CN114641050A - 一种无人机自组网负载感知的节能路由协议方法 - Google Patents

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CN114641050A CN202210320263.5A CN202210320263A CN114641050A CN 114641050 A CN114641050 A CN 114641050A CN 202210320263 A CN202210320263 A CN 202210320263A CN 114641050 A CN114641050 A CN 114641050A
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朱阳
张明鑫
张易新
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Abstract

本发明属于通信技术领域，具体涉及一种无人机自组网负载感知的节能路由协议方法，该方法包括：根据无人机移动路径构建无人机移动节点系统模型；采用改进的MPR选择算法对无人机移动节点系统模型中的各个节点进行筛选，得到MPR节点；根据筛选出的MPR节点得到稳定的拓扑表；根据稳定的拓扑表筛选出稳定的路由表，完成路由；本发明提出的负载感知的节能路由协议方法，该方法在OLSR路由协议路由选择基础上，增加链路稳定性的选择机制，并且在MPR选择算法中引入了节点的稳定度和可达度以及节点剩余能量，降低了路由的能耗。

Description

一种无人机自组网负载感知的节能路由协议方法
技术领域
本发明属于通信技术领域，具体涉及一种无人机自组网负载感知的节能路由协议方法。
背景技术
随着无线自组网研究和多无人机协同工作的发展，无人机自组网已成为新的研究热点，复杂场景下节点高速移动性和网络拓扑结构高动态性对无人机自组网的通信组网技术提出了新的挑战。无人机作为信息平台在信息采集、情报获取和通信中继等方面扮演着重要的角色，无人机集群能够提供虚拟空中基地、智能智慧平台、电子战等一系列功能，充分发挥信息网络的优势。
无人机自组网(Flying Ad Hoc networks，FANET)是实现协同一体化作战的关键技术，能够将区域内所有无人机获得信息通过无线信道实现信息共享，提高无人机作战系统对信息的实时处理能力和对特殊情况的相应能力，同时增强无人机在复杂环境下的生存能力。保证无人机之间实时和可靠通信时无人机自组网的其他功能的基础，如何实现高效的通信系统是近几年无人机自组网的研究重点。
现有的无人机自组网中的路由选择存在以下问题，OLSR路由协议在源节点到目的节点之间存在多条可用路由，选取路由是依据最短跳数准则来进行的，但是应用在FANET场景下，它没有考虑到无人机的高移动性和通信距离对通信的影响，选取的链路往往非常容易断裂；由于UAV载荷是有限的，其携带的电池能量不可能过大，因此对能量的依存度较高，而OLSR路由协议中的MPR节点，即使自己不通信，也仍然要转发TC分组，节点的能量很快就会被耗尽，造成链路中断。
发明内容
为解决以上现有技术存在的问题，本发明提出了一种无人机自组网负载感知的节能路由协议方法，该方法包括：根据无人机移动路径构建无人机移动节点系统模型；采用改进的MPR选择算法对无人机移动节点系统模型中的各个节点进行筛选，得到MPR节点；根据筛选出的MPR节点得到稳定的拓扑表；根据稳定的拓扑表筛选出稳定的路由表，完成路由。
优选的，采用改进的MPR选择算法对模型中的各个节点进行筛选的过程包括：
步骤1：随机获取节点A，将该节点的所有1跳邻居节点进行集合，得到1跳邻居集N1，将该节点的2跳邻居节点进行集合，得到2跳邻居集N2；
步骤2：采用移动感知模型计算1跳邻居集N1中各个节点的稳定度和可达度；
步骤3：获取节点的能量和移动距离，根据无人机的能量和移动距离采用MPR意愿算法对节点各个节点中的路由进行筛选，得到节能路由节点；
