CN112929940B - 一种基于链路生存时间预测的无人机自组网组播路由方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于链路生存时间预测的无人机自组网组播路由方法，该方法在路由建立阶段，先根据相邻节点间距离的变化情况预测邻居节点间剩余链路生存时间，再基于预测结果并结合路由跳数、剩余能量等因素对链路质量做出综合评价，选出最佳中继节点以提高路由的可靠性；在数据传输阶段，通过局部路由修复与全局路由刷新相结合的策略对所建立路由进行动态维护，缓解节点高速移动引起的链路频繁断开的问题，提高数据递交率。该方法提高了高动态环境下无人机自组网中路由的稳定性，为实际应用中无人机自组网的构建提供了一定的参考和指导。

Description

一种基于链路生存时间预测的无人机自组网组播路由方法

技术领域

本发明属于无线网络领域，尤其涉及一种基于链路生存时间预测的无人机自组网组播路由方法。

背景技术

近年来，无人机在民用和军事领域得到了广泛的应用，诸如军事打击、农业植保、紧急救援和火灾监测等场景中均能见到无人机的身影。相对于单架无人机单独执行任务，无人机集群作业能够有效地克服单架无人机易损毁、作业时间短、执行效率低等一系列问题。通常，无人机集群采用自组织网络的方式进行通信，以降低其对基础通信设施的依赖。这种去中心化的思想，能够使无人机集群有效抵抗网络攻击和因单个节点损坏导致的网络瘫痪的问题。

在无人机集群进行自组网通信时，单架无人机通常需要和集群中的多架无人机进行数据交互，如定期报告自身的位置、数据采集与任务执行情况等。如果采用单播的方式进行上述通信，将成倍地增加网络中的传输数据量，甚至造成网络的严重拥塞；而采用组播的方式则可以很大程度上减少对信道资源的占用。因此，在无人机自组网中，组播路由协议应用非常广泛。

然而，针对无人机自组网设计组播路由协议具有很大的挑战性。无人机节点在进行组播通信时，为了保证通信效率，数据在交付过程中不需要逐跳进行确认，但这可能导致组播节点无法及时检测到链路断开的问题。因此，在进行组播路由选择时，就应该尽可能提高路由的可靠性。现有的针对无人机自组网所设计的组播路由协议大都依赖于节点配备的全球定位系统(Global Positioning System，GPS)设备，然而，当无人机集群在某些无法获取自身准确定位的场景中(如植被茂盛区域、GPS信号受严重干扰的区域、室内大型仓库等)使用时，大部分依赖于GPS定位信息的组播路由协议将无法保证所建立路由的可靠性。

发明内容

发明目的：由于无人机集群可能在部分GPS不可靠、节点无法获取自身准确定位的场景中使用，且考虑到组播通信在无人机集群中的广泛应用，本发明提出了一种基于链路生存时间预测的无人机自组网组播路由方法。在路由建立阶段，通过邻居节点间相对距离的变化情况对剩余链路生存时间进行预测，并结合链路生存时间、跳数及剩余能量三个指标对路由质量进行评价，选择最佳邻居节点作为数据转发节点，保证路由的生存时间与稳定性；在数据传输阶段，通过全局路由刷新与局部路由修复过程相结合的策略，有效缓解节点高速移动导致链路频繁断开的问题所带来的负面影响。

技术方案：为实现本发明的目的，本发明所采用的技术方案是：一种基于链路生存时间预测的无人机自组网组播路由方法，具体包括以下步骤：

步骤1：无人机节点每间隔Δt时间通过广播信标消息获取一跳通信范围内的邻居节点的ID，测量自身到各邻居节点间的距离；

步骤2：节点通过最近四次测量得到的相邻节点间历史距离，对相邻节点间剩余链路生存时间进行预测；

步骤3：源节点需要发送数据时，通过洪泛路由请求分组(Route Request，RREQ)发起组播路由建立过程，中间节点收到路由请求分组后，根据剩余链路生存时间、剩余能量与路由跳数对多条转发链路进行链路质量评估，根据评估结果选择邻居转发节点，更新并继续转发路由请求分组，目的节点收到路由请求分组后向源节点回复路由确认分组(RouteReply,RREP)，完成路由构建；

