CN108024200A - 针对间歇性连接的无人机自组织网络的自适应方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种针对间歇性连接的无人机自组织网络的自适应方法及系统，所述自适应方法包括以下步骤：步骤S1，参数初始化；步骤S2，动态更新节点的位置及速度向量；步骤S3，随机选择源节点和目的节点，获取目的节点的位置，开始从源节点到目的节点转发数据包；以及，步骤S4，根据移动性辅助路由转发策略选择转发节点，转发数据包，直至所述数据包到达目的节点。本发明通过位置动态更新策略动态地分别对邻居节点和网络中所有节点的位置进行更新，极大程度减小开销，同时达到较好的实时性；另一方面，通过移动性辅助路由转发策略借助节点的移动性帮助数据包传送给目的节点，减少因间歇性连接丢弃数据包的概率，有效提高了数据包发送率。

Description

针对间歇性连接的无人机自组织网络的自适应方法及系统
技术领域
本发明涉及一种无人机自组织网络，尤其涉及一种针对间歇性连接的无人机自组织网络的自适应方法，并涉及采用了该针对间歇性连接的无人机自组织网络的自适应方法的自适应系统。
背景技术
在实际的应用场景，如地震搜索救援、森林勘察和军事网络等，多台无人机同时搜索一片目标区域(目标区域范围很大)，无人机的密度很小，而且具有高速移动性，时常会出现节点间通信链路断开或者不存在一条源节点到目的节点的完整路径的情况，我们称这种由一系列不连贯的时变的节点集组成的网络为间歇性连接的无人机自组织网络。
现有的无人机自组织网络路由协议可分为三类：
1、表驱动路由协议中，每个节点需要维护一张完整的网络路由表；每个节点周期性的与邻节点交换路由信息来更新自身的路由表，路由发现依据路由表来进行；典型的有目的节点序列距离矢量协议和链路状态协议等。
2、按需驱动路由协议仅在需要给目的节点发送报文而又没有去往目的节点路由的时候才进行路由发现；因此，路由表是按需建立的，它可能仅仅是整个拓扑结构信息的一部分；典型的有按需平面距离向量路由协议和动态源路由协议等。
3、基于位置的路由协议假设节点知道自身及目标区域的地理位置信息，以这些位置信息作为路由选择的依据，按照一定策略将数据包转发到目标区域。由于无人机节点一般都配有GPS模块，可以提供此类支持，因此基于位置的路由协议被广泛应用于无人机自组织网络中。典型的有贪婪周边无状态路由协议、位置辅助路由协议等。
当然，也有很多针对间歇性网络的路由协议被提出，它们采用了一种新的路由转发机制，即“存储-携带-转发”机制来取代传统的“存储-转发”机制，在这种转发机制中，节点在收到消息以后，通常先将消息存储在当前节点的缓存中，并携带消息一起移动，当遇到合适的节点时再将消息转发给新的节点。例如Spray and Wait、Epidemic路由等，但是，表驱动路由协议和按需驱动路由协议都是在数据转发之前确定好一条或多条从源节点到目的节点的完整路径，这对于间歇性连接的无人机自组织网络显然不适用。
大多数基于位置的路由协议不必事先确定完整路径，但是它也无法直接应用于该网络，主要原因如下：
1、路由机制和位置信息服务机制分离。它在向目的节点发送数据包之前首先需要借助其他的位置信息服务机制来获取目的节点的位置信息，这不仅会增加数据包发送的延迟，而且不利于数据转发时对目的节点的位置更新。
2、未考虑目的节点的移动性。在转发过程中始终根据该位置信息进行数据包转发，并未对目的节点位置进行更新。而无人机自组织网络中无人机节点具有高速移动性，很有可能在数据包转发过程中目的节点的位置发生了很大的变化，过时的位置信息会导致数据包无法成功传送给目的节点。
3、当持有数据包的节点周围没有邻居节点，没有办法进行转发时，该节点会直接丢弃数据包。而对间歇性连接的无人机自组织网络来说，这种情况时有发生，因此就会有大量的数据包被丢弃，这显然就会大大降低数据包的发送率。
