CN114793131A - 面向多业务服务质量优化的飞行自组织网络路由方法、装置及存储介质 - Google Patents

面向多业务服务质量优化的飞行自组织网络路由方法、装置及存储介质 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种面向多业务服务质量优化的飞行自组织网络路由方法、装置及存储介质，属于网络通信领域。本发明装置包括业务数据类型识别模块、路由度量和计算模块。路由度量和计算模块包括权重计算模块和路由计算模块。本发明方法包括：获取要传输的业务数据的类型，分为三类：时延敏感类业务、丢包敏感类业务和尽力而为类业务；对每类业务设计不同的路由度量，以达到每种业务的服务要求；基于不同类型的路由度量，求取从源节点到目的节点的路由。本发明通过划分业务类型，并具体设计对应的路由度量，保证了各种业务的服务质量要求。经过实验证明，采用本发明方法、装置及存储介质来选择路由，提高了网络的时延性能，降低了丢包率。

Description

面向多业务服务质量优化的飞行自组织网络路由方法、装置 及存储介质
技术领域
本发明涉及网络与通信技术领域，具体涉及一种面向多业务服务质量优化的飞行自组织网络路由方法、装置及存储介质。
背景技术
飞行自组织网络(Flying Ad hoc Network,FANET)是一种依靠有人/无人飞机、气球、飞艇、低/中/高轨卫星等有人或无人飞行平台的非地面网络。它可以由同质或异质飞行节点组成，相邻飞行节点可以相互通信，也可以与周围环境相互作用，以获得某种有价值的信息。飞行自组织网络已在军事行动、灾害救援、应急通信、交通监测等领域引起了广泛的关注。
传统移动自组织网络路由协议大多根据最短路径或路由跳数作为路由度量。由于飞行自组织网络节点通常具有很高的机动性，为了保证业务的可靠性传输，需要引入服务质量保障机制。现有技术方案多通过节点信号强度、节点队列长度、节点剩余能量等节点相关信息进行路径选择，以适应节点的高速移动，为网络传输业务提供服务质量(Quality ofService,QoS)保障。
飞行自组织网络自身的一些特性给路由协议设计带来了难题。首先，飞行节点的高机动性使飞行节点变换队形时节点间的相对速度较大，造成的多普勒效应和衰减导致信息传输可靠性和有效性的降低，影响飞行节点间的信息交互；其次，飞行自组织网络拓扑的高动态性和链路的频繁中断，使得路由路径难以维护，降低了路由稳定性；此外，由于飞行环境的复杂性以及传输业务的多样性，使得不同任务情况下对于网络性能的要求大不相同。
由于飞行自组织网络拓扑处于高动态变化中，链路间歇连接的现象频繁发生，依靠最短路径或路由跳数进行路径选择不能反应实时的链路状态，无法满足不同类型业务的QoS需求。因此，针对于传统自组织网络提出的很多路由协议并不适用于飞行自组织网络。目前针对飞行自组织网络路由协议设计展开工作的技术方案中，缺乏针对具体业务类型进行路由优化的研究，无法为不同类型业务提供特定的QoS保障。
发明内容
为了保障飞行自组织网络中多业务传输场景对于服务质量的不同需求，本发明提出了一种面向多业务服务质量优化的飞行自组织网络路由方法、装置及存储介质，针对不同类型业务提出不同的路由选择度量，构建路由优化模型，适用于由有人/无人飞机、气球、飞艇、低/中/高轨卫星等有人或无人平台构成的非地面网络。
本发明的一种面向多业务服务质量优化的飞行自组织网络路由装置，部署于网络中的每个节点，每个装置包括业务数据类型识别模块以及路由度量和计算模块。路由度量和计算模块进一步包括权重计算模块和路由计算模块。每当某个源节点有数据发送需求时，由该源节点调用在其上部署的路由装置中的各个模块来确定合适的路由向量。
业务数据类型识别模块，获取要传输的业务数据的源节点和目的节点，确定业务类型，将业务数据分为三类：时延敏感类业务、丢包敏感类业务和尽力而为类业务。
权重计算模块根据要传输的业务数据的类型，为飞行自组织网络中的所有节点，计算节点间对应的代价函数值作为链路权值矩阵的元素值；对于时延敏感类业务，代价函数值为节点间的链路传播时延；对于丢包敏感类业务，代价函数值为节点间的链路持续时间；对于尽力而为类业务，代价函数值为α/节点间链路持续时间+(1-α)*节点间链路传播时延。
路由计算模块遍历网络中的所有节点，构建中间节点信息矩阵M，矩阵M用来记录任意链路中的中间节点的身份标识(Identifier,ID)或地址信息；从矩阵M的初始取值开始，每当中间节点加入矩阵M的某链路后，该链路的路由向量取值优于该中间节点加入前该链路的路由向量取值；矩阵M中第i行j列元素(i≠j)表示节点i到节点j的链路上相对节点i而言的后继节点，一个链路上的所有后继节点被称为该链路上的中间节点；当遍历完网络中的所有节点后，路由计算模块从矩阵M中寻找从源节点开始到目的节点的中间节点，形成最终的路由向量输出结果。
本发明的一种面向多业务服务质量优化的飞行自组织网络路由方法，将飞行自组织网络中的每个飞行器作为一个节点，执行如下步骤，包括：
