航空自組網(wǎng)路由算法仿真分析案例概述目錄TOC\o"1-3"\h\u17055航空自組網(wǎng)路由算法仿真分析案例概述 1205031.1仿真場(chǎng)景及參數(shù) 125961.2節(jié)點(diǎn)模型 245561.3仿真場(chǎng)景及參數(shù) 34701.4稀疏場(chǎng)景下的性能仿真 4254441.5密集場(chǎng)景下的性能仿真 71.1仿真場(chǎng)景及參數(shù)仿真的航空平臺(tái)運(yùn)動(dòng)高空設(shè)置在7000米，節(jié)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)空間設(shè)置的是二維平面，節(jié)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)范圍是30000m*30000m，在這運(yùn)動(dòng)范圍內(nèi)通過分別設(shè)置50節(jié)點(diǎn)、100節(jié)點(diǎn)兩種情況形成稀疏節(jié)點(diǎn)、密集節(jié)點(diǎn)兩個(gè)場(chǎng)景。50節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景設(shè)計(jì)如上圖所示，網(wǎng)絡(luò)中隨機(jī)分布50個(gè)航空飛機(jī)節(jié)點(diǎn)aircraft_1-50，RxRroup為設(shè)計(jì)節(jié)點(diǎn)通信距離，MobileConfig模塊用來配置節(jié)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)范圍。圖4-2：仿真場(chǎng)景圖節(jié)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)采用隨機(jī)路點(diǎn)模型，基于真實(shí)航空自組網(wǎng)中飛機(jī)節(jié)點(diǎn)的高速特點(diǎn)，在本次仿真中設(shè)置飛機(jī)的運(yùn)動(dòng)速度范圍為700m/s-1300m/s，節(jié)點(diǎn)速度步進(jìn)值為100m/s，加速度值為5m/s2、20m/s2。仿真中節(jié)點(diǎn)的有效通信距離為9000-12000m，步進(jìn)值為1000m。配置所有的節(jié)點(diǎn)在仿真開始后10.0S開始業(yè)務(wù)，數(shù)據(jù)包產(chǎn)生的間隔為0.5s-1s之間的隨機(jī)數(shù)。數(shù)據(jù)包大小為2500bits。目的地址為隨機(jī)網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)ID。表4-2：仿真參數(shù)表參數(shù)名稱數(shù)值單位仿真時(shí)間200s節(jié)點(diǎn)數(shù)50，100N/A運(yùn)動(dòng)模型隨機(jī)路點(diǎn)模型運(yùn)動(dòng)速度700，800，900，1000，1100，1200，1300m/s運(yùn)動(dòng)加速度5，20m/s2運(yùn)動(dòng)范圍30000*30000m運(yùn)動(dòng)高空7000mMAC協(xié)議802.11協(xié)議節(jié)點(diǎn)通信距離9000，10000，11000，12000m數(shù)據(jù)包大小2500bit1.2節(jié)點(diǎn)模型圖4-3：仿真節(jié)點(diǎn)模型對(duì)節(jié)點(diǎn)模型進(jìn)行改進(jìn)，添加模塊mobile模塊，控制節(jié)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)。Mobile模塊中有移動(dòng)控制進(jìn)程，實(shí)現(xiàn)RWP移動(dòng)算法。MANET節(jié)點(diǎn)模型如上圖所。Wlan_port_rx_0_0為無線收信機(jī)，用來接收無線數(shù)據(jù)。Wlan_port_tx_0_0為無線發(fā)信機(jī)，用來接收無線數(shù)據(jù)。Wreless_lan_mac為MAC協(xié)議模塊，在本仿真中采用802.11協(xié)議作為接入?yún)f(xié)議，所以該模塊為802.11協(xié)議進(jìn)程所在模塊。Arp模塊IP地址屬于網(wǎng)絡(luò)層，但I(xiàn)P地址在傳輸?shù)臅r(shí)候需要跨越不同的物理網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行交換，此時(shí)如果一臺(tái)主機(jī)要將一個(gè)幀發(fā)送到另一臺(tái)主機(jī)，光知道其IP地址是不夠的，還需要知道其有效的MAC地址。ARP（地址解析協(xié)議）提供了從IP地址到MAC地址之間的映射。