CN113727415B - 动态感知的无人机自组网改进aodv路由协议的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及无人机自组网技术领域，具体公开了一种动态感知的无人机自组网改进AODV路由协议的方法，协议在路由择路时多度量考虑各因素对链路稳定性的影响；就RREQ框架存在的最小延迟路径现象和路由静态更新问题，修改函数结构，删除RREQ ID快取机制，将路由更新条件前置拆分并设立更新标志位作为广播依据，利用起源点序列号和IP替代快取机制实现路由动态更新，同时添加时间戳和最大路由更新次数限制无节制的动态更新；在路由回复阶段添加RREP重传备份处理机制以应对链路回传失败情况。与传统AODV协议相比，改进协议缩短了节点间端到端的延时，提高了分组投递率和节点平均剩余能量，降低了路由发现频率和路由开销，能够更好地适应无人机自组网的拓扑环境。

Description

动态感知的无人机自组网改进AODV路由协议的方法

技术领域

本发明涉及无人机自组网技术领域，尤其涉及一种动态感知的无人机自组网改进AODV路由协议的方法。

背景技术

在万物互联的新时代，无人机作为空天地一体化通信系统中不可或缺的载体，在人工智能建设科技强国战略中扮演着关键角色。以临时方式组建的无人机自组网(FlyingAd-hoc Networks，FANET)作为无人机领域最重要的发展方向之一，在军事领域一直是热门应用技术。随着移动通信技术的日渐成熟，FANET已不再局限于军事领域，在应急救灾、互联网交付等领域均受到广泛关注，但同时也面临了诸多限制和挑战。

其中一个基本挑战是目前行业缺乏专门针对FANET应用的路由协议，多数还处于开发阶段。由于这种限制，FANET依赖于移动自组织网络(Mobile Ad-hoc Networks，MANET)路由协议。又FANET因其能量有限、高实时性、拓扑变化快和节点机动性强等特点，故针对无人机自组设计的协议要在MANET协议基础上改进。AODV作为经典的自组网协议，非常适合于带宽、功率等网络资源匮乏的环境，但其自身结构和处理机制存在矛盾和空白，不足以应对高速移动的无人机节点中断问题。

另外在AODV路由协议中仅考虑速度、能量和拥塞等因素对网络的影响不足以应对无人机自组网中高速移动的节点间的通信需求，针对协议自身的框架缺陷和处理机制的不足进行完善修改，降低路由发现频率和时延，以此保障链路的稳定性和实时性，让其更加适应无人机自组网频繁变换的拓扑环境是非常有必要的。

发明内容

本发明的目的在于提供一种动态感知的无人机自组网改进AODV路由协议的方法，使得AODV协议更加适应FANET的通信环境。

为实现上述目的，本发明采用的一种动态感知的无人机自组网改进AODV路由协议的方法，包括如下步骤：

步骤一：修改路由判据和添加广播中继；

步骤二：在RREQ函数中实现路由动态更新；

步骤三：路由回复阶段添加RREP重传备份处理机制。

其中，步骤一的具体实现步骤为：

选取具有最小链路代价的链路进行通信，同时在中间节点转发封包时用邻节点数量计算转发概率实现广播中继，此步骤修改后的协议称为EV-AODV路由协议。

其中，步骤二的具体实现步骤包括：

删除RREQ ID快取机制，将路由请求封包消息格式中的路由请求标识删去；

根据源节点序列号与RREQ ID数值增长同步功能相似这一特性，让源节点序列号取代RREQ ID作为路由请求标识与源节点IP唯一标识RREQ消息。

其中，步骤二的具体实现步骤还包括：

修改RREQ函数结构，利用路由更新条件来作为判断广播RREQ的依据，首先将路由更新条件前置拆分，将原路由一起判断的更新条件拆分成三段，先比较源节点序列号与反向路由序列号的大小，之后再判断是否相等，最后计算链路代价，比较其与路由表项中的缓存值；

参照RREP函数中以路由更新标志位suppress_reply来决定节点是否转发封包的方式，在RREQ中也添加路由更新标志位，以此决定是否广播；

当节点第二次收到RREQ而路由更新标志位未置位时，代表RREQ消息不是最新或者没有更好的路径，此时将不再转发该封包。

其中，步骤二的具体实现步骤还包括：

添加时间戳和限制参数，在路由表项中添加时间戳和限制更新次数来锁定路由表的更新，设置更新时间为1s，最大更新次数为3次，同一广播需求在更新时间内路由可更新，超出时间或最大更新次数则锁定路由表。

