CN111556550A

CN111556550A - 无人机网络通信的路由方法

Info

Publication number: CN111556550A
Application number: CN202010417042.0A
Authority: CN
Inventors: 曹余健; 杨清海; 李静磊
Original assignee: Xidian University
Current assignee: Xidian University
Priority date: 2020-03-17
Filing date: 2020-05-18
Publication date: 2020-08-18
Anticipated expiration: 2040-05-18
Also published as: CN111556550B

Abstract

本发明涉及一种无人机网络通信的路由方法，步骤如下：1、随机部署无人机网络节点；2、节点之间交互链路信息和节点信息以进行链路感知和邻居发现；3、根据链路信息和节点信息选举出簇首节点；4、非簇首节点向簇首节点发送加入请求，簇首节点接收到加入请求后建立簇内拓扑结构信息；5、各簇首节点将簇内拓扑结构信息通知到簇内的非簇首节点，让簇内的非簇首节点建立簇内拓扑结构；每个簇首节点向其它簇首节点发送表明自己是簇首的信息，簇首节点间建立簇首网络拓扑结构；6、根据链路信息、节点信息和簇内拓扑结构建立路由表。本发明的可拓展性好，网络的稳定性和实时性强，能量消耗少，特别适用于大规模无人机网络通信。

Description

无人机网络通信的路由方法

(一)、技术领域：

本发明涉及一种网络通信的路由方法，特别涉及一种无人机网络通信的路由方法。

(二)、背景技术：

无人机具有成本低、机动性高、隐蔽性好以及适应性强等特点，被广泛应用于军事和民用领域中。目前的无人机应用，基本上是单机执行任务，局限性比较大，生存性低并且不利于扩展，在执行任务时就会面临诸多限制，并且随着网络的发展和信息的数字化，人们对信息的处理能力和传输时延提出了更高的要求，因此无人机的应用逐渐从单机向多机协同完成复杂任务的方向发展。要实现无人机的多机协同，必须实现多机之间的稳定通信。

针对无人机的网络通信，比较适合的是Ad Hoc网络路由方法。Ad Hoc网络作为一种自组织网络，可以实现节点间多跳传输、分布式管理以及动态网络拓扑结构而适用于以无人机作为无线网络通信节点的组网环境。现有技术中主要有以下几类路由算法：

一是表驱动式路由算法，其特点是需要时刻维护一种连续的、不断更新的、到网络中其他节点的路由表，根据路由表查找路径以完成节点间的数据传输。因此，无论是否存在通信需求，节点都会掌握到网络中所有节点的路由。这样使得该算法具有传输时延小的优点，当需要向某个节点传输数据时，只要存在去往该节点的路由就可以立即传输数据，非常适合于有实时性要求的应用。但缺点是为了保持路由表更新及时准确反映当前网络拓扑，路由协议开销较大。该类协议的主要代表有OLSR和DSDV等。

二是按需路由算法，其特点是当且仅当节点有实际的通信需求时，源节点才会建立到达目的节点的路由，整个协议从发起通信到结束通信的过程中总共有三个部分，分别是路由发现、路由维护和路由拆除。这种算法的节点仅需要掌握通信所需要的那部分网络拓扑和路由，与表驱动路由相比无需周期性广播控制消息，因此能够有效节省网络带宽资源，降低路由开销，但网络时延会随路由发现过程而增长。典型的反应式路由协议有AODV、DSR和TORA等。

三是分簇路由算法，其特点是按照某种分簇算法将整个通信网络分成几个簇，每个簇由一个簇首节点和多个簇成员节点组成。簇首节点负责管理和维护簇结构，收集其他簇首节点和簇内节点的信息，同时可以控制簇内节点的业务接入请求并合理分配网络资源。而所有簇成员节点只负责信息的采集和发送，并借助簇首实现与网络中其它节点的连接。其优点在于网络规模不受限制，可扩充性好，而且由于分簇，路由开销相对小一些，具有较高的系统吞吐量，但缺点是选择簇首节点会带来一定的网络开销，并且簇首是网络的枢纽，其可靠性和稳定性将决定网络的整体性能。典型的路由协议有ZRP和CBRP等。

