CN114339668A - 一种基于多维度量准则的olsr路由协议 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于多维度量准则的OLSR路由协议，属于通信技术领域，包括以下内容：在无人机节点的物理层和网络层之间增设一个接口，使得网络层通过物理层中接收的信号强度来衡量MPR节点的可靠度，若无人机节点接收的信号强度满足接收信号强度阈值，则将其作为候选MPR节点；计算MPR节点的拥塞度和能量使用效率；计算无人机的邻居节点的移动因子，以及每个无人机节点的平均相遇率；获取下层数据的传输速率，得出基于数据传输速率的路由度量。本方法通过引入节点移动性，对节点的路由准则进行优化，可以有效提高选择出的MPR节点的质量。
Description
技术领域
本发明属于通信技术领域，涉及一种基于多维度量准则的OLSR路由协议。
背景技术
无人机自组织网络(FlyingAd-hocNetworks，FANETs)是移动自组织网络(MobileAd-hocNetworks，MANETs)在无人机领域的扩展应用，通常由一个地面控制站(GroundControlStation，GCS)和多个无人机节点组成，属于一种特殊意义上的MANETs，但是不同于MANETs或车载自组织网络(VehicleAd-hocNetworks，VANETs)，FANETs有着属于自己的应用形式、网络结构和网络特性。
基于FANETs网络的基本结构主要有三种：第一种为最简单的FANETs结构，每个无人机节点直接与地面控制站通信，无人机主要在地面控制站(GroundControlStation，GCS)的通信覆盖范围内移动，这种网络结构通常用于执行单一目的、无人机间无协同、无交互的任务；第二种FANETs结构中有一部分无人机节点可能会远离地面控制站，通过其他无人机节点的数据中继完成与地面控制站之间的通信，在这一网络结构中，每个无人机节点都能够在不需要任何基础设施协调的条件下参与数据包的转发；第三种结构则是在前两者的基础上引入分簇的概念，在由多架无人机构成的UAV簇内会推举出一个无人机节点作为簇头(ClusterHead，CH)，作为主机接管簇内其余节点(或称为僚机)与GCS或无人机自组网内其它节点之间的通信，这种分簇结构的引入，带来了无人机集群的任务形式。其中，第二种网络结构是最为常见的，也是应用范围最广的FANETs结构，其覆盖范围通过无人机之间的多跳通信有所扩大，无人机之间的组网也使得可执行的任务形式更加多样化，对网络的性能诸如接入协议、路由协议也提出了更高的要求，数据包成功而及时的传输显得更加关键。对于上述应用形式与结构的FANETs而言，它不仅有普通移动自组织网络的一般特征如无中心、可自行组网、多跳通信等，还有节点移动性高、区域密度低、网络拓扑变化频繁和能量自治等不同的特点。而想要实现上述特点，最重要的就是对路由协议的设计。参照MANETs的路由协议分类方式，无人机自组网中的路由协议主要有基于网络拓扑的路由协议和基于地理位置的路由协议这两大分类。其中，基于网络拓扑的路由协议又可以进一步按照路由发现方式，分为主动路由即先应式路由协议、按需路由协议即反应式路由协议以及混合式路由协议。
以最优链路状态路由协议(OptimizedLinkStateRoutingProtocol，OLSR)为代表的先应式路由协议的特点是，无论网络中是否有通信需求，节点都会通过周期性广播数据包的形式，来对各个节点所储存的全局路由表进行维护。由此带来的益处是当网络中有通信需求时，节点可以根据路由表迅速的发送数据包；或者当网络中发生拓扑改变的情况时，节点可以迅速的做出反应，实现路由表的更新。因此，通过此种方式建立的路由在一定程度上减少了端到端时延，但由于传统OLSR协议采用贪婪算法来选择多中继节点(Multi PointRelay，MPR)，其特点是优先考虑将一跳邻居完全覆盖，这可能导致MPR节点数量较多，网络中的每个节点都需要计算并维持到达全网的路由表，这使得节点的能量消耗有一定程度的增大，变相增大了网络开销，使得网络整体性能低下。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于针对传统MPR选择算法的单一指标选择导致邻居节点状态信息失效的问题，提出了多维度量准则的MF-OLSR路由协议，在进行MPR节点选择时考虑MPR节点可靠度，MAC层节点的拥塞度，节点的能量使用效率，基于节点移动速率的路由度量值这四个指标。提升选出的MPR节点的强壮性和稳定性，减少报文丢失和重传的发生，从而降低整个网络的路由开销并延长工作时间。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种基于多维度量准则的OLSR路由协议，包括以下内容：