IP模塊內(nèi)置IP協(xié)議進(jìn)程，作用是為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)分配IP地址。Ip_encap為IP封裝模塊，實(shí)現(xiàn)傳輸協(xié)議UDP模塊和traf_src業(yè)務(wù)模塊和IP模塊之間的數(shù)據(jù)包封裝和解封裝。traf_src為節(jié)點(diǎn)的業(yè)務(wù)模塊，內(nèi)置應(yīng)用進(jìn)程產(chǎn)生指定特點(diǎn)的數(shù)據(jù)。UDP模塊為傳輸協(xié)議UDP進(jìn)程模塊。dhcp（動(dòng)態(tài)主機(jī)配置協(xié)議）是一個(gè)局域網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。指的是由服務(wù)器控制一段IP地址范圍，客戶機(jī)登錄服務(wù)器時(shí)就可以自動(dòng)獲得服務(wù)器分配的IP地址和子網(wǎng)掩碼。Manet_rte_mgr是MANET協(xié)議進(jìn)程模塊。A_0為天線模塊提供天線增益，本文中采用全向天線。1.3仿真場(chǎng)景及參數(shù)圖4-4：仿真進(jìn)程模型移動(dòng)控制進(jìn)程如上圖所示，控制節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)。改進(jìn)程主要實(shí)現(xiàn)隨機(jī)路點(diǎn)移動(dòng)算法。在仿真初始化階段隨機(jī)一組目的點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)向目的點(diǎn)移動(dòng)，移動(dòng)到目的點(diǎn)后等待隨機(jī)時(shí)間后，開始移動(dòng)到下一個(gè)目的點(diǎn)。INIT初始化狀態(tài)，獲取隨機(jī)產(chǎn)生的目的地點(diǎn)，在設(shè)定的開始時(shí)間后跳到狀態(tài)puse狀態(tài)。Pause狀態(tài)為等待狀態(tài)，節(jié)點(diǎn)移動(dòng)到目的接地點(diǎn)后，會(huì)在指定地點(diǎn)等待1S(可設(shè)定)的時(shí)間，等待結(jié)束后，繼續(xù)向下一個(gè)目標(biāo)點(diǎn)移動(dòng)。Move狀態(tài)，該狀態(tài)時(shí)，節(jié)點(diǎn)按照給定的速率進(jìn)行移動(dòng)，到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)后停止。本文中采用勻加速運(yùn)動(dòng)，節(jié)點(diǎn)在初始進(jìn)入move時(shí)初始速度為0，會(huì)周期1S跳轉(zhuǎn)到accelerated狀態(tài)。accelerated狀態(tài)按照給定的加速度加速，直到速度等于最大速度。Stop狀態(tài)節(jié)點(diǎn)停止移動(dòng)。1.4稀疏場(chǎng)景下的性能仿真本節(jié)通過OPNET平臺(tái)，研究在稀疏場(chǎng)景仿真下，不同的路由算法隨節(jié)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)速度的性能指標(biāo)情況。在30000m*30000m范圍內(nèi)節(jié)點(diǎn)的個(gè)數(shù)為50，節(jié)點(diǎn)加速度為5m/s2、10m/s2。研究的四個(gè)路由算法為OLSR、AODV、DSR、GRP。圖表的自變是節(jié)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)速度，范圍為700m/s-1300m/s。圖表的因變量是路由算法的四個(gè)重要性能指標(biāo)，分別為網(wǎng)絡(luò)吞吐量、時(shí)延、丟包率、路由開銷。仿真結(jié)果如下圖所示：圖4-5：不同速度下網(wǎng)絡(luò)吞吐量仿真結(jié)果圖4-6：不同速度下網(wǎng)絡(luò)丟包率仿真結(jié)果圖4-7：不同速度下網(wǎng)絡(luò)時(shí)延仿真結(jié)果圖4-8：不同速度下網(wǎng)絡(luò)路由開銷仿真結(jié)果通過50節(jié)點(diǎn)稀疏網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景下的8張仿真圖表，我們可以看到不同的節(jié)點(diǎn)加速度、速度情況對(duì)OLSR、AODV、DSR、GRP這四種路由算法的性能都有些影響。網(wǎng)絡(luò)吞吐量：吞吐量在仿真中定義為一定仿真時(shí)間內(nèi)（200s）目的節(jié)點(diǎn)成功接收到的數(shù)據(jù)包量。在吞吐量性能指標(biāo)上，從優(yōu)到劣排序?yàn)锳ODV、DSR、OLSR、GRP。DSR路由算法的網(wǎng)絡(luò)吞吐量在不同節(jié)點(diǎn)速度、加速度情況下變化較大，極其不穩(wěn)定。