在此背景下，可对影响战术互联网的关键因素路由协议进行性能仿真比较.
2 路由及评价参数的选择
2.1 路由选择
目前现有的Ad hoc 路由协议可分为表驱动路由和按需路由2类.表驱动路由(如DS DV,OLSR,F I SHEYE )要求每个节点都维护1张包含到达节点路由信息的路由表，并根据网络拓扑的变化更新路由表，尽量实时准确反映网络的拓扑结构，通常具有更短的寻由时间；而按需驱动路由协议(如AODV,DSR,LAR )的节点则不需要维护及时准确的路由信息，当需要时才查路由，故他可能仅仅是整个拓扑结构信息的一部分，因此协议开销小.在本文中，选取4种路由协议加以仿真比较:AODV (按需距离矢量路由协议)、DSR (动态路由协议)、LAR (地理定位辅助路由协议)和OLS R (优化链路状态路由协议).
2.2 评价参数的选择
根据I ETF RFC2501,MANET 的仿真参数主要有端到端吞吐量和时延、寻由时延、分组投递率、寻由开销与效率以及平均跳数等.考虑到W iFi 网络的带宽，并不将路由开销、寻由时延作为仿真比较的重点，而选择端到端时延、分组投递率和端到端吞吐量3个重要指标作为主要评价参数.战术互联网中的2类最主要业务指控信息与战场态势感知信息对这3个指标都有明确要求[11].
1)分组投递率(packet delivery rati o )，即目的节点接收到的数据包个数与源节点发送的数据包个数之比，反映了网络传输的可靠性，分组投递率越高，可靠性越大.
2)端到端时延(end 2t o 2end data delay )，即分组从源节点到目的节点的平均延迟，反映了应用层中分组的时间特性.他包括进行路由发现和端口排队时分组在缓冲区中的延时，也包括MAC 层进行重传以及分组传播的时间.
3)端到端吞吐量(thr oughput )，在较大程度上可反映应
用层数据的传递速率[9].
3 仿真模型的建立
以1个装甲营在10k m ×10k m 范围地域内独立遂行作战任务，营指向所有作战及保障平台发送1000个报文的作战命令为背景.结合选取的参数，仿真的业务流量采用CBR (constant bit rate )模型，每个报
文长度为512字节.根据实际军事背景，仿真的移动模型采用组移动模型.考虑到W iFi 的传输距离问题，装甲车移动速度仍然是讨论的重点.实验目的就是在不同的移动速度和网络负载下对AODV 、DSR 、LAR 和OLSR 的性能进行比较.为此，选择如下仿真场景进行实验设置，如表1所示.
表1 仿真场景设置
战场面积/k m 2
10×10
节点数目120个，各内接近正态分布放置物理层W iFi ,5.5Mbp s ,No rate fallback
通信距离/k m 1
业务流量115条(Y →ABC D 各内分发),
安徽省第九次党代会
C BR ,500bytes/packet
发送间隔0.2,0.4,0.6,0.8,1s
种子数Seed =10
节点移动模型组移动模型
移动速度/(m ・s -1)
1,7,13,19,21,25路由协议
AODV,DSR,LAR,OLSR
本文中建立的模型，采用Qual N et 作为仿真器进行仿真.Qual N et 能对无线移动通信网络进行优化处理，故从仿
真速度上能得到很大的提升，同时通过对无线信道和射频技术的建模也保证了较高的仿真精度.Qual N et 基于已经过验证的P ARSEC 并行仿真内核，每个结点都能独立进行运算，这也和现实相符合.此外,Qual N et 允许用户在真正的并行仿真环境中优化并行仿真性能，且其协议模块更加独立，更加模块化，可以方便屏蔽、增加、删除某些协议模块.Qual N et 也支持TCP /I P 协议栈的标准层间接口，用户无需自己开发这种类型(绝大多数的协议都满足，包括大量军方数据通信联网设备)的层间接口，故该仿真平台特别适合于大规模无线Ad Hoc 网络协议的仿真[12].
