CN108243480A - 一种基于链路可用带宽预测和前进距离的无人机自组网机会路由算法 - Google Patents

一种基于链路可用带宽预测和前进距离的无人机自组网机会路由算法 Download PDF

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CN108243480A CN201810047601.6A CN201810047601A CN108243480A CN 108243480 A CN108243480 A CN 108243480A CN 201810047601 A CN201810047601 A CN 201810047601A CN 108243480 A CN108243480 A CN 108243480A
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Abstract

本发明公开了一种基于链路可用带宽预测和前进距离的无人机自组网机会路由算法。该算法无需节点维护路由表，当节点有数据需要发送时，通过广播RTS帧发起路由请求。节点接收到RTS帧后，采用基于感知的测量方法，预测链路剩余可用带宽，并根据地理位置信息计算前进距离；然后根据可用带宽和前进距离计算转发优先级，并依据转发优先级竞争发送CTS帧完成路由应答，成为下一跳转发节点。发送节点接收到CTS帧后，将数据包发送给转发节点，由转发节点继续发起路由请求，转发接收到的数据包，直至数据包到达目的节点。仿真结果证明了路由算法的有效性。

Description

一种基于链路可用带宽预测和前进距离的无人机自组网机会 路由算法
技术领域
本发明属于无线网络领域，特别涉及基于链路可用带宽预测和前进距离的无人机自组网机会路由算法。
背景技术
在现代信息化战争中，无人机已成为重要的信息传递节点和作战单元。无人机自组织网络是无线自组网技术在无人机编队组网中应用的产物。无人机编队通过构建灵活、高效、抗毁性强的无人机自组织网络，不仅能够保证无人机编队协同完成作战任务，而且可以空中无线“热区”的方式覆盖作战区域，实现作战单元之间信息、战术和火力的高效协同。无人机自组织网络中，节点快速移动导致网络拓扑动态变化，节点间链路频繁断裂，因而路由协议的设计成为影响无人机自组织网络性能的关键。
现有的路由协议主要包括表驱动和按需驱动两类。表驱动路由协议通过对路由表的更新和维护与网络中每个节点定期地交换路由信息，如DSDV(Destination SequencedDistance Vector)，HSR(Hierarchical State Routing)，GSR(Global State Routing)等。路由发现和路由维护是源驱动按需路由协议的两个阶段，只有需要向目的节点发送报文，且节点路由表中不包含通向目的节点路由时，才按需进行路由发现，典型的有AODV(Ad hocOn-demand Distance Vector Routing)和DSR(Dynamic Source Routing)。传统路由协议采用确定性路由方式，在链路质量和稳定性较差的环境下，频繁的链路层数据重传将消耗大量的带宽资源，影响无线多跳网络的吞吐量和提供服务质量的能力。
针对无线信道的广播特性、时变特性和干扰不规则性，麻省理工学院的Biswas等人于2004年率先提出了机会路由的概念。机会路由通过多个潜在中继节点竞争、自主智能进行下一跳节点选择，充分利用信道广播特性，提高吞吐量和传输可靠性。机会路由基于网络层和MAC(Medium Access Control)层联合设计，传输成功率高，适用于节点处于高速移动的无人机自组网，已成为当前移动自组织网络路由协议研究的一个重要方向。已有的机会路由策略有：基于端到端最短路径策略，如ExoR(Extremely Opportunistic Routing)和ROMER(Resilient Opportunistic Mesh Routing)；基于端到端迭代策略，如OAPF(Opportunistic Any-path Forwarding)；基于地理位置策略，如GeRaF(GeographicRandom Forwarding)和MGOR(Multi-rate Geographic Opportunistic Routing)；基于网络编码策略，如CORE(Coding-aware Opportunistic Routing Mechanism)。
链路可用带宽是指在不影响网络现有业务QoS(Quality of Service)水平的前提下，链路收/发节点所能获得的最大数据传输带宽。可用带宽(Available Bandwidth，AB)信息对于路由选择，接入控制，冲突避免和保障业务QoS需求具有重要的作用。现有的链路可用带宽预测方法中，基于探测的预测方法要求节点通过向网络中注入端到端的探测包来预测信道上的可用带宽；基于感知的预测方法通常仅利用本地获得的带宽利用信息来预测链路的可用带宽，该类方法无需发送探测包，不占用网络可用带宽，不会对网络中的已有业务产生影响，能够获得更加准确的链路可用带宽预测结果。
