高動(dòng)態(tài)環(huán)境下航空自組網(wǎng)分簇算法設計

第32卷第4期計算機應用研究Vol 32 No 42015年4月Application Research of ComputersApr.2015高動(dòng)態(tài)環(huán)境下航空自組網(wǎng)分簇算法設計代家銘!,宋玉龍2,尚亞黎,李冬濤,羅長(cháng)遠2(1.解放軍65012部隊,沈陽(yáng)1100002.信息工程大學(xué),鄭州45000摘要:分簇是解決航空自組網(wǎng)擴展性差的重要手段,針對軍用飛機高動(dòng)態(tài)造成簇結構不穩定的情況,設計一種基于地理位置的分簇算法。該算法從位置和運動(dòng)的角度構造了備份簇首選擇因子,采用備份簇首的方法保證簇結構的穩定性;設立簇容量和簇員篩選因子控制簇規模,通過(guò)附屬簇員避免孤立通信節點(diǎn)產(chǎn)生,利用網(wǎng)關(guān)使簇形戍網(wǎng)狀結構,并理論分析了算法的有效性。最后,仿真驗證其性能,結果表明,與其他算法相比,該算法可以減少高動(dòng)態(tài)下簇首更換頻率控制成簇數量,增強簇抗毀性,有效地提高了簇的整體穩定性,更適合應用在軍事航空領(lǐng)域。關(guān)鍵詞:航空自組網(wǎng);軍事航空;分簇算法;備份簇首;附屬簇員中圖分類(lèi)號:TP93文獻標志碼:A文章編號: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種具有時(shí)延感知的分簇算法但沒(méi)有注意延長(cháng)網(wǎng)絡(luò )壽命,而0引言且設定所有節點(diǎn)數據的時(shí)隙寬度相等的條件過(guò)于理想;文獻航空自組網(wǎng)(ANET)是移動(dòng)自組網(wǎng)在航空領(lǐng)域的拓展與[10]在蜂窩結構的基礎上,利用感知位置信息的方法進(jìn)行分應用,由于具備自組織自修復的能力和快速高效組網(wǎng)的優(yōu)簇,但其只適合靜態(tài)網(wǎng)絡(luò );文獻[11)從節點(diǎn)編號、節點(diǎn)度及勢而特別適合解決軍事航空中飛行環(huán)境惡劣高動(dòng)態(tài)拓撲、公平度等角度選擇簇首,算法較為簡(jiǎn)單且便于維護但當節點(diǎn)節點(diǎn)不穩定地面設施保障困難等問(wèn)題,可為軍航通信發(fā)揮抗移動(dòng)性增強時(shí),節點(diǎn)簇內生存時(shí)間急劇下降僅適用于低速移動(dòng)環(huán)境;文獻[13]通過(guò)估計節點(diǎn)速度、引入虛擬中心、預警簇毀、補盲支持編隊戰術(shù)協(xié)同等作用,從而大幅提升作戰平臺的頭失效分頻通信等方法設計了適合中高速環(huán)境下的分簇算戰術(shù)效能2,因此國內外許多項目及單位對其進(jìn)行研究如法,但如果節點(diǎn)數量較大或不穩定時(shí),容易造成頻段空白頻譜美國的TN歐盟的 NEWSKY項目,以及國內的空軍工程、北資源枯竭的情況;文獻[14]運用層次分析法對篪首進(jìn)行選擇京航空航天大學(xué)等單位形成一種空間信息網(wǎng)成簇方法,不過(guò)其剩余能量、功率水平等不過(guò)ANET使路由協(xié)議、Q0s保障“及可擴展性等面參數不適合軍機:文獻[5].用設立意愿因子方法選舉簇首臨新的困難。為解決這些問(wèn)題研究人員提出將網(wǎng)絡(luò )劃分提出了適合高動(dòng)態(tài)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò )的自適應穩定分簇算法但該方法成組的方法即分簇算法采用分簇的結構可以很大程度地解沒(méi)有考慮軍用飛機被擊落等突發(fā)情況對簇結構穩定性的影響決擴展性差等問(wèn)題,從而提高網(wǎng)絡(luò )的性能和效率雖然目前對分簇算法的研究較深入,但其設計目標需滿(mǎn)足現已有最小、最大連通度等多種較為成熟的分簇算特定的要求并適用于相應的環(huán)境而軍事航空自組網(wǎng)具有以下法,它們從權值設定地理位置能量大小等多個(gè)角度對簇的建不同于一般自組網(wǎng)的特點(diǎn):立進(jìn)行研究。