高动态环境下航空自组网分簇算法设计

第32卷第4期计算机应用研究Vol 32 No 42015年4月Application Research of ComputersApr.2015高动态环境下航空自组网分簇算法设计代家铭!,宋玉龙2,尚亚黎,李冬涛,罗长远2(1.解放军65012部队,沈阳1100002.信息工程大学,郑州45000摘要:分簇是解决航空自组网扩展性差的重要手段,针对军用飞机高动态造成簇结构不稳定的情况,设计一种基于地理位置的分簇算法。该算法从位置和运动的角度构造了备份簇首选择因子,采用备份簇首的方法保证簇结构的稳定性;设立簇容量和簇员筛选因子控制簇规模,通过附属簇员避免孤立通信节点产生,利用网关使簇形戍网状结构,并理论分析了算法的有效性。最后,仿真验证其性能,结果表明,与其他算法相比,该算法可以减少高动态下簇首更换频率控制成簇数量,增强簇抗毁性,有效地提高了簇的整体稳定性,更适合应用在军事航空领域。关键词:航空自组网;军事航空;分簇算法;备份簇首;附属簇员中图分类号:TP93文献标志码:A文章编号:1001-3695(2015)04-1193-06doi:10.3969/jiss.10013695.2015.04.055Cluster algorithm for aeronautical Ad hoc network in highly dynamic environmentDAI Jia-ming, SONG Yu-long, SHANG Ya-li,LI(1. 65012 Troop of PLA, Shenyang 110000, China; 2. Information Engineering University, Zhengzhou 450001, China)Abstract: Clustering is an important way to solve the scalability of aeronautical Ad hoc network( AANET). For instability ofcluster structure caused by high dynamic, this paper designed a clustering algorithm which was based on location information formilitary aircraft. The algorithm combined the actual situation to establish a military aircraft flight models, from the perspectiveof location and movement of tectonic backup cluster head selection factor, which used a backup method of cluster heads to en-sure the stability of cluster structure. It established capacity of cluster and cluster member filter factor to control its size, usedgateway and ancillary cluster members to establish the mesh structure of network and avoid isolating communication node, thenanalyzed the algorithm theoretically. Finally, the simulation results show that the algorithm can reduce the frequency of clusterhead replacement, control the number of clusters and enhance its survivability, effectively improving the overall stability of thecluster. It is more suitable for applications in the field of military