将链路可用带宽和中间节点距目的节点的距离相结合，作为机会路由中中继节点选择的依据，可以有效提高无人机自组织网络的吞吐量和分组投递率，充分保障网络的服务质量。
发明内容
本发明的目的是针对无人机自组织网络，提出一种基于链路可用带宽预测和前进距离的机会路由算法，提高网络吞吐量和分组投递率，保障网络的服务质量。为了实现该目的，本发明所采用的步骤是：
步骤1：当节点网络层有数据分组需要发送时，节点网络层将数据分组交付给MAC层，由MAC层缓存当前数据分组，并广播RTS帧发起路由请求过程，发送节点在广播RTS帧之前，通过载波检测机制侦听信道，如果信道持续空闲DIFS时间，则进行发送前的随机退避过程，待退避完成后，向邻居节点广播RTS帧，并开启定时器等待接收CTS帧，节点若在等待DIFS时间或者随机退避过程中信道变忙，则暂停等待或者随机退避过程，并继续监听信道，等到信道再次空闲DIFS时间，并且随机退避过程结束后，节点继续为当前数据帧广播RTS帧发起路由请求过程，RTS帧中包含了待发送数据帧的目的节点信息。
步骤2：接收节点接收到RTS帧后，解析RTS帧请求的目的节点信息，如果自身即为RTS帧请求的目的节点，则直接向发送节点发送CTS帧完成路由应答；如果自身不是RTS帧请求目的节点，则采用基于感知的测量方法，预测链路剩余可用带宽，并根据地理位置信息计算前进距离，然后根据可用带宽和前进距离判断是否能作为转发节点转发当前数据帧，节点如果判定自身能作为转发节点，则进一步计算转发优先级，依据转发优先级设置发送CTS帧前的退避时间，竞争发送CTS帧完成路由应答。
步骤3：发送节点在广播RTS帧后，开启定时器等待接收CTS帧，发送节点如果在定时器超时前成功接收到CTS帧，则将当前待发送DATA帧发送给应答CTS帧的节点，由应答CTS帧的节点继续将当前待发送DATA帧向待发送DATA帧的目的节点传递，并开启定时器等待接收ACK帧应答；发送节点如果等待CTS帧超时，则重新广播RTS帧，继续为当前待发送DATA帧寻找路由，如果多次重传RTS帧均未接收到CTS帧应答，发送节点则将当前待发送DATA帧丢弃，并继续尝试为下一个待发送DATA帧广播RTS帧发起路由请求。
步骤4：接收节点接收到DATA帧后，向发送节点应答ACK帧，并解析DATA帧的目的节点，如果本节点即为DATA帧的目的节点，节点则将DATA帧传递给本节点的上层，如果本节点不是DATA帧的目的节点，节点则缓存当前DATA帧，并广播RTS帧继续为当前DATA帧发起路由请求，等收到CTS帧路由应答后，转发当前DATA帧。
步骤5：发送节点如果在等待ACK帧定时器超时前接收到ACK帧，则将当前DATA帧释放，并继续尝试为下一个待发送DATA帧广播RTS帧发起路由请求，如果等待ACK帧超时，则重新广播RTS帧，继续为当前待发送DATA帧寻找路由，如果多次重传DATA帧均未接收到ACK帧应答，发送节点则将当前待发送DATA帧丢弃，并继续尝试为下一个待发送DATA帧广播RTS帧发起路由请求。
本发明提出的基于链路可用带宽预测和前进距离的机会路由算法已经在EXata网络仿真环境中得到了验证。仿真中业务流设置为恒定比特流业务，应用层报文大小为1000字节，信道速率为2Mbps。传播层使用双线地面反射模型，传输距离为250m，物理载波检测距离为550m。附图7给出了本发明采用的机会路由算法仿真拓扑，整个拓扑由邻接的正三角形组成，每六个正三角形组成一个正六边形，73架无人机节点分别放置在拓扑中交点位置，节点之间相距200m，保证转发节点集中节点数目的合理性。其中，f1为主业务流，f2、f3、f4为背景业务流，各业务流参数如表1所示。仿真时间为20s，带宽需求不同的4条业务流按照时间顺序接入。
表1业务流参数
附图8给出了随着业务流按时间顺序接入，主业务流f1吞吐量和投递率随时间变化曲线。相比于其它两种协议，本发明提出的方法依靠转发节点转发数据分组，在选择转发节点的时候，优先选择链路剩余可用带宽大、距离目的节点近的节点转发数据分组，可以看出本发明所采用的方法获得的吞吐量最大，性能最好。
附图说明
图1是链路可用带宽预测的传输周期示意图；
图2是发送和接收节点可用时长不同步分析示意图；
图3是链路可用带宽修正分析场景示意图；
图4是隐藏节点导致接收数据冲突分析示意图；
图5是节点接收完RTS时检测信道忙的情况分析示意图；
图6是转发节点的选择示意图；
图7是机会路由算法仿真拓扑图；
图8是业务流吞吐量和分组投递率随时间变化的仿真结果图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细描述。
在后面的叙述中，本说明书将本发明提出的基于链路可用带宽预测和前进距离的无人机自组织网络机会路由算法简记为ADOR(Available Bandwidth Estimation andForward Distance Based Opportunistic Routing)。ADOR首先设定了以下网络运行条件：无人机节点可以通过配置GPS等辅助手段获得网络中各节点的地理位置信息。以该条件为基础，本发明提出的基于链路可用带宽预测和前进距离的机会路由方法已经在无线网络仿真环境EXata中实现，并通过EXata环境中的仿真结果证明了该方法的有效性。ADOR的具体实施步骤为：