在无人机节点的物理层和网络层之间增设一个接口，使得网络层通过物理层中接收的信号强度来衡量MPR节点的可靠度，若无人机节点接收的信号强度满足接收信号强度阈值，则将其作为候选MPR节点；
计算MPR节点的拥塞度和能量使用效率；
计算无人机的邻居节点的移动因子，以及每个无人机节点的平均相遇率；
获取下层数据的传输速率，得出基于数据传输速率的路由度量。
进一步，接收信号强度RSSi,j公式如下：
其中，x表示节点i到节点j的距离，RSSi，j表示节点j所接收的邻居节点i的接收信号强度，λ是无线网络中使用的波长，R是天线覆盖的半径，Gi和Gj分别是发射者的和接收者的天线增益，Si是发射天线的发射功率；
设定节点j所接收的邻居节点i的接收信号强度阈值Ti，j为：
当RSSi，j<Ti，j，则该节点不作为MPR节点；
根据RSSi，j与Ti，j的关系为节点之间的每个链路建立稳定性函数RNDi，j，公式如下：
若接收信号强度小于接收信号阈值，RNDi，j为0，表明节点很不稳定，容易出界，不适合将其选为MPR节点，因此从节点路由表中舍去对应的链接；若接收信号强度大于等于接收信号阈值，RNDi，j由公式1-Ti，j/RSSi,j计算得出结果，并将该链路对应的RNDi，j存储在路由表中，将其作为候选的MPR节点。
进一步，定义MAC层的节点的拥塞度ηi为：
其中，Bp(i)表示当前接口队列中缓存的数据包，Bc(i)表示接口队列能容纳的最大数据包数。
进一步，定义节点的能量使用效率：
其中，Er(i)表示节点i的剩余能量，Δt表示该节点i的运行时间，定义节点的剩余能量Er(i)的具体表达式为：
Er(i)＝Pi(r)Ti(r)+Pi(s)Ti(s)
＝Pi(r)L(r)/V(r)+Pi(s)L(s)/V(s)
其中，Pi(r)、Pi(s)分别表示节点i的收发功率；L(r)、L(s)表示节点i收发数据长度；V(r)、V(s)表示数据传输速率。
进一步，在连续交互2次HELLO报文后，根据邻居节点差异计算邻居节点的移动因子MF值；所述HELLO报文是OLSR路由协议中的一种控制消息报文，用于发现邻居，建立一个节点的邻居表，OLSR采用周期性地广播HELLO报文来侦听邻居节点的状态，其只在一跳的范围内广播；
节点i的移动因子
的计算公式如下：
其中，ni(t)表示节点i在时刻t的节点集；THello是发送一次HELLO包的事件间隔；ni(t)△ni(t-THello)是连续发送两次HELLO包后邻居节点的变化。
进一步，每个节点的平均相遇率AER的计算公式如下：
其中，Ei是在一定时间段T内节点最新遇到的节点数量；T为连续交互2个HELLO报文的时间。
进一步，获取下层数据的传输速率，输速率高的链路在单位时间内传输更多，从而得出节点i的基于数据传输速率的路由度量值
的计算公式如下：
其中，LSi表示节点i的速率。
本发明的有益效果在于：本方法通过引入节点移动性，对节点的路由准则进行优化，可以有效提高选择出的MPR节点的质量。
本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：
图1为本协议的流程图；
图2为信号强度门限示意图。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
本发明针对传统MPR选择算法的单一指标选择导致邻居节点状态信息失效的问题，提出了多维度量准则的MF-OLSR路由协议，在进行MPR节点选择时考虑MPR节点可靠度，MAC层节点的拥塞度，节点的能量使用效率，基于节点移动速率的路由度量值这几个指标。提升选出的MPR节点的强壮性和稳定性，减少报文丢失和重传的发生，从而降低整个网络的路由开销并延长工作时间。