上述几类路由算法，虽然各自有其在应用上的优势，但并不适合具有移动速度快、拓扑变化频繁、节点能量有限以及网络通信实时性强等特点的无人机网络。

(三)、发明内容：

本发明要解决的技术问题是：提供一种无人机网络通信的路由方法，该方法的可拓展性好，网络的稳定性和实时性强，能量消耗少，特别适用于大规模无人机网络通信。

本发明的技术方案：

一种无人机网络通信的路由方法，含有以下步骤：

步骤1、随机部署无人机网络节点；

步骤2、无人机网络节点之间交互链路信息和节点信息以进行链路感知和邻居发现；

步骤3、无人机网络节点根据链路信息和节点信息选举出簇首节点，未被选为簇首节点的无人机网络节点为非簇首节点；

步骤4、非簇首节点向簇首节点发送加入请求，簇首节点接收到加入请求后建立簇内拓扑结构信息；

步骤5、各簇首节点将自己建立的簇内拓扑结构信息通知到簇内的非簇首节点，让簇内的非簇首节点建立簇内拓扑结构；每个簇首节点向其它簇首节点发送表明自己是簇首的信息，簇首节点间建立簇首网络拓扑结构；

步骤6、根据链路信息、节点信息和簇内拓扑结构建立路由表。

步骤6完成后，当发生无人机网络节点的加入、移动或离开时，无人机网络节点通过发送信息来维护簇内拓扑结构和路由表。

步骤2中，无人机网络节点通过HELLO分组的交互进行链路感知；比如：当节点A收到节点B发送的HELLO分组时，标记节点B为邻居节点，该链路为单向链路，并在广播HELLO分组时加入此信息；而当节点B在收到节点A的HELLO分组时，就包含节点B是节点A的非对称单向链路状态的邻居节点的信息，节点B就会将节点A的链路状态更新为对称双向链路状态，并根据此信息广播HELLO分组；当节点A再次收到节点B的HELLO分组时，包含了节点A是节点B的对称双向链路状态的邻居节点信息，便可将节点B的链路状态更新为对称双向状态；此时完成链路感知工作；

在链路感知的同时，无人机网络节点通过HELLO分组的报头收集并记录邻居节点的信息，完成邻居发现工作。

步骤3中，链路信息是表示两节点之间的链路状态的信息，链路状态含有对称双向链路状态和非对称单向链路状态；对称双向链路状态表示两节点之间能互相接收到对方的消息，非对称单向链路状态表示只有一方节点能接收到对方的消息；

节点信息含有节点ID、节点剩余能量、节点移动速度和节点连接度；节点ID是节点在网络中的唯一标识号，节点连接度即节点的邻居节点的数量，通过节点剩余能量和节点移动速度来判断节点成为簇首的意愿的大小；

选择一个簇内权值W_i最大的节点作为簇首节点，若权值W_i最大的节点数量超过一个，则选择权值W_i最大的节点中节点ID最小的节点作为簇首节点；

节点的权值W_i的计算公式如下：

W_i＝w₁*H_i+w₂*D_i，w₁+w₂＝1，

式中，H_i表示节点成为簇头的意愿，D_i表示节点连接度，w₁、w₂分别表示H_i和D_i的权重值；权重值一般是通过大量试验寻找出最优结果的方式来确定的。

步骤4中，当一个非簇首节点收到其它节点的加入簇的请求消息时，则该非簇首节点成为一个新簇的簇首节点，该非簇首节点原来申请加入的簇称为旧簇，该非簇首节点告知旧簇的簇首节点后，旧簇的簇首节点将该非簇首节点从簇内拓扑结构中删除。

步骤4中，非簇首节点向其选择的簇首节点发送CLU分组，请求加入该簇，簇首节点接收到该CLU分组后，将其记录到簇内拓扑结构信息中；

在簇建立阶段，当一个非簇首节点接收到其它节点发送的申请加入簇的CLU分组时，则说明该非簇首节点是其它节点所选择的簇首节点，应该在该非簇首节点原来申请加入的旧簇之外建立新簇，该非簇首节点成为新的簇首节点，并且该非簇首节点将选择其作为簇首的节点记录在新簇的簇内拓扑结构信息中，然后该非簇首节点发送CLU分组告知旧簇的簇首节点，旧簇的簇首节点将该非簇首节点从簇内拓扑结构中删除。