步骤4：根据各个节点的稳定度和可达度采用MPR选择算法对节能路由节点进行筛选，得到稳定的MPR节点。
进一步的，采用移动感知模型计算各个节点的稳定度和可达度包括：节点获取相邻节点的位置信息，根据位置信息计算该节点和相邻节点的距离；根据计算出的距离信息估计两个节点之间的稳定性；根据计算出的稳定性得到该节点的可达度。
进一步的，根据计算出的距离信息估计两个节点之间的稳定性的过程包括：节点获取相邻节点的功率；根据获取的功率计算该节点的功率期望和方差；根据节点的期望和方差采用切比雪夫不等式确定节点的稳定性。
进一步的，计算节点的功率期望和方差的公式为：
Figure BDA0003571356650000021
D(X)＝E(X2)-E(X)2
其中，E(X)表示节点的功率期望，Xi表示第i个节点获取的相邻节点的功率，n表示相邻节点的总数，D(X)表示节点的功率方差。
优选的，切比雪夫不等式确定节点的稳定性的公式为：
Figure BDA0003571356650000031
其中，X表示节点接收的功率，E(X)表示节点的功率期望，ε表示任意正数，D(X)表示节点的功率方差。
优选的，采用MPR意愿算法对节点各个节点中的路由进行筛选的过程包括：设置节点可达度a，一跳邻居可达度数量ND、剩余能量百分比做归一化处理范围[0,1]以及节点意愿值范围[0,7]；初始化N个无人机节点，将每个节点的意愿值设置为默认值；各个节点接收来自所有一跳邻居的HELLO消息，计算同一时间间隔邻居节点的信号功率大小和邻居节点的稳定度，并检测每个节点的剩余能量，根据剩余能量进行MPR意愿值的选择；若剩余能量百分比为1，且ND大于a，则节点意愿值为7；若剩余能量百分比为[0.75,1]并且ND大于a，则节点意愿值设置为6；若剩余能量百分比为[0.75,1]，且ND小于a，则节点意愿值设置为3；若剩余能量百分比小于0.25，则节点的意愿值都设置为0；否则节点意愿值均设置为1；将所有的意愿值大于1的节点进行保留，其余节点进行删除。
优选的，采用MPR选择算法对节能路由节点进行筛选的过程包括：
步骤41：选取一个空的MPR集合，其中加入MPR集合中的节点均为1跳邻居集N1中的节点；
步骤42：将1跳邻居集N1中的节点添加到MPR集合中，其中添加到MPR集合中的节点为2跳邻居集N2中的节点提供可达性的唯一节点；从2跳邻居集N2中删MPR集中所覆盖的节点；
步骤43：计算1跳邻居集N1中每个节点的邻居节点可达度，并将可达度最大的1跳邻居集N1中的节点加入到MPRset(A)中；其中MPRset(A)表示节点A的多点中继的集合；若节点的可达度相同，则取2跳邻居数量最多的节点加入到MPRset(A)中；若2跳邻居的数目相等，则选取稳定度最大的节点节点加入到MPRset(A)中；从2跳邻居集N2中删除被MPR集中的节点所覆盖的节点；
步骤44：将MPRset(A)中的节点作为稳定的MPR节点。
优选的，根据筛选出的MPR节点构建拓扑表的过程包括：每个MPR节点中设置初始拓扑表；每个MPR节点定期广播TC消息，其中TC消息的格式为改进的TC消息包格式，即将稳定性因素SDN加入TC消息中；其他节点对TC消息进行判断，若TC消息中有稳定性因素SDN，则每个MPR节点接收TC消息，并通过接收到的TC消息对初始拓扑表进行更新，若TC消息中没有稳定性因素SDN，则拒绝接收该TC消息。
优选的，根据稳定的拓扑表选择稳定的路由表的过程包括：根据稳定的拓扑表选择稳定的路由表的过程包括：每个MPR节点都接收到邻居节点的拓扑表信息，该拓扑表信息包括目的节点主地址、到达目的节点的最后一跳地址、拓扑表序列号以及拓扑表的有效时间；根据接收到的拓扑表信息和TC报文信息对邻居节点的稳定性进行判断，若邻居节点的稳定，则通过稳定的节点构建稳定的路由表，若邻居节点不稳定，则删除该邻居节点。
本发明的有益效果：