其中，步骤三的具体实现步骤包括：

修改RREP和RREP-ACK封包消息格式；

在RREP中将Originator IP Address改为Previous Hop IP Address，当中间节点接收到路由回复消息时通过记录的上一跳节点地址得知回去的路径；

在RREP-ACK封包中添加源节点地址信息，当回传出错，即根据该地址信息进行重传。

其中，步骤三的具体实现步骤还包括：

添加重传机制，在RREP-ACK函数中增加参数：重传最大次数和重传检查时间间隔；

在路由表中添加参数：重传次数计数器和重传标志位；

新增重传计时器，发送RREP时开启计时，经过重传检查间隔事件后检查重传标志位，若置位则检查计数器是否达到最大重传次数，没有就重传RREP并让计数器加一。

其中，步骤三的具体实现步骤还包括：

添加备份路由，在RREP函数中增加备份路由rtb，当重传失败时启用备份路由进行回复。

本发明的一种动态感知的无人机自组网改进AODV路由协议的方法，不仅考虑现实环境真实限制因素对FANET的影响，使得改进协议具有速度和能量意识，在此基础上就AODV协议中RREQ结构逻辑矛盾所引发的最小延迟现象和路由静态更新问题进行了框架修改，删除快取机制，添加路由更新参数和时间戳，提高带宽利用率实现动态路由更新；同时针对RREP回传失败处理机制空白模糊的地方提出了重传备份机制，增添了RREP备份路由和RREP-ACK重传。结果表明，相较于传统AODV协议，改进方法在降低端到端的时延和路由发现频率方面成效明显，提高了节点平均能量和分组投递率，在一定程度提高了链路稳定性和网络适用性。

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是本发明实施例的RREQ消息帧格式图。

图2是本发明路由请求RREQ工作流程图。

图3是本发明在RREP中建立备份路由的流程图。

图4是不同移动速率下的平均端到端时延对比图。

图5是不同移动速率下的路由发起频率对比图。

图6是不同移动速率下的分组投递率对比图。

图7是不同移动速率下的路由开销对比图。

图8是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

AODV作为经典的自组网协议其自身结构和处理机制存在矛盾和空白，就研究发现的矛盾和空白具体说明：

RREQ框架存在静态更新矛盾问题。传统AODV采用RREQ ID(路由请求标识)和源节点IP作为唯一标识来防制广播轮回引发两个问题：一是出现最小延迟路径现象；二是导致路由更新条件变成“假命题”不能动态更新。最小延迟路径现象：节点在接收到具有相同RREQ ID和源节点IP的请求包时会立刻丢弃，不再做任何处理，而广播的发送时间是一个随机值，会受到实时环境和网络延迟的影响，当较短路径广播发生延迟或者碰撞时，可能造成较远路径先完成路由探索，此时目的节点选择的是最小延迟路径而并非是最短跳数路径。路由更新“假命题”：只有满足以下三种条件之一时路由才会更新：1、请求包的源节点序列号比路由表里的序列号大2、序列号相等但包的跳数小于反向路由里的跳数3、新序列号未知。我们知道，每发起一轮路由探索，RREQ里的源节点序列号和RREQ ID都会同步自增，条件2中要求序列号相等但跳数更少，等同于要求RREQ ID相等但跳数更少，但节点在接收到相同RREQ ID时会立刻丢包不做二次处理，故RREQ ID相等但跳数更少的局面不可能出现，由此路由更新中的条件2为假命题。

RREP回传失败处理机制空白，在RFC3561中，对于RREP和RREP-ACK的说明较为模糊，相关处理机制皆无明确说明，未能发现在RREP传输失败后有任何应对措施。

因此本发明实施例提供了一种动态感知的无人机自组网改进AODV路由协议的方法，在考虑现实物理影响因素的同时完善协议的框架缺陷和处理机制不足，使AODV协议更加适应FANET高速移动的拓扑环境。实施方式结合附图具体说明：

请参阅图1至图8，本发明提供了一种动态感知的无人机自组网改进AODV路由协议的方法，包括如下步骤：

步骤一：修改路由判据和添加广播中继；

步骤二：在RREQ函数中实现路由动态更新；

步骤三：路由回复阶段添加RREP重传备份处理机制。

在本实施方式中，步骤一的具体实现步骤为：利用能量、速度、拥塞作为决定链路代价的因素，选取具有最小链路代价的链路进行通信，同时在中间节点转发封包时用邻节点数量计算转发概率实现广播中继。此步骤修改后的协议称为EV-AODV路由协议。

