胡 青 張根彪 宋蒙恩

(大連海事大學(xué)信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院 遼寧 大連 116026)

0 引 言

隨著海洋交通業(yè)的發(fā)展，ITU和IALA提出了VDES概念，并計劃于2020年左右發(fā)布正式技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)[1]。VDES能夠在海事VHF移動波段內(nèi)提供更高、更強的數(shù)據(jù)交換能力，滿足了海洋通信業(yè)務(wù)的需求。VDES的提出為構(gòu)建覆蓋性強的新一代海上通信系統(tǒng)提供了技術(shù)基礎(chǔ)，推動了船舶協(xié)同互聯(lián)技術(shù)以及船聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展。船舶協(xié)同互聯(lián)技術(shù)包含移動模型和移動自組織網(wǎng)絡(luò)(Mobile Ad Hoc Networks,MANET) 路由協(xié)議兩大部分，其中船舶移動模型為船舶協(xié)同互聯(lián)技術(shù)的基礎(chǔ)，MANET路由協(xié)議為船舶協(xié)同互聯(lián)技術(shù)的核心。

移動模型是一種利用數(shù)學(xué)方式描述節(jié)點運動特征的工具，是真實節(jié)點運動特征的抽象體現(xiàn)。典型的移動模型可以分為隨機移動模型、時間依賴模型、空間依賴模型、地理依賴模型、混合模型等[2]。在不同的實際環(huán)境中，節(jié)點具有各種移動特征，因此典型移動模型并不完全適用于所有場景。為了滿足研究的需要，國內(nèi)外通過分析真實節(jié)點的運動特征，結(jié)合現(xiàn)有移動模型的方式，設(shè)計出了各種移動模型。Rahman等[3]全面仿真并論證了不同網(wǎng)絡(luò)環(huán)境對不同移動模型的性能影響，該研究對移動模型在現(xiàn)實場景中的應(yīng)用具有引導(dǎo)作用。Liu等[4]通過研究人體運動狀態(tài)的傳遞情況，在高斯-馬爾可夫模型的基礎(chǔ)上提出了一種能夠揭示真實人體運動的移動模型——人體高斯馬爾可夫移動模型。Solmaz等[5]通過分析人們在主題公園的活動規(guī)律，提出了一種能夠較好匹配實際運動的新型主題公園人員流動模型。Bittner等[6]指出底層移動模型會對MANET路由協(xié)議產(chǎn)生很大影響，并根據(jù)現(xiàn)實場景的異質(zhì)性等特征，提出了一種新的基于區(qū)域圖的移動模型。

MANET是一種無固定基礎(chǔ)通信設(shè)施、無中心控制的多跳無線網(wǎng)絡(luò)[7]，該網(wǎng)絡(luò)抗毀性強，有極高的軍用價值和商用價值。MANET路由協(xié)議作為MANET的重要組成部分，國內(nèi)外也對其進(jìn)行了廣泛的研究。Surendran等[8]提出了一種基于質(zhì)量約束的容錯前瞻路由算法，在有效路由失敗的情況下，協(xié)助選擇備選路徑，提升了協(xié)議中的路由決策能力。Han等[9]提出了一種自適應(yīng)hello報文傳輸方案，抑制了不必要的hello報文，降低了路由的網(wǎng)絡(luò)開銷。Wahab等[10]提出了一種新型QoS聚類算法，利用QoS-OLSR協(xié)議解決了VANETs中的集群問題，有效地改善了路由協(xié)議的性能。Xia等[11]提出了一種基于信任的單播路由協(xié)議，為選擇安全最短路由提供了一種靈活的方法，對協(xié)議在端到端時延方面的性能有很大提升。Zhang等[12]結(jié)合OLSR協(xié)議與改進(jìn)的量子遺傳策略，提出了一種新型路由協(xié)議——QG-OLSR協(xié)議，降低了網(wǎng)絡(luò)開銷，優(yōu)化了協(xié)議性能。