4 仿真及结果分析
图书管理系统论文根据建立的模型，分别对装甲车不同的移动速度和营指挥车不同的包发送间隔进行了仿真，得到了如下的数据.
4.1 不同的节点移动速度
装甲车移动速度的不同对应了不同的网络拓扑结构.移动速度越快，装甲营的拓扑结构变化也越大.由于W iFi 支持的通信距离较小，故网络拓扑结构带来的影响也越
3
5陈树斌，等：基于W iFi 的战术互联网路由协议性能分析
大.但是，在普通战术互联网中，节点通信范围较大，运动速度并不是影响网络性能的决定因素[9].
图4为包传递率性能曲线.图中，随着装甲车移动速度的加快，协议的包传递率开始下降,4种协议具有相近似的趋势.由于W iFi 高速率的支持，按需路由的寻由开销并不明显,AODV 、DSR 、LAR 性能互相没有太大差别.但因为装甲营拓扑结构的快速变化,OLS R 维护路由信息的开销也越来越大，并导致包传递率的显著下降.和其他3种按需路由相比,OLSR 处于较明显的劣势
.
图4 包传递率性能曲线
同时，拓扑结构的变化，将导致按需路由不断重新寻
路径，建立链路链接，也使端到端延时随之变大.从图5中可以看出,DSR 、LAR 延时增加非常明显，且LAR 还表现出了不稳定性，这是因为LAR 根据装甲车位置信息不断变换查询范围所致.而OLSR 作为先应式路由，无需重新查到目的节点的路径，故在端到端延时上表现出了优异性能.AODV 通过维护多个到目的节点的路由，建立备用路由，具有快速响应活跃路径上链路的功能，能克服其他按需路由的缺点，体现出了非常好的稳定性，但在装甲车速度大于10m /s 时，延时开始大于OLSR.
吞吐量性能曲线和包传递率曲线具有一定的相似性，如图6所示.因为OLSR 要维护包含整个装甲营拓扑结构信息的路由表，不断向其他装甲车发送路由信息，故花费了较大开销，因此吞吐量性能较之另外3种路由有一定的差距.按需路由具有相似的性能趋势,LAR 借助了地理位置信息，进行有限的范围搜索，寻由开销更小，性能略强于
AODV 和
t612
DSR.
图5
端到端延时性能曲线
图6 平均吞吐量性能曲线
4.2 不同的包发送间隔
引起装甲营通信负荷变化的因素很多，但其决定因素还是模型中营指挥车的包发送间隔.包发送间隔和网络负荷的递增通常不成正比关系，但可用发送间隔的变化来反
映网络负荷的变化.
图7中，包传递率较小，和仿真参数的设置有关，只要取相同的标准，对各协议的评价就是公平的.从图中可以
看出，小负荷比大负荷的包传递率略低，和理论并不完全吻合，这是由于负荷小的时候包传递间隔大，装甲营拓扑结构变化大而造成的.主动路由OLSR 的包传递率在各负荷下仍然低于按需路由.按需路由的性能比较接近，当负荷逐渐变大时,AODV 的优越性开始更加明显
.
图7 包传递率性能曲线(速度10m /s )
与图5分析的情况类似，在装甲营相同拓扑结构、不同网络负荷下,OLSR 的无需重新查路由和AODV 的链路
快速连接机制使得这2种路由在端到端延时性能上有突出表现，而LAR 和DSR 的延时则要高出他们1倍.同时，在发送间隔小的情况下，装甲车移动带来的网络拓扑变化也小，按需路由链路断开的几率也会减小，所以从图中可以看到，网络负荷变大时,AODV 的延时呈下降趋势.而
OLSR 则因为负荷对广播控制信息的影响，延时开始加大.
在网络带宽饱和之前，随着网络负荷的增大，吞吐量也会随之增大.分析图9可以发现，因为维护路由信息的开销,OLSR 吞吐量比另外3种按需路由要小.在相同移动速度，不同网络负荷下,AODV 、DSR 、LAR 路由的吞吐量有大概相当的效率；但当负荷变大时,AODV 表现出的优越性能
逐渐明显，其吞吐能力比其他按需路由大.