步骤1：当节点网络层有数据分组需要发送时，节点广播RTS帧发起路由请求过程。
当节点网络层有数据分组需要发送时，节点网络层并不指定下一跳地址，而是将数据分组交付给MAC层，由MAC层缓存当前数据分组，并广播RTS帧发起路由请求过程。
发送节点在广播RTS帧之前，通过载波检测机制侦听信道。如果信道持续空闲DIFS时间，则进行发送前的随机退避过程，待退避完成后，向邻居节点广播RTS帧，并开启定时器等待接收CTS帧。节点若在等待DIFS时间或者随机退避过程中信道变忙，则暂停等待或者随机退避过程，并继续监听信道。等到信道再次空闲DIFS时间，并且随机退避过程结束后，节点继续为当前数据帧广播RTS帧发起路由请求过程。RTS帧中包含了待发送数据帧的目的节点信息。
步骤2：接收节点接收到RTS帧后，根据自身是否为RTS帧请求的目的节点，判定直接发送CTS帧完成路由应答；或者进一步根据可用带宽和前进距离判定是否充当转发节点，并计算出转发优先级，依据转发优先级设置退避时间，竞争发送CTS帧完成路由应答。
接收节点接收到RTS帧后，解析RTS帧请求的目的节点信息。如果自身即为RTS帧请求的目的节点，则直接向发送节点发送CTS帧完成路由应答；如果自身不是RTS帧请求目的节点，则采用基于感知的测量方法，预测链路剩余可用带宽，并根据地理位置信息计算前进距离，然后根据可用带宽和前进距离判断是否能作为转发节点转发当前数据帧。节点如果判定自身能作为转发节点，则进一步计算转发优先级，依据转发优先级设置发送CTS帧前的退避时间，竞争发送CTS帧完成路由应答。
1、节点采用基于感知的测量方法，预测链路剩余可用带宽的具体方法如下：
(1)计算链路最大吞吐量
链路最大吞吐量thpmax定义为链路层在不受其它业务影响的情况下能获得的最大吞吐量，可以依据MAC层规约通过计算获得。附图1给出了基于IEEE802.11 DCF协议中RTS/CTS帧四次握手机制，链路L(S，R)的传输周期示意图，其中L(S，R)是由发送节点S和接收节点R组成的传输链路。定义传输周期t为链路成功完成一次数据传输所需要的时间，表示为：
t＝td1+td2+td3 (1)
时间段td1、td2、td3表示为：
其中，时间段td1由退避过程(BackOff，BO)经历的平均时间E(tBO)和分布式帧间间隔(Distributed Interframe Space，DIFS)时间tDIFS组成；td2包括RTS帧传输时间tRTS、CTS帧传输时间tCTS、短帧间间隔(Short Interframe Space，SIFS)时间tSIFS和竞争应答CTS帧的最大退避选择窗口时间twmax；时间段td3包括DATA帧和ACK帧的传输时间tDATA和tACK，以及两个短帧间间隔。RTS帧、CTS帧以及DATA帧和ACK帧的传输时间与帧的大小以及信道速率C有关。
用LDATA表示DATA帧的大小，在传输周期t内链路L(S，R)能够获得的最大吞吐量thpmax计算为：
链路最大吞吐量thpmax即为网络中一条链路的可用带宽的上限值ABmax。
(2)统计发送可用时长和接收可用时长
为了计算链路可用带宽，链路发送/接收节点首先通过载波检测机制统计各自的发送可用时长和接收可用时长。定义节点发送可用时长Ts为节点物理层和MAC层均处于空闲状态时，空闲时间大于tDIFS的时间之和；接收可用时长Tr为节点MAC层处于空闲状态，物理层侦听信道噪声功率小于冲突功率门限的时间之和。在一个预测周期T内，网络中每个节点利用自身载波检测机制，统计出各自发送可用时长Ts和接收可用时长Tr。具体过程如下：
在每个预测周期开始时，网络中节点将各自的总发送可用时长和总接收可用时长设置为0，并将空闲时长计时器设为0。网络运行过程中，节点通过物理载波检测机制和虚拟载波检测机制监听信道。若节点物理载波检测机制检测到信道由忙变为空闲，且MAC层处于空闲状态，则启用空闲时长计时器；当信道由空闲变忙或者当前预测周期结束时，关闭空闲时长计时器，并计算空闲时长持续时间。然后，通过虚拟载波检测机制计算信道忙碌的时长，若计时器开启时，信道处于忙碌状态，则在原有的空闲时长持续时间上减去该段信道忙碌的时长，再将修改后的空闲时长持续时间与tDIFS进行比较。当发送可用时长持续时间大于tDIFS，且MAC层处于空闲状态时，将该段空闲时长累加到总发送可用时长；当接收可用时长持续时间大于0，且MAC层处于空闲状态时，将该段空闲时长累加到总接收可用时长。预测结束时，获得总发送可用时长和总接收可用时长。
发送节点在广播RTS帧时，即将自身的发送可用时长Ts和接收可用时长Tr信息捎带广播告知邻居节点。
(3)链路可用带宽的预估计
通过发送和接收可用时长统计算法，获得L(S，R)发送节点S的发送可用时长Ts(S)和接收节点R的接收可用时长Tr(R)。链路可用时长TL(S，R)为链路的发送节点发送数据时，对应的接收节点能够接收数据的可用时长，即发送、接收同步的可用时长。由于其它节点的业务在无线信道中随机接入的干扰，使得链路收发节点的可用时长存在不同步现象，导致链路可用时长的损耗，从而降低链路可用带宽。
