CN113727408B - 一种基于速度与能量感知的无人机自组网改进aodv路由方法 - Google Patents

一种基于速度与能量感知的无人机自组网改进aodv路由方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于速度与能量感知的无人机自组网改进AODV路由方法，结合跨层思想，提出链路代价概念，把能量剩余率、相对移动度、拥塞度作为度量指标定义链路代价，修改路由判据，依据最小链路代价进行择路，设计具有速度能量意识的改进AODV路由协议，此外，提出基于邻居节点数的中继广播策略，引入概率因子和随机因子实现中继概率分级广播功能来降低RREQ广播冗余。相较于传统AODV路由协议，改进后的协议缩短了节点间端到端的延时，提高了分组投递率，降低了路由发现频率，还减少了能耗增多了节点平均剩余能量，有效控制路由开销，提高了网络的整体性能，更加适应无人机自组网的拓扑环境。

Description

一种基于速度与能量感知的无人机自组网改进AODV路由方法
技术领域
本发明涉及无人机自组网技术领域，尤其涉及一种基于速度与能量感知的无人机自组网改进AODV路由方法。
背景技术
无人机自组网(FlyingAd-hoc Networks，FANET)是一种特殊的无线自组织网络(MobileAd-hoc Networks，MANET)，其移动节点是小型无人机或小型飞行器，配有通信和用于其他不同领域的专业设备。尽管FANET和MANET有许多相似之处，但由于其独有的特点，针对MANET设计的路由协议并不适用于FANET，下面是FANET设计上的几个关键点：飞行中的无人机所有系统单元(例如发射器,接收器设备,控制单元,信息处理单元和有效载荷)均由内置电源供电，配备有限机载能量的无人机的飞行时间会受限制，这将严重影响无人机网络整体性能，优化节点间的能耗成为了重要的研究挑战之一；灾害监测、搜索和破坏操作需要最小的延迟，因为信息需要以非常高的速率传输，虽然几乎不可能有一个没有延迟的网络，但是如何在一定范围内最小化和控制网络中的延迟也是FANET需要考虑的问题；FANET节点的迁移率远高于MANET，所有无人机节点高度机动，速度从30到460公里/小时，这导致了无线链路的波动，而路由技术的效率会随着无人机的速度而变化，因此，如何在高速动态拓扑结构和节点分布不均匀的无人机组网中开发一个稳定可靠通信的路由协议变成了一项艰巨的任务。
AODV(Ad Hoc On-Demand Distance Vector)路由协议是MANET中经典的反应式路由协议，综合了DSDV(destination sequenced distance vector)和DSR(dynamic sourcerouting)协议的优点，非常适合于带宽、功率等网络资源匮乏的环境，节点只需储存必要路径信息，不必时刻维护全网所有节点，减少了大量内存需求和路由开销，但其也有反应式路由固有的缺点，需要相对较长的时延来建立链路，在路由探索阶段仅以最小跳数作为择路依据，并未考虑任何现实环境的物理因素影响，过于理想化，难以在无人机组网中实际应用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于速度与能量感知的无人机自组网改进AODV路由方法，旨在提高网络的整体性能，让AODV更加适应无人机自组网的拓扑环境。
具体包括下列步骤：
引入链路代价建立路由判据；
新增数据域进行扩展；
添加能量模型；
跨层获取当前队列长度；
更新路由判据以最小链路代价择路；
中间节点增加中继概率分级广播策略。
其中，所述链路代价由能量剩余率、上一跳节点与本节点的相对移动度和拥塞度确定。
其中，在新增数据域进行扩展的过程中，在路由请求和路由回复的消息格式中新增数据域用来存储节点速度的水平分量、竖直分量、速度的绝对值和链路代价，在路由表项中新增链路代价数据域。
其中，路由层通过MAC层获知链路层的队列长度。
其中，在更新路由判据以最小链路代价择路的过程中，将原RREQ和RREP接收函数中路由更新条件里的最小跳数修改为链路代价，完成路由判据的更新。节点更新路由前计算当前链路代价，将当前累加链路代价与路由表项中缓存的链路代价进行对比更新，最后目的节点选择具有最小链路代价的路径进行路由回复。
其中，进行链路代价计算的步骤，包括下列步骤：
提取路由请求消息中所携带的上一跳节点的速度信息；
利用GPS定位和能量模型得到本节点的速度和能量信息计算出能量剩余率和相对移动度；
通过跨层获取当前队列长度计算出节点拥塞率；
综合计算出上一跳节点到达本节点的链路代价；
将所述上一跳节点到达本节点的链路代价与路由请求消息中携带的链路代价累加得到当前链路代价。
其中，中间节点增加中继概率分级广播策略，引入概率因子和随机因子，概率因子根据邻居节点数和无人机节点数量决定其概率等级，随机因子根据随机函数得到，最后比较概率因子与随机因子值的大小决定是否转发封包。
本发明的一种基于速度与能量感知的无人机自组网改进AODV路由方法，结合跨层思想，提出链路代价概念，把能量剩余率、相对移动度、拥塞度作为度量指标定义链路代价，修改路由判据，依据最小链路代价进行择路，设计具有速度能量意识的改进AODV路由协议，此外，还引入概率因子和随机因子实现中继概率分级广播功能来降低RREQ广播冗余。相较于传统AODV路由协议，改进后的协议缩短了节点间端到端的延时，提高了分组投递率，降低了路由发现频率，还减少了能耗增多了节点平均剩余能量，有效控制路由开销，提高网络的整体性能，让AODV更加适应无人机自组网的拓扑环境。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明的一种基于速度与能量感知的无人机自组网改进AODV路由方法的流程示意图。
图2是本发明一种基于速度与能量感知的无人机自组网改进AODV路由方法的RREQ消息帧格式图。
图3是本发明一种基于速度与能量感知的无人机自组网改进AODV路由方法的路由表项格式图。
图4是本发明的路由请求工作流程图。
图5是本发明实施例的不同移动速率下的平均端到端时延对比图。
图6是本发明实施例的不同移动速率下的路由发起频率对比图。
图7是本发明实施例的不同移动速率下的分组投递率对比图。
图8是本发明实施例的不同移动速率下的路由开销对比图。
