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4 短波自适应路由的驱动方式和选径标准驱动方式和选径标准是短波自适应路由需要研究的两个重要问题，是短波自适应路由协议设计的基础。
自组网路由协议可依驱动方式分为表驱动和按需驱动，这两种驱动方式的路由协议各有其优缺点。本章对这两类路由协议的路由发现延迟、路由开销、网络吞吐量等性能进行了对比分析，并结合短波自组网在网络中心战体系中所处的层次和主要应用对性能的需求，给出了适应于短波自组网的路由驱动方式。
传统的路由协议普遍以跳数最少作为选径依据，但是在短波信道条件下最短路径并不一定是性能最好的路由。本章对短波自适应路由使用路径最短为标准存在的缺陷进行了分析，阐述了链路质量对路由性能的影响，提出以路径质量为选径标准的具体算法。
4.1 路由驱动方式与路由性能的关系评价路由协议性能的主要参数有路由发现延迟、路由开销、网络吞吐量等。
路由发现延迟是指源节点获取一个新的到达目的节点的路由所需的时间。表驱动路由协议由于一直在主动地、预测性地、周期性地进行路由发现和维护，因而其平均路由发现延迟几乎没有或非常小。而按需驱动路由协议则不同，它并不进行预测性的路由发现，只是在节点需要传输报文时才去被动寻找路径。在传输第一个报文的开始，可能没有预先准备好的路径，因而需要花费时间进行路径发现。按需驱动路由协议的路由发现延迟要高于表驱动路由协议。
在路由开销、网络的吞吐性能等方面，按需驱动和表驱动路由协议也存在较大差异。文献[41]对比了表驱动的DSDV和按需驱动的AODV、TORA、DSR路由协议的性能，而文献[42]则对比了表驱动的DBF(Distributed Bellman-Ford)和按需驱动的DSR、ABR路由协议的性能。
在自组网这样一个带宽受限的无线环境中，路由开销参数显得尤其重要。文献[41]的仿真结果显示，在网络拓扑变更的情况下，表驱动的DSDV协议的路由开销基本不变。在拓扑变更不明显的情况下，按需驱动的DSR、AODV、TORA协议的路由开销远小于表驱动的DSDV协议。文献[42]的仿真结果也显示按需驱动的DSR、ABR路由协议的开销也远远小于表驱动的DBF协议。
分组传递率指的是目的节点接收的分组数目与源节点发送的分组数目之比。表驱动的DSDV路由协议的开销随着节点运动的加快虽基本保持不变，但在拓扑变更加快的情况下，无法及时收敛，从而造成大量的不可靠路由和路由环，引起分组丢失。文献[41]仿真结果给出的DSDV、AODV、TORA、DSR四种协议的分组传递率对比证明了这一点。当拓扑变更较剧烈时，DSDV的分组传递率急剧下降，此时按需驱动的路由协议仍表现较好。
文献[42]的仿真结果显示，归因于表驱动路由协议路由开销所占用的额外信道带宽，采用表驱动路由协议的网络的整体吞吐性能低于采用按需驱动路由协议的网络。
由此可见，按需驱动路由协议除路由发现延迟大于表驱动路由协议外，路由开销、分组传递率、网络吞吐量等性能均优于表驱动路由协议。
4.2 短波自组网应用对路由性能的要求短波自组网应该归为网络中心战体系的一部分。所谓网络中心战（Network Centric Warfare）[43]，是指通过战场各个作战单元的网络化，把信息优势变为作战优势，使各分散配置的部队共同感知战场态势，协调行动，从而发挥最大作战效能的作战样式。如图4.1，网络中心战的作战结构由三级可互操作的作战网络组成。
图4.1 网络中心战体系结构
第一级是联合监视跟踪网络，使用协同作战能力（CEC）系统网络，用户数量在24个以内，信息传输时间为亚秒级，信息精度达到武器控制质量；第二级为联合战术网络，使用11 号或16 号数据链、联合战术信息发布系统等，系统网络用户数量在500以内，主要用于传送和显示目标位置航向航速、目标识别数据和指挥命令等，其战术数据信息传输时间为秒级精度，达到部队控制要求；第三级为联合计划网络运用IT-21（Information Technology for the 21st Century）、舰队海上内部网、海军与海军陆战队陆上内部网、全球指挥控制系统）等网络，用户数量在1000 之内，信息传输时间为几分钟精度，达到决策制定和部队协同要求。