附图2具体分析了发送和接收可用时长不同步的情况，其中TL(m)和TL(n)代表一个预测周期内第m和第n段时间链路可用时长。事件CE1表示发送节点S能够发送数据，而接收节点R不能接收；事件CE2表示发送节点S不能够发送数据，而接收节点R能够接收。事件CE1和CE2的概率可近似计算为：
通过去除因发送节点和接收节点可用时长不同步情况导致的可用时长损耗，得到链路可用时长TL(S，R)为：
TL(S，R)＝min{[1-P(CE1)]·Ts(S)，[1-P(CE2)]·Tr(R)} (6)
在每个预测周期T内，根据链路的最大吞吐量ABmax，链路L(S，R)的可用带宽初步估计值ABpre计算为：
(4)链路可用带宽的修正
在基于DCF协议的无人机自组织网络中，当目标链路进行通信时，隐藏节点只能通过物理载波检测机制判断信道变忙，不能通过虚拟载波检测机制获知信道忙碌的持续时间，隐藏节点会以一定的概率发起数据传输，从而导致目标链路接收数据冲突，降低实际的链路可用带宽。本发明重点考察隐藏节点发送数据对链路可用带宽的影响，对可用带宽初步估计值进行修正。
附图3给出了目标链路(S，R)可用带宽修正分析的网络场景，定义传输距离为Rtx，物理载波检测距离为Rcs，冲突距离为Rco。根据双线地面反射传播模型，接收节点R的接收功率Pr为(Ptht 2hr 2GtGr)/dSR 4，其中Pt为发送功率，Gt和Gr是发送节点和接收节点的天线增益，ht代表发送节点的天线高度，hr代表接收节点的天线高度，dSR代表链路节点S与R之间的距离。设信号接收功率门限为Prxth，载波检测功率门限为Pcsth，则传输距离为Rtx为(Ptht 2hr 2GtGr/Prxth)1/4，物理载波检测距离Rcs为(Ptht 2hr 2GtGr/Pcsth)1/4。
实际的数据传输中，节点的接收信噪比SNR大于信噪比门限值SNRth，接收节点就能成功接收信号。当节点接收数据时，如果与其距离为r的其它节点同时在发送数据，则节点正确接收数据的条件是：
定义满足上述条件的r的最小值为冲突距离Rco，即有
以接收节点R为圆心，Rco为半径的圆内区域即为接收节点的冲突干扰区域。对于给定的信噪比门限值SNRth，冲突干扰区域的大小与链路收发节点间的距离dSR成正比。
A1-A9九个区域按照发送节点S和接收节点R的传输范围、载波检测范围和冲突干扰范围进行划分，区域Ai(i＝1～9)不仅表示区域位置，还代表区域面积大小，其值与链路收发节点间距离有关。R的隐藏节点存在于区域A1和A2内，S的隐藏节点存在于区域A3和A4内，其中A2和A3内的节点发送信号会分别导致S和R接收数据冲突。
①发送节点S的隐藏节点导致接收节点R接收数据时产生冲突
假设一个预测周期T内，R侦听到区域A3内节点发送信号的持续总时长为T1，归一化值x1为T1/T，L(S，R)归一化的可用时长xa为TL(S，R)/T。实际使用全向天线进行通信时，在网络中业务流均匀分布的情况下，节点侦听周围信号功率大于冲突门限，小于接收门限的时长为T′1，定义Δ1为区域A3与环形区域π(Rco 2-Rtx 2)的面积比，则T1为Δ1×T′1。隐藏节点导致的冲突分析如附图4所示，当隐藏节点传输时间与链路可用时长重叠时，则会导致冲突发生。
情形1：0≤x1≤(1-2xa)
x1开始于预测周期起始的xa时间段内，该时间段等分为N份，每一份的概率为1/N。设x1开始于xa的第i份，则冲突概率p1，11表示为：
x1开始于xa后的(1-x1-xa)时间段时，概率p1，12表示为：
x1开始于(1-x1-xa)后的xa时间段时，p1，13＝p1，11，所以有
情形2：(1-2xa)＜x1≤(1-xa)
x1开始于预测周期起始的(1-xa-x1)时间段内，将(1-xa-x1)时间段划分为N等份，设x1开始于第i份，冲突概率p1，21表示为：
x1开始于(1-xa-x1)后的(2xa+x1-1)时间段时，概率p1，22表示为：
x1开始于(2xa+x1-1)后的(1-xa-x1)时间段时，p1，23＝p1，21，所以：
情形3：(1-xa)＜x1≤1，概率p1，3表示为：
综合以上3种情况，得到最终的冲突概率p1为
定义传输RTS帧、传输DATA帧、RTS帧与CTS帧交互过程占传输周期的比率依次为：kR＝tRTS/t，kD＝tDATA/t，kRC＝(tRTS+tCTS+2tSIFS)/t，用xR＝x1×tRTS/(tRTS+tDATA)和xD＝x1×tDATA/(tRTS+tDATA)来区分x1导致的RTS帧和DATA帧冲突，根据(17)式，RTS帧和DATA帧的冲突概率pRTS和pDATA表示为：
②发送节点S的隐藏节点导致接收节点R检测信道忙而不能应答CTS帧
节点R接收完RTS帧时，判断信道空闲才能应答CTS帧。如果节点R在接收到RTS帧时，位于A4区域内的节点正在发送数据，节点R将判断信道忙而放弃应答CTS帧，造成传输中断。节点S因接收不到CTS帧而重传，导致链路可用时长的浪费。
设T2是区域A4内节点S的隐藏节点发送信号的累计时间，归一化值x2为T2/T。节点R统计接收功率大于载波检测门限，小于冲突功率门限的信号持续总时长为T′2，Δ2是区域A4与环形区域π(Rcs 2-Rco 2)的面积比值，则T2＝Δ2×T′2。根据附图5中两种情形的分析，接收RTS帧结束时刻检测信道忙而不能回复CTS帧的概率pC计算如下：
