CN102186145B - 基于地理位置和速度信息的空中高速自组织路由方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于地理位置和速度信息的空中高速自组织路由方法，主要解决解决现有技术在空中高速移动条件下因网络拓扑快速变化造成路由频繁失效的问题。其步骤是：对空域中飞机分群，设置群主，建立路由表；通信节点按照群内和群间两种通信策略进行通信；群主广播携带节点地理位置和速度信息的路由请求包RREQ来进行群间路由；群主选取路径上生存时间最小的链路的生存时间作为该路径的生存时间；目的节点所在群的群主接收到路由请求包RREQ，回复路由回复包RREP；源节点接收到路由回复包RREP，选取路径生存时间最大的路径作为路由。本发明减少了路由查找次数和网络负荷，降低网络拥塞的可能性，增强高空通信的稳定性和可靠性，可用于飞机的可靠通信。

Description

基于地理位置和速度信息的空中高速自组织路由方法

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，特别涉及一种空中高速自组织路由方法，可用于飞机的可靠通信。

背景技术

飞机的通信，一般都需要地面站的辅助，由于地球曲率的影响，地面站的通信范围是受限的，这大大限制了飞机的活动区域。为了给飞机提供稳定可靠的通信手段，需要在地面上建设许多的通信站。为了使地面站的通信范围尽可能的大，飞机和地面站需要使用的是穿透力和衍射能力强的电磁波，这类电磁波的波长比较长，频谱资源较少，限制了其使用带宽，信道速率比较低。

另一种常用的通信方式是卫星通信，但是高昂的费用，低速的通信速率，难以忍受的通信延时，都限制其不可能成为未来空中主要通信手段。

自组织网络是由一组具有路由功能的节点组成的分布式无线多跳网络，不依靠任何预设的网络基础设施。这种网络架构可以消除地面站的限制，增大通信速率，满足未来飞机对通信的要求。

在现有的自组织网络研究中，国际互联网组织设立了MANET(Mobile Ad-hocNETworks)工作组去专门研究自组织路由协议，MANET也就是移动自组织网络的简称。在MANET工作组下已经产生了DSR和AODV这两种成熟的路由协议，但是这两种路由协议只适用于MANET这种低速移动环境。在低速移动环境中，网络拓扑和链路状态会在一定时间内保持基本不变。但当通信节点处于飞行这种高速移动环境时，网络拓扑会发生剧烈变化，DSR和AODV会因为网络中链路迅速断开，造成已建立的路由快速失效，从而需要频繁启动新的路由查找过程。查找新路由引入的广播等分组增加了网络的负荷，易造成网络拥塞等问题，引起路由性能急剧地降低，造成高速环境下通信的稳定性和可靠性降低。

发明内容

本发明以解决现有路由协议在空中高速移动条件下因网络拓扑快速变化造成路由频繁失效的问题为目的，提出的一种适应空中通信节点高速移动的自组织路由方法，以减少路由查找次数和网络负荷，降低产生网络拥塞的可能性，增强高空通信的稳定性和可靠性。

实现本发明目的的技术方案如下：

术语说明：

群：由几个通信节点构成的一个通信域，本发明基于分群模型

表驱动路由：无论是否有通信需求，节点周期广播路由信息，维护路由表

按需路由：当节点有通信需求时才进行路由寻找，维护路由表

路由请求包RREQ：源节点向目的节点发送的路由请求包

路由回复包RREP：目的节点向源节点发送的路由回复包

路由请求包RREQ转发列表：中继和目的节点用来记录接收过的路由请求包RREQ信息的列表

链路生存时间：通信链路从此刻到链路断开所经历的时间

路径生存时间：路由请求包RREQ包所遍历的路径从此刻到因路径上某条链路断开而造成路径断开所经历时间

路由生存时间：路由从建立到因路由表中某条链路断开而造成路由失效所经历的时间

本发明实现步骤包括如下：

(1)分群步骤：将分散在有限空域中的飞机，以四到六架飞机组成一个群，群内通信使用表驱动路由机制，群间通信使用按需路由机制，将每个飞机都当做一个通信节点，每个节点都维护一个群内路由表，每个群设一群主，群主需维护一个群间路由表；