aviationKey words: AANET; military aviation; clustering algorithm; backup cluster head; ancillary cluster member种具有时延感知的分簇算法但没有注意延长网络寿命,而0引言且设定所有节点数据的时隙宽度相等的条件过于理想;文献航空自组网(ANET)是移动自组网在航空领域的拓展与[10]在蜂窝结构的基础上,利用感知位置信息的方法进行分应用,由于具备自组织自修复的能力和快速高效组网的优簇,但其只适合静态网络;文献[11)从节点编号、节点度及势而特别适合解决军事航空中飞行环境恶劣高动态拓扑、公平度等角度选择簇首,算法较为简单且便于维护但当节点节点不稳定地面设施保障困难等问题,可为军航通信发挥抗移动性增强时,节点簇内生存时间急剧下降仅适用于低速移动环境;文献[13]通过估计节点速度、引入虚拟中心、预警簇毁、补盲支持编队战术协同等作用,从而大幅提升作战平台的头失效分频通信等方法设计了适合中高速环境下的分簇算战术效能2,因此国内外许多项目及单位对其进行研究如法,但如果节点数量较大或不稳定时,容易造成频段空白频谱美国的TN欧盟的 NEWSKY项目,以及国内的空军工程、北资源枯竭的情况;文献[14]运用层次分析法对篪首进行选择京航空航天大学等单位形成一种空间信息网成簇方法,不过其剩余能量、功率水平等不过ANET使路由协议、Q0s保障“及可扩展性等面参数不适合军机:文献[5].用设立意愿因子方法选举簇首临新的困难。为解决这些问题研究人员提出将网络划分提出了适合高动态移动网络的自适应稳定分簇算法但该方法成组的方法即分簇算法采用分簇的结构可以很大程度地解没有考虑军用飞机被击落等突发情况对簇结构稳定性的影响决扩展性差等问题,从而提高网络的性能和效率虽然目前对分簇算法的研究较深入,但其设计目标需满足现已有最小、最大连通度等多种较为成熟的分簇算特定的要求并适用于相应的环境而军事航空自组网具有以下法,它们从权值设定地理位置能量大小等多个角度对簇的建不同于一般自组网的特点:立进行研究。文献[8]为增加网络生存时间基于节点连接度a)分布场景大尺度和不确定性。飞机广泛分布在大洋、采用自适应调节通信范围等方法减少能量损耗;文献[9]提出沙漠等无地面中转站的区域。收稿日期:2014-03-02;修回日期:201404-28基金项目:全军军事学研究生课题作者简介:代家铭(1989-),男,黑龙江佳木斯人,助理工程师,主要研究方向为信息安全(djm198805@163.com);宋玉龙(1988-),男,黑龙江大庆人,硕士研究生,主要研究方向为无线通信;尚亚黎(1974-),女,高级工程师,硕士,主要研究方向为信息安金;李冬涛(1978-),男,工程师,碩士主要研究方向为信息安全;罗长远(1973-),男,副教授,博士,主要研究方向为无线通信1194·计算机应用研究第32卷b)运动阶段性。飞机在巡航作战等不同阶段的运动方首直接通信的未入簇节点。式、飞机相对位置等均存在很大的差异。附属簇员具有一定的灵活性,其可通过簇员与别的节点进c)拓扑的高动态性。飞机的速度可达3.5Mach,节点高行通信,从而避免了孤立通信节点的产生。如图1中,单跳簇速移动会造成网络拓扑快速变化,直接影响到MAC协议、路由的附属节点9可通过簇员8与其他节点通信。另外,由于其只协议等方面性能。与簇员通信而不参与簇内的信息交互所以不会增加簇的额外d)节点分布不规则。由于作战任务的差异,导致不同空开销减少了簇首的负载同时,可以使簇首与簇员达到负载域飞机数量、密度等相差较大均衡。e)不可预测性。在空战中飞机存在时刻被击落的可能,定义3备份簇首。通过一定规则筛选得到且有潜力成地面中转站等同样面临被销毁的危险另外,在作战区域内飞为簇首的节点行轨迹等也存在不可预测性。备份簇首在簇首未失效前充当簇员的角色,一旦簇首由于f)节点能量不受限。空战持续时间通常为几个小时,军机被击落等原因不能维护簇的正常通信时,为避免因簇首失效产会提供足够的用于通信的能量,因此,不需要考虑节点通信能生的簇动荡,此时备份簇首自动成为初始簇首并具有簇首的功量耗竭的情况能,从而保障了簇的稳定性。通过以上分析如果不结合军事航空自组网的特性而建立定义4簇容量N。簇保持最佳状态时簇员的数量。的分簇算法,可能会造成不必要的开销和资源的浪费,甚至使当网络中具有一定数量的节点时如果簇的簇员数量过通信中断。