情形1：x2＞(1-kRxa)
将起始的(1-x2)时间段划分为N等份，假设隐藏节点的数据传输开始于第i份，可以得到传输中断概率pC为：
情形2：0＜x2≤(1-kRxa)
图5(a)：隐藏节点在kRxa时间段开始传输数据，传输中断发生概率pC1为：
图5(b)，隐藏节点在(1-kRxa)时间段开始传输数据，传输中断发生概率pC2为：
结合两类子情形，得出情形2中传输中断发生的概率pC为：
综上，接收节点R收完RTS时由于信道忙而放弃应答CTS的概率pC为：
最后，通过去除隐藏节点导致的数据冲突和信道忙而不能回复CTS帧这两类情况对链路可用带宽造成的损耗，得到链路(S，R)修正后的链路可用带宽ABref(S，R)为：
ABref(S，R)＝ABpre(S，R)·(1-pC)·(1-pRTS)·(1-pDATA) (25)
其中pC、pRTS和pDATA分别代表隐藏节点导致的传输中断、RTS帧冲突和DATA帧冲突这三种情况发生的概率。
2、节点根据地理位置信息计算前进距离的具体方法如下：
接收节点接收到RTS帧后，根据RTS帧中携带的目的节点信息计算自身到目的节点的前进距离。记发送节点为NS，目的节点为ND，用Dist(NS，ND)表示发送节点到目的节点的距离，则对于任一中间转发节点Ni，其前进距离DF(Ni，ND)表示为：
DF(Ni，ND)＝Dist(NS，ND)-Dist(Ni，ND) (26)其中，DF(Ni，ND)∈(0，Rtx]，Rtx表示传输距离。用DFmin表示前进距离DF(Ni，ND)的最小值，则0＜DFmin＜Rtx，DF(Ni，ND)∈[DFmin，Rtx]，定义中间转发节点Ni的前进度fF(Ni，ND)如下
由上式可知，fF(Ni，ND)∈[0，1]。
3、节点根据可用带宽和前进距离判断能否作为转发节点，并计算出转发优先级，依据转发优先级设置应答CTS帧前的退避时间，具体方法如下：
(1)节点计算可用带宽和前进距离，判断是否能作为转发节点
如附图6所示，对于节点Ni，接收到发送节点广播的RTS帧后，计算自身到目的节点的前进距离，如果前进距离小于0，即自身与目的节点的距离较发送节点更远，则不能充当转发节点。如果前进距离不小于0，节点则根据RTS帧中携带的发送节点的可用时长信息Ts(NS)，Tr(NS)，计算与发送节点之间的链路可用带宽AB(NS，Ni)。
用RBF表示业务流的实际需求带宽RBF，定义可用带宽因子如下：
如果节点带宽因子fAB(NS，Ni)大于0，即本节点与发送节点间的剩余可用带宽大于业务流的实际需求带宽RBF，节点则判定自身可以作为当前数据帧的转发节点，向发送节点应答CTS帧。
(2)转发节点计算转发优先级，并依据转发优先级设置应答CTS帧前的退避时间
为了避免多个转发节点同时应答CTS帧产生冲突，ADOR引入CTS帧应答前的退避过程。首先综合转发节点的前进度和可用带宽因子，定义转发节点的转发优先级pri(NS，Ni)
pri(NS，Ni)＝α·fAB(NS，Ni)+(1-α)·fF(Ni，ND) (29)
其中α为加权权重系数，且α∈[0，1]，pri(NS，Ni)∈[0，1]。当转发节点使用最大可用带宽传输且前进距离与传输距离相等时，转发优先级最高，值为1。
转发节点按照转发优先级设置应答CTS帧前的退避时间tBFCTS
tBFCTS＝tsIFS+[1-pri(NS，Ni)]·twmax (30)
转发节点在退避时间内持续监听信道，如果信道保持空闲，则等退避完成后向发送节点应答CTS帧；如果退避时间内信道变忙，则取消应答CTS帧。
步骤3：发送节点接收到CTS帧后，将待发送DATA帧传递给应答CTS帧的节点。
发送节点在广播RTS帧后，开启定时器等待接收CTS帧。发送节点如果在定时器超时前成功接收到CTS帧，则将当前待发送DATA帧发送给应答CTS帧的节点，由应答CTS帧的节点继续将当前待发送DATA帧向待发送DATA帧的目的节点传递，并开启定时器等待接收ACK帧应答。发送节点如果等待CTS帧超时，则重新广播RTS帧，继续为当前待发送DATA帧寻找路由。如果多次重传RTS帧均未接收到CTS帧应答，发送节点则将当前待发送DATA帧丢弃，并继续尝试为下一个待发送DATA帧广播RTS帧发起路由请求。
步骤4：接收节点接收到DATA帧后，根据DATA帧的目的节点判断向本节点上层传递DATA帧，或者继续转发DATA帧。
接收节点接收到DATA帧后，向发送节点应答ACK帧，并解析DATA帧的目的节点。如果本节点即为DATA帧的目的节点，节点则将DATA帧传递给本节点的上层。如果本节点不是DATA帧的目的节点，节点则缓存当前DATA帧，并广播RTS帧继续为当前DATA帧发起路由请求，等收到CTS帧路由应答后，转发当前DATA帧。
步骤5：发送节点处理ACK帧。
发送节点如果在等待ACK帧定时器超时前接收到ACK帧，则将当前DATA帧释放，并继续尝试为下一个待发送DATA帧广播RTS帧发起路由请求。如果等待ACK帧超时，则重新广播RTS帧，继续为当前待发送DATA帧寻找路由。如果多次重传DATA帧均未接收到ACK帧应答，发送节点则将当前待发送DATA帧丢弃，并继续尝试为下一个待发送DATA帧广播RTS帧发起路由请求。