(2)节点通信步骤：群内节点之间通信时，使用群内路由表直接转发分组至群内目的节点，群间节点之间通信时，将数据分组转发给群主后，由群主查询群间路由表后再转发，若群主的群间路由表没有到目的节点的路由，则执行步骤(3)；

(3)群间路由步骤：

(3a)群主生成路由请求包RREQ，将本节点的地理位置和速度信息填入路由请求包RREQ，初始化路由请求包RREQ中路径生存时间为无穷大，以泛洪方式广播该路由请求包RREQ；

(3b)路由请求包RREQ经过一跳到达中继群主，由上一跳节点和本节点的地理位置和速度信息计算出上一条链路的生存时间，将此链路生存时间设为路由请求包RREQ中新的路径生存时间，将本节点的地址连同地理位置和速度信息填入路由请求包RREQ，并在本节点路由请求包RREQ转发列表中记录此路由请求包RREQ信息后，广播该路由请求包RREQ；

(3c)路由请求包RREQ经过多跳到达中继群主，重复步骤(3b)中对路由请求包RREQ路径生存时间更新过程，选取上一跳链路的生存时间和路由请求包RREQ中原路径生存时间的较小值为路由请求包RREQ中新的路径生存时间，并将本节点的地址连同地理位置和速度信息填入路由请求包RREQ，在本节点路由请求包RREQ转发列表中记录此路由请求包RREQ信息，若中继群主首次接收此路由请求包RREQ，则直接广播此路由请求包RREQ；若中继群主重复接收此路由请求包RREQ，且在此路由请求包RREQ的路径生存时间比路由请求包RREQ转发列表中记录的路径生存时间大的情况下，则再广播此路由请求包RREQ；

(3d)目的节点所在群的群主接收到路由请求包RREQ时，重复步骤(3b)中对路由请求包RREQ路径生存时间更新过程，选取上一跳链路的生存时间和路由请求包RREQ中原路径生存时间的较小值为路由请求包RREQ中新的路径生存时间，并将本节点的地址填入路由请求包RREQ，在本节点路由请求包RREQ转发列表中记录此路由请求包RREQ信息，若该路由请求包RREQ的路径生存时间比路由请求包RREQ转发列表中记录的路径生存时间大，目的节点所在群的群主按照路由回复包RREP的格式生成路由回复包RREP，将路由请求包RREQ遍历的路径和路径生存时间填入路由回复包RREP，向源节点转发路由回复包RREP；

(3e)中继群主接收到路由回复包RREP时，读取路由回复包RREP携带的路径，获得下一跳地址后转发；

(3f)源节点接收到路由回复包RREP时，如果路由表没有到目的节点的路由条目，则在路由表中新建一个到目的节点的路由条目，将路由回复包RREP中携带的路径填入此新的路由条目，路由生存时间即为路由回复包RREP中路径生存时间，如果已经存在到目的节点的路由条目，且此路由回复包RREP的路径生存时间比原先的路由条目的路由生存时间大，则用此路由回复包RREP中携带的路径更新原先的路由条目，更新路由生存时间为路由回复包RREP中路径生存时间。

本发明与现有技术相比所具有的优点：

1.本发明由于采用分群路由的架构，可减少群内通信的时延，降低群间路由开销并适应网络拓扑变化。

2.本发明由于在群间路由的时候，选择路径生存时间更长的路径，因而可适应通信节点的快速移动和网络拓扑的剧烈变化，减少分组传输时延和路由建立开销，提高网络吞吐量，降低网络拥塞的可能性，达到了增强高空通信的稳定性的目的。

3.本发明由于在接收到路由回复包路由回复包RREP时用路径生存时间来更新路由生存时间，因而在路由失效时能及时建立新的路由，保证路由的正确性，减少数据分组丢失的可能，达到了提高高空通信的可靠性的目的。