文獻[8]為增加網(wǎng)絡(luò )生存時(shí)間基于節點(diǎn)連接度a)分布場(chǎng)景大尺度和不確定性。飛機廣泛分布在大洋、采用自適應調節通信范圍等方法減少能量損耗;文獻[9]提出沙漠等無(wú)地面中轉站的區域。收稿日期:2014-03-02;修回日期:201404-28基金項目:全軍軍事學(xué)研究生課題作者簡(jiǎn)介:代家銘(1989-),男,黑龍江佳木斯人,助理工程師,主要研究方向為信息安全(djm198805@163.com);宋玉龍(1988-),男,黑龍江大慶人,碩士研究生,主要研究方向為無(wú)線(xiàn)通信;尚亞黎(1974-),女,高級工程師,碩士,主要研究方向為信息安金;李冬濤(1978-),男,工程師,碩士主要研究方向為信息安全;羅長(cháng)遠(1973-),男,副教授,博士,主要研究方向為無(wú)線(xiàn)通信1194·計算機應用研究第32卷b)運動(dòng)階段性。飛機在巡航作戰等不同階段的運動(dòng)方首直接通信的未入簇節點(diǎn)。式、飛機相對位置等均存在很大的差異。附屬簇員具有一定的靈活性,其可通過(guò)簇員與別的節點(diǎn)進(jìn)c)拓撲的高動(dòng)態(tài)性。飛機的速度可達3.5Mach,節點(diǎn)高行通信,從而避免了孤立通信節點(diǎn)的產(chǎn)生。如圖1中,單跳簇速移動(dòng)會(huì )造成網(wǎng)絡(luò )拓撲快速變化,直接影響到MAC協(xié)議、路由的附屬節點(diǎn)9可通過(guò)簇員8與其他節點(diǎn)通信。另外,由于其只協(xié)議等方面性能。與簇員通信而不參與簇內的信息交互所以不會(huì )增加簇的額外d)節點(diǎn)分布不規則。由于作戰任務(wù)的差異,導致不同空開(kāi)銷(xiāo)減少了簇首的負載同時(shí),可以使簇首與簇員達到負載域飛機數量、密度等相差較大均衡。e)不可預測性。在空戰中飛機存在時(shí)刻被擊落的可能,定義3備份簇首。通過(guò)一定規則篩選得到且有潛力成地面中轉站等同樣面臨被銷(xiāo)毀的危險另外,在作戰區域內飛為簇首的節點(diǎn)行軌跡等也存在不可預測性。備份簇首在簇首未失效前充當簇員的角色,一旦簇首由于f)節點(diǎn)能量不受限?？諔鸪掷m時(shí)間通常為幾個(gè)小時(shí),軍機被擊落等原因不能維護簇的正常通信時(shí),為避免因簇首失效產(chǎn)會(huì )提供足夠的用于通信的能量,因此,不需要考慮節點(diǎn)通信能生的簇動(dòng)蕩,此時(shí)備份簇首自動(dòng)成為初始簇首并具有簇首的功量耗竭的情況能,從而保障了簇的穩定性。通過(guò)以上分析如果不結合軍事航空自組網(wǎng)的特性而建立定義4簇容量N。簇保持最佳狀態(tài)時(shí)簇員的數量。的分簇算法,可能會(huì )造成不必要的開(kāi)銷(xiāo)和資源的浪費,甚至使當網(wǎng)絡(luò )中具有一定數量的節點(diǎn)時(shí)如果簇的簇員數量過(guò)通信中斷。本文以軍機為研究對象通過(guò)收集節點(diǎn)地理位置信小,則簇首的簇間開(kāi)銷(xiāo)會(huì )因簇數量過(guò)多而很大;反之,則會(huì )造成息,計算理想簇首節點(diǎn)據此選取穩定性?xún)?yōu)先的備份簇首以避簇內簇首負載很大免簇的振蕩,在單跳簇的基礎上,運用簇容量控制簇的規模,利定義5簇首閾值6。判斷節點(diǎn)成為簇首的最低標準。用附屬簇員減少孤立通信節點(diǎn)產(chǎn)生,建立一種適合軍事航空自組網(wǎng)的分簇算法。最后,對各種指標進(jìn)行仿真驗證。簇首閾值可增加簇的穩定性及減少簇首的更換次數,其設定須考慮簇的規模、相對運動(dòng)等因素?；径x2初始簇的建立相關(guān)假設定義6初始簇。節點(diǎn)在簇更新前形成的簇。為方便研究提出以下合理假設:由于軍機在執行巡航等任務(wù)時(shí),通常以一定的編制為單a)所有飛機均為同質(zhì)飛機(性能相同)且均有唯一的I位,如飛機中隊等同一編制內飛機數量往往在10架以?xún)炔⑶覙酥居洖镮D1,ID2,…,ID。根據定位系統或者其他手段可以它們的任務(wù)相同或相似。