45四川兵工学报
通常，基于战术互联网协议性能分析的文章能够证明，主动路由有更好的性能，因为他可在路由表中直接查路由信息，有更快的寻由速度、更小的延时[9].在电台传输距离大的战术互联网中，情况可能如此.而在基于W iFi 的战术互联网，因为节点通信距离有限，移动速度快，拓扑结构相对于通信距离变化剧烈，故路由链路断开的几率增大，维护路由的开销也会增大，因此按需路由的性能则更强大
.
5 结论
基于W iFi 的战术互联网，是高传输速率的无线自组织
网络，应用于军事通信网具有重要意义，而有效的路由协议机制则对提高战术互联网性能有重大影响.本文中利用Qual N et 对真实场景下1个装甲营的4种经典路由协议性能进行了仿真.从仿真结果不难看出,AODV 协议在高传输速率及大负荷的战术互联网中能更好地发挥其效能，具有更小的端到端延时、优良的吞吐量和包传递率，以及更好的稳定性.
vb数据库编程实例当然，不同的兵种、不同的武器特点、不同的组织形
式，决定了某一条件下的仿真结果不可能在所有战术互联网中都有绝对优势.实际应用中，可以把某一具有相当优势的结论，应用到特定的军事应用场合，这也是进行性能仿真比较的意义所在.如何结合军事技术应用，如借助北斗卫星、陀螺仪的地理位置定位，对AODV 协议进行改进，使基于W iFi 的战术互联网更能贴近实战，具有更好的性能，则是下一步的重点工作.
参考文献:
[1] Caceres Francisco A,S wearingin B rad E .AN ANALYSI S
OF I EEE W iFi AND 802.16TECHNOLOGI ES AS P ART
OF
THE
T ACTI C AL
I N TERNET .
Sep te mber 2005.
[2] Jong 2Mu chaoi ,Young 2bake ko .A Perfor mance Evalua 2
ti on for Ad Hoc Routing Pr ot ocols in Realistic M ilitary Scenari os[J ].C DMA in conference,2004.[3] www .baike .baidu /vie w /43867.ht m l
[4] Ad Hoc On De mand D istance Vect or (AODV )Routing
(RFC 3561)[M ].I ETF,July 2003.[5]The Dyna m ic Source Routing Pr ot ocol for Mobile Ad Hoc
Net w orks (DSR )[M ].I nternet D raft,I ETF,19
July 2004.
[6] Y .-B.Ko and N.H.Vaidya,Locati on A ided Rou 2
ting in Mobile Ad Hoc Net w orks,Pr oc .of the AC M /I EEE Mobicom ’98,Oct .1998.
[7] Op ti m ized L ink State Routing Pr ot ocol (RFC 3626)
[M ].I ETF,Oct ober 2003.
[8] Paul Sass .Communicati ons net w orks for the Force XX I
D igitized Battlefield[J ].Mobile Net w orks and App lica 2ti ons,1999(4):139-155.
[9] 杨盘隆，田畅，于雍.基于战术互联网环境的自组织
网络路由协议性能仿真与评估[J ].系统仿真学报,
蛇毒血凝酶2005,17(7):17-19.
[10]I ETF:MANET Working Gr oup Charter .
[11]董超，杨盘龙，田畅.一种组移动模型[J ].系统仿真
学报,2007,18(7):1879-1883.[12]Scalable Net w orks Technol ogies .htt p://www .Scalable
-net w orks
[13]郑少仁，王海涛，赵志峰，等.Ad Hoc 网络技术
[M ].北京：人民邮电出版社,2004.
(责任编辑 周江川)
5
5陈树斌，等：基于W iFi 的战术互联网路由协议性能分析
豫公网安备41160202000603
站长QQ:729038198
关于我们
投诉建议