綜上所述，近年來國內(nèi)外在移動模型以及MANET路由協(xié)議方面均做了大量的研究分析，對船舶MANET路由協(xié)議亦有一定的研究，但沒有結(jié)合海洋環(huán)境及船舶運動特征。與此同時，VDES為海上船聯(lián)網(wǎng)提供了良好的Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，但目前國內(nèi)外尚未有關(guān)于基于VDES的MANET路由協(xié)議的研究。因此本文在船舶移動模型的研究基礎(chǔ)上，對現(xiàn)有MANET路由協(xié)議在VDES中的應(yīng)用進(jìn)行了理論研究及仿真分析，進(jìn)一步給出VDES下的船聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)最優(yōu)路由選擇方案。本文對VDES以及船聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展都具有積極的推動作用。

1 船舶移動模型研究

船舶移動模型是研究VDES自組織網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議的前提。因此，為了保證船聯(lián)網(wǎng)MANET路由協(xié)議研究的可靠性，建立一種恰當(dāng)?shù)拇耙苿幽Ｐ陀葹橹匾?。船舶移動模型設(shè)計的關(guān)鍵是根據(jù)實際船舶的運動特點抽象出節(jié)點運動規(guī)律，使模型中的節(jié)點具備真實場景中船舶的運動特征。

本文通過分析真實AIS數(shù)據(jù)，結(jié)合相關(guān)船舶理論知識，抽象船舶運動規(guī)律及船舶運動特征，綜合現(xiàn)有移動模型，設(shè)計出了一種具有船舶運動特征的節(jié)點移動模型——船舶平滑轉(zhuǎn)向的高斯馬爾可夫移動模型(Ships Smooth Swerve Gauss-Markov Mobility Model,SSGM)。在具備船舶基本運動特征的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步將海浪、氣流、避讓等影響船舶運動的因素作為模型的隨機干擾因素，提升了模型與真實場景的相關(guān)性。

1.1 船舶運動分析

船舶在不同航行階段具有不同的運動特征，為保證移動模型對船舶運動的準(zhǔn)確描述，移動模型應(yīng)以船舶運動特征為設(shè)計基礎(chǔ)。船舶各種航行階段具有以下運動特征：

1) 相關(guān)性：船舶當(dāng)前時刻的運動與上一時刻相關(guān)，不存在船舶航行速度以及方向的突變。

2) 滯后性：受到海水、氣流等自然因素的影響，舵手在進(jìn)行船舶運動調(diào)節(jié)時，相關(guān)操作會有一定時間的延遲響應(yīng)，船舶狀態(tài)不會立即變化。

3) 滯留性：船舶到達(dá)港口后速度降為0；在港口，船舶需要滯留一段時間，以處理相關(guān)的港口作業(yè)。

4) 線性：船舶離港后逐漸加速，直至加速到理想速度才進(jìn)入勻速運動狀態(tài)。

5) 平滑性：船舶轉(zhuǎn)向過程受到水的阻力及船舶自身的限制，符合大半徑平滑轉(zhuǎn)向的運動特征。

綜合分析船舶運動特征可得：在上述航行階段中，船舶均具備平滑移動的特性。平滑移動的特性符合高斯馬爾可夫移動模型[13](G-M模型)節(jié)點的運動規(guī)律，因此本文以G-M模型為基礎(chǔ)，結(jié)合船舶運動特點，設(shè)計出了一種SSGM模型。

1.2 SSGM模型描述

船舶固有操作包括變向操作和變速操作兩方面。變速操作包含加速、減速、停車、倒車等方面的操作；變向操作包含船舶在轉(zhuǎn)向過程中的一系列操作。通過結(jié)合船舶的運動特征及船舶固有操作設(shè)計出的SSGM模型，可用數(shù)學(xué)式進(jìn)行表達(dá)，模型在各階段具有以下不同的描述。

1.2.1加速航行階段

加速階段主要是指船舶從處于停車狀態(tài)或直線運動狀態(tài)，加速到理想速度的過程。在該過程中，船舶處于勻加速直線運動狀態(tài)，考慮外在因素影響，模型附加了一定的隨機擾動，其中節(jié)點運動方向的變化形式與G-M模型相似。

速度及方向更新公式為：

Vt+1=Vt+a·dt+Vn

(1)

(2)