步骤一：获取要传输的业务数据的源节点和目的节点，确定业务类型；
所述业务数据分为三类：时延敏感类业务、丢包敏感类业务和尽力而为类业务；
步骤二：针对每类业务使用不同的路由度量，以达到每种业务的服务要求，包括：
(1)对于时延敏感类业务，选择从源节点到目的节点的链路传播时延之和值最小的路径；
(2)对于丢包敏感类业务，选择从源节点到目的节点的链路持续时间之和值最大的路径；
(3)对于尽力而为类业务，综合考虑传播时延和链路持续时间求取最优路径；
步骤三：对要传输的业务，根据业务类型对应的路由度量，求取从源节点到目的节点的路由。
所述步骤二中，设d(S,D)表示从源节点S通往目的节点D的一条路径；则：
(1)对于时延敏感类业务，设计代价函数
Figure BDA0003604268030000021
表示源节点S到节点D的传播时延；通过求取优化问题：
Figure BDA0003604268030000022
求取业务传输的最优路径；
(2)对于丢包敏感类业务，设计代价函数P(d(S,D))＝td，td表示源节点S到节点D的链路持续时间；通过求取优化问题：
Figure BDA0003604268030000023
求取业务传输的最优路径；
(3)对于尽力而为类业务，设计代价函数
Figure BDA0003604268030000024
α是比例参数，为区间[0,1]的常数；通过求取优化问题：
Figure BDA0003604268030000025
求取业务传输的最优路径。
所述步骤三中，根据要传输的业务数据的类型，为飞行自组织网络中的所有节点建立链路权值矩阵W；针对不同业务数据类型，计算节点间对应的代价函数值作为所述链路权值矩阵W的元素值；然后遍历网络中的所有节点，构建中间节点信息矩阵M，矩阵M用来记录任意链路中的中间节点的身份标识ID或地址信息；从矩阵M的初始取值开始，每当中间节点加入矩阵M的某链路后，该链路的路由向量取值优于该中间节点加入前该链路的路由向量取值；矩阵M中第i行j列元素(i≠j)表示节点i到节点j的链路上相对节点i而言的后继节点，一个链路上的所有后继节点被称为该链路上的中间节点；当遍历完网络中的所有节点后，从矩阵M中寻找从源节点开始到目的节点的中间节点，形成最终的路由向量输出结果。
根据上述本发明提出的一种面向多业务服务质量优化的飞行自组织网络路由方法，还可实现一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序指令，计算机程序指令被处理器执行时实现上述面向多业务服务质量优化的飞行自组织网络路由方法。
本发明的优点与积极效果在于：
(1)目前针对具体业务类型对于飞行自组织网络的研究较少，而传统飞行自组织网络路由协议大多采用最小跳数作为路由度量，不能保障飞行自组织网络中多业务传输场景对于服务质量的不同需求。本发明方法、装置及存储介质实现了一种完整且新颖的面向多业务服务质量优化的飞行自组织网络路由协议设计，与传统飞行自组织网络路由协议不同，在进行业务类型划分的基础上对各类业务分别提出路由度量，并以此为依据计算链路权值，并进一步计算路由，从而实现对不同业务服务需求的保障。本发明方法及装置通过划分业务类型，并针对具体业务设计路由度量，保证了各种业务的服务质量要求。
(2)经过实验证明，采用本发明方法、装置及存储介质，利用链路传播时延与链路持续时间来选择路由，提高了网络的时延性能，降低了丢包率。
附图说明
图1是飞行器聚集飞行场景示意图；
图2是飞行器分散飞行场景示意图；
图3是地球中心坐标系示意图；
图4是数据报文头格式示意图；
图5是本发明的面向多业务服务质量优化的飞行自组织网络路由方法概要流程图；
图6是链路持续时间计算模型示意图；
图7是本发明方法中路由建立过程的详细流程图；
图8是路由恢复模型示意图；
图9是本发明中路由装置的各模块组成及其逻辑关系示意图；
图10是本发明方法与不同路由协议的平均端到端时延性能的对比图；
图11是本发明方法与不同路由协议的丢包率的对比图；
图12是采用本发明方法对三种业务的平均端到端时延的仿真结果图；
图13是采用本发明方法对三种业务的丢包率的仿真结果图。
具体实施方式
下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。
在紧急事件或灾害救援情况下，仅仅依靠地面战略部署往往不足以有效控制局势，所以利用飞行平台进行空中辅助救援对于执行任务是必不可少的。本发明实施例基于无人机集群协同执行任务的场景，来详细说明所提供的面向多业务服务质量优化的飞行自组织网络路由方法。多架无人机以不同的编队从一个地方聚集飞行到任务地点然后分散飞行执行任务，聚集飞行场景如图1所示，分散飞行场景如图2所示，其中黑色箭头代表无人机运动方向。所有无人机节点均分布在三维空间，同一编队内的无人机节点都具有相同的移动模型——按给定的方向和速度移动，且各节点的运动相互独立，互不干扰。在较短的时间周期内，节点的高速运动可近似认为是匀变速运动或匀速运动，即加速度保持不变；节点的平均运动速度大小变化范围是[vmin,vmax]，节点飞行分为两个阶段：聚集飞行与分散飞行。