附图说明

图1是本发明的主流程图；

图2是本发明的分群结果图；

图3是本发明的群间路由子流程图。

具体实施方式

参照图1，本发明的实现步骤如下：

步骤1：对空域中飞机分群，设置群主，建立路由表。

将分散在有限空域中的每个飞机都当做一个通信节点，以四到六架飞机组成一个群，如图2所示，群间通信使用按需路由机制，每个节点都维护一个只包含群内所有节点的路由表，这个路由表为群内路由表。为了实现群间通信，每个群设置一个节点为群主，群主维护一个把其他群中节点作为目的地的群间路由表，根据按需路由的机制在群间路由表中建立到其他群中节点的路由，并负责本群中节点发往其他群中节点的数据分组转发。

步骤2：通信节点按照群内和群间两种通信策略进行通信。

源节点产生数据分组，若群内路由表中有到目的地的路由，说明此次通信属于群内通信，源节点按照群内路由表中的路由将数据分组转发给目的节点；若群内路由表中没有到目的节点的路由，说明此次通信属于群间通信，源节点将数据分组转发给所在群的群主，群主接收到数据分组后，查看群间路由表，如果群间路由表有到目的节点的路由，则群间路由表转发分组，如果群间路由表没有到目的节点的路由，则执行步骤3，即启动群间路由，寻找到目的节点的路由。

步骤3：群间路由

参照图3，本步骤具体实现如下：

(3a)群主生成路由请求包RREQ，将本节点的地理位置和速度信息填入路由请求包RREQ，初始化路由请求包RREQ中路径生存时间为无穷大，并以泛洪方式广播该路由请求包RREQ，同时群主设置定时器，等待接收路由回复包路由回复包RREP，如果在定时器规定时间里没有接收到路由回复包RREP，则说明目的节点不可达，需要说明的是：只有群主可以处理或转发路由请求包RREQ，普通节点不接收处理路由请求包RREQ；

(3b)路由请求包RREQ经过一跳到达中继群主，读取路由请求包RREQ中地理位置域和速度域携带的上一跳节点的地理位置和速度信息，结合本节点自身的地理位置和速度信息，使用下面公式计算出上一跳节点和本节点间链路的生存时间T：

$T=\frac{\sqrt{L^2-S^2{\sin }^2\mathrm{\γ}}-S\cos \mathrm{\γ}}{v_{\mathrm{AB}}}$

其中：L为一常数，指通信节点通信的最远距离；

S是上一跳节点和本节点间的距离，

式中x_A、y_A为上一跳节点的位置坐标，x_B、y_B为本节点的位置坐标；

v_AB是上一跳节点和本节点的相对速度的大小，

式中v_A、α分别为上一跳节点速度的大小和方向，v_B、β分别为本节点速度的大小和方向，上一跳节点和本节点速度方向的基准方向是由上一跳节点指向本节点；

γ为上一跳节点和本节点相对速度的方向，相对速度方向的基准方向是由上一跳节点指向本节点，γ随着上一跳节点和本节点速度方向α、β的大小不同有下面两个计算公式，

当α＞β时， $\mathrm{\γ}=\mathrm{\α}+\arccos \frac{{v_A}^2-v_A{v}_B\cos (\mathrm{\α}-\mathrm{\β})}{v_A\sqrt{{v_A}^2+{v_B}^2-2v_A{v}_B\cos (\mathrm{\α}-\mathrm{\β})}}-\mathrm{\π},$

当α＜β时， $\mathrm{\γ}=\mathrm{\α}-\arccos \frac{{v_A}^2-v_A{v}_B\cos (\mathrm{\α}-\mathrm{\β})}{v_A\sqrt{{v_A}^2+{v_B}^2-2v_A{v}_B\cos (\mathrm{\α}-\mathrm{\β})}}+\mathrm{\π};$

由于此链路生存时间T比路由请求包RREQ中原路径生存时间小，故将此链路生存时间设为该路由请求包RREQ中新的路径生存时间，同时将本节点的地址连同地理位置和速度信息填入路由请求包RREQ中，并在本节点路由请求包RREQ转发列表中记录该路由请求包RREQ的信息。