因此，传统的间歇性网络路由算法为了追求较高的消息传递成功率和较小的传输延迟，通常会进行大量的消息转发，这样就会造成网络中存在较多的冗余消息，使得这些冗余消息的转发成为加大网络负载以及冗余消息太多的一个突出问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是需要提供一种能够有效减小网络开销，并且达到较好的实时性，提高数据包发送率的针对间歇性连接的无人机自组织网络的自适应方法，并提供采用了该针对间歇性连接的无人机自组织网络的自适应方法的自适应系统。
对此，本发明提供一种针对间歇性连接的无人机自组织网络的自适应方法，包括以下步骤：
步骤S1，参数初始化；
步骤S2，动态更新节点的位置及速度向量；
步骤S3，随机选择源节点和目的节点，获取目的节点的位置，开始从源节点到目的节点转发数据包；
以及，步骤S4，根据移动性辅助路由转发策略选择转发节点，转发数据包，直至所述数据包到达目的节点。
本发明的进一步改进在于，所述步骤S1中，通过设置仿真环境参数实现参数初始化。
本发明的进一步改进在于，所述步骤S2包括以下子步骤：
步骤S201，动态更新邻居节点的位置及速度向量；
步骤S202，动态更新所有节点的位置。
本发明的进一步改进在于，所述步骤S201包括以下子步骤：
步骤S2011，将节点的预测位置和当前位置进行比较，若距离d大于距离阈值DTH时，则发送数据包通知其他节点以实现位置信息的更新；
步骤S2012，若节点在时间间隔阈值TTH内均没有发送数据包，则自动发送一次数据包；
其中，所述步骤S2011和步骤S2012能够并行运行。
本发明的进一步改进在于，所述步骤S2011中，节点N上一次广播数据包时的时间记为t'，t'时刻的位置为t'时刻的速度为节点N当前时刻为t，t时刻的位置为t时刻的速度为则能够通过公式预测节点N的当前位置为通过公式将节点N的预测位置和当前位置进行比较。
本发明的进一步改进在于，所述步骤S202中，每个节点都维护一张位置信息表，记录该节点所在网络中所有节点的位置以及更新时间；节点通过广播位置更新消息将该节点所在网络中所有节点的更新信息共享给邻居节点，进而实时更新数据包中目的节点的位置。
本发明的进一步改进在于，所述步骤S4中的移动性辅助路由转发策略包括以下步骤：
步骤S401，若存在距离满足公式dND＜dID且运动偏向角满足公式θN＜θTH的邻居节点，则选择预计时间最短的节点作为转发节点，其中，dND为节点N到节点D的距离,dID为当前节点I到节点D的距离，θN为节点N的运动偏向角，θTH为允许偏离的最大角度；否则，跳转至步骤S402；
步骤S402，若当前节点I的运动偏向角θID不超过允许偏离的最大角度θTH时，则当前节点选择自己携带数据包，否则跳转至步骤S403；
步骤S403，若存在距离目的节点与邻居节点满足公式dND＜dID时，则将数据包转发给距离目的节点最近的邻居节点N*，否则跳转至步骤S404；
步骤S404，当前节点I自己携带数据包。
本发明的进一步改进在于，所述步骤S401中，选择预计时间最短的节点作为转发节点的公式为所述步骤S403中，根据公式将数据包转发给距离目的节点最近的邻居节点N*；其中，vN为节点N的运动速度大小。
本发明还提供一种针对间歇性连接的无人机自组织网络的自适应系统，采用了如上所述的针对间歇性连接的无人机自组织网络的自适应方法，并包括：
初始化模块，用于设置仿真环境参数；
位置动态更新模块，用于动态更新节点的位置及速度向量；
源节点和目的节点选择模块，随机选择源节点和目的节点，获取目的节点的位置，开始从源节点到目的节点转发数据包；