步骤二的具体实现步骤为：删除RREQ ID快取机制。如图1所示，将路由请求封包消息格式中的路由请求标识删去，可节省32bits存储空间。为防止广播轮播问题，根据源节点序列号与RREQ ID数值增长同步功能相似这一特性，让源节点序列号取代RREQ ID作为路由请求标识与源节点IP唯一标识RREQ消息。

修改RREQ函数结构。如图2的流程图所示，利用路由更新条件来作为判断广播RREQ的依据。首先将路由更新条件前置拆分，将原路由一起判断的更新条件拆分成三段，先比较源节点序列号与反向路由序列号的大小，之后再判断是否相等，最后计算链路代价，比较其与路由表项中的缓存值，这样将减少链路代价计算次数。参照RREP函数中以路由更新标志位suppress_reply来决定节点是否转发封包的方式，在RREQ中也添加路由更新标志位，以此决定是否广播。当节点第二次收到RREQ而路由更新标志位未置位时，代表RREQ消息不是最新或者没有更好的路径，此时将不再转发该封包，以此防止了广播轮播。

添加时间戳和限制参数。上述方法实现的路由动态更新是无节制的，可无限更新路由表，且未考虑节点忙碌状态时的拖累时间，针对此问题，在路由表项中添加时间戳和限制更新次数来锁定路由表的更新，设置更新时间为1s，最大更新次数为3次，同一广播需求在更新时间内路由可更新，超出时间或最大更新次数则锁定路由表，以此防止忙碌或不可用节点成为中间节点。

步骤三的具体实现步骤为：修改RREP和RREP-ACK封包消息格式。在RREP中将Originator IP Address改为Previous Hop IP Address，这样当中间节点接收到路由回复消息时可以通过记录的上一跳节点地址得知回去的路径；在RREP-ACK封包中添加源节点地址信息，当回传出错，即可根据该地址信息进行重传。

添加重传机制。在RREP-ACK函数中增加参数：重传最大次数(设置为3次)和重传检查时间间隔(设置为0.08秒)；在路由表中添加参数：重传次数计数器和重传标志位。新增重传计时器，发送RREP时开启计时，经过重传检查间隔事件后检查重传标志位，若置位则检查计数器是否达到最大重传次数，没有就重传RREP并让计数器加一。

加备份路由。如图3中的流程图所示，在RREP函数中增加备份路由rtb，当重传失败时启用备份路由进行回复。

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

图4是不同移动速率下的平均端到端时延对比图。可知，随着无人机速度的增加，节点端到端的延时也在增大，高速移动环境下链路断裂严重，维护和修复链路所需时间增长。相同速度时，对比传统AODV协议：EV_AODV修改路由判据使得链路更加稳定不易断裂，时延平均下降了12.6％；本方法则动态维护稳定性强的链路，大幅缩短重新寻路时间，在时延方面表现突出，平均下降30.5％。

图5是不同移动速率下的路由发起频率对比图。可知，随着无人机速度增加，路由发起频率也在增大，这是由于速度增加后链路断裂情况愈加严重，需要发起更多路由请求包。相同速度时，对比传统AODV路由协议：EV_AODV效果甚微，在请求包的发起方面无特别改动，仅依靠提高链路稳定性减少控制请求次数；本方法减少了22.1％左右，动态更新功能让其链路稳定性比EV_AODV好，且RREP重传机制也能进一步降低发起路由请求包的次数。

图6是不同移动速率下的分组投递率对比图。可知，随着无人机速度的增加，分组投递率越来越小，这是由于速度的增加让链路断裂更加频繁导致丢包率增加。相同速度时，对比传统AODV路由协议，本方法和EV_AODV表现基本一致，通过修改路由判据和基于邻节点数决定转发情况来提高链路可靠性，在分组投递率上提升了2.5％左右。

图7是不同移动速率下的路由开销对比图。可知，无人机速度增加，路由开销也增大，速度提高拓扑变化更加迅速，需要更多控制包来满足传输需求。相同速度时，对比传统AODV路由协议，EV_AODV降低了30.2％，因为选择了节点稳定度更高的路径，还用邻居节点数限制转发控制包概率；本方法相比EV_AODV路由更新功能会增加控制包数量，RREP的失败重播也会些许增加路由开销，但是比起AODV降低了23.2％，说明路由开销还是得到有效控制。