本发明申请书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (4)

1.一种基于链路可用带宽预测和前进距离的无人机自组网机会路由算法，所采用的步骤是：
步骤1：当节点网络层有数据分组需要发送时，节点网络层将数据分组交付给MAC层，由MAC层缓存当前数据分组，并广播RTS帧发起路由请求过程，发送节点在广播RTS帧之前，通过载波检测机制侦听信道，如果信道持续空闲DIFS时间，则进行发送前的随机退避过程，待退避完成后，向邻居节点广播RTS帧，并开启定时器等待接收CTS帧，节点若在等待DIFS时间或者随机退避过程中信道变忙，则暂停等待或者随机退避过程，并继续监听信道，等到信道再次空闲DIFS时间，并且随机退避过程结束后，节点继续为当前数据帧广播RTS帧发起路由请求过程，RTS帧中包含了待发送数据帧的目的节点信息；
步骤2：接收节点接收到RTS帧后，解析RTS帧请求的目的节点信息，如果自身即为RTS帧请求的目的节点，则直接向发送节点发送CTS帧完成路由应答；如果自身不是RTS帧请求目的节点，则采用基于感知的测量方法，预测链路剩余可用带宽，并根据地理位置信息计算前进距离，然后根据可用带宽和前进距离判断是否能作为转发节点转发当前数据帧，节点如果判定自身能作为转发节点，则进一步计算转发优先级，依据转发优先级设置发送CTS帧前的退避时间，竞争发送CTS帧完成路由应答；
步骤3：发送节点在广播RTS帧后，开启定时器等待接收CTS帧，发送节点如果在定时器超时前成功接收到CTS帧，则将当前待发送DATA帧发送给应答CTS帧的节点，由应答CTS帧的节点继续将当前待发送DATA帧向待发送DATA帧的目的节点传递，并开启定时器等待接收ACK帧应答；发送节点如果等待CTS帧超时，则重新广播RTS帧，继续为当前待发送DATA帧寻找路由，如果多次重传RTS帧均未接收到CTS帧应答，发送节点则将当前待发送DATA帧丢弃，并继续尝试为下一个待发送DATA帧广播RTS帧发起路由请求；
步骤4：接收节点接收到DATA帧后，向发送节点应答ACK帧，并解析DATA帧的目的节点，如果本节点即为DATA帧的目的节点，节点则将DATA帧传递给本节点的上层，如果本节点不是DATA帧的目的节点，节点则缓存当前DATA帧，并广播RTS帧继续为当前DATA帧发起路由请求，等收到CTS帧路由应答后，转发当前DATA帧；
步骤5：发送节点如果在等待ACK帧定时器超时前接收到ACK帧，则将当前DATA帧释放，并继续尝试为下一个待发送DATA帧广播RTS帧发起路由请求，如果等待ACK帧超时，则重新广播RTS帧，继续为当前待发送DATA帧寻找路由，如果多次重传DATA帧均未接收到ACK帧应答，发送节点则将当前待发送DATA帧丢弃，并继续尝试为下一个待发送DATA帧广播RTS帧发起路由请求。
2.根据权利要求1所述的一种基于链路可用带宽预测和前进距离的无人机自组网机会路由算法，其特征在于节点采用基于感知的测量方法，预测链路剩余可用带宽的具体方法为：
(1)计算链路最大吞吐量
链路最大吞吐量thpmax定义为链路层在不受其它业务影响的情况下能获得的最大吞吐量，可以依据MAC层规约通过计算获得，用L(S，R)表示发送节点S和接收节点R组成的传输链路，定义传输周期t为链路成功完成一次数据传输所需要的时间，表示为：
t＝td1+td2+td3 (1)
时间段td1、td2、td3表示为：
其中，时间段td1由退避过程(BackOff，BO)经历的平均时间E(tBO)和分布式帧间间隔(Distributed Interframe Space，DIFS)时间tDIFS组成；td2包括RTS帧传输时间tRTS、CTS帧传输时间tCTS、短帧间间隔(Short Interframe Space，SIFS)时间tSIFS和竞争应答CTS帧的最大退避选择窗口时间twmax；时间段td3包括DATA帧和ACK帧的传输时间tDATA和tACK，以及两个短帧间间隔；RTS帧、CTS帧以及DATA帧和ACK帧的传输时间与帧的大小以及信道速率C有关；
用LDATA表示DATA帧的大小，在传输周期t内链路L(S，R)能够获得的最大吞吐量thpmax计算为：
链路最大吞吐量thpmax即为网络中一条链路的可用带宽的上限值ABmax；
(2)统计发送可用时长和接收可用时长
为了计算链路可用带宽，链路发送/接收节点首先通过载波检测机制统计各自的发送可用时长和接收可用时长，定义节点发送可用时长Ts为节点物理层和MAC层均处于空闲状态时，空闲时间大于tDIFS的时间之和；接收可用时长Tr为节点MAC层处于空闲状态，物理层侦听信道噪声功率小于冲突功率门限的时间之和，在一个预测周期T内，网络中每个节点利用自身载波检测机制，统计出各自发送可用时长Ts和接收可用时长Tr，具体过程如下：