由于该路由请求包RREQ是经过一跳到达该中继群主，中继群主只能是首次接收到该路由请求包RREQ，因此中继群主直接广播该路由请求包RREQ；

(3c)路由请求包RREQ经过多跳到达中继群主，重复步骤(3b)中对路由请求包RREQ路径生存时间更新过程，选取上一跳链路的生存时间和路由请求包RREQ中原路径生存时间的较小值为路由请求包RREQ中新的路径生存时间，并将本节点的地址连同地理位置和速度信息填入路由请求包RREQ，在本节点路由请求包RREQ转发列表中记录此路由请求包RREQ信息，若中继群主首次接收此路由请求包RREQ，则直接广播此路由请求包RREQ；若中继群主重复接收此路由请求包RREQ，且在此路由请求包RREQ的路径生存时间比路由请求包RREQ转发列表中记录的路径生存时间大的情况下，则再广播此路由请求包RREQ；

(3d)目的节点所在群的群主接收到路由请求包RREQ时，重复步骤(3b)中对路由请求包RREQ路径生存时间更新过程，选取上一跳链路的生存时间和路由请求包RREQ中原路径生存时间的较小值为路由请求包RREQ中新的路径生存时间，并将本节点的地址填入路由请求包RREQ，在本节点路由请求包RREQ转发列表中记录此路由请求包RREQ信息。若该路由请求包RREQ的路径生存时间比路由请求包RREQ转发列表中记录的路径生存时间大，目的节点所在群的群主按照路由回复包RREP的格式生成路由回复包RREP，将路由请求包RREQ遍历的路径和路径生存时间填入路由回复包RREP，向源节点转发路由回复包RREP；

(3e)中继群主接收到路由回复包RREP，读取路由回复包RREP携带的路径，获得路由回复包RREP转发的下一跳地址后沿着路由请求包RREQ转发路径的逆方向单播转发，中继群主只需对路由回复包RREP进行转发就行，不需要进行其他处理；

(3f)源节点接收到路由回复包RREP时，如果路由表没有到目的节点的路由条目，则在路由表中新建一个到目的节点的路由条目，将路由回复包RREP中携带的路径填入此新的路由条目，路由生存时间即为路由回复包RREP中路径生存时间，如果已经存在到目的节点的路由条目，且此路由回复包RREP的路径生存时间比原先的路由条目的路由生存时间大，则用此路由回复包RREP中携带的路径更新原先的路由条目，更新路由生存时间为路由回复包RREP中路径生存时间；若定时器触发时源节点未收到一个路由回复包RREP，则说明此目的节点不可达。

Claims (1)

1.一种基于地理位置和速度信息的空中高速自组织路由方法，包括：

（1）分群步骤：将分散在有限空域中的飞机，以四到六架飞机组成一个群，群内通信使用表驱动路由机制，群间通信使用按需路由机制，将每个飞机都当做一个通信节点，每个节点都维护一个群内路由表，每个群设一群主，群主需维护一个群间路由表；

（2）节点通信步骤：群内节点之间通信时，使用群内路由表直接转发分组至群内目的节点，群间节点之间通信时，将数据分组转发给群主后，由群主查询群间路由表后再转发，若群主的群间路由表没有到目的节点的路由，则执行步骤（3）；

（3）群间路由步骤：

（3a）群主生成路由请求包RREQ，将本节点的地理位置和速度信息填入路由请求包RREQ，初始化路由请求包RREQ中路径生存时间为无穷大，以泛洪方式广播该路由请求包RREQ；

（3b）路由请求包RREQ经过一跳到达中继群主，由上一跳节点和本节点的地理位置和速度信息计算出上一条链路的生存时间，将此链路生存时间设为路由请求包RREQ中新的路径生存时间，将本节点的地址连同地理位置和速度信息填入路由请求包RREQ，并在本节点路由请求包RREQ转发列表中记录此路由请求包RREQ信息后，广播该路由请求包RREQ；