图9是本发明实施例的不同移动速率下的节点平均剩余能量对比图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
本申请中，所述路由请求和所述路由回复还可记为其余名称，如路由请求为RREQ，路由回复为RREP。
请参阅图1，本发明提出了一种基于速度与能量感知的无人机自组网改进AODV路由方法，包括下列步骤：
S1：引入链路代价建立路由判据算法；
S2：新增数据域进行扩展；
S3：添加能量模型；
S4：跨层获取当前队列长度；
S5：更新路由判据以最小链路代价择路；
S6：中间节点增加中继概率分级广播策略。
所述链路代价由能量剩余率、上一跳节点与本节点的相对移动度和拥塞度确定。
在新增数据域进行扩展的过程中，在路由请求和路由回复的消息格式中新增数据域用来存储节点速度的水平分量、竖直分量、速度的绝对值和链路代价，在路由表项中新增链路代价数据域。
路由层通过MAC层获知链路层的队列长度。
在更新路由判据以最小链路代价择路的过程中，将原RREQ和RREP接收函数中路由更新条件里的最小跳数修改为链路代价，完成路由判据的更新。节点更新路由前计算当前链路代价，将当前累加链路代价与路由表项中缓存的链路代价进行对比更新，最后目的节点选择具有最小链路代价的路径进行路由回复。
链路代价的计算，包括下列步骤：
提取路由请求消息中所携带的上一跳节点的速度信息；
利用GPS定位和能量模型得到本节点的速度和能量信息计算出能量剩余率和相对移动度；
通过跨层获取当前队列长度计算出节点拥塞率；
综合计算出上一跳节点到达本节点的链路代价；
将所述上一跳节点到达本节点的链路代价与路由请求消息中携带的链路代价累加得到当前链路代价。
中间节点增加中继概率分级广播策略，引入概率因子和随机因子，概率因子根据邻居节点数和无人机节点数量决定其概率等级，随机因子根据随机函数得到，最后比较概率因子与随机因子值的大小决定是否转发封包。
在本发明中，路由判据算法为：
λs＝αRs+βEs＝α(σij+CM)+β(1-ηi) (2)
ηi＝Ei/E0 (3)
Vijmax＝|vi|+|vj| (6)
其中，ηi为能量剩余率；σij为节点i相对于节点j的相对移动度，Vij为节点i相对于节点j的相对移动速度，vix和vjx代表节点i和j的沿水平方向速度分量，viy和vjy代表节点i和j的沿竖直方向速度分量，Vijmax为两节点相对速度的最大值，vi和vj代表节点速度的绝对值；CM为拥塞度，Ls为一段时间链路的队列长度，Lt为链路中节点缓存数据包的最大数目；λs是节点i相对于节点j的代价函数，N为链路总节点个数，Es是能量因子，代表节点的能量损耗值，Rs是稳定因子，代表节点的稳定度，α和β是权重系数，满足α+β＝1(可根据不同的网络环境进行调整，经过仿真在我们研究的无人机集群环境中取0.5较优)。λs是两节点间的代价，将其不断累加，即可得到整条路径的链路代价λ。
以此建立的路由判据为：
PathSelect＜source,dest＞＝min[λ(k)] k∈[1,M]
其中，M代表可供选择的路由个数。若从源节点到目的节点存在多条通信路径，选择链路代价最小的链路进行通信。
扩展路由请求(RREQ)和路由回复(RREP)消息格式。如图2所示，在消息格式中新增数据域用来存储节点速度的水平分量、竖直分量、速度的绝对值和链路代价；接着请参阅图3所示，在路由表项中扩展链路代价数据域。为的是在节点计算比较链路代价时能够从接收到的消息封包中提取出上一跳节点和缓存在路由表项中的相关信息。
传统AODV路由协议没有节点能量模型，要自行添加能量模型来计算节点能量损耗。能量模型中的损耗计算定义为：
Ei＝E0-Ec (8)
Ec＝(Pr+Pt)×Time (9)
其中，E0为节点的初始能量，Ei为剩余能量，Ec为消耗能量；Pt和Pr分别为发送功率和接收功率；PacketSize为发送封包大小，Bandwidth为信道带宽。
在跨层获取当前队列长度的过程中，路由层要获知链路层(LL)的队列长度，首先要先确保路由层可以获得MAC层的信息，在成功从路由层跨层到MAC层获取信息以后再从MAC层跨到LL层获知队列长度。从AODV中访问MAC层需要在aodv头文件中添加mac文件创建接口对象，之后对mac对象赋初值，最后在配置文件中初始化节点信息；从MAC层访问LL层则需要在802_11类中定义公共成员变量和内联函数，修改接口函数后进行初始化，这样MAC中就可以获取队列长度。此时，路由层AODV中的RREQ函数可以在获取信道号Iface之后利用MAC成员变量函数来获取相应接口队列LL中的队列长度信息。
中间节点增加基于邻居节点数的中继广播策略，引入概率因子和随机因子实现概率分级。请参阅图4，每个中间节点在转发一个RREQ报文之前，都要计算随机因子和中继概率因子，决定是继续广播RREQ报文还是将其丢弃。随机因子是节点生成的一个从0到1的随机数，中继概率因子则是根据邻居节点数量确定的，邻居节点数量小于阈值时取第一概率p1，超过阈值时取第二概率p2。如果随机因子大于中继概率因子，则转发RREQ报文；否则，RREQ报文将被丢弃。
中继概率广播策略为：
Step 1:计算邻居节点阈值NB，计算如式(11)，nn为无人机节点数；
Step 2:获取邻居节点数nbnum，根据式(12)计算概率因子p；
Step 3:随机函数生成一个0到1范围内的随机因子RN；
RN＝Random::uniform(0,1) (13)
Step 4:如果随机因子值大于等于中继概率因子值，则广播RREQ，否则丢弃。
本发明还提供了一个具体的实施例：
利用NS2.35网络协议仿真模拟器来模拟具体的通信过程，其仿真参数如表1所示：
表1仿真参数
仿真对比了改进前后AODV路由协议，从图5至图9可以看出，改进后的路由协议在性能表现上均有不同程度的提高，仿真结果表明，网络的平均端到端时延大幅降低，虽然在路由发现频率方面降低幅度较小，但分组投递率提高较为显著，有效控制路由开销的同时还减少了能耗，增多了节点平均剩余能量。本方法虽然增加了路由算法的复杂度和请求报文的长度，但在整体上提升了链路稳定性和带宽利用率，综合提高了网络的性能，证明了本发明达到了优化的目的，为无人机自组网的实现发展创造了更大的可能性。
以上所揭露的仅为本发明一种较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分流程，并依本发明权利要求所作的等同变化，仍属于发明所涵盖的范围。