短波自组网由于其自身物理信道条件受限的原因，不适宜用作实时作战指挥信息的传输，其应用范围定位为非实时的数据业务，如后勤保障、军需物资调度、日常通信等，它处于网络中心战体系的第三级，要求的信息传输时间级别为分钟级，其中最重要的应用协议是HF email。广泛应用于Internet上的e-mail业务，采用存储转发机制和非实时传输模式，对带宽和信道质量的要求不高，在HF信道上容易实现，因而得到普遍的欢迎，成为HF网络的一个最重要应用。
第一级的CEC武器协同网和第二级的联合战术网络运行较单一的应用，这些应用往往单个报文较短，而一个报文就包含了一条完整的作战指挥、航迹等信息，而短波自组网中往往大量的数据报才组成一个完整的应用。一、二级的网络以一条报文包含一个完整的作战信息，因而强调每一条报文的传输时延，报文传输的不实时等同于没有被传输。而在短波自组网中，并不追求每一个数据报都能实时传输，更加强调系统的整体吞吐性能。
由此可知，短波自组网对路由协议的性能要求为：
（1）应用于非实时业务，可以容忍某单一数据报的较大传输延迟；
（2）追求尽可能小的路由开销。短波信道带宽很低，如果路由开销大，则数据传输的有效带宽会更小；
（3）追求整体网络吞吐性能的最高。整体吞吐性能的提高意味着在同样的时间里可以传输更多的有效数据报，可以提高网络的容量，使网络承载更多的业务。
4.3 短波自适应路由的按需驱动由于短波自组网不强调单一数据报的实时传输，因而其可以容忍业务的第一条数据报传输前的较大路由发现延迟，它更追求路由开销尽可能小、整体的网络吞吐量大。根据4.1节的分析，可以看出，按需驱动路由协议的这些性能表现优于表驱动路由协议，因而按需触发更适合短波自组网。
由此，短波自组网的路由触发机制可描述为：
路由发现：
if(节点S欲给节点D发送报文)
{
if(节点S没有到达D的路由)
{
节点S启动路由发现超时定时器DiscoveryTimer;
节点S发起到节点D的路由发现过程;
}
else
节点S给节点D发送报文;
}
路由发现超时定时器触发：
OnDiscoveryTimer()
{
if (发现n条S到D的路径, n ≥ 1)
{
从这n条路径中选取最优路径;
S以最优路径给D发送报文;
}
else
启动重新寻径定时器RepeatDiscoveryTimer;
}
重新寻径定时器触发：
OnRepeatDiscoveryTimer（）
{
再次启动路由发现过程;
}
源节点S在需要传输报文给目的节点时，启动一个路由发现过程。同时它启动路由发现定时器（DiscoveryTimer），此定时器用于等待路由发现的延迟，当此定时器到期后（发生OnDiscoveryTimer事件），源节点将从发现的n条路径中选取最优的一条路径。但是如果此时仍未找到任何一条路由，则节点S需启动一个重新寻径定时器（RepeatDiscoveryTimer）。此定时器到期后（发生OnRepeatDiscoveryTimer事件），源节点将再次启动到达目的节点的路由发现过程。
4.4 短波自适应路由以路径最短为选径标准的缺点传统的有线网络多以路径最短为选径标准，在信道质量很高的有线网络中，选择最短路径为路由有如下好处：
(1)每个数据报需要最少的存储转发次数，减少了网络的负载，从而提高了网络的吞吐能力；
(2)更少存储转发次数也意味着数据报传输需要更小的端到端延迟，改善网络的服务质量。
在无线信道下，由于拓扑结构的变更、路由带宽低、节点能量受限等原因，最短路径路由并不一定是给网络带来最小负载、平均时延最小的路由。下面举例分析：