转发节点选择模块，根据移动性辅助路由转发策略选择转发节点，转发数据包，直至数据包到达目的节点。
本发明的进一步改进在于，所述位置动态更新模块用于动态更新邻居节点的位置和速度向量，并用于动态更新所有节点的位置。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：首先，本发明采用动态更新邻居节点和所有节点的位置，具有实时性好、自适应和有效准确的特点；在此基础上，本发明采用移动性辅助路由转发策略，即采用移动性辅助路由机制，借助节点的移动性，帮助实现数据包的转发，具有自适应、逻辑清晰和有效的特点。也就是说，本发明综合了位置动态更新策略和移动性辅助路由转发策略，而位置动态更新策略动态地分别对邻居节点和网络中所有节点的位置进行更新，极大程度减小开销，同时达到较好的实时性；另一方面，所述移动性辅助路由转发策略采用“存储-携带-转发”机制，借助节点的移动性，帮助数据包传送给目的节点，减少因节点之间的间歇性连接丢弃的数据包的概率，有效提高了数据包发送率。
附图说明
图1是本发明一种实施例的工作流程示意图；
图2是本发明一种实施例中移动性辅助路由转发过程的运动偏向示意图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的较优的实施例作进一步的详细说明。
如图1所示，本例提供一种针对间歇性连接的无人机自组织网络的自适应方法，包括以下步骤：
步骤S1，参数初始化；
步骤S2，动态更新节点的位置及速度向量；
步骤S3，随机选择源节点和目的节点，获取目的节点的位置，开始从源节点到目的节点转发数据包；
以及，步骤S4，根据移动性辅助路由转发策略选择转发节点，转发数据包，直至所述数据包到达目的节点。
其中，本例所述步骤S1中，通过设置仿真环境参数实现参数初始化，这些参数包括节点个数、仿真区域大小、仿真时长和移动模型。本例所述步骤S2包括以下子步骤：步骤S201，动态更新邻居节点的位置及速度向量；步骤S202，动态更新所有节点的位置。所述步骤S3随机选择源节点和目的节点，组成源-目的节点对，获取目的节点的位置，开始从源节点到目的节点转发数据包。
本例所述步骤S201包括以下子步骤：
步骤S2011，将节点的预测位置和当前位置进行比较，若距离d大于距离阈值DTH时，则发送数据包通知其他节点以实现位置信息的更新；
步骤S2012，若节点在时间间隔阈值TTH内均没有发送数据包，则自动发送一次数据包；
其中，所述步骤S2011和步骤S2012能够并行运行，也就是说，所述步骤S2011和步骤S2012不是顺序关系，可以同时进行。
更为具体的，假设所有节点能够知道自己在每个时刻的位置和瞬时速度，用二维坐标来表示节点N在t时刻的位置，用来表示节点N在t时刻的速度。为了防止增加开销，建议距离阈值DTH在10m左右，如8m～12m，当距离阈值DTH取值为10m时，能达到较好的效果。
本例所述步骤S2011中，节点N上一次广播数据包时的时间记为t'，t'时刻的位置为t'时刻的速度为节点N当前时刻为t，t时刻的位置为t时刻的速度为则能够通过公式预测节点N的当前位置为通过公式将节点N的预测位置和当前位置进行比较。
若距离d>距离阈值DTH，则表示节点的速度或方向发生了较大的变化，需要发送数据包(beacon包)通知其他节点更新位置信息。类似地，当节点需要获取某一邻居节点的位置时，也可以根据公式预测当前时刻该节点的位置。
若节点在一定时间间隔阈值TTH内都没有发送数据包(beacon包)，则需要发送一次数据包(beacon包)，这是为了让新加入的节点感知到它的存在。