步骤4：在路由有效期内，源节点通过定期广播GroupHello分组实现对组播路由的维护。

有益效果：本发明与现有技术相比，具有显著优点：

(1)采用一种基于链路生存时间预测的方式使某一节点仅需根据其与邻居节点间的距离变化情况便可对链路生存时间进行预测；

(2)在路由建立阶段，节点可综合链路生存时间、路由跳数与剩余飞行能量等因素，对路由质量进行评估，并根据评估结果从多个上一跳节点中选出最佳节点作为转发节点，在集群中按需建立较为可靠的组播路由；

(3)在数据传输过程中，引入局部路由修复与全局路由刷新相结合的路由维护策略，使得节点在无需数据确认的情况下自主检测到链路断开问题，并对断开链路进行修复，解决节点高速移动导致链路频繁断开的问题。

本发明提出的一种基于链路生存时间预测的无人机自组网组播路由方法已经在EXata网络仿真环境中实现。共有100个无人机节点随机分布在4000m×4000m×200m的空间内，节点采用802.11信道接入协议，有效通信范围为700m，载波检测距离为1600m，仿真时长为300s。附图6给出了在不同节点移动速度条件下，本发明所提出的协议与经典ODMRP协议的仿真结果对比图，仿真结果证明本发明所提出协议的有效性。

附图说明

图1无人机节点运动模型图；

图2为路由请求分组的结构示意图；

图3为路由请求分组的处理流程图。

图4为路由确认分组的结构示意图。

图5为路由确认分组的处理流程图。

图6为本发明的仿真结果图。

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一种基于链路生存时间预测的无人机自组网组播路由方法简记为FMRP-LP(Multicast Routing Protocol based on Link-Lifetime Prediction for FANET)。

节点相对运动模型如附图1所示，相邻节点间的距离感知方法为：

步骤1-1：节点定期通过广播信标消息获取自身一跳范围内的邻居节点数量与ID信息。

步骤1-2：节点通过到达时间/到达角度/接收信号强度等方式，测量自身到一跳范围内各邻居节点间的距离。

步骤1-3：将测量得到的距离记录在邻居表中，并假设两节点最近四次测距时的距离分别为d₀、d₁、d₂、d₃，对应时间分别为t₀、t₁、t₂、t₃，以节点A为参考点，节点B的历史位置分别为B₀、B₁、B₂、B₃。

相邻节点间剩余链路生存时间进行预测方法为：

步骤2-1：假设无人机的飞行轨迹是分段线性的，即无人机节点在向着目标点运动的某段时间内，其运动轨迹为空间中一条直线，节点运动速度和运动方向均保持不变。将节点A视为参考点，其坐标为(0，0，d₀)，以点B₀所处位置为坐标原点，点B₀到点A的方向为Z轴正方向，建立空间直角坐标系。

步骤2-2：将节点B的轨迹方程表示为：

其中，α表示平面XOZ上的斜率，β表示平面YOZ上的斜率，z表示节点B在空间直角坐标系下Z轴方向的坐标值；

节点B的历史坐标为：

在前三次测距过程中，根据节点间的距离关系可得：

用变量η表示α和β的平方和，根据式(3)可求解得到：

步骤2-3：第四次测距时，节点A与节点B之间的距离满足：

(3αz₁)²+(3βz₁)²+(3z₁-d₀)²＝d₃ ² (5)

联合式(3)与式(5)，可得到z₁的两种表达形式：

当节点A与节点B运动速度保持不变时，根据式(6)，d₀、d₁、d₂、d₃满足如下关系：

d₀ ²-3d₁ ²+3d₂ ²-d₂ ²＝0 (7)

步骤2-4：设距离测量过程的最大误差率为σ，因测量误差导致的式(7)的误差最大值为：

Γ₁＝(σ²+2σ)(d₀ ²+3d₂ ²)-(σ²-2σ)(3d₁ ²+3d₃ ²) (8)