位置坐標(biāo)更新公式為：

(3)

(4)

1.2.2穩(wěn)速航行階段

船舶航行到理想速度后，由加速航行階段轉(zhuǎn)為穩(wěn)速航行階段。在穩(wěn)速航行階段中，船舶節(jié)點的運動速率以及航行方向相對穩(wěn)定，基本保持勻速直線運動狀態(tài)，但受到外在干擾因素的影響，節(jié)點的速度和方向會有細(xì)微的變化。在本階段中，定期更新節(jié)點速度、航向等信息，實現(xiàn)節(jié)點運動狀態(tài)的轉(zhuǎn)變。

速度及方向更新公式為：

(5)

(6)

位置坐標(biāo)更新公式為：

xbt+1=xbt+Vt+1·cos(θt+1)·dt

(7)

ybt+1=ybt+Vt+1·sin(θt+1)·dt

(8)

1.2.3旋回運動階段

在本設(shè)計中，旋回運動階段是指處于定速直線航行狀態(tài)的節(jié)點進(jìn)行轉(zhuǎn)舵的過程。船舶受自身設(shè)計的限制及外在因素的影響，在轉(zhuǎn)向過程中符合大半徑平滑轉(zhuǎn)動的方式。船舶旋回過程可以分為轉(zhuǎn)舵階段、過渡階段、定常階段，船舶在向某一目的地航行時很少有大于180度的轉(zhuǎn)向，因此本文設(shè)定節(jié)點轉(zhuǎn)向角度在180度以內(nèi)。在轉(zhuǎn)向過程中，船舶轉(zhuǎn)向半徑近似等于進(jìn)距與滯距之差，其中：進(jìn)距為旋回初徑的0.6～1.2倍；滯距為船長的1～2倍；旋回初徑約為船長的3～7倍。

綜合上述分析，可以推導(dǎo)出船舶轉(zhuǎn)向半徑計算公式為：

R=1/2·coe·boat_len

(9)

式中：R為船舶節(jié)點的轉(zhuǎn)向半徑；boat_len為船舶節(jié)點長度；coe為轉(zhuǎn)向直徑與船長的相關(guān)參數(shù)。

節(jié)點左轉(zhuǎn)與右轉(zhuǎn)的操作類似，在位置更新計算方面基本一致，只在回旋中心方面存在一定的差異。節(jié)點變向的相關(guān)操作服從以下規(guī)律。

時間及角度更新公式為：

t=Δθ·R/Vt+1

(10)

(11)

1) 左轉(zhuǎn)情況。

回旋中心計算公式為：

xr=xb-R·sin(θt)

(12)

yr=yb+R·cos(θt)

(13)

位置坐標(biāo)更新公式為：

xb=xr+R·cos(θt+1+Δθ)

(14)

yb=yr+R·sin(θt+1+Δθ)

(15)

2) 右轉(zhuǎn)情況。

回旋中心計算公式為：

xr=xb-R·sin(θt)

(16)

yr=yb+R·cos(θt)

(17)

位置坐標(biāo)更新公式為：

xb=xr+R·cos(θt+1+Δθ)

(18)

yb=yr+R·sin(θt+1+Δθ)

(19)

式中：Δθ為節(jié)點更新坐標(biāo)的角度偏移量；t為轉(zhuǎn)向階段中節(jié)點更新的時間間隔；xr、yr分別表示回旋中心的橫縱坐標(biāo)；xb、yb表示節(jié)點當(dāng)前位置的橫縱坐標(biāo)；θt+1、θt分別為當(dāng)前時刻及下一時刻的運動方向。

1.3 模型仿真分析

移動模型的仿真與分析包括MATLAB環(huán)境下個體移動模型的仿真以及NS2環(huán)境下節(jié)點的宏觀移動仿真兩個方面。MATLAB環(huán)境下，個體節(jié)點移動模型如圖1所示；在一段時間內(nèi)，真實船舶的航行軌跡如圖2所示。個體移動模型的仿真通過檢驗節(jié)點運動特征的方式與真實船舶航行情況比對分析，驗證模型中節(jié)點運動是否具備船舶航行特征；節(jié)點宏觀移動仿真是指在多節(jié)點運動情景下的節(jié)點的運動仿真，記錄節(jié)點運動相關(guān)信息，涵蓋時間、位置、速度等方面，為后續(xù)通信協(xié)議的仿真分析驗證提供場景支持。