本发明提出的负载感知的节能路由协议方法，该方法在OLSR路由协议路由选择基础上，增加链路稳定性的选择机制，并且在MPR选择算法中引入了节点的稳定度和可达度以及节点剩余能量；本发明通过选择稳定的MPR来降低无人机节点高移动性的影响。通过节能设计来增加节点的网络生存时间，提升网络寿命。
附图说明
图1为本发明的无人机自组网移动性和能量感知的OLSR路由算法流程图；
图2为本发明的可达度概念示意图；
图3为本发明的改进的MPR意愿算法原理图；
图4为本发明的MEA-OLSR路由协议HELLO消息包格式示意图；
图5为本发明的MEA-OLSR路由协议TC消息包格式示意图；
图6为本发明所提方法的分组投递率示意图；
图7为本发明所提方法的平均端到端时延示意图；
图8为本发明所提方法的平均吞吐量示意图；
图9为本发明所提方法的网络生存时间示意图；
图10为本发明所提方法的MPR计算次数示意图；
图11为本发明所提方法的路由表计算次数示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
一种无人机自组网负载感知的节能路由协议方法，该方法包括：根据无人机移动路径构建无人机移动节点系统模型；采用改进的MPR选择算法对无人机移动节点系统模型中的各个节点进行筛选，得到MPR节点；根据筛选出的MPR节点得到稳定的拓扑表；根据稳定的拓扑表筛选出稳定的路由表，完成路由。
一种无人机自组网负载感知的节能路由协议方法的具体实施方式，如图1所示，该方法包括：根据无人机移动路径构建无人机移动节点系统模型；采用移动感知模型计算各个节点的稳定度和可达度；通过能量感知、移动性感知、稳定度以及可达度对MPR选择算法进行改进；通过改进的MPR选择算法对各个节点进行筛选，得到稳定的MPR节点；根据筛选的MPR节点周期性获取控制消息，从而实现对拓扑表更新下算法的改进，选择稳定的拓扑表；根据稳定的拓扑表选择稳定的路由表，完成路由。
采用移动感知模型计算各个节点的稳定度和可达度的过程包括：本文用无人机自身获取的GPS数据，实现无人机节点的移动性感知。在该算法中，有两个移动性相关指标，分别是节点稳定度(Stability Degree of Node,SDN)和节点可达度(Reachability Degreeof Node,RDN)。
节点稳定度的计算过程包括：
无人机自组网网络中节点的相对移动速度较大，这会导致节点间通信链路的不稳定性。节点从相邻节点收集位置信息，通过计算得到节点与相邻节点之间的距离。利用距离信息估计通信链路的连接稳定性，链路的稳定性即是节点的稳定度。在概率论领域中，对于任何数据和样本，当变量X的期望E(X)和方差D(X)存在时，都可以用切比雪夫不等式来表示：
Figure BDA0003571356650000061
其中，X表示节点接收的功率，E(X)表示节点的功率期望，ε表示任意正数，D(X)表示节点的功率方差。
当方差D(X)趋于零时，它反映了随机变量X的值总是接近或等于其预期值，因此随机变量X相对稳定。
计算节点的功率期望和方差的公式为：
Figure BDA0003571356650000062
D(X)＝E(X2)-E(X)2
其中，E(X)表示节点的功率期望，Xi表示第i个节点获取的相邻节点的功率，n表示相邻节点的总数，D(X)表示节点的功率方差。
方差D(X)可以描述为：
Figure BDA0003571356650000063
为了测量无人机之间的移动性，可以使用切比雪夫不等式原理。现代无人机由于配备了GPS等信息装备，节点可以随时获取自己的位置信息以及功率信息。本文将相邻节点之间接收不同时间间隔的接收信号功率的值来代替不等式中的Xi，可以计算出D(X)的值，D(X)可表示无人机节点之间的移动性。
两个相邻节点之间的信号功率值非常接近其预期值，则可以认为两个相邻无人机节点之间的链路是稳定的。并且在特殊情况下，如果两个无人机之间接收到信号功率值的数学方差为零，则两个相邻的无人机节点可以称为严格稳定。综上所述，本文提出稳定性函数可以通过节点A计算相邻节点B的稳定性，如下式：