图8是不同移动速率下的节点平均剩余能量对比图。可知，无人机速度越大剩余能量越低，网络拓扑更加频繁的变化需要消耗更多的能量来维持链路。相同速度时，对比传统AODV路由协议：EV_AODV加入了能量作为考量因素，选择能量较多稳定度较好的链路，相比而言增多了34.8％左右的剩余能量；本方法则提高了46.2％左右，保留动态更新链路功能的同时把消耗电量较多的回声重播机制删除以节约电量，更加适应无人机组网通信。

综上所述，一种动态感知的无人机自组网改进AODV路由协议，其协议在路由择路时多度量考虑各因素对链路稳定性的影响，选择最小链路代价的路由通信；就RREQ框架存在的最小延迟路径现象和路由静态更新问题，修改函数结构，删除RREQ ID快取机制，将路由更新条件前置拆分并设立更新标志位作为广播的依据，利用起源点序列号和IP替代快取机制实现路由动态更新，同时添加时间戳和最大路由更新次数限制无节制的动态更新；在路由回复阶段添加RREP重传备份处理机制以应对链路回传失败情况。仿真结果表明：与传统AODV协议相比，改进协议缩短了节点间端到端的延时，提高了分组投递率和节点平均剩余能量，降低了路由发现频率和路由开销，能够更好地适应无人机自组网的拓扑环境。

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 (5)

1.一种动态感知的无人机自组网改进AODV路由协议的方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一：修改路由判据和添加广播中继；具体实现步骤为：

利用能量、速度、拥塞作为决定链路代价的因素，选取具有最小链路代价的链路进行通信，同时在中间节点转发封包时用邻节点数量计算转发概率实现广播中继，此步骤修改后的协议称为EV-AODV路由协议；

步骤二：在RREQ函数中实现路由动态更新；具体实现步骤包括：

删除RREQ ID快取机制，将路由请求封包消息格式中的路由请求标识删去；

根据源节点序列号与RREQ ID数值增长同步功能相似这一特性，让源节点序列号取代RREQ ID作为路由请求标识与源节点IP唯一标识RREQ消息；

步骤三：路由回复阶段添加RREP重传备份处理机制；具体实现步骤包括：

修改RREP和RREP-ACK封包消息格式；

在RREP中将OriginatorIPAddress改为Previous Hop IPAddress，当中间节点接收到路由回复消息时通过记录的上一跳节点地址得知回去的路径；

在RREP-ACK封包中添加源节点地址信息，当回传出错，即根据该地址信息进行重传。

2.如权利要求1所述的动态感知的无人机自组网改进AODV路由协议的方法，其特征在于，步骤二的具体实现步骤还包括：

修改RREQ函数结构，利用路由更新条件来作为判断广播RREQ的依据，首先将路由更新条件前置拆分，将原路由一起判断的更新条件拆分成三段，先比较源节点序列号与反向路由序列号的大小，之后再判断是否相等，最后计算链路代价，比较其与路由表项中的缓存值；

参照RREP函数中以路由更新标志位suppress_reply来决定节点是否转发封包的方式，在RREQ中也添加路由更新标志位，以此决定是否广播；

当节点第二次收到RREQ而路由更新标志位未置位时，代表RREQ消息不是最新或者没有更好的路径，此时将不再转发该封包。

3.如权利要求2所述的动态感知的无人机自组网改进AODV路由协议的方法，其特征在于，步骤二的具体实现步骤还包括：

添加时间戳和限制参数，在路由表项中添加时间戳和限制更新次数来锁定路由表的更新，设置更新时间为1s，最大更新次数为3次，同一广播需求在更新时间内路由可更新，超出时间或最大更新次数则锁定路由表。

4.如权利要求1所述的动态感知的无人机自组网改进AODV路由协议的方法，其特征在于，步骤三的具体实现步骤还包括：

添加重传机制，在RREP-ACK函数中增加参数：重传最大次数和重传检查时间间隔；

在路由表中添加参数：重传次数计数器和重传标志位；

新增重传计时器，发送RREP时开启计时，经过重传检查间隔事件后检查重传标志位，若置位则检查计数器是否达到最大重传次数，没有就重传RREP并让计数器加一。

5.如权利要求4所述的动态感知的无人机自组网改进AODV路由协议的方法，其特征在于，步骤三的具体实现步骤还包括：

添加备份路由，在RREP函数中增加备份路由rtb，当重传失败时启用备份路由进行回复。