圖1 個體移動模型

圖2 船舶節(jié)點真實航行軌跡

由圖1可見，模型中節(jié)點的運動軌跡相對平滑，不存在拐點和斷點的情況，節(jié)點主要以直線運動為主，在直線運動中存在細(xì)微的擾動。由圖2可見，船舶從初始位置到目的地的航行過程中符合平滑移動特點；轉(zhuǎn)向過程中，船舶轉(zhuǎn)向半徑較大、運行軌跡平滑；整體航行過程中，船舶節(jié)點多處于直線運動狀態(tài)。綜合上述分析可知，節(jié)點個體移動特征基本符合船舶移動模型的要求，滿足了后續(xù)設(shè)計的需要。

本仿真平臺通過NAM工具描繪實時移動節(jié)點的宏觀分布，圖3即為NAM工具描繪的節(jié)點初始時刻整體分布。NS2中的船舶分布模型的初始情況如圖，其中數(shù)字及黑色實點均代表模型中的移動節(jié)點。在分配移動節(jié)點初始位置時，服從隨機分布特性；運動過程中，符合個體移動模型的運動特征。節(jié)點的隨機分布性與運動的規(guī)律性符合船舶的航行特征，基本滿足了船舶移動模型設(shè)計的需要。

圖3 船舶分布模型

2 MANET路由協(xié)議理論分析

MANET路由是源節(jié)點和目的節(jié)點之間建立恰當(dāng)?shù)耐ㄐ怕窂降膮f(xié)議，促進(jìn)了節(jié)點間的無縫連接，增強了系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸能力。不同的MANET路由協(xié)議具有不同的適用場景，為了滿足船聯(lián)網(wǎng)的通信需求，對海洋通信系統(tǒng)及目前現(xiàn)存的路由協(xié)議深入研究分析十分必要。

VDES雖然在帶寬上與AIS相比有很大的提升，但與大量的數(shù)據(jù)通信相比，仍然有限。因此選擇或設(shè)計船舶路由協(xié)議時，要在滿足可靠性的基礎(chǔ)上盡可能降低協(xié)議的路由開銷，以避免信道擁塞的發(fā)生，維護(hù)系統(tǒng)穩(wěn)定。從近年來國內(nèi)外研究中可以看出，目的節(jié)點序列距離矢量(Destination-Sequenced Distance-Vector，DSDV)協(xié)議、動態(tài)路由(Dynamic Source Routing，DSR)協(xié)議和AODV協(xié)議是各類協(xié)議中較為典型且性能較好的協(xié)議[15]。因此本文就上述三種路由協(xié)議，從理論方面給出了適用于海洋環(huán)境下的MANET路由協(xié)議。

DSDV協(xié)議[16]需要周期性地更新路由表，路由開銷較大，特別在網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓^快的網(wǎng)絡(luò)中，需要采用更高的路由更新頻率，路由開銷隨之急劇增加。因此，DSDV協(xié)議不適用于高動態(tài)網(wǎng)絡(luò)。DSR協(xié)議[17]不需要節(jié)點維持路由信息表，在發(fā)送數(shù)據(jù)時，采用路由發(fā)現(xiàn)過程的方式建立路由，并將選用的路徑直接附在數(shù)據(jù)報文中。該路由機制消除了無數(shù)據(jù)通信業(yè)務(wù)時的路由開銷，但產(chǎn)生了相對較大的響應(yīng)時延；每個數(shù)據(jù)包中包含完整路由信息，降低了帶寬利用率；在路由表中存在路由陳舊的問題，對協(xié)議可靠性產(chǎn)生了一定的影響。因此，DSR協(xié)議適用于實時性要求不高、通信量不大且網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湎鄬Ψ€(wěn)定的環(huán)境中。AODV協(xié)議[18]在有通信需求時，通過泛洪的方式建立路由，在節(jié)點數(shù)量較多時，路由開銷逐漸增加；按需路由的方式，決定了節(jié)點在通信時會有較大的時延。因此，AODV協(xié)議較適用于實時性要求不高，數(shù)據(jù)通信不頻繁的環(huán)境。上述三種MANET路由協(xié)議整體對比分析結(jié)果如表1所示。