SDNAB＝D(XBi)
式中，XBi是相邻节点B的信号功率值。节点A和相邻节点B的稳定性计算公式的具体表达式为：
Figure BDA0003571356650000071
其中，上式是计算无人机自组织网络中节点稳定性函数，下面将介绍无人机自组织网络下节点稳定性的计算过程。例如，节点N1、N2、N3、N4和N5是无人机节点N的相邻节点，P1、P2、P3、P4、P5为从每个相邻节点接收的消息信号功率值(表中的功率值是为了方便计算解释，并不是反映实际的功率值)。在接收到来自每个邻居Ni的信息后，节点A开始计算D(Pi)，并相应地选择更稳定的邻居。如表1所示，在四个最近邻居(N1、N2、N3和N4)中，与其他节点相比，节点N1最为稳定。如果两个邻居具有相同的D(P)值(如N3和N4的情况下)，则具有最后交换消息的最高信号功率值的邻居被视为更稳定(即N3)。特殊情况下，N5对于节点N1是完全稳定的。
表1无人机节点稳定性计算
Figure BDA0003571356650000072
计算节点可达度的过程包括：节点的稳定度代表无人机节点A和节点B之间链路的权重，而节点的可达度代表节点的权重。本发明中节点的可达度是指只有稳定节点的可达度。图2表示一个无人机自组织网络，其中边的权重是SDN，顶点的权重是RDN。例如，在图2中，节点8选择节点2作为最稳定的节点，给节点2一个令牌。类似地，节点7也选择节点2作为最稳定的节点，给节点2一个令牌，则节点2的RDN等于2。
在无人机自组网场景中，无人机所携带的电池能量是受限的，因此在选择多点中继节点时，除了要考虑节点密度和稳定性外，还须要考虑节点的剩余能量，剩余能量低于阈值的节点不再被指定为MPR。
在OLSR路由协议中，节点的“意愿”是一个参数，用于指定节点代表其他节点转发流量的意愿。节点的意愿可以设置为0到7之间的任何整数值。意愿值越大，节点被选为MPR的概率就越高。一个节点可以随着其条件的变化而改变其意愿值。在传统的OLSR协议中，节点意愿默认值为3。表2显示了MPR的意愿程度。
表2OLSR协议中的意愿程度
Figure BDA0003571356650000081
原始的OLSR路由协议选择MPR节点是根据节点收到的HELLO消息的数量来改变MPR意愿值。当一个节点从它的单挑邻居接收HELLO消息时，HELLO消息被计数并表示为节点密度。然后使用固定阈值，如果节点密度低于阈值，意愿将更改为0，如果节点密度高于阈值，意愿将更改为7。这样做是为了减少密集网络中的MPR冗余。但是原始算法中并没有考虑到节点的稳定性以及节点的剩余能量。
图3描述了该算法的工作原理，节点的可达度阈值设置为4。如图3(a)所示，节点的电池能量半分比为100％,节点可达度为6，因此，MPR的意愿值设置为7。类似的，图3(b)中节点可达度为6，但是节点电池能量百分比为75％，则相应地将意愿值设置为6。图3(c)中，剩余能量百分比大于0.5，但是节点可达度小于阈值，因此意愿值设置为3。最后，在图3(d)中，电池能量百分比已经小于0.2，不管节点可达度是否超过阈值，意愿都将被设置为1。
MPR意愿算法伪代码如表3所示。该算法包含在OLSR模型的功能块和状态变量中。采用MPR意愿算法对节点各个节点中的路由进行筛选的过程包括：设置节点可达度a，一跳邻居可达度数量ND、剩余能量百分比做归一化处理范围[0,1]以及节点意愿值范围[0,7]；初始化N个无人机节点，将每个节点的意愿值设置为默认值；各个节点接收来自所有一跳邻居的HELLO消息，计算同一时间间隔邻居节点的信号功率大小和邻居节点的稳定度，并检测每个节点的剩余能量，根据剩余能量进行MPR意愿值的选择；若剩余能量百分比为1，且ND大于a，则节点意愿值为7；若剩余能量百分比为[0.75,1]并且ND大于a，则节点意愿值设置为6；若剩余能量百分比为[0.75,1]，且ND小于a，则节点意愿值设置为3；若剩余能量百分比小于0.25，则节点的意愿值都设置为0；否则节点意愿值均设置为1；将所有的意愿值大于1的节点进行保留，其余节点进行删除。