在如图4.2所示的网络结构中，从源节点1到目的节点7有两条路径，分别是：
图4.2 两条不同跳数的路径
路径1：（1,5,6,7）；
路径2：（1,2,3,4,7）。
路径1的路径长度小于路径2，但是路径1的性能并不一定优于路径2，可能的原因如下：
(1)路径1可能比路径2更不稳定，在数据报的发送过程中，中继节点5或6离开本路径，从而使路径1失效。这样，源节点到目的节点的路由需要重新被发现，带来路由发现的开销，而后续数据报的传输也被延迟；
(2)路径1的中继节点5或6可能承受比路径2的中继节点更高的路由负载，中继节点在为节点1到7的数据报提供中继的同时可能还背负中继其它节点间数据报的责任。这样，节点1到7的数据报将在路径1的中继节点进行更长时间的排队等待；
(3)路径1的中继节点可能由于较频繁地被选择作为路由的中继节点或长时间地工作于高负载状态下而进入低能状态。若节点5、6是骨干节点，则其电能耗完后，节点停止工作将很容易导致整个网络的崩溃；
(4)路径1的无线信号强度、无线传输带宽可能低于路径2，从而提供更低的传输性能。
鉴于以上原因，在民用ISM频段自组网路由协议方面，一些依据其它寻径标准的路由协议被提出。如ABR协议依据关联的强度来选择路由，虽然这样并不能保证是最短路由，却可以保证所选路由是最稳定的，减少路由重建次数。而SSR (Signal Stability Routing)[44]协议则基于节点间信号强度和节点稳定性选择路由，它选择信号“最强” 的路由。PWR（Power-Aware Routing） [45]协议则尽力在节点间均衡分配负载，以免某些节点过多地被选为中继节点从而耗光能量。
短波信道相比于ISM频段的无线信道而言，更有其特殊性。短波信道是一种时变衰落信道，存在多径时延、衰落、多普勒频移、频移扩散、噪声和电台干扰等一系列复杂现象，而电离层的异常中断也可能引起较长时间的通信中断，从而影响整体通信质量。短波信道的传输可靠性相对较差，造成接收端误帧率较高。对于由误帧率较高的链路组成的路由，即便是其路径最短，也可能因为帧的频繁重传而消耗比较长路径更大的数据报传输开销。因而短波自适应路由的选径标准应考虑链路质量因素。
4.5 短波自适应路由的按路径质量选径定义Em为一个数据帧传输成功的平均传输次数，PR为误帧率（也即每帧被重传的概率），如果采用停-等ARQ（Automatic Repeat Request），则Em为：
(4.1)
由此可得，一个数据帧经过n跳路径到达目的节点的平均总的传输次数Cn为：
(4.2)
为了考察由信道质量决定的参数PR对传输开销的影响，假定两条跳数不同的路径，路径1的跳数为n1，路径2的跳数为n2，且n1 < n2。为了简化问题的分析，同时假定路径2的PR＝0，即每帧都能成功传输，而路径1的PR > 0。图4.3描述了随路径1的PR变化过程中路径1和2数据帧平均总的传输次数的对比曲线。
图4.3 帧传输开销与链路质量的关系
由图4.3可知，在链路质量不同的情况下，当短路径的误帧率达到一定程度时，短路径路由的帧传输开销可能反而会比长路径的传输开销大。
实际上，总的平均传输次数Cn由两个因素决定：路由跳数n和误帧率PR。因此，在考虑短波自组网的选径标准时，应兼顾链路质量和路由跳数，找到综合表现最好的路径。
4.6 短波自适应路由的最优路径选择算法链路质量分析（LQA）是短波自适应选频中的技术，其主要任务为实时测量信道参数，它从特定的通信模型触发，实时地处理到达接收端不同频率的信号，并根据接收信号的能量、信噪比（SNR）、误码率（BER）、多径时延、多谱勒频移、干扰分布、干扰非白色度、基带频谱和失真系数等信道参数，选取通信使用的频率[46]。这种在短波通信电路上进行的频率实时统计比统计学上的长期或短期预测正确。
