CN107567066A - 基于自适应概率转发策略的FANETs路由协议 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于自适应概率转发策略的FANETs路由协议，自适应概率转发策略为：结合上一跳节点的邻居数量N来确定转发路由请求分组的概率P。通过自适应概率转发策略能有效抑制节点密集情况下FANETs网络中的广播风暴问题。

Description

基于自适应概率转发策略的FANETs路由协议

技术领域

本发明涉及一种FANETs路由协议，属于无人机集群、编队通信的网络技术、通信技术。

背景技术

UAV(Unmanned Aerial Vehicle)是目前国际上通用的术语，对应的中文为“无人航空器”，泛指机上没有驾驶员或机组人员的航空器，简称“无人机”。UAV本身是一个平台，搭载民用设备可以为国民经济建设服务，装上侦察和武器系统即可为国防和军队建设服务。近年来，随着处理器技术、传感器技术、通信技术和网络技术的发展，UAV的能力显著提升，同时处理、开发和维护UAV的成本正在不断下降。小型化、低能耗的UAV正在迅速发展，使得研究的焦点正在从应用一架大型UAV完成任务，转变为应用多架小型的UAV系统通过协同完成复杂的任务。

相比单架大型UAV，多UAV系统具有成本低、可扩展性好、生存能力强、多视点侦察、雷达截面小、可靠性高和抗毁性强等诸多优点，在民用和军用领域具有广阔的应用前景，受到了世界各国的广泛关注。美国洛马公司、美国陆军、麻省理工学院、土耳其空军学院和我国西北工业大学、中航工业集团等单位，相继开展了多UAV系统的演示验证项目，然而在实际环境中运用多UAV系统面临诸多亟待解决和完善的难点问题，尤其对于大规模小型的多UAV系统。通信问题是限制其效能的瓶颈问题之一，如何设计高效的网络协议，确保多UAV系统通信畅通是具有挑战性的工作。已有学者针对上述问题，开展了研究。土耳其学者Bekmezci在2013年首次提出飞行自组网(Flying Ad Hoc Networks,FANETs)的概念，可以概括为：FANETs是以UAV(Unmanned Aerial Vehicle)为网络节点的自组织网络。其基本的思想是，运用Ad Hoc网络组网灵活、快捷和高效，可以在不需要任何固定设施辅助的前提下，在任何时间、任何地点建立网络等优点，实现多UAV系统的网络层高效通信。需要说明的是：也有学者将UAV之间组网称作UAANETs(Unmanned Aeronautical Ad-hoc Networks)、UAV Ad-Hoc Networks等等(本项目统一使用FANETs)。在FANETs网络中，UAV节点的高速运动，导致FANETs网络拓扑高动态变化，UAV节点之间的通信链路断开频繁，为建立吞吐量高、延迟小、能耗低的端对端的传输链路带来了前所未有的挑战，也为建立效能高、鲁棒性强和可扩展性好的路由协议带来了极大的挑战。

发明内容

本发明的发明目的是提供一种基于自适应概率转发策略的FANETs路由协议，利用自适应概率转发策略有效抑制节点密集情况下FANETs网络中的广播风暴问题，进而改善路由协议的延迟、路由开销、发包率、吞吐量等性能。

本发明的发明目的通过以下技术方案实现：

一种基于自适应概率转发策略的FANETs路由协议，所述自适应概率转发策略为：结合上一跳节点的邻居数量N来确定转发路由请求分组的概率P：

其中，M取值为10^-4，η取值为0.95。

进一步，一种基于自适应概率转发策略的FANETs路由协议包含以下步骤：

步骤1：当前节点接收到路由请求分组后，首先判断是否是自己发出的路由请求分组，如果是，转步骤9；否则，转步骤2；

步骤2：在路由缓存中查询是否已有该路由请求分组，如有转步骤9；否则，步骤3；

步骤3：将路由请求分组插入到路由缓存中；

步骤4：获取上一跳邻居节点的邻居数量N；

步骤5：依据公式(1.1)获取转发路由请求分组的概率P；

步骤6：产生[0，1]之间的随机数RND；

步骤7：判断P与RND的大小关系，如果RND≤P，步骤8；否则转步骤9。

步骤8：将当前节点的邻居数量加入转发路由请求分组，并转发路由请求分组；

步骤9：释放路由请求分组。

优选地，邻居数量通过以下步骤获得：

步骤A、当前节点接收到邻居节点的Hello消息后，查询邻居列表，如果邻居列表中存在该邻居节点，就更新有效时间；如果邻居列表中没有该邻居，就将该邻居节点添加到邻居列表中；