本发明实施例采用地球中心坐标系来描述无人机节点的运动，如图3所示。地球中心坐标系的坐标原点位于地心，x轴穿过格林尼治线和赤道线的交点，向东为正，z轴经过原点指向北极，y轴与x、z轴构成右手坐标系。任意一点A在地球中心坐标系上的坐标
Figure BDA0003604268030000041
均可表示为：
Figure BDA0003604268030000042
其中，(X,Y,Z)表示点A在地心空间的直角坐标，R为卯酉圈的曲率半径，e为第一偏心率。为了方便表示，将其转换为空间直角坐标系，转换公式如下：
Figure BDA0003604268030000043
其中，(X,Y,Z)表示点A的空间直角坐标。
本发明实施例将路由信息存储在数据分组头部内，数据报文头格式如图4所示。报文分为数据报文和控制报文，控制报文包括路由回复(Route Reply,RREP)报文和路由错误(Route Error,RERR)报文。在数据报文头中，使用Type字段表示报文的类型，长度为8位(此长度可按需确定)。Type的值为0(或1)表示该报文为数据报文；值为1(或0)表示该报文为RREP报文；值为2(此值可按需取其他整数值)表示当前报文为RERR报文。Hop字段也是8位(此长度可按需确定)，表示从源节点到目的节点所经历的节点总跳数。在发送数据包时，为每个数据包分配一个序列号，即Seq字段，占8位(此长度可按需确定)。剩余8位(此长度可按需确定)分配给Reserved字段，为保留字段。然后，利用32位(此长度可按需确定)来表示每一跳节点的地址，地址Address[0]-Address[n]表示每个数据报文从源节点(编号为0)发送到目的节点(编号为n)所经过的各个节点的地址，这些节点共同构成数据传输的路由。
如图5所示，本发明实施例实现的面向多业务服务质量优化的飞行自组织网络路由方法，主要包括三部分：业务类型划分；设计每类业务的路由度量；求取从源节点到目的节点的路由。
为了便于研究，本发明方法考虑飞行自组织网络中传输的具体业务类型，包括语音、图片、视频、数据等。通过分析各业务的特点进行业务类型划分。端到端时延是进行业务区分时最常用的一种指标，未来网络中的许多应用场景也对网络时延性能提出了新的要求。其次，丢包率作为一种衡量业务传输可靠性的性能指标，也是一种区分业务类型的重要依据。因此，本发明方法从时延和丢包率两个方面进行考虑，将网络中传输的业务分为以下三类：1)时延敏感类业务：此类业务对于时延的敏感度较高，要求比较小的端到端时延，同时对丢包率具有一定的容忍度，如语音业务；2)丢包敏感类业务：此类业务对数据传输的可靠性要求较高，但对时延并没有很高的敏感度，如图像及非直播类视频业务。相对来说，可以选择传输时延较长的路由进行传输，但要求较低的丢包率；3)尽力而为类业务：该类业务对于时延没有特殊的要求，只需网络将数据传送到目的地址即可，同时对丢包率也较不敏感。本发明方法针对以上三种业务类型分别提出不同的路由度量，以达到每种业务的服务要求。
本发明实施例考虑视距传播条件，且所有无人机节点间的链路具有相同的信道条件。飞行自组织网络可被模型化为一个加权有向图G(V,E,W)。其中，V表示无人机节点集合；E是各节点配对组成的边的集合，表示相邻节点间存在的链路集合；W是边的权重值的集合，代表链路上各种有用的状态信息。设网络中源节点为S，目的节点为D，d(S,D)表示从源节点通往目的节点的一条路径。
对于时延敏感类业务，假设采用d(S,D)进行数据传输所需要的代价为C(d(S,D))。端到端时延为所建立路径上所有链路的时延之和。本发明方法所考虑的时延为传播时延。传播时延是数据包从一个网络节点传播到另一个网络节点所需要的时间，它是两个网络节点之间距离的函数，设从源节点S到节点D的传播时延为
Figure BDA0003604268030000051
则：
Figure BDA0003604268030000052
其中，LSD表示从源节点S到目的节点D的路径长度，c表示信号在信道上的传播速度。由于采用的移动模型可利用坐标系来描述无人机节点的移动，所以任意时刻t节点的位置信息可得，则时刻t任意两相邻节点间链路长度dis(Vi,Vj)为：
Figure BDA0003604268030000053
其中，
Figure BDA0003604268030000061
与
Figure BDA0003604268030000062
分别表示节点Vi与节点Vj在t时刻的位置坐标。从源节点S到目的节点D的某一条路由可由链路集合ESD＝{(VS,Vi),(Vi,Vn),…,(Vj,VD)}表示，则该条路由的长度为：
LSD＝dis(VS,Vi)+dis(Vi,Vn)+…+dis(Vj,VD) (5)
将公式(4)代入上述公式得：
Figure BDA0003604268030000063