因此,飛機間的相對速度、相對位置獲得自身的地理位置信息M1,M2,…,M,其中,M由位置坐較為穩定故可將其默認為同一個(gè)簇。另外同一編制內的飛標和速度矢量組成機之間(如長(cháng)機和僚機)存在著(zhù)指揮關(guān)系,并且長(cháng)機的飛行位b)飛機間通過(guò)公共信道進(jìn)行分簇而分簇后則使用不同置常位于機群的中心且與僚機的通信量相對較多所以可令長(cháng)信道通信機為最開(kāi)始的初始簇首,僚機成為簇員,簇首建立簇的成員列c)由于飛機飛行高度的變化通常為幾千米而飛行通信表從而完成簇的初始化工作。由于此過(guò)程飛機間相對位置較半徑為幾百千米故忽略飛機飛行的高度變化。為穩定只需要交換成簇信息便可進(jìn)行分簇因此,不作為本文1.2相關(guān)定義研究重點(diǎn)。定義1單跳簇。簇首到所有簇員的距離為一跳的簇。3算法描述單跳簇的任意兩簇員之間的最大距離為兩跳。同理如果簇首到所有簇員的距離為多跳時(shí),則該簇為多跳簇。在圖13.1備份簇首的選舉中,實(shí)線(xiàn)內的簇為單跳簇,虛線(xiàn)為兩跳簇。當簇跳數較多時(shí),其初始簇中的初始簇首s向其鄰節點(diǎn)發(fā)送廣播信息,并通過(guò)內的簇員數量也會(huì )增大。例如,當軍機的通信半徑為300km,收集應答信息建立鄰居表;隨后,根據鄰居表里的位速信息計若形成3跳簇,其簇的半徑便可達到900km,此時(shí),簇會(huì )覆蓋算理想節點(diǎn)及包括s在內的所有節點(diǎn)的備份簇首選擇因子據作戰區域內的絕大部分飛機簇內開(kāi)銷(xiāo)急劇增大進(jìn)而便失去分此尋找備份簇首。簇的意義。令5的初始位速信息為M,=[(x,y,),(,,)],當s收到n個(gè)鄰節點(diǎn)的位速信息M1=[(x1,y1),("x),"tu,)],,M,=[(x,,),(v,,)]后可以計算出理想節點(diǎn)o的位速信息M。=[(x,y,),(vm,),o,)],具體計算為①首M,=rx+、"一,”)](1)由式(1)可知,理想節點(diǎn)o的地理位置為所有鄰節點(diǎn)的中心,其速度反映了所有鄰節點(diǎn)的整體運動(dòng)趨勢圖1單雙跳簇示意圖為保證簇的穩定,所選取的備份簇首應與簇的整體運動(dòng)趨勢相吻合且最好位于簇的中心。由于各節點(diǎn)為同質(zhì)節點(diǎn),那么定義2附屬簇員?？膳c簇員直接通信但不可與該簇簇備份簇首的選擇便取決于節點(diǎn)的位置和運動(dòng),因此,備份簇首第4期代家銘,等:高動(dòng)態(tài)環(huán)境下航空自組網(wǎng)分簇算法設計1195·選擇指標,需要結合節點(diǎn)的位置和運動(dòng)兩方面因素。均運動(dòng)因子,結合式(8)所得的值即為簇首閾值,即1)位置因子定義7若兩節點(diǎn)間的距離在一跳范圍內,則兩者互為鄰(9)節點(diǎn)3.2簇員的篩選定義8符號 degreel(i)表示節點(diǎn)i的度,其數值等于i跳距離內鄰節點(diǎn)的數量。當某節點(diǎn)成為簇首后,若其簇員超過(guò)簇容量時(shí),則需要通節點(diǎn)的度可以衡量其在簇中的位置及與其他節點(diǎn)的連通過(guò)簇員篩選因子對節點(diǎn)是否可成為簇員進(jìn)行判斷和篩選。若狀況某節點(diǎn)的度越大其位置越靠近中心),即更適合成為保持現有速度,節點(diǎn)間且能通信的保持時(shí)間可反映其穩定程備份簇首。因此,將位置因子定義為節點(diǎn)度的大小。度,于是,將鄰節點(diǎn)通信保持時(shí)間作為簇員篩選因子v。若初始簇首的鄰節點(diǎn)較多,當計算每個(gè)節點(diǎn)的度時(shí),其計不妨令a為簇首,任取飛機i,則其簇員篩選因子為y。算量較大,而通過(guò)理想節點(diǎn)的計算公式可知,度較大的節點(diǎn)距由圖3可知下式成立離理想節點(diǎn)較近,所以初始簇首s可在距離理想節點(diǎn)R2的圓(ay+b)2+(cy+d)2=R2形范圍內尋找備份簇首。)R2-(ad-b)2設某節點(diǎn)i的m個(gè)鄰節點(diǎn)組成的集合為Mi],其可用一其中:0=U(,b=x一x,=,-(m,d=y.-y。個(gè)1×的鄰接矩陣A=[a]1來(lái)表示,元素a關(guān)系式為10