表1 路由協(xié)議性能對比

可以看出，表驅(qū)動路由協(xié)議的路由開銷很大，收斂時間很長。船聯(lián)網(wǎng)MANET路由協(xié)議是基于VDES研究的，VDES通信速率僅為307.2 kbit/s，隨著路由開銷的增大，系統(tǒng)的鏈路負(fù)載隨之上升，增大了信道擁塞的風(fēng)險，不利于系統(tǒng)的穩(wěn)定,因此，表驅(qū)動路由協(xié)議不適用于海洋環(huán)境。在按需路由協(xié)議中，DSR協(xié)議的每個數(shù)據(jù)分組都要攜帶完整的路由信息，協(xié)議額外開銷較大，網(wǎng)絡(luò)帶寬利用率相對較低，因此不適用于小帶寬的通信場景。AODV協(xié)議只攜帶下一跳路由信息，帶寬利用率較高，相對適用于帶寬低的場景。由上述分析可知，AODV路由協(xié)議可作為VDES場景下的最優(yōu)路由方案。

3 仿真測試及性能分析

AODV路由協(xié)議雖然在理論上論證了在海洋場景下的適用性，但缺乏VDES通信環(huán)境下的實際驗證，為了充分論證協(xié)議的適用性，本文通過利用網(wǎng)絡(luò)仿真平臺仿真的形式驗證了協(xié)議適用性，進(jìn)一步為船舶MANET路由協(xié)議的改進(jìn)奠定了基礎(chǔ)。本文在仿真平臺中，基于船舶移動模型，結(jié)合VDES特性，設(shè)計了海洋路由通信場景。針對分組投遞率、端到端時延、歸一化路由開銷三方面分析了不同MANET路由協(xié)議性能。

3.1 VDES路由場景設(shè)計

本文為了更加真實可靠地模擬VDES通信環(huán)境，在設(shè)計路由通信場景中，數(shù)據(jù)包大小及數(shù)據(jù)傳輸速率均符合VDES通信標(biāo)準(zhǔn)的要求。VDES采用的時分多址接入(Time Division Multiple Access,TDMA)協(xié)議與本次仿真采用的載波監(jiān)聽多路訪問/沖突檢測 (Carrier Sense Multiple Access/Collision Detect,CSMA/CD)協(xié)議采用的均為時分復(fù)用的方式，雖然TDMA協(xié)議與CSMA/CD協(xié)議相比有更加嚴(yán)格的時間控制機制，能夠有效降低用戶過多時產(chǎn)生的數(shù)據(jù)沖突，減少數(shù)據(jù)報文的傳輸?shù)却龝r間，使通信系統(tǒng)擁有更低端到端時延。但這兩種接入方式對其他性能影響較小，因此本次仿真結(jié)果及分析可充當(dāng)VDES環(huán)境下的協(xié)議評估。考慮到渤海區(qū)域廣度較大且船舶節(jié)點分布不均的情況，本文通過控制同一場景下的節(jié)點數(shù)量模擬船舶的不同密度分布場景的方法，達(dá)到不同仿真場景設(shè)計的要求。

仿真場景建立時，仿真區(qū)域在實際場景的基礎(chǔ)上按比例縮小，即場景在1 200 m×2 000 m的范圍內(nèi)設(shè)計。實驗參數(shù)設(shè)置如下：節(jié)點最大速度為20節(jié)；通信數(shù)據(jù)包大小為672字節(jié)；節(jié)點停留時間為2 s；節(jié)點數(shù)量為50、100、150、200、250、300個；仿真時間為200 s；分組發(fā)送率為每秒4個數(shù)據(jù)包；通信距離為250 m。