步骤5中，当簇首节点建立好簇内拓扑结构信息后，通过TC分组告知簇内的非簇首节点，簇内的非簇首节点根据簇首节点广播的TC分组的信息建立本簇的簇内拓扑结构；各簇首节点间通过CLU分组的交互建立簇首网络拓扑结构。

步骤6中，先将同一簇内的邻居节点加入到路由表中，跳数为1；再将同一簇内的非邻居节点加入到路由表中，跳数为2；簇首节点将其它邻居簇首节点加入路由表中，跳数为1。

步骤6完成后，当有无人机网络节点加入簇时，欲加入的无人机网络节点先侦听到各簇首节点广播的信息分组(如：HELLO分组)，然后通过接收到的信息分组(如：HELLO分组)报头信息计算每个簇首节点的权值W_i，选取权值W_i最大的那个簇首节点所在的簇作为要加入的簇，向该权值W_i最大的簇首节点发送加入簇的请求；该新加入的无人机网络节点不会挑战现有簇首节点的地位，即使该新加入的无人机网络节点具有较大的权重；

当一个簇内的非簇首节点移动到另一个簇时，该非簇首节点向该另一个簇的簇首节点发送加入簇的请求，该另一个簇的簇首节点将该非簇首节点添加到簇内拓扑结构信息中并广播给簇内成员；当一个簇首节点移动到其它簇时，需要和其它簇中原有的簇首节点进行竞争，权值W_i大的节点作为簇首节点，权值W_i小的节点成为非簇首节点；

当一个簇内的非簇首节点退出簇时，对网络影响较小，该簇中的各节点维护的与该非簇首节点相关的本地链路表项就会失效，然后各节点就会删除相关表项，并重新计算路由表；簇首节点退出簇时，会引发网络局部区域的簇首选举事件，因此，当一个簇内的簇首节点退出簇前，先从簇内选择一个权值W_i最大的非簇首节点作为新的簇首节点，并广播消息分组(如：CLU分组)给本簇的非簇首节点和其它簇的簇首节点，本簇的非簇首节点对簇内拓扑结构进行修改，其它簇的簇首节点向该新的簇首节点发送消息分组(如：CLU分组)，该新的簇首节点将接收到的信息添加到簇首拓扑表中，这样可以最大限度地减少网络重构引起的控制开销。

本发明的有益效果：

1﹑本发明采用分簇的网络拓扑结构，可拓展性好，网络规模不受限制，更容易实现对高动态性网络的管理，能够提高对共享资源的利用和管理，更好地保障网络通信服务质量，提高网络服务的稳定性和实时性，特别适用于大规模无人机网络通信。

2﹑本发明采用的分簇方法综合考虑节点剩余能量、节点连接度和移动性等因素，可以选举出合适的簇首以合理分配网络资源，提高簇结构的稳定性，降低网络整体的能量消耗，延长网络生存周期。

3﹑本发明采用周期性选举簇首的方法，可以适应动态变化的网络环境，具有很强的抗毁性。

4﹑本发明将控制分组泛洪范围限制在簇内，缩减了控制分组大小，减少信息传输跳数，能够有效降低网络开销。

5﹑本发明采用表驱动式路由机制(OLSR协议的原理)，通过节点时刻维护一张路由表的方式，能够有效降低传输时延，满足无人机网络实时性强的要求。

(四)、附图说明：

图1为本发明的网络拓扑结构图；

图2为500m×500m环境下网络端到端平均时延曲线仿真结果对比图；

图3为网络吞吐量曲线仿真结果对比图；

图4为网络分组投递率曲线仿真结果对比图；

图5为网络丢包率曲线仿真结果对比图；

图6为网络总体剩余能量曲线仿真结果对比图。

(五)、具体实施方式：

无人机网络通信的路由方法含有以下步骤：

步骤1、随机部署无人机网络节点；

步骤5、各簇首节点将自己建立的簇内拓扑结构信息通知到簇内的非簇首节点，让簇内的非簇首节点建立簇内拓扑结构；每个簇首节点向其它簇首节点发送表明自己是簇首的信息，簇首节点间建立簇首网络拓扑结构；此时，整个网络的拓扑结构就建立完成，如图1所示，1表示簇首节点，2表示簇首网络，3表示簇，4表示非簇首节点；