目前在移动自组织网络中，已经提出了许多通用的链路度量标准，其中标准版的RFC3626使用HoPCount作为链路度量，而在其后版本中，加入了LinkMetric，修改了路由消息格式，设计成可以修改权值的形式。OLSR通过使用著名的D算法对网络拓扑对有向边的边权值进行计算，从而获得路由度量值，进而得出路由表，选出最优的路由路径，同时为了保证网络具有低时延和高吞吐量，一般路由权值设计考虑路径长度、链路稳定性、链路速率等因素。而本发明通过考虑节点移动性，改善当节点移动速度很快时，OLSR协议中的路由度量准则。
经过OPNET仿真结果表明，与OLSR协议相比，该协议在端到端时延、吞吐量、成功率和网络生存时间性能上分别提高了12％、9.8％、7.9％和5.6％，由此验证了本协议的有效性。
如图1所示，在无线自组网中，每个节点接收功率能够直接通过MAC层得到，随后被网络层所利用。所以本发明从接收功率角度考虑，提出了一种基于接收信号强度来度量MPR节点可靠度的方法。为节点之间的每个链路设定一个RNDi，j(Reliabilitynodedegree)以保证链路的稳定性，降低链路中断的概率。本发明采用通过在物理层和网络层之间增设一个接口的方法，使得网络层可以通过物理层中接收的信号强度来衡量MPR节点的可靠度。
在MPR节点选择过程中通过节点本身得到的接收信号强度对这段链路的稳定性进行评估，根据接收信号强度对两节点间的距离进行判断，如果两者之间的距离在一定范围内则认为此链路稳定，即这是一个可靠的MPR节点。接收信号强度可预测数据传输期间每段链路稳定程度，接收信号强度RSSi,j公式如下：
其中，x表示节点i到节点j的距离，RSSi，j表示节点j所接收的邻居节点i的接收信号强度，λ是无线网络中使用的波长，R是天线覆盖的半径，Gi和Gj分别是发射者的和接收者的天线增益，Si是发射天线的发射功率。由上述公式可以看出：x越大，接收信号强度RSSi，j就越小，如果接收信号强度RSSi，j足够的小，那相对来说两节点距离就会很大，某一个节点发生背离移动可能会造成链路断裂。因此在设定接收信号强度阈值Ti，j时，如果RSSi，j<Ti，j，则该节点不作为MPR节点。节点j所接收的邻居节点i的接收信号强度阈值Ti，j计算公式：
假如节点A的天线覆盖范围是R时，如果需要与B节点实现通信，则需要在他的传输范围R内，但是并不是所有在范围内的两个节点的链路都是相对稳定的，两节点在x＝0.9054R时此链路不会轻易发生断链，因此我们将此距离设为可靠距离。所以，放置在距离源点为0.9054R的天线接收信号强度及接收信号强度阈值如图2所示。
根据RSSi，j与Ti，j的关系建立每段链路稳定性函数RNDi，j，公式如下：
若接收信号强度小于接收信号阈值时，RNDi，j为0，即节点很不稳定，容易出界，因此不适合将其选为MPR节点，且从节点路由表中舍去对应的链接；当接收信号强度大于等于接收信号阈值时，RNDi，j由公式1-Ti，j/RSSi,j计算得出结果，并将该链路对应的RNDi，j存储在路由表中，将其作为候选的MPR节点。
定义MAC层的节点的拥塞度ηi为：
其中，Bp(i)表示当前接口队列中缓存的数据包，Bc(i)表示接口队列能容纳的最大数据包数。
定义节点的能量使用效率：
其中，Er(i)表示节点i的剩余能量，Δt表示该节点i的运行时间，定义节点的剩余能量Er(i)的具体表达式为：
Er(i)＝Pi(r)Ti(r)+Pi(s)Ti(s)
＝Pi(r)L(r)/V(r)+Pi(s)L(s)/V(s)
其中，Pi(r)、Pi(s)分别表示节点i的收发功率；L(r)、L(s)表示节点i收发数据长度；V(r)、V(s)表示数据传输速率。
在移动自组网中，由于节点移动速度快，进而导致链路拓扑的变化速度快，拓扑实时性很强，而节点周围的链路稳定性影响路由质量。所以，当链路不稳定时，就会造成高时延，从而降低网络性能。为了保证无人机网络的性能，有人提出了MF和AEP这两种基于链路稳定性的方法。但它们都具有片面性，所以本发明将这两种方法结合。
HELLO报文是OLSR路由协议中的一种控制消息报文，用于发现邻居，建立一个节点的邻居表，OLSR采用周期性地广播HELLO报文来侦听邻居节点的状态，而且HELLO报文不同于OLSR的另一种控制消息报文，TC报文必须被广播到全网，它只在一跳的范围内广播。
其中，ni(t)表示节点i在时刻t的节点集；THello是发送一次HELLO包的事件间隔；ni(t)△ni(t-THello)是连续发送两次HELLO包后邻居节点的变化。
AER的计算公式如下：
其中，AER是每个节点的平均相遇率；Ei是在一定时间段T内节点最新遇到的节点数量；T为连续交互2个HELLO报文的时间。