表3MPR意愿修改算法伪代码
Figure BDA0003571356650000091
Figure BDA0003571356650000101
原始的OLSR路由协议MPR选择算法仅仅是依靠一跳邻居和对称二跳邻居数来选择的，没有考虑到节点的稳定性和可达性，这种机制只是尝试通过使用主动式协议来最小化网络的洪泛。但是应用在FANET的场景下，由于无人机的高机动性，没有选择稳定的链路会导致链路频繁的断开，造成MPR持续的计算以及路由表频繁的更新。因此本文将节点的稳定性和可达性机制整合到OLSR协议MPR选择算法中，选择一组更加稳定的MPR，以便长时间地保持网络拓扑稳定。这种稳定性会大大减少了MPR计算时间以及重新计算路由表数量。由于OLSR路由协议是通过周期性的控制消息来交换信息的，因此，对HELLO消息和TC消息格式进行修改，并提出新的MPR选择算法和拓扑表生成算法。
如图4所示，对OLSR协议中HELLO消息包格式进行修改，为每个节点引入稳定性的值，通过交换HELLO消息来选择更加稳定的MPR。
改进的MPR选择算法：本发明对OLSR协议中的原始MPR算法进行了修改，以选择稳定持久的MPR。在算法中，如果到该邻居的链路是对称的，并且与其他节点相比，它具有最大的RDN值，则选择该邻居节点作为MPR。在多个节点的RDN值相同的情况下，具有覆盖大量二跳邻居的节点将会被选择为MPR。改进的MPR选择算法的节点进行选取的过程包括：
步骤41：选取一个空的MPR集合，其中加入MPR集合中的节点均为1跳邻居集N1中的节点；
步骤42：将1跳邻居集N1中的节点添加到MPR集合中，其中添加到MPR集合中的节点为2跳邻居集N2中的节点提供可达性的唯一节点；从2跳邻居集N2中删MPR集中所覆盖的节点；
步骤43：计算1跳邻居集N1中每个节点的邻居节点可达度，并将可达度最大的1跳邻居集N1中的节点加入到MPRset(A)中；其中MPRset(A)表示节点A的多点中继的集合；若节点的可达度相同，则取2跳邻居数量最多的节点加入到MPRset(A)中；若2跳邻居的数目相等，则选取稳定度最大的节点节点加入到MPRset(A)中；从2跳邻居集N2中删除被MPR集中的节点所覆盖的节点；
步骤44：将MPRset(A)中的节点作为稳定的MPR节点。
OLSR路由协议是一种基于MPR机制的主动式路由协议，MPR的主要功能是在网络中各个节点之间传递信息，并选择到达目的节点的最短路径。因此，OLSR中的拓扑发现只能在MPR节点之间进行。每个MPR节点定期广播TC消息，以通知其节点列表(MPR选择集)，该节点被选为MPR。并且只有MPR节点参与TC消息的处理和转发。这些TC消息有助于MPR节点中路由表的创建和维护。本文对MPR选择的标准算法进行了改进，以选择稳定和持久的MPR。这种变化肯定会影响拓扑发现，为了保证所选路径的稳定性，使拓扑发现更加稳定，本文在拓扑发现和路由表的计算中引入SDN概念。SDN信息必须要在TC消息中携带，才能到达其他MPR节点。下面将介绍TC消息、拓扑发现、路由表计算等方面的变化。
改进的路由算法的主要目的是计算稳定的MPR，并根据综合决策值来维护路由，而不是根据跳数。由于这些原因，改进后的TC报文格式如图5所示。
根据筛选出的MPR节点构建拓扑表，并通过周期性控制消息对拓扑表进行更新，得到稳定的拓扑表；根据稳定的拓扑表选择稳定的路由表，完成路由的具体过程包括：OLSR中每个MPR节点都维护着一个拓扑表，用来记录网络的全局状态。该表用于计算所有节点对之间的路由。拓扑表中的每个表项都用元组(T_dest_addr,T_last_addr,T_seq,T_time)表示，其中每个字段的定义如下：
T_dest_addr,T_last_addr：T_dest_addr为节点主地址，从主地址为T_last_addr的节点一跳就可以到达。