3.2 分組投遞率

分組投遞率(packet delivery fraction，PDF)可作為船舶MANET路由協(xié)議可靠傳輸?shù)脑u估參數(shù)，隨著PDF逐漸提高，協(xié)議具有更可靠的數(shù)據(jù)傳輸能力。仿真環(huán)境中，目的節(jié)點接收數(shù)據(jù)分組量與源節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)分組量的比值即為協(xié)議的PDF。PDF計算公式如下：

(20)

式中：NSP(Number of Send Packets)表示節(jié)點發(fā)送的分組數(shù)目；NRP(Numbers of Receive Packets)表示節(jié)點接收到的分組數(shù)目。

圖4所示為AODV、DSR、DSDV三種路由協(xié)議在不同場景下的PDF?？梢钥闯觯S著節(jié)點數(shù)量的增加，路由協(xié)議的PDF整體呈下降趨勢。AODV協(xié)議基本在不同仿真場景下，分組投遞率均優(yōu)于其他路由協(xié)議；DSR協(xié)議在150個節(jié)點之后，分組投遞率急劇下降，該情況由DSR協(xié)議的報文中攜帶完整路由信息所導(dǎo)致。DSDV協(xié)議在PDF方面基本均低于其他協(xié)議，這是由于受即時路由交換所影響，在節(jié)點數(shù)目多或拓?fù)渥兓l繁的網(wǎng)絡(luò)中，鏈路未能快速更新。

圖4 分組投遞率性能對比

海洋環(huán)境中，受到VDES通信速率的限制，對各類協(xié)議的PDF都有一定的影響，但從本次仿真可以看出，AODV協(xié)議在PDF方面性能最好，且相對穩(wěn)定，平均投遞率為85%左右；DSR路由協(xié)議次之，平均投遞率為60%左右，但其波動性比較大，性能不穩(wěn)定；DSDV路由協(xié)議性能最差，平均投遞率只有50%左右，且波動性最大。

3.3 端到端傳輸時延

端到端傳輸時延(End-to-End Delay，EED)可作為船舶MANET通暢性的評估參數(shù)，伴隨網(wǎng)絡(luò)傳輸時延的降低，網(wǎng)絡(luò)實時傳輸能力得到提升，系統(tǒng)通信質(zhì)量愈高。仿真環(huán)境中，源節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)分組與目的節(jié)點接收數(shù)據(jù)分組的差值即為傳輸時延，EED為傳輸時延的均值。傳輸時延及端到端傳輸時延計算公式如下：

D(i)=RT(i)-ST(i)

(21)

(22)

圖5所示為三種MANET路由協(xié)議在不同場景下的EED?？梢钥闯?，隨著節(jié)點密度的增加，三種MANET路由協(xié)議的EED整體呈先降后升趨勢，這是由于在第一個場景中節(jié)點數(shù)量少、密度小，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)連通性較差，時延比較大；隨著節(jié)點數(shù)量的增加，網(wǎng)絡(luò)的連通性變強，時延也隨之降低；但當(dāng)節(jié)點增加過多時，網(wǎng)絡(luò)規(guī)模變大，數(shù)據(jù)包傳輸經(jīng)歷的節(jié)點增多，進(jìn)一步導(dǎo)致EED不斷增加[21]。DSDV協(xié)議在無數(shù)據(jù)通信時就已建立好路由，因此進(jìn)行數(shù)據(jù)通信時，網(wǎng)絡(luò)時延最小。DSR協(xié)議與AODV協(xié)議雖然均采用按需路由的方式，但二者建立方式不同：DSR協(xié)議依據(jù)最短路由建立通信鏈路；AODV協(xié)議優(yōu)選擁塞最輕的路由建立鏈路，致使其在EED方面基本低于DSR協(xié)議。

圖5 端到端平均時延對比

海洋環(huán)境中，船舶分布特性及VDES通信速率對各類協(xié)議的EED均有一定的影響，但從本次仿真中可以看出，DSDV協(xié)議性能在EED方面最好，且相對平穩(wěn)，平均時延僅有0.2 s；AODV協(xié)議次之，平均時延為0.5 s左右；DSR協(xié)議最差，平均時延約為0.6 s。