将公式(6)代入公式(3)可得从源节点S到目的节点D的传播时延。
经以上分析，时延敏感类业务的代价函数为：
Figure BDA0003604268030000064
优化问题为：
Figure BDA0003604268030000065
在飞行自组织网络中，链路的稳定性与任务的完成质量和效率有密切关系。这里，本发明用链路的连通时间或维持时间表征链路的稳定性。节点组成的链路越稳定，即链路的连通时间越长，则传输越可靠，丢包率越低；反之，则传输越不可靠，丢包率越高。因此，对于丢包敏感类业务，本发明从链路稳定性角度来进行路由优化。基于已经建立的移动模型，本发明从节点移动性出发，建立链路维持时间计算模型，如图6所示。网络中任意两个节点Vi，Vj在初始时刻的相对位移矢量为
Figure BDA0003604268030000066
相对速度矢量为
Figure BDA0003604268030000067
相对加速度矢量为
Figure BDA0003604268030000068
与
Figure BDA0003604268030000069
间的夹角为θ，
Figure BDA00036042680300000610
与
Figure BDA00036042680300000611
间的夹角为α，
Figure BDA00036042680300000612
与
Figure BDA00036042680300000613
的夹角为β。在本发明实施例所考虑场景中，分散飞行阶段节点间存在相对运动，经过一定的时间td后，两节点将运动至双方传输范围之外，通信链路随之断开。因此，本发明实施例选择用td作为衡量链路稳定性的度量。td的值越大，表示节点间通信维持时间越长，链路越稳定；反之，td的值越小，表示节点间通信维持时间越短，链路越不稳定。
设两个节点Vi与Vj在空间内的坐标分别为(xi,yi,zi)和(xj,yj,zj)，则两节点间的距离矢量为
Figure BDA00036042680300000614
相对速度矢量为
Figure BDA00036042680300000615
相对加速度矢量为
Figure BDA00036042680300000616
根据运动学公式可得相对位移：
Figure BDA00036042680300000617
其中，
Figure BDA00036042680300000618
表示td+t0时刻节点的位移矢量。
设节点的传输范围为r，那么当满足下面条件
Figure BDA00036042680300000619
时，两节点间链路断开。在本发明实施例所考虑的场景中，无人机节点做匀变速运动，即加速度为常数，因此相对位移公式(9)可以简化为：
Figure BDA0003604268030000071
将相对距离矢量、速度矢量和加速度矢量的计算式代入公式(11)，可以得到链路断开时刻td的求解表达式：
Figure BDA0003604268030000072
其中，
Figure BDA0003604268030000073
由公式(12)可知，两节点的链路持续时间td是关于相对加速度的四次方程。值得注意的是，当两个节点的加速度相同时，链路持续时间td将转变为关于相对速度的二次方程：
Figure BDA0003604268030000074
其中，
Figure BDA0003604268030000075
对于丢包敏感类业务，设采用d(S,D)进行数据传输所获得的效用为P(d(S,D))。取链路维持时间td为计算结果的最小正实数解。则丢包敏感类业务的效用函数为：
P(d(S,D))＝td (14)
优化问题为：
Figure BDA0003604268030000076
尽力而为类业务是三种业务中最为简单的业务模型，因为网络只是尽最大努力来发送报文，但在整个传输过程中并不保证低时延和高可靠。虽然它不需对时延和丢包做特殊要求，但应尽量根据网络环境与信道条件为其选择更为适合的路由度量。由于尽力而为类业务对于时延和丢包率没有明显的偏向性要求，因此对时延和丢包率进行综合考虑。设尽力而为类业务的代价函数为：
Figure BDA0003604268030000077
其中，比例参数α是区间[0,1]的常数，其值由具体网络条件决定。
优化问题为：
Figure BDA0003604268030000078
本发明建立的路由方法，为时延敏感类业务选择各链路传播时延之和值最小的路径，为丢包敏感类业务选择各链路持续时间之和值最大的路径，为尽力而为类业务综合考虑时延与链路持续时间选择路径。
首先，对于时延敏感类业务，将各链路的传播时延作为链路的权值，构建链路权值矩阵如下：
Figure BDA0003604268030000081
其中，
Figure BDA0003604268030000082
表示由节点i和节点n连接而成的链路的传播时延，若节点i与节点n间没有连接链路，则将
Figure BDA0003604268030000083
