CN115150914A - 一种基于多径路由的高效路由机制 - Google Patents

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Abstract

许多传统的移动自组织网络路由算法都有自己的路由决策标准，有的以距离最短的路径为标准，有的以自身剩余能量的多少为标准，有的以链路的通信质量为标准，但是这些标准过于单一，不适应于日益复杂的飞行自组织网络应用环境。本发明基于多径思想提出了一个高效的路由机制，具体是在源到目的节点之间建立多条路径，并综合路径的剩余能量、拥塞度、信任度等指标制定了一个路径评价标准，以作为路由决策时选择数据传输的最佳路径的依据，最后基于最近最少使用(LRU,Least Recently Used)算法对网络中多条路径进行维护，该机制对比传统OLSR路由算法不仅大大提升了数据包投递率、降低了平均端到端时延，还延长了网络生存时间。

Description

一种基于多径路由的高效路由机制
技术领域
本发明属于移动自组织网络领域，设计一种基于多径路由的高效路由机制，用于优化飞行自组织网络的路由协议。
背景技术
飞行自组织网络(FANET,FlyingAdHocNetwork)作为面向无人机工作场景下的一种特殊的移动自组织网络(MANET,MobileAdHocNetwork)近年来发展的如火如荼。FANET具有高动态、频繁网络拓扑变化等特点，设计适应其复杂场景的路由协议是FANET研究的热点。在传统OLSR路由算法中，通常会选取源节点到达目的节点的最小跳数的路径作为数据转发的链路，跳数不是基于源节点到目的节点距离，而是计算源节点到达目的节点所需转发次数。最小跳数有着易于实现和较高的场景适应性的特点，所以被OLSR路由算法作为默认的通信链路度量指标。但是在有些场景下，基于最小跳数选择的路径并不是最佳的路径，以最小跳数作为数据转发路径的策略在端到端延迟以及网络吞吐量方面有着一定优化，但在丢包率、安全性和带宽等方面并不一定更优。因此，有许多学者针对这个问题提出了优化的方案，比如选择期望传输次数(ETX,ExpectedTransmissionCount)、移动节点剩余电池电量、接收功率强度、信道空闲时间和可用带宽等作为路径度量指标，以作为数据转发的最优路径决策的依据。但是上述对通信链路度量的优化方法都存在标准较为单一的问题，不能很好适应高动态FANET场景。
发明内容
本发明为提升FANET路由协议的稳定性和网络生存时间，提出一种基于多径路由思想和OLSR算法的高效路由算法(EBM-OLSR,EfficientRoutingBasedonMultipath-OLSR)。本发明提出的方法为网络中任意通信节点之间建立了多条有效路由，结合路径能量、拥塞度以及节点安全性等指标设计了一个路径评价机制，能够更加全面的选择出最佳路径，提升了网络的稳定性和网络寿命；并参考LRU算法对多路径进行维护，减少网络开销。
本发明是通过以下技术方案实现的：首先使用生存时间因子对Dijkstra算法进行优化，并使用该算法选取节点及其一跳邻居节点到达目的节点的最短路径作为多条可用路径，然后通过计算路径节点平均剩余能量、节点拥塞度、路径信任度以及路径节点平均空闲度评价每条路径的质量，选择最优路径作为节点数据转发的路由，最后基于LRU算法对网络中过期或者使用较少的路径进行淘汰。
有益效果：1)本发明的方法在网络中节点不断移动的场景下，对比OLSR和MP-OLSR路由算法具有更高的数据包投递率、更低的端到端时延和更长的网络生存时间；2)随着时间的推移，三种算法的性能都出现下滑，但本发明算法在45分钟时仍具有近72％的数据包投递率、60％的节点剩余能量比以及600ms左右的平均端到端延迟，均优于另外两种算法。
附图说明
图1是基于多径路由的高效路由机制的总体流程图；
图2是使用TTL因子优化Dijkstra算法路由发现过程的流程图；
图3是基于LRU算法对多路径进行维护的流程图；
图4是本发明与OLSR算法以及MP-OLSR算法平均端到端时延对比图；
图5是本发明与OLSR算法以及MP-OLSR算法生存时间对比图；
图6是本发明与OLSR算法以及MP-OLSR算法数据包投递率对比图。
具体实施方式
基于多径路由的高效路由机制的总体流程如图1，具体如下：
多路径计算中使用TTL因子对Dijkstra算法路由发现过程采用的洪泛的数据转发方式的优化方法如下：将HELLO数据包中加入生存时间字段TTL_INIT，初始化为某个初始值a，并且数据包在与a值等效的跳数范围内传播。如果源节点在周期时间内没有收到目的节点的路由信息，表示目的节点不在初始跳数范围内，然后源节点增加TTL_INIT的值并继续在新范围内广播。若还未收到目的节点路由信息，TTL_INIT的值会继续递增直到确定目的节点的路由，流程如图2所示。
综合路径跳数、路径节点平均剩余能量、节点拥塞度、路径信任度以及路径节点平均空闲度5种影响路径质量评价的指标，并对其进行加权处理分析，本文制定的路径质量评价值Qst的计算公式如下：
Figure BDA0003710186100000021
其中ω1、ω2、ω3、ω4为加权系数，本文中分别设为0.2、0.2、0.3、0.3；路径拥塞度是除了源节点和目的节点外所有节点拥塞度的连乘。
基于LRU算法设置的多路径维护机制如图3，具体如下：
设定一个路径过期时间ET，并初始化为ET＝t0。每过一个HELLO周期时间就对多路径路由表中路径的过期时间进行更新，在周期时间内若此路径有被使用，则将该路径过期时间重置为t0，反之则将ET减1。若ET≤0，即该路径已经过期，将该路径从路由表中删除。
使用NS-2仿真平台对本发明所提算法与OLSR、MP-OLSR算法进行仿真对比实验，图4为三种算法平均端到端时延对比图，从图中可看出，本发明在任何时间平均端到端时延都低于另外两种算法，在45分钟时，本发明平均端到端时延比OLSR算法低52％，比MP-OLSR低33％。
图5为三种算法生存时间对比图，从图中可看出，在实验早期三种算法剩余能量比差距不大，但是随着时间推移，另外两种算法节点剩余能量下降较快，但本发明剩余能量下降较缓慢，在45分钟时本发明有60％的剩余能量比，而OLSR为42％，MP-OLSR为54％，由此可以看出本发明具有最长的网络生存时间。
图6为三种算法数据包投递率对比图，从图中可看出，由于节点具有较高移动性，网络拓扑频繁变化，三种算法的数据包投递率均有较大起伏，但本发明在所有时间都有最高的数据包投递率，在45分钟本发明数据包投递率为72％，OLSR为58％，MP-OLSR为62％，由此可以看出，本发明具有最高的数据包投递率且随着时间推移其性能优势更加明显。