最小值为：

Γ₂＝(σ²-2σ)(d₀ ²+3d₂ ²)-(σ²+2σ)(3d₁ ²+3d₃ ²) (9)

为了判断节点A与节点B间的相对速度是否发生改变，为式(7)设置一个置信区间[Γ₂，Γ₁]，当式(7)的值超出该区间时，认为节点间相对速度在最近四次测距期间发生了改变，放弃此次剩余链路生存时间预测过程，将链路生存时间设置为默认值。否则，继续后续剩余链路生存时间计算过程。

步骤2-5：设节点A的最大有效通信范围为R，以节点A所处位置为球心作半径为R的球面，设该球面与B的运动轨迹的交点为B_m(x_m，y_m，z_m)，B_m点即为节点B保持当前运动速度到达节点A最大有效通信范围时所处的位置，B_m点的坐标满足：

节点B在节点A的有效通信范围内，在Z轴方向的最大运动距离为：

设当前时间为t，则节点A、B间的剩余链路生存时间为：

路由构建过程为：

步骤3-1：当源节点有数据需要发送，且网络中不存在有效路由时，源节点构造并洪泛路由请求分组。路由请求分组中包含了从源节点至当前节点的转发路径上所有节点所具有的剩余能量最小值、最小剩余链路生存时间与路由跳数。

步骤3-2：中间节点收到路由请求分组后将对不同的转发链路进行链路质量评估，质量指数Q计算方法为：

Q＝ω_t×min(T_{RLL_cur}，T_{RLL_min})-ω_h×HopCount+ω_e×min(E_cur，E_min) (13)

其中，T_{RLL_cur}与T_{RLL_min}分别为通过步骤2所述方法计算得到的当前邻居节点间剩余链路生存时间与收到的路由请求分组中记录的值，E_cur与E_min分别为节点当前剩余能量与路由请求分组中记录的值，HopCount为路由跳数。ω_t、ω_h和ω_e分别为链路生存时间、路由跳数及剩余能量在路由质量中所占的权重。

步骤3-3：节点根据路由质量指数从多个上一跳节点中选择最佳的中继节点作为转发节点，更新并广播来自该节点的路由请求分组，同时在当前组播组中将该节点选为上一跳中继节点。

步骤3-4：目的节点收到路由请求分组后，将向源节点回复一个路由确认分组，用以对转发路由进行确认。路由确认分组将由目的节点沿着路由请求分组的传播方向反向逐跳转发至源节点，收到路由确认分组的节点将被标记为转发节点，参与后续数据的转发过程。

步骤3-5：路由构建完成后，源节点有数据需要发送时将直接向外广播数据分组，中间节点收到数据分组后需要先检查自身是否是对应组播组的转发节点，若节点是转发节点则将数据分组IP头部的上一跳节点地址修改为自身地址并继续向外转发该数据分组，直到数据分组沿预先建立好的路由转发至目的节点。

路由维护过程为：

步骤4-1：当源节点在路由有效期内持续一定时间没有数据发送时，定期向组播组发送一个GroupHello分组，该分组不携带任何数据，仅用于对组播路由的维护。

步骤4-2：在路由有效期内，当转发节点或成员节点连续一段时间没有收到任何数据分组或GroupHello分组时，节点将感知到自身与组播组断开连接，将发起局部路由修复过程，通过广播RouteRepair分组尝试重新加入组播组中。

步骤4-3：周围节点收到RouteRepair分组后检查自身是否是对应组播组的成员节点或转发节点，若满足条件则沿RouteRepair分组的传播路径反向回复一个RepairReply分组，否则将TTL值减1，并在有效期内继续转发该RouteRepair分组。与路由确认分组的传播过程类似，收到RepairReply分组的节点同样将自身标记为转发节点，最终断开节点在收到RepairReply分组后将重新加入到组播组中，完成局部路由修复过程。若修复失败，则节点等待一段时间后继续尝试该过程，同时将TTL值加1，扩大修复范围。连续失败超过一定次数后，节点将放弃局部路由修复的过程，等待后续路由的刷新。