所述的由上一跳节点和本节点的地理位置和速度信息计算出上一条链路的生存时间，是通过如下公式计算：

$T=\frac{\sqrt{L^2-S^2{\sin }^2\mathrm{\γ}}-S\cos \mathrm{\γ}}{v_{\mathrm{AB}}}$

其中：L为一常数，指通信节点通信的最远距离；

S是上一跳节点和本节点间的距离，

式中x_A、y_A为上一跳节点的位置坐标，x_B、y_B为本节点的位置坐标；

v_AB是上一跳节点和本节点的相对速度的大小，

$v_{\mathrm{AB}}=\sqrt{v_A^2+v_B^2-2v_A{v}_B\cos (\mathrm{\α}-\mathrm{\β})},$ 式中v_A、α分别为上一跳节点速度的大小和方向，v_B、β分别为本节点速度的大小和方向，上一跳节点和本节点速度方向的基准方向是由上一跳节点指向本节点；

γ为上一跳节点和本节点相对速度的方向，相对速度方向的基准方向是由上一跳节点指向本节点，γ随着上一跳节点和本节点速度方向α、β的大小不同有下面两个计算公式，

当α＞β时， $\mathrm{\γ}=\mathrm{\α+arccos}\frac{v_A^2-v_A{v}_B\cos (\mathrm{\α}-\mathrm{\β})}{v_A\sqrt{v_A^2+v_B^2-{2v}_A{v}_B\cos (\mathrm{\α}-\mathrm{\β})}}-\mathrm{\π},$

当α＜β时， $\mathrm{\γ}=\mathrm{\α}-\arccos \frac{v_A^2-v_A{v}_B\cos (\mathrm{\α}-\mathrm{\β})}{v_A\sqrt{v_A^2+v_B^2-{2v}_A{v}_B\cos (\mathrm{\α}-\mathrm{\β})}}+\mathrm{\π};$

（3c）路由请求包RREQ经过多跳到达中继群主，重复步骤（3b）中对路由请求包RREQ路径生存时间更新过程，选取上一跳链路的生存时间和路由请求包RREQ中原路径生存时间的较小值为路由请求包RREQ中新的路径生存时间，并将本节点的地址连同地理位置和速度信息填入路由请求包RREQ，在本节点路由请求包RREQ转发列表中记录此路由请求包RREQ信息，若中继群主首次接收此路由请求包RREQ，则直接广播此路由请求包RREQ；若中继群主重复接收此路由请求包RREQ，且在此路由请求包RREQ的路径生存时间比路由请求包RREQ转发列表中记录的路径生存时间大的情况下，则再广播此路由请求包RREQ；

（3d）目的节点所在群的群主接收到路由请求包RREQ时，重复步骤（3b）中对路由请求包RREQ路径生存时间更新过程，选取上一跳链路的生存时间和路由请求包RREQ中原路径生存时间的较小值为路由请求包RREQ中新的路径生存时间，并将本节点的地址填入路由请求包RREQ，在本节点路由请求包RREQ转发列表中记录此路由请求包RREQ信息，若该路由请求包RREQ的路径生存时间比路由请求包RREQ转发列表中记录的路径生存时间大，目的节点所在群的群主按照路由回复包RREP的格式生成路由回复包RREP，将路由请求包RREQ遍历的路径和路径生存时间填入路由回复包RREP，向源节点转发路由回复包RREP；

（3e）中继群主接收到路由回复包RREP时，读取路由回复包RREP携带的路径，获得下一跳地址后转发；

（3f）源节点接收到路由回复包RREP时，如果路由表没有到目的节点的路由条目，则在路由表中新建一个到目的节点的路由条目，将路由回复包RREP中携带的路径填入此新的路由条目，路由生存时间即为路由回复包RREP中路径生存时间，如果已经存在到目的节点的路由条目，且此路由回复包RREP的路径生存时间比原先的路由条目的路由生存时间大，则用此路由回复包RREP中携带的路径更新原先的路由条目，更新路由生存时间为路由回复包RREP中路径生存时间。

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