步骤2中，无人机网络节点通过HELLO分组的交互进行链路感知；比如：当节点A收到节点B发送的HELLO分组时，标记节点B为邻居节点，该链路为单向链路，并在广播HELLO分组时加入此信息；而当节点B在收到节点A的HELLO分组时，就包含节点B是节点A的非对称单向链路状态的邻居节点的信息，节点B就会将节点A的链路状态更新为对称双向链路状态，并根据此信息广播HELLO分组；当节点A再次收到节点B的HELLO分组时，包含了节点A是节点B的对称双向链路状态的邻居节点信息，便可将节点B的链路状态更新为对称双向状态；此时完成链路感知工作；HELLO分组格式如表1所示：

表1

节点信息含有节点ID、节点剩余能量、节点移动速度和节点连接度；节点ID是节点在网络中的唯一标识号，节点连接度即节点的邻居节点的数量，通过节点剩余能量和节点移动速度来判断节点成为簇首的意愿的大小，节点成为簇首的意愿分多个级别，具体如表2所示：

表2

成为簇首的意愿	能量低	能量中	能量高
				低速状态	WILL_DEFAULT	WILL_HIGH	WILL_ALWAYS
中速状态	WILL_LOW	WILL_DEFAULT	WILL_HIGH
				高速状态	WILL_NEVER	WILL_LOW	WILL_DEFAULT

节点的权值W_i的计算公式如下：

W_i＝w₁*H_i+w₂*D_i，w₁+w₂＝1，

步骤4中，非簇首节点向其选择的簇首节点发送CLU分组，请求加入该簇，簇首节点接收到该CLU分组后，将其记录到簇内拓扑结构信息中；CLU分组格式如表3所示：

表3

步骤5中，当簇首节点建立好簇内拓扑结构信息后，通过TC分组告知簇内的非簇首节点，簇内的非簇首节点根据簇首节点广播的TC分组的信息建立本簇的簇内拓扑结构；各簇首节点间通过CLU分组的交互建立簇首网络拓扑结构。TC分组格式如表4所示：

表4

步骤6完成后，当有无人机网络节点加入簇时，欲加入的无人机网络节点先侦听到各簇首节点广播的HELLO分组，然后通过接收到的HELLO分组报头信息计算每个簇首节点的权值W_i，选取权值W_i最大的那个簇首节点所在的簇作为要加入的簇，向该权值W_i最大的簇首节点发送加入簇的请求；该新加入的无人机网络节点不会挑战现有簇首节点的地位，即使该新加入的无人机网络节点具有较大的权重；

当一个簇内的非簇首节点退出簇时，对网络影响较小，该簇中的各节点维护的与该非簇首节点相关的本地链路表项就会失效，然后各节点就会删除相关表项，并重新计算路由表；簇首节点退出簇时，会引发网络局部区域的簇首选举事件，因此，当一个簇内的簇首节点退出簇前，先从簇内选择一个权值W_i最大的非簇首节点作为新的簇首节点，并广播CLU分组给本簇的非簇首节点和其它簇的簇首节点，本簇的非簇首节点对簇内拓扑结构进行修改，其它簇的簇首节点向该新的簇首节点发送CLU分组，该新的簇首节点将接收到的信息添加到簇首拓扑表中，这样可以最大限度地减少网络重构引起的控制开销。