步骤B、更新邻居列表，定期清理失效的邻居节点；

步骤C、当前节点查询邻居列表，即可获取当前节点的邻居数量。

附图说明

图1为基于自适应概率转发策略的FANETs路由协议的流程示意图。

图2为利用NS-2进行网络模拟的流程示意图。

图3为实施例提出的新的FANETs路由协议与经典的AODV协议的吞吐率的对比效果图。

图4为实施例提出的新的FANETs路由协议与经典的AODV协议的路由开销的对比效果图。

图5为实施例提出的新的FANETs路由协议与经典的AODV协议的分组投递率的对比效果图。

图6为实施例提出的新的FANETs路由协议与经典的AODV协议的MAC层路由开销的对比效果图。

图7为实施例提出的新的FANETs路由协议与经典的AODV协议的平均端对端延迟的对比效果图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

本实施例提出的基于自适应概率转发策略的FANETs路由协议，关键步骤在于：

A、节点的邻居数量获取机制

FANETs网络中的UAV节点周期性的广播Hello消息。当前节点接收到邻居节点的Hello消息后，查询邻居列表，如果邻居列表中存在该邻居节点，就更新有效时间。如果邻居列表中，没有该邻居节点，就将该邻居节点添加到邻居列表中。每一个节点周期性的更新邻居列表，定期清理失效的邻居节点。当前节点查询邻居列表，即可获取当前节点的邻居数量N。

B、自适应概率转发策略

上一跳转发节点接收到路由请求分组后，查询自己的邻居列表，获得邻居节点数量N。当前节点接收到来自上一跳节点的路由请求分组后，依下列公式计算转发分组的概率。

M取值为10^-4，η取值为0.95。依据公式(1.1)，节点即可自适应调节转发分组的概率。当上一跳节点的邻居节点数量N≥2时，N越大，下一跳节点转发分组的概率越小。这样，就可以减缓网络节点密集情况下的冗余、竞争和冲突，抑制广播风暴问题。特殊的情况是，当N＝1时，节点只有一个邻居节点，这时候邻居节点必须转发分组；当N＝0时，节点没有邻居节点，这时候转发分组的概率为0，说明节点丢弃分组。

C、路由发现机制

FANETs中的UAV节点周期性的广播Hello消息，维持节点的邻居信息。节点发送Hello消息时，将自己的ID加入到Hello消息中。当接收节点收到Hello消息时，如果之前未收到该邻居节点的信息，就将该节点加入到邻居列表中。经过一定的周期，节点对邻居列表中的邻居信息进行更新。节点维持一个邻居列表，邻居列表的行数就是节点的邻居节点数量。当源节点有数据需要发送给目的节点时候，如果源节点的路由表中没有到目的节点的路由，这时候源节点就要开启路由发现过程，源节点查询自己的邻居列表获取自己的邻居数量N，并将N插入到路由请求分组中。下一跳节点接收到路由请求分组后，依据源节点的邻居节点数量N，运用公式(1.1)计算出转发路由请求分组的概率，并以此概率转发路由请求分组。在转发路由请求分组时，当前节点也需要将自己的邻居数量插入路由请求分组中，转发给自己的下一跳节点。

D、具体流程

协议路由请求过程如图1所示，具体过程如下所述：

步骤1：当前节点接收到路由请求分组RREQ后，首先判断是否是自己发出的路由请求分组，如果是，转步骤9；否则，转步骤2。

步骤2：路由请求分组由(源节点，广播ID)标识，当前节点查询自己的路由缓存，以(源节点，广播ID)为查询条件，查询自己的路由缓存，如果能够找到相同的，说明节点已经处理过该路由请求分组，转步骤9；否则，步骤3。