对于OLSR路由协议，它在建立路由时，正是根据跳数选择MPR节点，而我们知道，从源节点S到目的节点D，并不是跳数越少的路径就一定最优，但由于链路速率可以在一定程度上反应链路容量，因此下面设法获取下层数据的传输速率，传输速率高的链路在单位时间内可以传输更多，从而得出基于数据传输速率的路由度量RM，第i个节点的路由度量值
的计算公式如下：
其中，LSi代表了节点i的速率，由于大多数方案采用当前速率与最大速率的比值作为度量，但容易出现节点间的速率值差别很小的情况，因此这里采用2的幂次的方式，可以避免以上情况，并有效反映链路容量和链路速率的关系。
本方法通过引入节点移动性，对节点的路由准则进行优化，可以有效提高选择出的MPR节点的质量。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (7)
1.一种基于多维度量准则的OLSR路由协议，其特征在于：包括以下内容：
在无人机节点的物理层和网络层之间增设一个接口，使得网络层通过物理层中接收的信号强度来衡量多中继节点MPR的可靠度，若无人机节点接收的信号强度满足接收信号强度阈值，则将其作为候选MPR节点；
计算MPR节点的拥塞度和能量使用效率；
计算无人机的邻居节点的移动因子，以及每个无人机节点的平均相遇率；
获取下层数据的传输速率，得出基于数据传输速率的路由度量。
2.根据权利要求1所述的基于多维度量准则的OLSR路由协议，其特征在于：接收信号强度RSSi,j公式如下：
其中，x表示节点i到节点j的距离，RSSi，j表示节点j所接收的邻居节点i的接收信号强度，λ是无线网络中使用的波长，R是天线覆盖的半径，Gi和Gj分别是发射者的和接收者的天线增益，Si是发射天线的发射功率；
设定节点j所接收的邻居节点i的接收信号强度阈值Ti，j为：
当RSSi，j<Ti，j，则该节点不作为MPR节点；
根据RSSi，j与Ti，j的关系为节点之间的每个链路建立稳定性函数RNDi，j，公式如下：
若接收信号强度小于接收信号阈值，RNDi，j为0，表明节点很不稳定，容易出界，不适合将其选为MPR节点，因此从节点路由表中舍去对应的链接；若接收信号强度大于等于接收信号阈值，RNDi，j由公式1-Ti，j/RSSi,j计算得出结果，并将该链路对应的RNDi，j存储在路由表中，将其作为候选的MPR节点。
3.根据权利要求1所述的基于多维度量准则的OLSR路由协议，其特征在于：定义MAC层的节点的拥塞度ηi为：
其中，Bp(i)表示当前接口队列中缓存的数据包，Bc(i)表示接口队列能容纳的最大数据包数。
4.根据权利要求1所述的基于多维度量准则的OLSR路由协议，其特征在于：定义节点的能量使用效率：
其中，Er(i)表示节点i的剩余能量，Δt表示该节点i的运行时间，定义节点的剩余能量Er(i)的具体表达式为：
Er(i)＝Pi(r)Ti(r)+Pi(s)Ti(s)
＝Pi(r)L(r)/V(r)+Pi(s)L(s)/V(s)
其中，Pi(r)、Pi(s)分别表示节点i的收发功率；L(r)、L(s)表示节点i收发数据长度；V(r)、V(s)表示数据传输速率。
5.根据权利要求1所述的基于多维度量准则的OLSR路由协议，其特征在于：在连续交互2次HELLO报文后，根据邻居节点差异计算邻居节点的移动因子MF值；所述HELLO报文是OLSR路由协议中的一种控制消息报文，用于发现邻居，建立一个节点的邻居表，OLSR采用周期性地广播HELLO报文来侦听邻居节点的状态，其只在一跳的范围内广播；
第i个节点的移动因子
的计算公式如下：
其中，ni(t)表示节点i在时刻t的节点集；THello是发送一次HELLO包的事件间隔；ni(t)△ni(t-THello)是连续发送两次HELLO包后邻居节点的变化。
6.根据权利要求1所述的基于多维度量准则的OLSR路由协议，其特征在于：每个节点的平均相遇率AER的计算公式如下：
其中，Ei是在一定时间段T内节点最新遇到的节点数量；T为连续交互2个HELLO报文的时间。
7.根据权利要求1所述的基于多维度量准则的OLSR路由协议，其特征在于：获取下层数据的传输速率，输速率高的链路在单位时间内传输更多，从而得出第i个节点的基于数据传输速率的路由度量值
的计算公式如下：
其中，LSi表示节点i的速率。
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