对本发明的路由方法MEDA-OLSR进行仿真：在500m×500m的实验环境中，运用NS-3仿真软件，对MEDA-OLSR、OLSR、AODV进行仿真并比较性能，仿真结果如图2～图6所示，从中可以看出，本发明的路由方法MEDA-OLSR相较于现有的路由算法而言，具有延时小、吞吐量高、分组投递率高和丢包率低等特点，本发明通过分簇算法合理分配能量资源，降低能量消耗，延长了网络的生存周期。

Claims

1.一种无人机网络通信的路由方法，其特征是：含有以下步骤：

步骤1、随机部署无人机网络节点；

2.根据权利要求1所述的无人机网络通信的路由方法，其特征是：所述步骤6完成后，当发生无人机网络节点的加入、移动或离开时，无人机网络节点通过发送信息来维护簇内拓扑结构和路由表。

3.根据权利要求1所述的无人机网络通信的路由方法，其特征是：所述步骤2中，无人机网络节点通过HELLO分组的交互进行链路感知；在链路感知的同时，无人机网络节点通过HELLO分组的报头收集并记录邻居节点的信息，完成邻居发现工作。

4.根据权利要求1或2所述的无人机网络通信的路由方法，其特征是：所述步骤3中，链路信息是表示两节点之间的链路状态的信息，链路状态含有对称双向链路状态和非对称单向链路状态；节点信息含有节点ID、节点剩余能量、节点移动速度和节点连接度；节点ID是节点在网络中的唯一标识号，节点连接度即节点的邻居节点的数量，通过节点剩余能量和节点移动速度来判断节点成为簇首的意愿的大小；

节点的权值W_i的计算公式如下：

W_i＝w₁*H_i+w₂*D_i，w₁+w₂＝1，

式中，H_i表示节点成为簇头的意愿，D_i表示节点连接度，w₁、w₂分别表示H_i和D_i的权重值。

5.根据权利要求1所述的无人机网络通信的路由方法，其特征是：所述步骤4中，当一个非簇首节点收到其它节点的加入簇的请求消息时，则该非簇首节点成为一个新簇的簇首节点，该非簇首节点原来申请加入的簇称为旧簇，该非簇首节点告知旧簇的簇首节点后，旧簇的簇首节点将该非簇首节点从簇内拓扑结构中删除。

6.根据权利要求5所述的无人机网络通信的路由方法，其特征是：所述步骤4中，非簇首节点向其选择的簇首节点发送CLU分组，请求加入该簇，簇首节点接收到该CLU分组后，将其记录到簇内拓扑结构信息中。

7.根据权利要求1所述的无人机网络通信的路由方法，其特征是：所述步骤5中，当簇首节点建立好簇内拓扑结构信息后，通过TC分组告知簇内的非簇首节点，簇内的非簇首节点根据簇首节点广播的TC分组的信息建立本簇的簇内拓扑结构；各簇首节点间通过CLU分组的交互建立簇首网络拓扑结构。

8.根据权利要求1所述的无人机网络通信的路由方法，其特征是：所述步骤6中，先将同一簇内的邻居节点加入到路由表中，跳数为1；再将同一簇内的非邻居节点加入到路由表中，跳数为2；簇首节点将其它邻居簇首节点加入路由表中，跳数为1。

9.根据权利要求4所述的无人机网络通信的路由方法，其特征是：所述步骤6完成后，当有无人机网络节点加入簇时，欲加入的无人机网络节点先侦听到各簇首节点广播的信息分组，然后通过接收到的信息分组报头信息计算每个簇首节点的权值W_i，选取权值W_i最大的那个簇首节点所在的簇作为要加入的簇，向该权值W_i最大的簇首节点发送加入簇的请求；

当一个簇内的非簇首节点退出簇时，该簇中的各节点维护的与该非簇首节点相关的本地链路表项就会失效，然后各节点就会删除相关表项，并重新计算路由表；当一个簇内的簇首节点退出簇前，先从簇内选择一个权值W_i最大的非簇首节点作为新的簇首节点，并广播消息分组以给本簇的非簇首节点和其它簇的簇首节点，本簇的非簇首节点对簇内拓扑结构进行修改，其它簇的簇首节点向该新的簇首节点发送消息分组，该新的簇首节点将接收到的信息添加到簇首拓扑表中。