考虑这样的一种情况，本例所述步骤S2012中，节点N在很长一段时间内都大致以速度运动，即预测位置与当前位置相差不大，那么它在这段时间内就不会发送数据包(beacon包)，这样就无法让新加入的节点感知到节点N的存在。因此，若节点在一定时间间隔阈值TTH内都没有发送数据包(beacon包)，则需要发送数据包(beacon包)，时间间隔阈值TTH建议取值为5s到10s之间。
本例所述步骤S202中，每个节点都维护一张位置信息表，记录该节点所在网络中所有节点的位置以及更新时间；由于无人机节点不停的在移动，需要实时对这些节点的位置进行更新。所以，节点通过广播位置更新消息将该节点所在网络中所有节点的更新信息共享给邻居节点，进而实时更新数据包中目的节点的位置。
由于无人机自组织网络的间歇连接特性，在路由转发过程中时常会出现通信中断，即持有数据包的节点周围没有邻居节点或者合适的转发节点，在这种情况下若采取传统的“存储-转发”机制则会使得大量数据包被丢弃，因此，本例采取“存储-携带-转发”机制，利用节点的移动性，帮助数据包传送给目的节点。
如图2所示，定义dND为节点N到节点D的距离，θN为运动偏向角，即节点N的运动方向与目的节点D位置的夹角，vN为节点N的运动速度大小，当前节点为I。
本例所述步骤S4中的移动性辅助路由转发策略包括以下步骤：
步骤S401，若存在距离满足公式dND＜dID且运动偏向角满足公式θN＜θTH的邻居节点，则选择预计时间最短的节点作为转发节点，其中，dND为节点N到节点D的距离,dID为当前节点I到节点D的距离，θN为节点N的运动偏向角，θTH为允许偏离的最大角度；否则，跳转至步骤S402；
步骤S402，若当前节点I的运动偏向角θID不超过允许偏离的最大角度θTH时，则当前节点选择自己携带数据包，否则跳转至步骤S403；
步骤S403，若存在距离目的节点与邻居节点满足公式dND＜dID时，则将数据包转发给距离目的节点最近的邻居节点N*，否则跳转至步骤S404；
步骤S404，当前节点I自己携带数据包。
本例所述步骤S401中，选择预计时间最短的节点作为转发节点的公式为所述步骤S403中，根据公式将数据包转发给距离目的节点最近的邻居节点N*；其中，vN为节点N的运动速度大小。
本例还提供一种针对间歇性连接的无人机自组织网络的自适应系统，采用了如上所述的针对间歇性连接的无人机自组织网络的自适应方法，并包括：
初始化模块，用于设置仿真环境参数；
位置动态更新模块，用于动态更新节点的位置及速度向量；
源节点和目的节点选择模块，随机选择源节点和目的节点，获取目的节点的位置，开始从源节点到目的节点转发数据包；
转发节点选择模块，根据移动性辅助路由转发策略选择转发节点，转发数据包，直至数据包到达目的节点。
本例所述位置动态更新模块用于动态更新邻居节点的位置和速度向量，并用于动态更新所有节点的位置。
综上，首先，本例采用动态更新邻居节点和所有节点的位置，具有实时性好、自适应和有效准确的特点；在此基础上，本例还采用移动性辅助路由转发策略，即采用移动性辅助路由机制，借助节点的移动性，帮助实现数据包的转发，具有自适应、逻辑清晰和有效的特点。
也就是说，本例综合了位置动态更新策略和移动性辅助路由转发策略，而位置动态更新策略动态地分别对邻居节点和网络中所有节点的位置进行更新，极大程度减小开销，同时达到较好的实时性；另一方面，所述移动性辅助路由转发策略采用“存储-携带-转发”机制，借助节点的移动性，帮助数据包传送给目的节点，减少因节点之间的间歇性连接丢弃的数据包的概率，有效提高了数据包发送率。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种针对间歇性连接的无人机自组织网络的自适应方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1，参数初始化；
步骤S2，动态更新节点的位置及速度向量；