在每个预测周期开始时，网络中节点将各自的总发送可用时长和总接收可用时长设置为0，并将空闲时长计时器设为0，网络运行过程中，节点通过物理载波检测机制和虚拟载波检测机制监听信道，若节点物理载波检测机制检测到信道由忙变为空闲，且MAC层处于空闲状态，则启用空闲时长计时器；当信道由空闲变忙或者当前预测周期结束时，关闭空闲时长计时器，并计算空闲时长持续时间，然后，通过虚拟载波检测机制计算信道忙碌的时长，若计时器开启时，信道处于忙碌状态，则在原有的空闲时长持续时间上减去该段信道忙碌的时长，再将修改后的空闲时长持续时间与tDIFS进行比较，当发送可用时长持续时间大于tDIFS，且MAC层处于空闲状态时，将该段空闲时长累加到总发送可用时长；当接收可用时长持续时间大于0，且MAC层处于空闲状态时，将该段空闲时长累加到总接收可用时长，预测结束时，获得总发送可用时长和总接收可用时长；
发送节点在广播RTS帧时，即将自身的发送可用时长Ts和接收可用时长Tr信息捎带广播告知邻居节点；
(3)链路可用带宽的预估计
通过发送和接收可用时长统计算法，获得L(S，R)发送节点S的发送可用时长Ts(S)和接收节点R的接收可用时长Tr(R)，链路可用时长TL(S，R)为链路的发送节点发送数据时，对应的接收节点能够接收数据的可用时长，即发送、接收同步的可用时长；由于其它节点的业务在无线信道中随机接入的干扰，使得链路收发节点的可用时长存在不同步现象，导致链路可用时长的损耗，从而降低链路可用带宽；
用事件CE1表示发送节点S能够发送数据，而接收节点R不能接收；事件CE2表示发送节点S不能够发送数据，而接收节点R能够接收，事件CE1和CE2的概率可近似计算为：
通过去除因发送节点和接收节点可用时长不同步情况导致的可用时长损耗，得到链路可用时长TL(S，R)为：
TL(S，R)＝min{[1-P(CE1)]·Ts(S)，[1-P(CE2)]·Tr(R)} (6)
在每个预测周期T内，根据链路的最大吞吐量ABmax，链路L(S，R)的可用带宽初步估计值ABpre计算为：
(4)链路可用带宽的修正
在基于DCF协议的无人机自组织网络中，当目标链路进行通信时，处在发送节点无线信号覆盖范围外接收节点无线信号覆盖范围内的节点，即接收节点的隐藏节点，只能通过物理载波检测机制判断信道变忙，不能通过虚拟载波检测机制获知信道忙碌的持续时间，隐藏节点会以一定的概率发起数据传输，从而导致目标链路接收数据冲突，降低实际的链路可用带宽，因而需要考虑隐藏节点发送数据对链路可用带宽的影响，对可用带宽初步估计值进行修正；
定义传输距离为Rtx，物理载波检测距离为Rcs，冲突距离为Rco，根据双线地面反射传播模型，接收节点R的接收功率Pr为(ptht 2hr 2GtGr)/dSR 4，其中Pt为发送功率，Gt和Gr是发送节点和接收节点的天线增益，ht代表发送节点的天线高度，hr代表接收节点的天线高度，dSR代表链路节点S与R之间的距离，设信号接收功率门限为Prxth，载波检测功率门限为Pcsth，则传输距离为Rtx为(Ptht 2hr 2GtGr/Prxth)1/4，物理载波检测距离Rcs为(Ptht 2hr 2GtGr/Pcsth)1/4；
实际的数据传输中，节点的接收信噪比SNR大于信噪比门限值SNRth，接收节点就能成功接收信号，当节点接收数据时，如果与其距离为r的其它节点同时在发送数据，则节点正确接收数据的条件是：
定义满足上述条件的r的最小值为冲突距离Rco，即有
以接收节点R为圆心，Rco为半径的圆内区域即为接收节点的冲突干扰区域，对于给定的信噪比门限值SNRth，冲突干扰区域的大小与链路收发节点间的距离dSR成正比；
对于目标链路(S，R)，定义A1-A4四个区域，区域Ai(i＝1～4)不仅表示区域位置，还代表区域面积大小，其值与链路收发节点间距离有关：
A1：接收节点R的隐藏节点中不会引起发送节点S产生冲突的节点所处的区域；
A2：接收节点R的隐藏节点中会引起发送节点S产生冲突的节点所处的区域；
A3：发送节点S的隐藏节点中不会引起接收节点R产生冲突的节点所处的区域；
A4：发送节点S的隐藏节点中会引起接收节点R产生冲突的节点所处的区域；
①发送节点S的隐藏节点导致接收节点R接收数据时产生冲突
假设一个预测周期T内，R侦听到区域A3内节点发送信号的持续总时长为T1，归一化值x1为T1/T，L(S，R)归一化的可用时长xa为TL(S，R)/T，实际使用全向天线进行通信时，在网络中业务流均匀分布的情况下，节点侦听周围信号功率大于冲突门限，小于接收门限的时长为T′1，定义Δ1为区域A3与环形区域π(Rco 2-Rtx 2)的面积比，则T1为Δ1×T′1，当隐藏节点传输时间与链路可用时长重叠时，则会导致冲突发生；
情形1：0≤x1≤(1-2xa)
x1开始于预测周期起始的xa时间段内，该时间段等分为N份，每一份的概率为1/N，设x1开始于xa的第i份，则冲突概率p1，11表示为：
x1开始于xa后的(1-x1-xa)时间段时，概率p1，12表示为：
x1开始于(1-x1-xa)后的xa时间段时，p1，13＝p1，11，所以有
情形2：(1-2xa)＜x1≤(1-xa)
x1开始于预测周期起始的(1-xa-x1)时间段内，将(1-xa-x1)时间段划分为N等份，设x1开始于第i份，冲突概率p1，21表示为：
x1开始于(1-xa-x1)后的(2xa+x1-1)时间段时，概率p1，22表示为：