置为无穷大；若i等于n，则将传播时延置零。然后，构建中间节点信息矩阵M，用来记录任意链路中的中间节点的身份标识(Identifier,ID)或地址信息。在初始情况下，中间节点信息矩阵M记录了初始时刻指定给各节点的后继节点的身份标识或地址信息，该初始矩阵由人为选择，可有多种可能取值，其中一个可能的形式是
Figure BDA0003604268030000084
其中，第i行j列元素(i≠j)表示节点i到节点j的链路上相对节点i而言的后继节点。一个链路上的所有后继节点被称为该链路上的中间节点。初始时将网络中所有的无人机节点加入未确定节点集U。依次对未确定节点集U中的所有节点进行遍历，将U中节点按特定的顺序依次加入到M中，同时保证从源节点S到M中其他各节点的链路传播时延都不大于从源节点S到U中任何节点的链路传播时延。
算法1：针对时延敏感类业务具体的路由建立算法步骤如下：
算法输入参数：S，D，U，W1，M
算法输出结果：Route
步骤1：初始化，确定源节点S与目的节点D；初始化W1矩阵，其每个元素都代表链路的传播时延；初始化中间节点信息矩阵M与未确定节点集U；
步骤2：遍历未确定节点集U中的节点，如果加入节点K作为中间节点后，W1矩阵中的链路传播时延减小，则更新W1矩阵中对应链路的传播时延为最新值；
步骤3：从未确定节点集U中移除节点K；矩阵M中的对应链路处的后继节点更新为节点K；
步骤4：重复上述步骤2、步骤3，直到遍历完所有节点；
步骤5：从源节点S开始，在矩阵M依次找寻到目的节点D的中间节点。
步骤6：路由建立完成，输出路由Route。
对于丢包敏感类业务，本发明方法将计算所得的链路持续时间td作为链路权值，构建链路权值矩阵
Figure BDA0003604268030000091
与前面所述相似，td,in表示由节点i和节点n连接而成的链路的持续时间。由于时延敏感类业务的优化问题为最小化各链路传播时延之和，而丢包敏感类业务的优化问题为最大化各链路持续时间之和，参考算法1的流程，为了便于计算，这里在进行算法输入时，将矩阵W2进行反转，即将-W2作为输入。在矩阵-W2中，若节点i与节点n之间没有链路，置链路持续时间为无穷大；若i等于n，则对应位置的元素值置零。然后依然用公式(19)所述的节点信息矩阵M来保存中间节点信息。
算法2：针对丢包敏感类业务具体的路由建立算法步骤如下：
算法输入参数：S，D，U，-W2，M
算法输出结果：Route
步骤1：初始化，确定源节点S与目的节点D；初始化-W2矩阵，其每个元素都代表链路持续时间的负值；初始化中间节点信息矩阵M与未确定节点集U；
步骤2：遍历未确定节点集U中的节点，如果加入节点K作为中间节点后，-W2矩阵中的链路持续时间负值减小，则更新-W2矩阵中对应元素的值为最新值；
步骤3：从未确定节点集U中移除节点K；矩阵M中的对应链路处的后继节点更新为节点K；
步骤4：重复上述步骤2、步骤3，直到遍历完所有节点；
步骤5：从源节点S开始，在矩阵M依次找寻到目的节点S的中间节点。
步骤6：路由建立完成，输出Route。
对于尽力而为类业务，按照公式(16)计算其代价函数B(d(S,D))的值，并参照公式(18)以类似方式构建链路权值矩阵，链路权值矩阵的元素代表两节点对应的B(d(S,D))值，将权重矩阵作为输入，并根据时延敏感类业务计算路由的步骤计算Route，这里不再重复叙述。
基于上述各算法，本发明方法中路由建立过程的详细流程如图7所示。
网络中的路由Route视为节点间链路的集合，本发明标记该集合为
Figure BDA0003604268030000092
hop表示路由的跳数。当节点NiNj发生故障导致链路
Figure BDA0003604268030000093
断开时，该链路失效。数据包将无法经由失效链路到达目的节点，源节点S也不会接收到来自目的节点D的RREP报文。为了保证数据报文在网络中的可靠性传输，源节点S必须启动路由恢复与数据重传机制。此时，本发明方法将启动路由恢复机制。
路由恢复模型如图8所示。当节点C检测到下一跳路由发生断裂时，首先向源节点发送RRER报文告知源节点此处的链路发生断裂。接着，节点C重新计算到目的节点D的路由。图中重新计算的路由为S-C-E-F-D。值得注意的是，只有在中间跳节点之间的链路发生断裂时，才会向源节点发送RERR报文。当源节点S的下一跳发生故障，即链路
Figure BDA0003604268030000101
断裂时，源节点不会接收到任何反馈，它会立即执行路由发现过程，重新计算到达目的节点的有效路由。如果到目的节点的最后一跳发生了传输故障，即链路
Figure BDA0003604268030000102
断裂时，说明目的节点不可达。在这种情况下，源节点在收到节点C发送的RRER报文后，将不会重新发送数据包。
相应地，本发明实施例实现的面向多业务服务质量优化的飞行自组织网络路由装置，主要包括业务数据类型识别模块，路由度量和计算模块。本发明中路由装置的各模块组成及其逻辑关系如图9所示。