步骤S3，随机选择源节点和目的节点，获取目的节点的位置，开始从源节点到目的节点转发数据包；
以及，步骤S4，根据移动性辅助路由转发策略选择转发节点，转发数据包，直至所述数据包到达目的节点。
2.根据权利要求1所述的针对间歇性连接的无人机自组织网络的自适应方法，其特征在于，所述步骤S1中，通过设置仿真环境参数实现参数初始化。
3.根据权利要求1所述的针对间歇性连接的无人机自组织网络的自适应方法，其特征在于，所述步骤S2包括以下子步骤：
步骤S201，动态更新邻居节点的位置及速度向量；
步骤S202，动态更新所有节点的位置。
4.根据权利要求3所述的针对间歇性连接的无人机自组织网络的自适应方法，其特征在于，所述步骤S201包括以下子步骤：
步骤S2011，将节点的预测位置和当前位置进行比较，若距离d大于距离阈值DTH时，则发送数据包通知其他节点以实现位置信息的更新；
步骤S2012，若节点在时间间隔阈值TTH内均没有发送数据包，则自动发送一次数据包；
其中，所述步骤S2011和步骤S2012能够并行运行。
5.根据权利要求4所述的针对间歇性连接的无人机自组织网络的自适应方法，其特征在于，所述步骤S2011中，节点N上一次广播数据包时的时间记为t'，t'时刻的位置为t'时刻的速度为节点N当前时刻为t，t时刻的位置为t时刻的速度为则能够通过公式预测节点N的当前位置为通过公式将节点N的预测位置和当前位置进行比较。
6.根据权利要求3所述的针对间歇性连接的无人机自组织网络的自适应方法，其特征在于，所述步骤S202中，每个节点都维护一张位置信息表，记录该节点所在网络中所有节点的位置以及更新时间；节点通过广播位置更新消息将该节点所在网络中所有节点的更新信息共享给邻居节点，进而实时更新数据包中目的节点的位置。
7.根据权利要求1至6任意一项所述的针对间歇性连接的无人机自组织网络的自适应方法，其特征在于，所述步骤S4中的移动性辅助路由转发策略包括以下步骤：
步骤S401，若存在距离满足公式dND＜dID且运动偏向角满足公式θN＜θTH的邻居节点，则选择预计时间最短的节点作为转发节点，其中，dND为节点N到节点D的距离,dID为当前节点I到节点D的距离，θN为节点N的运动偏向角，θTH为允许偏离的最大角度；否则，跳转至步骤S402；
步骤S402，若当前节点I的运动偏向角θID不超过允许偏离的最大角度θTH时，则当前节点选择自己携带数据包，否则跳转至步骤S403；
步骤S403，若存在距离目的节点与邻居节点满足公式dND＜dID时，则将数据包转发给距离目的节点最近的邻居节点N*，否则跳转至步骤S404；
步骤S404，当前节点I自己携带数据包。
8.根据权利要求7所述的针对间歇性连接的无人机自组织网络的自适应方法，其特征在于，所述步骤S401中，选择预计时间最短的节点作为转发节点的公式为
所述步骤S403中，根据公式将数据包转发给距离目的节点最近的邻居节点N*；其中，vN为节点N的运动速度大小。
9.一种针对间歇性连接的无人机自组织网络的自适应系统，其特征在于，采用了如权利要求1至8任意一项所述的针对间歇性连接的无人机自组织网络的自适应方法，并包括：
初始化模块，用于设置仿真环境参数；
位置动态更新模块，用于动态更新节点的位置及速度向量；
源节点和目的节点选择模块，随机选择源节点和目的节点，获取目的节点的位置，开始从源节点到目的节点转发数据包；
转发节点选择模块，根据移动性辅助路由转发策略选择转发节点，转发数据包，直至数据包到达目的节点。
10.根据权利要求9所述的针对间歇性连接的无人机自组织网络的自适应系统，其特征在于，所述位置动态更新模块用于动态更新邻居节点的位置和速度向量，并用于动态更新所有节点的位置。
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