实时测量信道估计值要求准确、迅速。这两个目标存在矛盾，这是因为测量的参数越多，越能全面地反映信道的真实情况，但是却带来了设备复杂、测量时间加长的问题。实际上，只需对通信影响大的信噪比、误码率、多径时延三个参数进行测量就可以较全面的反映信道的质量。
其中，信道误码率是对数据通信链路质量最直接的反映，它是短波实时LQA技术中一个非常重要的参数。而信纳德(SINAD) 则定义为SINAD=(S+N+D)/(N+D)，其中S为信号功率，N为噪声功率，D为干扰功率。如果把干扰也等效为一种噪声形式，则SINAD和SNR存在式（4.3）的关系。
（4.3）
在短波自组网系统中，采用了BER和SINAD两个参数来评估链路质量，通过数学换算将其转换为0-15之间的整数。
单跳语音链路的质量qvoice依据链路控制器提供的SINAD信息获得，如式（4.4）。
（4.4）
单跳数据链路的质量qdata可以依据数据链路层的ARQ模块所提供的重传次数统计参数直接评估，如式（4.5）。
（4.5）
式（4.5）中的ARQ Repeats指过去1小时里发送的所有帧因错误而被重传的次数对帧总数的平均，该参数来自数据链路层ARQ的统计结果。若过去的1小时没有帧在该路径上传输，则依据链路的BER来估计ARQ Repeats，如式（4.6）。
（4.6）
单跳语音和数据链路的链路质量直接作为单跳路径的路径质量。
多跳路径的路径质量参数应以如下方式评估：
若节点i到节点k的数据路径质量为qik，而节点k到节点j的数据路径质量为qkj，则路径节点i 经过节点k到节点j的路径质量qij如式(4.7)。
（4.7）
从式4.7可以看出，最终计算出的qij实际上考虑了路径长度的影响，qij取qik和qkj中的较小值并减去1的事实意味着在同等的信道条件下，跳数更多的路由的综合质量参数较跳数少的路由低。
对于语音业务，依据路径(i,k)和(k,j)的质量，查询美军标MIL-STD-188-141B给出的语音路径质量级联表获得路径（i,j,k）的质量，该表是经过大量试验所获得的统计经验值。
若节点i通过按需驱动的路由触发机制找到n条到达目的节点j的路径，这些路径分别为(i，k1，…，j)，(i，k2，…，j)…(i，kn，…，j)，标记路径(i，km，…，j)的质量为qm，标记qsd为节点s、d之间路径的路径质量。则选择最优路径算法SelectBestRouting可描述为：
SelectBestRouting()
{
置qmax=0;
置routing为空;
for( m=1;m<=n;m++)
{
置qm为min(qim,qmj)-1;
if(qm > qmax)
{
置qmax=qm;
置Routing为路径(i，km，…，j);
}
}
}
SelectBestRouting的时间复杂度是 。用反证法可以证明，若(k1,k2,k3,…,kn)是k1到kn的质量最佳路径，则（ki,ki+1,ki+2,…,kj）是ki到kj(其中i ≥ 1且j ≤ n)的最佳路径。
4.7 小结驱动方式和选径标准是短波自适应路由协议设计的基础。自组网路由协议有两种驱动方式，即表驱动和按需驱动，这两种驱动方式各有其优缺点。按需驱动路由协议除路由发现延迟高于表驱动路由协议外，路由开销、网络吞吐量等性能均高于表驱动路由。由于短波自组网在网络中心战体系中位于分钟级要求的外围网络，主要处理非实时性业务，不强烈单一数据报的实时传输，而更追求网络整体的吞吐性能，故按需驱动更适合短波自组网路由协议。
在选径标准方面，传统的路由协议多依据路径最短，但是在自组网中，由于其自身物理媒介的特殊性，最短路由并不一定表现出最好的路由性能。特别是在短波信道条件下，链路质量对路由开销等性能的影响很大，因此在短波自组网的最优路径选择标准上，应综合考虑路由跳数和链路质量因素，以路径质量为选径标准。本章最后给出了路径质量的具体计算方法和最优路径选择算法，作为自适应路由选径的依据。