业务数据类型识别模块获取要传输的业务数据的源节点和目的节点，确定业务类型，将业务数据分为三类：时延敏感类业务、丢包敏感类业务和尽力而为业务。
路由度量和计算模块包括权重计算模块和路由计算模块。
权重计算模块根据要传输的业务数据的类型，为飞行自组织网络中的所有节点，计算节点间对应的代价函数值作为链路权值矩阵的元素值；对于时延敏感类业务，代价函数值为节点间的链路传播时延；对于丢包敏感类业务，代价函数值为节点间的链路持续时间；对于尽力而为类业务，代价函数值为α/节点间链路持续时间+(1-α)*节点间链路传播时延。
路由计算模块遍历网络中的所有节点，构建中间节点信息矩阵M，矩阵M用来记录任意链路中的中间节点的身份标识ID或地址信息；从矩阵M的初始取值开始，每当中间节点加入矩阵M的某链路后，该链路的路由向量取值优于该中间节点加入前该链路的路由向量取值；矩阵M中第i行j列元素(i≠j)表示节点i到节点j的链路上相对节点i而言的后继节点，一个链路上的所有后继节点被称为该链路上的中间节点；当遍历完网络中的所有节点，路由计算模块从矩阵M中寻找从源节点开始到目的节点的中间节点，形成最终的路由向量输出结果。具体路由计算模块获取路由的过程可根据上述路由建立算法来实现。
本发明路由装置还包括路由恢复模块，实现上述路由恢复机制。此处不再赘述。
基于上述面向多业务服务质量优化的飞行自组织网络路由方法，本发明还可以实现一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序指令，计算机程序指令被处理器执行时，实现所述面向多业务服务质量优化的飞行自组织网络路由方法。其中，计算机可读存储介质是现有可以保持和存储由指令执行设备使用的指令的有形设备，在此不在赘述。计算机可读程序指令可以是现有技术中的任意一种或多种编程语言编写，在此不在赘述。
下面将本发明方法与现有技术进行实验仿真对比，以进一步说明本发明的技术效果。
本发明实施例利用ns-3网络模拟器对本发明的路由方法进行仿真，并选择OLSR(Optimized Link State Routing)、DSDV(Destination Sequenced Distance Vector)、DSR(Dynamic Source Routing)和AODV(Ad hoc On-demand Distance Vector)四种现有路由协议进行比较。从平均端到端时延
Figure BDA0003604268030000103
和丢包率PLR两方面比较路由协议的性能。
仿真参数如表1所示，考虑了4×9＝36的网络规模，即4个无人机编队，每个编队9个无人机节点。
表1仿真参数
参数名 参数值
网络模拟器 ns-3
节点数量 4×9＝36
平均速度 200/250/300/350/400m/s
节点加速度 5m/s<sup>2</sup>
数据包大小 1000bytes
传播模型 Constant speed propagation
损耗模型 Friis propagation
传输功率 16.0206dbm
仿真时间 100s
对不同路由协议的仿真对比结果如图10和11所示。对本发明三种业务的平均时延和丢包率的仿真结果如图12和13所示。图中，本发明方法标记为Proposed。
如图10所示，为不同路由协议的平均端到端时延性能。从图中可以看出，在36节点场景下，随着节点的运动速度由200m/s增加至400m/s时，各路由协议的时延逐渐增加。其中，DSDV的时延最高，因为只有DSDV需要所有节点定期发送控制报文。OLSR路由协议由中继节点负责网络中所有控制消息的转发，所以中继节点处的业务负载量较大，发生拥塞的概率较高，因此平均端到端时延也比较大。AODV路由协议在路由发现时，目的节点只回复最先到达的路由请求，因此其自动选择拥塞情况最好的路由，再加之其表驱动的特性在一定程度上可适应因速度增大导致的链路变化，因此平均端到端时延较小。DSR采用的路由缓存技术在链路比较稳定的情况下会大大降低时延。然而，随着节点速度的增加，其时延有明显的增加，这是因为链路状态大幅变化的情况下，DSR会过度依靠缓存路由，容易选择已经失效的路由，导致重新启动路由发现过程。而本发明的路由方法首先考虑了链路的传播时延，会优先选择传播时延低的链路。其次，通过分析节点间相对位移、相对速度及相对加速度的大小和方向对维持时间的影响，选择链路维持时间长的路径，能够更好的适应链路频繁变化，因此具有最好的时延性能。
如图11所示，为不同路由协议的丢包率。从图中可以看出，各路由协议丢包率随着网络节点动态性的增加而增大。其中，DSDV的丢包率在开始时很小，但随着节点速度增大，DSDV的丢包率明显增加，到300m/s时，已增至所有协议中最大。OLSR路由协议的丢包率会随速度增大平稳增大。AODV路由协议的丢包率也稳定增加。DSR过分依赖路由缓存，网络拓扑变化严重情况下，无法很好的适应频繁的链路变化，导致丢包率逐渐上升。本发明的路由方法在考虑链路稳定性的基础上，根据链路维持时间选择路由，能够选择维持时间最长且最稳定的链路，降低了因链路中断而导致的丢包，因此丢包率较低。