Claims (4)

1.一种基于速度与能量感知的无人机自组网改进AODV路由方法，其特征在于，包括下列步骤：
引入链路代价建立路由判据算法；
所述链路代价由能量剩余率、上一跳节点与本节点的相对移动度和拥塞度确定；
新增数据域进行扩展；
在新增数据域进行扩展的过程中，在路由请求和路由回复的消息格式中新增数据域用来存储节点速度的水平分量、竖直分量、速度的绝对值和链路代价，在路由表项中新增链路代价数据域；
添加能量模型计算节点能量损耗；
跨层获取当前队列长度；
路由层通过MAC层获知链路层的队列长度；
更新路由判据以最小链路代价择路；
若从源节点到目的节点存在多条通信路径，选择链路代价最小的链路进行通信；
中间节点增加中继概率分级广播策略；
引入概率因子和随机因子，概率因子根据邻居节点数和无人机节点数量决定其概率等级，随机因子根据随机函数得到，最后比较概率因子与随机因子值的大小决定是否转发封包。
2.如权利要求1所述的基于速度与能量感知的无人机自组网改进AODV路由方法，其特征在于，在更新路由判据以最小链路代价择路的过程中，将原RREQ和RREP接收函数中路由更新条件里的最小跳数修改为链路代价，完成路由判据的更新，节点更新路由前计算当前链路代价，将当前累加链路代价与路由表项中缓存的链路代价进行对比更新，最后目的节点选择具有最小链路代价的路径进行路由回复。
3.如权利要求1所述的基于速度与能量感知的无人机自组网改进AODV路由方法，其特征在于，进行链路代价计算的步骤，包括下列步骤：
提取路由请求消息中所携带的上一跳节点的速度信息；
利用GPS定位和能量模型得到本节点的速度和能量信息计算出能量剩余率和相对移动度；
通过跨层获取当前队列长度计算出节点拥塞度；
综合计算出上一跳节点到达本节点的链路代价；
将所述上一跳节点到达本节点的链路代价与路由请求消息中携带的链路代价累加得到当前链路代价。
4.如权利要求1所述的基于速度与能量感知的无人机自组网改进AODV路由方法，其特征在于，中间节点增加中继概率分级广播策略，引入概率因子和随机因子，概率因子根据邻居节点数和无人机节点数量决定其概率等级，随机因子根据随机函数得到，最后比较概率因子与随机因子值的大小决定是否转发封包。
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