步骤3：将路由请求分组插入到路由缓存中。

步骤4：获取上一跳邻居节点的邻居数量N。

步骤5：依据公式(1.1)获取转发路由请求分组的转发概率P。

步骤6：产生[0，1]之间的随机数RND。

步骤7：判断P与RND的大小关系。如果RND≤P，步骤8；否则转步骤9。

步骤8：在路由请求分组中加入当前节点的邻居数量，并转发路由请求分组。

步骤9：释放路由请求分组。

本实施例采用NS-2仿真平台进行验证。NS-2(Network Simulator,version 2)是一款开放源代码的网络模拟软件，最初由加州大学伯克利分校(UC Berkeley)开发。NS-2是目前通信网络领域最流行的网络模拟软件之一，在国内外已被广泛应用。由于NS-2是免费开放源代码软件，在学习和研究中使用该软件时不需要支付昂贵的费用。同时，它又具备丰富的网络协议组件和强大的功能模块集合，可以模拟大部分网络场景。世界各地的研究组织和个人对NS-2的发展和使用提供了丰富的经验和技术支持。NS-2软件依然是Ad Hoc网络研究领域主流的仿真软件之一。Reina D.G.的论文统计出，在Ad Hoc网络概率广播研究领域，使用NS-2作为仿真工具占整个仿真领域的56％；根据Saleem Muhammad的统计，在无线传感器网络群智能路由协议仿真方面，使用NS-2作为仿真工具占整个仿真领域的29％。可见，NS-2在Ad Hoc网络仿真工具中占据重要的位置。

利用NS-2进行仿真的步骤如图2所示，具体描述如下：

进行网络仿真前，首先分析仿真涉及哪个层次，NS仿真分两个层次：一个是基于OTcl编程的层次。利用NS已有的网络元素实现仿真，无需修改NS本身，只需编写OTcl脚本。另一个是基于C++和OTcl编程的层次。如果NS中没有所需的网络元素，则需要对NS进行扩展，添加所需网络元素，即添加新的C++和OTcl类，编写新的OTcl脚本。假设用户已经完成了对NS的扩展，或者NS所包含的构件已经满足了要求，那么进行一次仿真的步骤大致如下：

步骤1：开始编写OTcl脚本。首先配置模拟网络拓扑结构，此时可以确定链路的基本特性，如延迟、带宽和丢失策略等。

步骤2：建立协议代理，包括端设备的协议绑定和通信业务量模型的建立。

步骤3：配置业务量模型的参数，从而确定网络上的业务量分布。

步骤4：设置Trace对象。NS通过Trace文件来保存整个模拟过程。仿真完后，用户可以对Trace文件进行分析研究。

步骤5：编写其他的辅助过程，设定模拟结束时间，至此OTcl脚本编写完成。

步骤6：用NS解释执行刚才编写的OTcl脚本。

步骤7：对Trace文件进行分析，得出有用的数据。

步骤8：调整配置拓扑结构和业务量模型，重新进行上述模拟过程

本文采用的仿真场景为2200米×600米的场景，节点最大移动速度为2m/s和10m/s，进行仿真，验证协议的可行性和有效性。仿真结果如图3-7所示。从图中可以看出，本发明提出的新的FANETs路由协议相比经典的AODV协议，明显改善了吞吐率、路由开销、分组投递率、MAC层路由开销等性能，平均端对端延迟性能略有改善。

Claims (3)

1.一种基于自适应概率转发策略的FANETs路由协议，所述自适应概率转发策略为：结合上一跳节点的邻居数量N来确定转发路由请求分组的概率P：

其中，M取值为10^-4，η取值为0.95。

2.根据权利要求1所述的一种基于自适应概率转发策略的FANETs路由协议，其特征在于包含以下步骤：

步骤1：当前节点接收到路由请求分组后，首先判断是否是自己发出的路由请求分组，如果是，转步骤9；否则，转步骤2；

步骤2：在路由缓存中查询是否已有该路由请求分组，如有转步骤9；否则，步骤3；

步骤3：将路由请求分组插入到路由缓存中；

步骤4：获取上一跳邻居节点的邻居数量N；

步骤5：依据公式(1.1)获取转发路由请求分组的概率P；

步骤6：产生[0，1]之间的随机数RND；

步骤7：判断P与RND的大小关系，如果RND≤P，步骤8；否则转步骤9。

步骤8：将当前节点的邻居数量加入转发路由请求分组，并转发路由请求分组；

步骤9：释放路由请求分组。

3.根据权利要求1所述的一种基于自适应概率转发策略的FANETs路由协议，其特征在于所述邻居数量通过以下步骤获得：

步骤A、当前节点接收到邻居节点的Hello消息后，查询邻居列表，如果邻居列表中存在该邻居节点，就更新有效时间；如果邻居列表中没有该邻居，就将该邻居节点添加到邻居列表中；

步骤B、更新邻居列表，定期清理失效的邻居节点；

步骤C、当前节点查询邻居列表，即可获取当前节点的邻居数量。