如图12和图13所示，分别是采用本发明方法对三种业务的平均时延和丢包率的仿真结果。图中，A类业务表示时延敏感类业务，B类业务表示丢包敏感类业务，C类业务表示尽力而为业务。因为选择了传播时延最低的链路进行传输，A类业务表现出了最好的时延性能。对于C类业务的传输，也将传播时延纳入其路由选择时的考虑因素，所以其时延性能优于B类业务。B类业务的丢包率最低，这是因为传输B类业务时，会优先选择链路维持时间最长的链路，其链路稳定性最高，丢包率最小。而C类业务同样考虑了链路稳定性的因素，所以其丢包率会低于A类业务。
由上述实验可知，本发明的路由方法在保障不同类型业务QoS的基础上，在时延和丢包率方面实现了较为明显的性能提升。
除说明书所述的技术特征外，均为本专业技术人员的已知技术。本发明省略了对公知组件和公知技术的描述，以避免赘述和不必要地限制本发明。上述实施例中所描述的实施方式也并不代表与本申请相一致的所有实施方式，在本发明技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性的劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种面向多业务服务质量优化的飞行自组织网络路由方法，将飞行自组织网络中每个飞行器作为一个节点，其特征在于，所述方法执行如下步骤：
步骤一：获取要传输的业务数据的源节点和目的节点，确定业务类型；
所述业务数据分为三类：时延敏感类业务、丢包敏感类业务和尽力而为类业务；
步骤二：针对每类业务使用不同的路由度量，以达到每种业务的服务要求，包括：
(1)对于时延敏感类业务，选择从源节点到目的节点的链路传播时延之和值最小的路径；
(2)对于丢包敏感类业务，选择从源节点到目的节点的链路持续时间之和值最大的路径；
(3)对于尽力而为类业务，综合考虑传播时延和链路持续时间求取最优路径；
步骤三：对要传输的业务，根据业务类型对应的路由度量，求取从源节点到目的节点的路由；
根据要传输的业务数据的类型，为飞行自组织网络中的所有节点建立链路权值矩阵W；针对不同业务数据的类型，计算节点间对应的代价函数值作为所述链路权值矩阵W的元素值；然后遍历网络中的所有节点，构建中间节点信息矩阵M，矩阵M用来记录任意链路中的中间节点的身份标识ID或地址信息；从矩阵M的初始取值开始，每当中间节点加入矩阵M的某链路后，该链路的路由向量取值优于该中间节点加入前该链路的路由向量取值；矩阵M中第i行j列元素(i≠j)表示节点i到节点j的链路上相对节点i而言的后继节点，一个链路上的所有后继节点被称为该链路上的中间节点；当遍历完网络中的所有节点后，从矩阵M中寻找从源节点开始到目的节点的中间节点，形成最终的路由向量输出结果。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的步骤二中，设计的路由度量如下：
设d(S,D)表示从源节点S通往目的节点D的一条路径；
(1)对于时延敏感类业务，设计代价函数如下：
Figure FDA0003604268020000011
Figure FDA0003604268020000012
表示源节点S到节点D的传播时延；通过求取优化问题：
Figure FDA0003604268020000013
求取业务传输的最优路径；
(2)对于丢包敏感类业务，设计代价函数P(d(S,D))＝td，td表示源节点S到节点D的链路持续时间；通过求取优化问题：
Figure FDA0003604268020000014
求取业务传输的最优路径；
(3)对于尽力而为类业务，设计代价函数
Figure FDA0003604268020000015
α是比例参数，为区间[0,1]的常数；通过求取优化问题：
Figure FDA0003604268020000016
求取业务传输的最优路径。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述的步骤二中，两节点的链路持续时间计算如下：
设两个节点Vi与Vj在空间内的坐标分别为(xi,yi,zi)和(xj,yj,zj)，则两节点间的距离矢量为
Figure FDA0003604268020000017
相对速度矢量为
Figure FDA0003604268020000018
相对加速度矢量为
Figure FDA0003604268020000019
节点的传输范围为r；飞行器节点做匀变速运动，经过时间td后，节点Vi与Vj将运动至双方传输范围之外；
构建两节点Vi与Vj的链路持续时间td的求解方程如下：
Figure FDA0003604268020000021
其中，
Figure FDA0003604268020000022
当两个节点的加速度相同时，上述方程转变为：
Figure FDA0003604268020000023
其中，