x1开始于(2xa+x1-1)后的(1-xa-x1)时间段时，p1，23＝p1，21，所以：
情形3：(1-xa)＜x1≤1，概率p1，3表示为：
综合以上3种情况，得到最终的冲突概率p1为
定义传输RTS帧、传输DATA帧、RTS帧与CTS帧交互过程占传输周期的比率依次为：kR＝tRTS/t，kD＝tDATA/t，kRC＝(tRTS+tCTS+2tSIFS)/t，用xR＝x1×tRTS/(tRTS+tDATA)和xD＝x1×tDATA/(tRTS+tDATA)来区分x1导致的RTS帧和DATA帧冲突，根据(17)式，RTS帧和DATA帧的冲突概率pRTS和pDATA表示为：
②发送节点S的隐藏节点导致接收节点R检测信道忙而不能应答CTS帧
节点R接收完RTS帧时，判断信道空闲才能应答CTS帧，如果节点R在接收到RTS帧时，位于A4区域内的节点正在发送数据，节点R将判断信道忙而放弃应答CTS帧，造成传输中断，节点S因接收不到CTS帧而重传，导致链路可用时长的浪费；
设T2是区域A4内节点S的隐藏节点发送信号的累计时间，归一化值x2为T2/T，节点R统计接收功率大于载波检测门限，小于冲突功率门限的信号持续总时长为T′2，Δ2是区域A4与环形区域π(Rcs 2-Rco 2)的面积比值，则T2＝Δ2×T′2，接收RTS帧结束时刻检测信道忙而不能回复CTS帧的概率pC计算如下：
情形1：x2＞(1-kRxa)
将起始的(1-x2)时间段划分为N等份，假设隐藏节点的数据传输开始于第i份，可以得到传输中断概率pC为：
情形2：0＜x2≤(1-kRxa)
隐藏节点在kRxa时间段开始传输数据，传输中断发生概率pC1为：
隐藏节点在(1-kRxa)时间段开始传输数据，传输中断发生概率pC2为：
结合两类子情形，得出情形2中传输中断发生的概率pC为：
综上，接收节点R收完RTS时由于信道忙而放弃应答CTS的概率pC为：
最后，通过去除隐藏节点导致的数据冲突和信道忙而不能回复CTS帧这两类情况对链路可用带宽造成的损耗，得到链路(S，R)修正后的链路可用带宽ABref(S，R)为：
ABref(S，R)＝ABpre(S，R)·(1-pC)·(1-pRTS)·(1-pDATA) (25)
其中pC、pRTS和pDATA分别代表隐藏节点导致的传输中断、RTS帧冲突和DATA帧冲突这三种情况发生的概率。
3.根据权利要求1所述的一种基于链路可用带宽预测和前进距离的无人机自组网机会路由算法，其特征在于节点根据地理位置信息计算前进距离的具体方法为：
接收节点接收到RTS帧后，根据RTS帧中携带的目的节点信息计算自身到目的节点的前进距离，记发送节点为NS，目的节点为ND，用Dist(NS，ND)表示发送节点到目的节点的距离，则对于任一中间转发节点Ni，其前进距离DF(Ni，ND)表示为：
DF(Ni，ND)＝Dist(NS，ND)-Dist(Ni，ND) (26)
其中，DF(Ni，ND)∈(0，Rtx]，Rtx表示传输距离，用DFmin表示前进距离DF(Ni，ND)的最小值，则0＜DFmin＜Rtx，DF(Ni，ND)∈[DFmin，Rtx]，定义中间转发节点Ni的前进度fF(Ni，ND)如下
由上式可知，fF(Ni，ND)∈[0，1]。
4.根据权利要求1所述的一种基于链路可用带宽预测和前进距离的无人机自组网机会路由算法，其特征在于节点根据可用带宽和前进距离判断能否作为转发节点，并计算出转发优先级，依据转发优先级设置应答CTS帧前的退避时间的具体方法为：
(1)节点计算可用带宽和前进距离，判断是否能作为转发节点
对于节点Ni，接收到发送节点广播的RTS帧后，计算自身到目的节点的前进距离，如果前进距离小于0，即自身与目的节点的距离较发送节点更远，则不能充当转发节点，如果前进距离不小于0，节点则根据RTS帧中携带的发送节点的可用时长信息Ts(NS)，Tr(NS)，计算与发送节点之间的链路可用带宽AB(NS，Ni)；
用RBF表示业务流的实际需求带宽RBF，定义可用带宽因子如下：
如果节点带宽因子fAB(NS，Ni)大于0，即本节点与发送节点间的剩余可用带宽大于业务流的实际需求带宽RBF，节点则判定自身可以作为当前数据帧的转发节点，向发送节点应答CTS帧；
(2)转发节点计算转发优先级，并依据转发优先级设置应答CTS帧前的退避时间
为了避免多个转发节点同时应答CTS帧产生冲突，本发明引入CTS帧应答前的退避过程，首先综合转发节点的前进度和可用带宽因子，定义转发节点的转发优先级pri(NS，Ni)
pri(NS，Ni)＝α·fAB(NS，Ni)+(1-α)·fF(Ni，ND) (29)
其中α为加权权重系数，且α∈[0，1]，pri(NS，Ni)∈[0，1]，当转发节点使用最大可用带宽传输且前进距离与传输距离相等时，转发优先级最高，值为1；
转发节点按照转发优先级设置应答CTS帧前的退避时间tBFCTS
tBFCTS＝tSIFS+[1-pri(NS，Ni)]·twmax (30)
转发节点在退避时间内持续监听信道，如果信道保持空闲，则等退避完成后向发送节点应答CTS帧；如果退避时间内信道变忙，则取消应答CTS帧。
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