本文以军机为研究对象通过收集节点地理位置信小,则簇首的簇间开销会因簇数量过多而很大;反之,则会造成息,计算理想簇首节点据此选取稳定性优先的备份簇首以避簇内簇首负载很大免簇的振荡,在单跳簇的基础上,运用簇容量控制簇的规模,利定义5簇首阈值6。判断节点成为簇首的最低标准。用附属簇员减少孤立通信节点产生,建立一种适合军事航空自组网的分簇算法。最后,对各种指标进行仿真验证。簇首阈值可增加簇的稳定性及减少簇首的更换次数,其设定须考虑簇的规模、相对运动等因素。基本定义2初始簇的建立相关假设定义6初始簇。节点在簇更新前形成的簇。为方便研究提出以下合理假设:由于军机在执行巡航等任务时,通常以一定的编制为单a)所有飞机均为同质飞机(性能相同)且均有唯一的I位,如飞机中队等同一编制内飞机数量往往在10架以内并且标志记为ID1,ID2,…,ID。根据定位系统或者其他手段可以它们的任务相同或相似。因此,飞机间的相对速度、相对位置获得自身的地理位置信息M1,M2,…,M,其中,M由位置坐较为稳定故可将其默认为同一个簇。另外同一编制内的飞标和速度矢量组成机之间(如长机和僚机)存在着指挥关系,并且长机的飞行位b)飞机间通过公共信道进行分簇而分簇后则使用不同置常位于机群的中心且与僚机的通信量相对较多所以可令长信道通信机为最开始的初始簇首,僚机成为簇员,簇首建立簇的成员列c)由于飞机飞行高度的变化通常为几千米而飞行通信表从而完成簇的初始化工作。由于此过程飞机间相对位置较半径为几百千米故忽略飞机飞行的高度变化。为稳定只需要交换成簇信息便可进行分簇因此,不作为本文1.2相关定义研究重点。定义1单跳簇。簇首到所有簇员的距离为一跳的簇。3算法描述单跳簇的任意两簇员之间的最大距离为两跳。同理如果簇首到所有簇员的距离为多跳时,则该簇为多跳簇。在图13.1备份簇首的选举中,实线内的簇为单跳簇,虚线为两跳簇。当簇跳数较多时,其初始簇中的初始簇首s向其邻节点发送广播信息,并通过内的簇员数量也会增大。例如,当军机的通信半径为300km,收集应答信息建立邻居表;随后,根据邻居表里的位速信息计若形成3跳簇,其簇的半径便可达到900km,此时,簇会覆盖算理想节点及包括s在内的所有节点的备份簇首选择因子据作战区域内的绝大部分飞机簇内开销急剧增大进而便失去分此寻找备份簇首。簇的意义。令5的初始位速信息为M,=[(x,y,),(,,)],当s收到n个邻节点的位速信息M1=[(x1,y1),("x),"tu,)],,M,=[(x,,),(v,,)]后可以计算出理想节点o的位速信息M。=[(x,y,),(vm,),o,)],具体计算为①首M,=rx+、"一,”)](1)由式(1)可知,理想节点o的地理位置为所有邻节点的中心,其速度反映了所有邻节点的整体运动趋势图1单双跳簇示意图为保证簇的稳定,所选取的备份簇首应与簇的整体运动趋势相吻合且最好位于簇的中心。由于各节点为同质节点,那么定义2附属簇员。可与簇员直接通信但不可与该簇簇备份簇首的选择便取决于节点的位置和运动,因此,备份簇首第4期代家铭,等:高动态环境下航空自组网分簇算法设计1195·选择指标,需要结合节点的位置和运动两方面因素。均运动因子,结合式(8)所得的值即为簇首阈值,即1)位置因子定义7若两节点间的距离在一跳范围内,则两者互为邻(9)节点3.2簇员的筛选定义8符号 degreel(i)表示节点i的度,其数值等于i跳距离内邻节点的数量。当某节点成为簇首后,若其簇员超过簇容量时,则需要通节点的度可以衡量其在簇中的位置及与其他节点的连通过簇员筛选因子对节点是否可成为簇员进行判断和筛选。若状况某节点的度越大其位置越靠近中心),即更适合成为保持现有速度,节点间且能通信的保持时间可反映其稳定程备份簇首。因此,将位置因子定义为节点度的大小。度,于是,将邻节点通信保持时间作为簇员筛选因子v。若初始簇首的邻节点较多,当计算每个节点的度时,其计不妨令a为簇首,任取飞机i,则其簇员筛选因子为y。算量较大,而通过理想节点的计算公式可知,度较大的节点距由图3可知下式成立离理想节点较近,所以初始簇首s可在距离理想节点R2的圆(ay+b)2+(cy+d)2=R2形范围内寻找备份簇首。)R2-(ad-b)2设某节点i的m个邻节点组成的集合为Mi],其可用一其中:0=U(,b=x一x,=,-(m,d=y.-y。个1×的邻接矩阵A=[a]1来表示,元素a关系式为10