T_seq：是一个序列号。
T_time：指定此元组的生存时间，并且必须进行删除。
MPR节点收到TC消息后，会继续建立或更新拓扑表。本文对创建和更新标准OLSR拓扑表的算法进行了修改，该算法包括记录每个链路的SDN稳定性值。算法的具体步骤如表4所示。
步骤1：如果这个消息的发送接口不在这个节点的对称一跳邻居内，则丢弃该消息。
步骤2：如果拓扑集中存在一些记录，其中T_last_addr等于发送端地址并且T_seq大于ANSN，则执行这个TC消息的进一步处理，处理完后必须丢弃。
步骤3：记录拓扑集中所有节点，其中如果T_last_addr等于发送端地址并且T_seq大于ANSN，则从拓扑集中删除该节点。
步骤4：对于TC消息中接收到的每个广播邻居主地址，如果拓扑集中存在一些记录，其中T_dest_addr等于广播的邻居节点主地址并且T_last_addr等于发送端地址，则该元组的持续时间设置为当前时间加上有效时间，并记录该节点的稳定性；否则新元组必须记录在拓扑集中，其中T_dest_addr等于广播的邻居节点主地址，T_last_addr＝发起端地址，T_seq＝ANSN，持续时间为当前时间加上有效时间，稳定性为节点计算出来的稳定度。
步骤5：当拓扑表更新完成后，返回更新后的拓扑表。
表4MEA-OLSR协议拓扑表创建和生成算法
Figure BDA0003571356650000121
Figure BDA0003571356650000131
路由表是根据邻居表(一跳和两跳邻居)和拓扑表的信息计算出来的，在OLSR路由协议中，使用跳数中的最短路径算法来查找超过两跳的路径，此方法寻找到的路由并不是最稳定的路由，为了在路径选择中引入链路稳定而不是跳数，本文对原始OLSR协议路由算法进行改进，对邻居节点无人机的稳定性进行比较，选择稳定性较高的节点。
分组投递率结果如图6所示，仿真结果表明，随着节点速度的增加，三种协议的PDR都降低，这是因为随着速度的增加，网络拓扑变化次数增多，丢包的次数也增多。ML-OLSR协议的原理是选择稳定的节点作为MPR，提高了无人机自组网中这些节点对网络拓扑的稳定性，但是在选择稳定MPR节点时没有考虑到剩余能量对链路的影响，只实现了局部最优，整体看来，ML-OLSR比原始协议的PDR提高了8％左右，而MEA-OLSR不仅选择了稳定的MPR，而且考虑到剩余能量对路由传输的影响，并且对拓扑表和路由表算法做了改进，选择了更加稳定的路由，减少了丢包数，因此PDR有了较大的提升，总体看来，MEA-OLSR在PDR上比原始协议提升了17％左右。
平均端到端时延结果如图7所示，仿真结果表明，随着无人机节点移动速度的增加，平均端到端时延也增加。相比于OLSR协议，ML-OLSR和MEA-OLSR通过选择更加稳定的MPR节点，减少了链路断裂的次数以及路由重构次数，使无人机网络具有比OLSR协议更快的数据包发送速率，由于MEA-OSLR还具有能量感知，因此选择的链路会比ML-OLSR更加的稳定，平均端到端时延性能也比OLSR和ML-OLSR协议更好。总体看来，MEA-OLSR协议比原始协议在平均端到端时延性能上提升了13％左右。
平均吞吐量结果如图8所示，仿真结果表明，随着移动速度的增加，平均吞吐量随之降低，MEA-OLSR路由协议在平均吞吐量上优于ML-OLSR和OLSR路由协议。通过分组投递率和平均端到端时延分析可知，MEA-OLSR协议通过选择稳定的MPR节点以及稳定的路由，提升传输可靠性，平均吞吐量也将相应地提高。
网络生存时间如图9所示，仿真结果表明，随着节点移动速度的增大，节点网络生存时间越来越低，这是因为节点移动速度越大，网络拓扑变化越快，无人机消耗的能量也会增加。由于OLSR和ML-OLSR协议没有考虑到节点的剩余能量，当节点剩余能量已经过低时仍然被选为MPR节点，这时节点的能量很快被耗尽，造成节点宕机，网络生存时间大大降低。而MEA-OLSR在选择MPR节点时综合考虑了节点的稳定性和剩余能量，当剩余能量较低时不在被选为MPR节点，此时就不会消耗能量了。网络生存时间大大提升。总体来看，MEA-OLSR在网络生存时间性能上比原始协议提升15％左右。