在上述幾種路由算法中，AODV路由性能最佳，在不同節(jié)點(diǎn)速度、加速度下吞吐量都維持在13M。丟包率：從總體上來看，四種路由算法在丟包率指標(biāo)上從優(yōu)到劣排序依次是AODV、DSR、OLSR、GRP。在兩種加速度場(chǎng)景下，GRP路由的丟包率都相當(dāng)高。而在節(jié)點(diǎn)加速度為20m/s2的情況下，OLSR路由的丟包率也達(dá)到了40%-50%。說明網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)高速運(yùn)動(dòng)、網(wǎng)絡(luò)高動(dòng)態(tài)拓?fù)鋵?duì)OLSR路由算法丟包率性能影響很大，在這個(gè)指標(biāo)上，OLSR路由有很大的改進(jìn)空間。通信時(shí)延：在這個(gè)指標(biāo)上，四種路由算法由優(yōu)到劣排序?yàn)镺LSR、GRP、AODV、DSR。網(wǎng)絡(luò)中DSR的網(wǎng)絡(luò)時(shí)延最大，且不穩(wěn)定不能適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓内厔?shì)。OLSR路由算法時(shí)延最小，OLSR協(xié)議是按需的路由協(xié)議，因此路由時(shí)延最小。AODV路由時(shí)延在0.02S左右，為按需的路由協(xié)議，時(shí)延相對(duì)穩(wěn)定，在有業(yè)務(wù)需求時(shí)再發(fā)送路由請(qǐng)求。路由開銷：在這個(gè)指標(biāo)上，四種路由算法由優(yōu)到劣排序?yàn)镺LSR、GRP、DSR、AODV。AODV路由開銷最大，按需的路由協(xié)議網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓笮枰l(fā)送路由請(qǐng)求建立路由。OLSR路由算法采用MPR機(jī)制，只有被選為MPR的節(jié)點(diǎn)才需要轉(zhuǎn)發(fā)拓?fù)淇刂葡8]，其余節(jié)點(diǎn)收到消息只需要處理不需要轉(zhuǎn)發(fā)，路由開銷最小。1.5密集場(chǎng)景下的性能仿真本節(jié)通過OPNET平臺(tái)，研究在密集場(chǎng)景仿真下，不同的路由算法隨節(jié)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)速度的性能指標(biāo)情況。在30000m*30000m范圍內(nèi)節(jié)點(diǎn)的個(gè)數(shù)為100，節(jié)點(diǎn)加速度為5m/s2。研究的路由算法為OLSR、AODV、DSR、GRP。圖表的自變有兩個(gè)，其中一個(gè)是節(jié)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)速度，范圍為700m/s-1300m/s；另一個(gè)是節(jié)點(diǎn)的有效通信距離，變化范圍為9000m-12000m。圖表的因變量是路由算法的四個(gè)重要性能指標(biāo)，分別為網(wǎng)絡(luò)吞吐量、時(shí)延、丟包率、路由開銷。仿真結(jié)果如圖所示：圖4-9：不同速度下網(wǎng)絡(luò)吞吐量仿真結(jié)果圖4-10：不同速度下網(wǎng)絡(luò)丟包率仿真結(jié)果圖4-11：不同速度下網(wǎng)絡(luò)時(shí)延仿真結(jié)果圖4-12：不同速度下網(wǎng)絡(luò)路由開銷仿真結(jié)果在相同節(jié)點(diǎn)速度、加速度數(shù)值下，密集場(chǎng)景下的各項(xiàng)指標(biāo)參數(shù)相較于稀疏場(chǎng)景有一些數(shù)值變化，但各路由算法的性能特點(diǎn)大致情況不變。AODV路由算法的吞吐量性能最好，丟包率性能最好，時(shí)延性能一般，時(shí)延相對(duì)穩(wěn)定，路由開銷最大；OLSR路由算法的吞吐量性能一般，丟包率性能較差，時(shí)延性能最好，路由開銷最??；DSR的丟包率最高，性能差，且網(wǎng)絡(luò)時(shí)延最大，不能適應(yīng)航空自組網(wǎng)拓?fù)渥兓奶攸c(diǎn)。圖4-13：不同通信距離下網(wǎng)絡(luò)吞吐量仿真結(jié)果圖4-14：不同通信距離下網(wǎng)絡(luò)丟包率仿真結(jié)果圖4-15：不同通信距離下網(wǎng)絡(luò)時(shí)延仿真結(jié)果圖4-16：不同通信距離下網(wǎng)絡(luò)路由開銷仿真結(jié)果以上的四張圖分別是不同路由算法的網(wǎng)絡(luò)吞吐量、丟包率、時(shí)延、路由開銷性能指標(biāo)隨節(jié)點(diǎn)通信距離的變化情況。仿真的場(chǎng)景設(shè)置為節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)速度為70