3.4 歸一化路由開銷

歸一化路由開銷(Normalized Routing Load，NRL)可作為船舶MANET擁塞程度的評估參數(shù)，隨著NRL的降低，協(xié)議成本隨之下降，網(wǎng)絡(luò)帶寬利用率不斷提升。仿真環(huán)境中，所有節(jié)點發(fā)送的路由控制分組量與接收到的所有數(shù)據(jù)包量的比值即為NRL，其計算公式如下：

(23)

式中：NRC(Numbers of Route Control)表示節(jié)點發(fā)送的路由控制分組數(shù)目；NRP(Numbers of Receive Packets)表示節(jié)點接收到的數(shù)據(jù)分組數(shù)目。

圖6所示為三種MANET路由協(xié)議在不同場景下的NRL。可以看出，隨著節(jié)點密度的增大，三種MANET路由協(xié)議的NRL呈上升趨勢。AODV協(xié)議具有較穩(wěn)定的路由開銷，且在不同的情況下基本上均低于DSR和DSDV協(xié)議，特別是在節(jié)點大于200后，AODV協(xié)議開銷遠(yuǎn)低于其他兩種協(xié)議。節(jié)點數(shù)目低于150時，DSR協(xié)議具有較低的NRL；節(jié)點數(shù)目大于200后，協(xié)議開銷急劇增加，這是由于其攜帶完整路由信息，網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的增大，數(shù)據(jù)報文能攜帶的有效數(shù)據(jù)信息減少所導(dǎo)致。DSDV協(xié)議開銷基本高于其他兩種協(xié)議，且在不同場景下存在很大的差異：節(jié)點數(shù)量小于200時，開銷維持在700以內(nèi)；大于200后，開銷激增到1 800左右。DSDV協(xié)議的定時更新路由機制是協(xié)議開銷較大的根本，特別是隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模以及節(jié)點運動速度的增大，協(xié)議開銷隨之急劇增加。

圖6 歸一化路由開銷對比

海洋環(huán)境中，受VDES傳輸速率及數(shù)據(jù)報文大小的限制，路由協(xié)議在路由開銷方面會受到很大的影響。從本次仿真中可以看出，AODV協(xié)議的路由開銷最小且最平穩(wěn)，均在60以下；DSR協(xié)議在節(jié)點增大時存在較大的跳變，平均NRL為470；DSDV協(xié)議開銷增長迅速，平均協(xié)議開銷高達(dá)1 000。

3.5 總體性能分析

綜上研究分析可知，基于VDES的海上MANET路由協(xié)議研究應(yīng)以協(xié)議的分組投遞率為基礎(chǔ)，以協(xié)議的路由開銷為重要考慮方面。MANET路由協(xié)議總體性能分析如表2所示。

表2 MANET路由協(xié)議總體性能分析

由表2可知，AODV路由協(xié)議較高的PDF和較低的NRL適應(yīng)了海洋通信中的VDES的低帶寬特性，較低的EED滿足了系統(tǒng)實時性的要求，可見AODV協(xié)議較好地滿足了海上船舶通信的需要，因此本文建議采用AODV協(xié)議作VDES下船聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的最優(yōu)路由方案。

4 結(jié) 語

本文針對基于VDES的海上路由協(xié)議及船舶分布模型進(jìn)行了研究設(shè)計與分析。在船舶移動模型方面，提出了一種符合海洋船舶運動特征的移動模型；在VDES路由協(xié)議方面，采用對現(xiàn)有路由協(xié)議的理論分析及仿真驗證的方式，尋求了一種較適用于VDES的MANET路由協(xié)議。

研究分析表明，AODV路由協(xié)議適用于海上船舶通信場景。但船舶分布模型沒有充分考慮航道等因素的影響，還需要對移動模型作進(jìn)一步研究。因此下一步將繼續(xù)針對船舶分布、運動特性、運動場景等方面進(jìn)行研究，增加船舶在實際場景中的限制條件，加強模型與實際場景的聯(lián)系，以搭建與實際更相關(guān)的船舶移動模型，進(jìn)一步為設(shè)計出完全符合海洋環(huán)境下的MANET路由協(xié)議奠定基礎(chǔ)。