MPR计算次数结果如图10所示，仿真结果表明，两种协议的MPR重新计算次数都随着节点速度的增加而增加。事实上，节点的速度增加越多，网络拓扑结构的变化就越大，这意味着MPR重新计算的数量也会增加。由于MEA-OLSR协议的稳定性度量对节点的信号功率变化非常敏感，因此当信号功率发生变化时，MEA-OLSR协议会在一个时间间隔内重新计算MPR。总体看来，MEA-OLSR由于拥有稳定性的MPR计算方法，因此在仿真过程中要比原始协议有更多次数的MPR计算。
路由表计算次数结果如图11所示，仿真结果表明，节点的速度不会显著影响两种协议中路由表重新计算的数量，也可随之得出结论，路由开销也不会随无人机节点的增加而受到显著影响。在OLSR协议中，路由表是根据邻居表(一跳和两跳邻居)和拓扑表的信息计算出来的，只有当链路发生断裂时，路由表才会重新发起路由重构过程，因此路由表计算次数会明显低于MEA-OLSR，而MEA-OLSR协议对MPR选择算法和拓扑表更新算法进行了改进，一旦有节点的功率发生变化，就会进行MPR选择算法和拓扑更新算法，因此路由表也随之更新了。导致路由表计算次数会远远多余原始OLSR路由协议。
在本发明中，首先分析了无人机自组网场景下OLSR协议的问题，主要是在路由选择机制和节点能量受限等因素下造成选择的链路不稳定以及网络生存时间过低。然后针对此问题，提出了一种无人机自组网移动性和能量感知的OLSR路由协议方法，MEA-OLSR包含优化MPR意愿选择、MPR选择算法、拓扑更新和路由选择算法。最后通过仿真实验证明了MEA-OLSR协议的有效性。证实了在基于FANET的OLSR路由协议中，引入优化MPR选择和路由选择算法能够提高分组投递率、网络生存时间和平均吞吐量，减少端到端时延。
以上所举实施例，对本发明的目的、技术方案和优点进行了进一步的详细说明，所应理解的是，以上所举实施例仅为本发明的优选实施方式而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内对本发明所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种无人机自组网负载感知的节能路由协议方法，其特征在于，包括：根据无人机移动路径构建无人机移动节点系统模型；采用改进的MPR选择算法对无人机移动节点系统模型中的各个节点进行筛选，得到MPR节点；根据筛选出的MPR节点得到稳定的拓扑表；根据稳定的拓扑表筛选出稳定的路由表，完成路由。
2.根据权利要求1所述的一种无人机自组网负载感知的节能路由协议方法，其特征在于，采用改进的MPR选择算法对模型中的各个节点进行筛选的过程包括：
步骤1：随机获取节点A，将该节点的所有1跳邻居节点进行集合，得到1跳邻居集N1，将该节点的2跳邻居节点进行集合，得到2跳邻居集N2；
步骤2：采用移动感知模型计算1跳邻居集N1中各个节点的稳定度和可达度；
步骤3：获取节点的能量和移动距离，根据无人机的能量和移动距离采用MPR意愿算法对节点各个节点中的路由进行筛选，得到节能路由节点；
步骤4：根据各个节点的稳定度和可达度采用MPR选择算法对节能路由节点进行筛选，得到稳定的MPR节点。
3.根据权利要求2所述的一种无人机自组网负载感知的节能路由协议方法，其特征在于，采用移动感知模型计算各个节点的稳定度和可达度包括：节点获取相邻节点的位置信息，根据位置信息计算该节点和相邻节点的距离；根据计算出的距离信息估计两个节点之间的稳定性；根据计算出的稳定性得到该节点的可达度。
4.根据权利要求3所述的一种无人机自组网负载感知的节能路由协议方法，其特征在于，根据计算出的距离信息估计两个节点之间的稳定性的过程包括：节点获取相邻节点的功率；根据获取的功率计算该节点的功率期望和方差；根据节点的期望和方差采用切比雪夫不等式确定节点的稳定性。