Figure FDA0003604268020000024
求取方程，获取最小正实数解，作为两节点Vi与Vj的链路持续时间td。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述的步骤二中，两节点间的传播时延计算如下：
从源节点S到节点D的传播时延
Figure FDA0003604268020000025
其中，LSD表示从源节点S到目的节点D的路径长度，c表示信号在信道上的传播速度；
由t时刻获得的节点位置，计算得到两相邻节点Vi,Vj间的链路长度dis(Vi,Vj)为：
Figure FDA0003604268020000026
其中，
Figure FDA0003604268020000027
与
Figure FDA0003604268020000028
分别表示节点Vi与节点Vj在t时刻的位置坐标；
源节点S到目的节点D的某条路由表示为链路集合ESD＝{(VS,Vi),(Vi,Vn),…,(Vj,VD)}，则该条路由的长度LSD＝dis(VS,Vi)+dis(Vi,Vn)+…+dis(Vj,VD)。
5.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述的步骤三中，建立链路权值矩阵W时：
对于时延敏感类业务，链路权值矩阵W中的元素值为节点间的传播时延；对同一节点的传播时延设置为零，若两节点间没有连接链路，设置传播时延为无穷大；
对于丢包敏感类业务，链路权值矩阵W中的元素值为节点间的链路持续时间；若两节点间没有连接链路，设置链路持续时间为无穷小；对同一节点的链路持续时间设置为零；
对于尽力而为类业务，链路权值矩阵W中的元素值为两节点的α/链路持续时间+(1-α)*链路传播时延；若两节点间没有连接链路，设置对应元素值为无穷大；对同一节点的元素值设置为零。
6.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述的步骤三，输出的路由为节点间链路的集合，为了保证数据报文在网络中的可靠性传输，源节点将按如下规则启动路由恢复与数据重传机制：
当节点C和D之间的链路发生故障断开时，若节点C和D为中间节点，则节点C向源节点发送路由错误RRER报文，并重新计算到目的节点D的路由，源节点进行数据重传；若节点C为源节点，源节点在检测到下一跳路由发生断裂时，立即重新求取到目的节点的路由，源节点进行数据重传；若节点D为目的节点，表示此处目的节点不可达，节点C向源节点发送RRER报文，源节点将不再重新发送数据包。
7.一种面向多业务服务质量优化的飞行自组织网络路由装置，部署于网络中的每个节点，其特征在于，所述装置包括：
业务数据类型识别模块，获取要传输的业务数据的源节点和目的节点，确定业务类型，将业务数据分为三类：时延敏感类业务、丢包敏感类业务和尽力而为类业务；
路由度量和计算模块，包括权重计算模块和路由计算模块；
权重计算模块根据要传输的业务数据的类型，为飞行自组织网络中的所有节点，计算节点间对应的代价函数值作为链路权值矩阵的元素值；对于时延敏感类业务，代价函数值为节点间的链路传播时延；对于丢包敏感类业务，代价函数值为节点间的链路持续时间；对于尽力而为类业务，代价函数值为α/节点间链路持续时间+(1-α)*节点间链路传播时延；
路由计算模块遍历网络中的所有节点，构建中间节点信息矩阵M，矩阵M用来记录任意链路中的中间节点的身份标识ID或地址信息；从矩阵M的初始取值开始，每当中间节点加入矩阵M的某链路后，该链路的路由向量取值优于该中间节点加入前该链路的路由向量取值；矩阵M中第i行j列元素(i≠j)表示节点i到节点j的链路上相对节点i而言的后继节点，一个链路上的所有后继节点被称为该链路上的中间节点；当遍历完网络中的所有节点，路由计算模块从矩阵M中寻找从源节点开始到目的节点的中间节点，形成最终的路由向量输出结果。
8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述的装置还包括路由恢复模块，基于路由恢复模块，源节点将按下述规则启动路由恢复与数据重传机制：
路由恢复模块根据发生断裂的链路的情况，执行：设节点C和D之间的链路发生故障断开，若节点C和D为中间节点，则节点C向源节点发送路由错误RRER报文，并重新计算到目的节点D的路由，源节点进行数据重传；若节点C为源节点，源节点在检测到下一跳路由发生断裂时，立即重新求取到目的节点的路由，源节点进行数据重传；若节点D为目的节点，表示此处目的节点不可达，节点C向源节点发送RRER报文，源节点将不再重新发送数据包。
9.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序指令，其特征在于，所述计算机程序指令被处理器执行时实现上述权利要求1或2或3中任意一项所述的方法。
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