步骤4-4：为组播路由设定一个最大有效期，当建立好的组播路由到期后且源节点仍有数据需要发送时，源节点将重新广播一个RREQ分组对全局路由进行刷新，其过程与初始路由建立过程一致，转发节点收到RREQ分组后将清除自身的转发标志。

附图2、附图3分别展示了RREQ分组的结构图与处理流程；附图4、附图5分别展示了RREP分组的结构图与处理流程。

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 (5)

1.一种基于链路生存时间预测的无人机自组网组播路由方法，所采用的步骤是：

步骤1：无人机节点每间隔Δt时间通过广播信标消息获取一跳通信范围内的邻居节点的ID，测量自身到各邻居节点间的距离；

步骤2：节点通过最近四次测量得到的相邻节点间历史距离，对相邻节点间剩余链路生存时间进行预测；

步骤3：源节点需要发送数据时，通过洪泛路由请求分组发起组播路由建立过程，中间节点收到路由请求分组后，根据剩余链路生存时间、剩余能量与路由跳数对多条转发链路进行链路质量评估，根据评估结果选择邻居转发节点，更新并继续转发路由请求分组，目的节点收到路由请求分组后向源节点回复路由确认分组，完成路由构建；

步骤4：在路由有效期内，源节点通过定期广播GroupHello分组实现对组播路由的维护。

2.根据权利要求1所述的一种基于链路生存时间预测的无人机自组网组播路由方法，其特征在于相邻节点间的距离测量方法为：

无人机节点A、无人机节点B在进入各自的有效通信范围后，每间隔Δt时间对节点间距离进行测量，两节点最近四次测距时的距离分别为d₀、d₁、d₂、d₃，对应时间分别为t₀、t₁、t₂、t₃，以无人机节点A为参考点，无人机节点B的历史位置分别为B₀、B₁、B₂、B₃。

3.根据权利要求1所述的一种基于链路生存时间预测的无人机自组网组播路由方法，其特征在于相邻节点间的剩余链路生存时间计算方法为：

假设无人机的飞行轨迹是分段线性的，即无人机节点在向着目标点运动的某段时间内，其运动轨迹为空间中一条直线，节点运动速度和运动方向均保持不变；将无人机节点A视为参考点，其坐标为(0，0，d₀)，以点B₀所处位置为坐标原点，点B₀到无人机节点A的方向为Z轴正方向，建立空间直角坐标系；将无人机节点B的轨迹方程表示为：

其中，α表示平面XOZ上的斜率，β表示平面YOZ上的斜率，z表示无人机节点B在空间直角坐标系下Z轴方向的坐标值；

无人机节点B的历史坐标为：

在前三次测距过程中，根据节点间的距离关系可得：

用变量η表示α和β的平方和，根据式(3)可求解得到：

第四次测距时，无人机节点A与无人机节点B之间的距离满足：

(3αz₁)²+(3βz₁)²+(3z₁-d₀)²＝d₃ ² (5)

联合式(3)与式(5)，可得到z₁的两种表达形式：

当无人机节点A与无人机节点B运动速度保持不变时，根据式(6)，d₀、d₁、d₂、d₃满足如下关系：

d₀ ²-3d₁ ²+3d₂ ²-d₃ ²＝0 (7)

设距离测量过程的最大误差率为σ，因测量误差导致的式(7)的误差最大值为：

Γ₁＝(σ²+2σ)(d₀ ²+3d₂ ²)-(σ²-2σ)(3d₁ ²+3d₃ ²) (8)

最小值为：

Γ₂＝(σ²-2σ)(d₀ ²+3d₂ ²)-(σ²+2σ)(3d₁ ²+3d₃ ²) (9)

为了判断无人机节点A与无人机节点B间的相对速度是否发生改变，为式(7)设置一个置信区间[Γ₂，Γ₁]，当式(7)的值超出该区间时，认为节点间相对速度在最近四次测距期间发生了改变，放弃此次剩余链路生存时间预测过程；否则，继续后续剩余链路生存时间计算过程；