5.根据权利要求4所述的一种无人机自组网负载感知的节能路由协议方法，其特征在于，计算节点的功率期望和方差的公式为：
Figure FDA0003571356640000021
D(X)＝E(X2)-E(X)2
其中，E(X)表示节点的功率期望，Xi表示第i个节点获取的相邻节点的功率，n表示相邻节点的总数，D(X)表示节点的功率方差。
6.根据权利要求4所述的一种无人机自组网负载感知的节能路由协议方法，其特征在于，切比雪夫不等式确定节点的稳定性的公式为：
Figure FDA0003571356640000022
其中，X表示节点接收的功率，E(X)表示节点的功率期望，ε表示任意正数，D(X)表示节点的功率方差。
7.根据权利要求3所述的一种无人机自组网负载感知的节能路由协议方法，其特征在于，采用MPR意愿算法对节点各个节点中的路由进行筛选的过程包括：设置节点可达度a，一跳邻居可达度数量ND、剩余能量百分比做归一化处理范围[0,1]以及节点意愿值范围[0,7]；初始化N个无人机节点，将每个节点的意愿值设置为默认值；各个节点接收来自所有一跳邻居的HELLO消息，计算同一时间间隔邻居节点的信号功率大小和邻居节点的稳定度，并检测每个节点的剩余能量，根据剩余能量进行MPR意愿值的选择；若剩余能量百分比为1，且ND大于a，则节点意愿值为7；若剩余能量百分比为[0.75,1]并且ND大于a，则节点意愿值设置为6；若剩余能量百分比为[0.75,1]，且ND小于a，则节点意愿值设置为3；若剩余能量百分比小于0.25，则节点的意愿值都设置为0；否则节点意愿值均设置为1；将所有的意愿值大于1的节点进行保留，其余节点进行删除。
8.根据权利要求3所述的一种无人机自组网负载感知的节能路由协议方法，其特征在于，采用MPR选择算法对节能路由节点进行筛选的过程包括：
步骤41：选取一个空的MPR集合，其中加入MPR集合中的节点均为1跳邻居集N1中的节点；
步骤42：将1跳邻居集N1中的节点添加到MPR集合中，其中添加到MPR集合中的节点为2跳邻居集N2中的节点提供可达性的唯一节点；从2跳邻居集N2中删MPR集中所覆盖的节点；
步骤43：计算1跳邻居集N1中每个节点的邻居节点可达度，并将可达度最大的1跳邻居集N1中的节点加入到MPRset(A)中；其中MPRset(A)表示节点A的多点中继的集合；若节点的可达度相同，则取2跳邻居数量最多的节点加入到MPRset(A)中；若2跳邻居的数目相等，则选取稳定度最大的节点节点加入到MPRset(A)中；从2跳邻居集N2中删除被MPR集中的节点所覆盖的节点；
步骤44：将MPRset(A)中的节点作为稳定的MPR节点。
9.根据权利要求1所述的一种无人机自组网负载感知的节能路由协议方法，其特征在于，根据筛选出的MPR节点构建拓扑表的过程包括：每个MPR节点中设置初始拓扑表；每个MPR节点定期广播TC消息，其中TC消息的格式为改进的TC消息包格式，即将稳定性因素SDN加入TC消息中；其他节点对TC消息进行判断，若TC消息中有稳定性因素SDN，则每个MPR节点接收TC消息，并通过接收到的TC消息对初始拓扑表进行更新，若TC消息中没有稳定性因素SDN，则拒绝接收该TC消息。
10.根据权利要求1所述的一种无人机自组网负载感知的节能路由协议方法，其特征在于，根据稳定的拓扑表选择稳定的路由表的过程包括：每个MPR节点都接收到邻居节点的拓扑表信息，该拓扑表信息包括目的节点主地址、到达目的节点的最后一跳地址、拓扑表序列号以及拓扑表的有效时间；根据接收到的拓扑表信息和TC报文信息对邻居节点的稳定性进行判断，若邻居节点的稳定，则通过稳定的节点构建稳定的路由表，若邻居节点不稳定，则删除该邻居节点。
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