Claims (5)

1.一种基于多径路由的高效路由机制，其特征在于，对应用于复杂环境的FANET提出了一个高效的多径路由方法，该方法包括多路径的计算、路径质量评价机制以及多路径的维护，步骤如下：
步骤1、使用优化过的Dijkstra算法计算节点到达目的节点的最短路径；
步骤2、使用优化过的Dijkstra算法计算源节点所有一跳邻居节点到达目的节点的最短路径；
步骤3、对步骤二所计算的源节点到达目的节点的多条可用路径进行路径质量评价综合多个影响路径质量的指标，从网络稳定性、生存时间以及安全性这几个方面对路径的质量进行标准化计算，制定了一个对多条路径质量进行评估的标准，计算公式如下：
Figure FDA0003710186090000011
其中HOP为节点传输信息所需跳数，
Figure FDA0003710186090000012
为路径节点平均剩余能量、
Figure FDA0003710186090000013
为节点拥塞度、Tpath为路径信任度以及
Figure FDA0003710186090000014
为路径节点平均空闲度，ω1、ω2、ω3、ω4为加权系数，本文中分别设为0.2、0.2、0.3、0.3；
步骤4、对网络中存在的多条路径进行维护，包括淘汰过期或使用较少的路径；
步骤5、利用步骤1-4对网络中所有节点实现高效的多径路由策略。
2.根据权利要求1所述的一种基于多径路由的高效路由机制，其特征在于，步骤1中采用生存时间(TTL,Time To Live)因子对路由发现过程数据包发送方式进行优化，具体是设置初始TTL值，在等值范围进行路由发现，若未找到目的节点则将TTL值递增直到找到目的节点。
3.根据权利要求1所述的一种基于多径路由的高效路由机制，其特征在于，步骤2对网络中节点选取多路径的策略是选择源节点以及所有一跳邻居节点到达目的节点的最短路径。
4.根据权利要求1所述的一种基于多径路由的高效路由机制，其特征在于，步骤3中路径质量评价机制中几个参量的计算公式如下：
1)
Figure FDA0003710186090000015
其中
Figure FDA0003710186090000016
为路径中节点i的剩余能量，N为路径中节点个数；
2)
Figure FDA0003710186090000017
其中为
Figure FDA0003710186090000018
节点i的拥塞度，就是节点对称的一跳邻居节点个数与该节点所有一跳邻居节点的个数的比值；
3)Tr＝c(a1)vc(a2)∧...∧c(an)
其中c(a)为节点a的全局信任度；
4)
Figure FDA0003710186090000021
Figure FDA0003710186090000022
其中
Figure FDA0003710186090000023
为节点初始化队列长度，
Figure FDA0003710186090000024
为节点队列已用长度。
5.根据权利要求1所述的一种基于多径路由的高效路由机制，其特征在于，步骤4最近最少使用(LRU,Least Recently Used)算法中对缓存页面的淘汰机制，对网络中维护的多条路径进行合理的维护和淘汰，具体是设定一个路径过期时间ET，周期时间对路由进行更新，路径被使用就重置ET，反之递减，当ET≤0路径就被淘汰，降低多径路由的开销。
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