设无人机节点A的最大有效通信范围为R，以无人机节点A所处位置为球心作半径为R的球面，设该球面与无人机节点B的运动轨迹的交点为B_m(x_m，y_m，z_m)，B_m点即为无人机节点B保持当前运动速度到达无人机节点A最大有效通信范围时所处的位置，B_m点的坐标满足：

无人机节点B在无人机节点A的有效通信范围内，在Z轴方向的最大运动距离为：

设当前时间为t，则无人机节点A、B间的剩余链路生存时间为：

4.根据权利要求1所述的一种基于链路生存时间预测的无人机自组网组播路由方法，其特征在于路由构建方法为：

步骤3-1：当源节点有数据需要发送，且网络中不存在有效路由时，源节点构造并洪泛路由请求分组；路由请求分组中包含了从源节点至当前节点的转发路径上所有节点所具有的剩余能量最小值、最小剩余链路生存时间与路由跳数；

步骤3-2：中间节点收到路由请求分组后将对不同的转发链路进行链路质量评估，质量指数Q计算方法为：

Q＝ω_t×min(T_{RLL_cur}，T_{RLL_min})-ω_h×HopCount+ω_e×min(E_cur，E_min) (13)；

其中，T_{RLL_cur}与T_{RLL_min}分别为通过步骤2计算得到的当前邻居节点间剩余链路生存时间与收到的路由请求分组中记录的值，E_cur与E_min分别为节点当前剩余能量与路由请求分组中记录的值，HopCount为路由跳数；ω_t、ω_h和ω_e分别为链路生存时间、路由跳数及剩余能量在路由质量中所占的权重；

步骤3-3：节点根据路由质量指数从多个上一跳节点中选择最佳的中继节点作为转发节点，更新并广播来自该节点的路由请求分组，同时在当前组播组中将该节点选为上一跳中继节点；

步骤3-4：目的节点收到路由请求分组后，将向源节点回复一个路由确认分组，用以对转发路由进行确认；路由确认分组将由目的节点沿着路由请求分组的传播方向反向逐跳转发至源节点，收到路由确认分组的节点将被标记为转发节点，参与后续数据的转发过程；

步骤3-5：路由构建完成后，源节点有数据需要发送时将直接向外广播数据分组，中间节点收到数据分组后需要先检查自身是否是对应组播组的转发节点，若节点是转发节点则将数据分组IP头部的上一跳节点地址修改为自身地址并继续向外转发该数据分组，直到数据分组沿预先建立好的路由转发至目的节点。

5.根据权利要求1所述的一种基于链路生存时间预测的无人机自组网组播路由方法，路由维护过程表示为：

步骤4-1：当源节点在路由有效期内持续一定时间没有数据发送时，定期向组播组发送一个GroupHello分组，该分组不携带任何数据，仅用于对组播路由的维护；

步骤4-2：在路由有效期内，当转发节点或成员节点连续一段时间没有收到任何数据分组或GroupHello分组时，节点将感知到自身与组播组断开连接，将发起局部路由修复过程，通过广播RouteRepair分组尝试重新加入组播组中；

步骤4-3：周围节点收到RouteRepair分组后检查自身是否是对应组播组的成员节点或转发节点，若满足条件则沿RouteRepair分组的传播路径反向回复一个RepairReply分组，否则将TTL值减1，并在有效期内继续转发该RouteRepair分组；收到RepairReply分组的节点同样将自身标记为转发节点，最终断开节点在收到RepairReply分组后将重新加入到组播组中，完成局部路由修复过程；若修复失败，则节点等待一段时间后继续尝试该过程，同时将TTL值加1，扩大修复范围；连续失败超过一定次数后，节点将放弃局部路由修复的过程，等待后续路由的刷新；

步骤4-4：为组播路由设定一个最大有效期，当建立好的组播路由到期后且源节点仍有数据需要发送时，源节点将重新广播一个RREQ分组对全局路由进行刷新，其过程与初始路由建立过程一致，转发节点收到RREQ分组后还将清除自身的转发标志。

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