CN115242290A - 应急无人机网络链路感知的olsr协议优化方法及装置 - Google Patents

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CN115242290A CN202210667597.XA CN202210667597A CN115242290A CN 115242290 A CN115242290 A CN 115242290A CN 202210667597 A CN202210667597 A CN 202210667597A CN 115242290 A CN115242290 A CN 115242290A
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Abstract

本发明提供一种应急无人机网络链路感知的OLSR协议优化方法及装置，该方法包括：感知目标区域中每个无人机节点的网络链路状态，根据所述网络链路状态计算每个无人机节点成为MPR的意愿度；将意愿度写入每个无人机节点的HELLO消息中，并将HELLO消息中的Reserved字段更改为用于记录每个无人机节点的数据链路层队列长度的字段；根据每个无人机节点接收的HELLO消息维护每个无人机的邻居元组，根据邻居元组中邻居节点成为MPR的意愿度，选择邻居节点作为每个无人机节点的MPR；根据每个无人机节点的数据链路层队列长度进行路由选择。本发明提高了通信性能，降低了通信时延。

Description

应急无人机网络链路感知的OLSR协议优化方法及装置
技术领域
本发明涉及网络通信技术领域，尤其涉及一种应急无人机网络链路感知的OLSR协议优化方法及装置。
背景技术
近年来，随着移动自组网的发展，加上无人机廉价、灵活、易部署的特点，无人机自组网被广泛应用于应急救援场景中。一方面，无人机可以携带各种感知设备，例如摄像头，深入车辆及人员无法进入的灾区，对灾区灾情信息进行拍摄，或对地面传感器信息进行采集；另一方面，由于无线链路的传输距离有限，无人机可以通过多跳传输将收集的信息传递至远距离后方指挥中心，以支持数据分析、救援决策。
然而，由于无人机的重量限制，其自身携带的能量有限，导致其飞行时间有限，无人机节点频繁加入或离开网络，以致网络拓扑变化更加剧烈。此外，无线链路质量、网络容量、可靠性、有限的资源等都会对无线通信网络产生负面影响。这些因素导致路由选择成为无人机组网通信的重大挑战之一。
OLSR(Optimized Link State Routing，优化链路状态路由协议)作为无人机组网最广泛使用的路由协议之一，其先应式路由特点可以及时感知网络拓扑变化并及时反馈到路由选择过程中，从而降低时延和丢包率。独特的MPR(Multi Point Relay，多点中继)选择机制极大地降低了路由维护开销。但若应用在应急场景中，仍存在着很多问题。
在OLSR的MPR机制选择方面，传统OLSR仅考虑节点的连通性，然而在无人机自组网中由于节点的能量是有限的，选择剩余能量低的节点作为MPR可能会导致MPR的频繁重选；由于复杂的环境对无线链路产生影响，选择通信质量较低的节点作为MPR会大大降低网络的通信性能；由于节点的算力、传输能力存在上限，单个节点工作强度过大也会导致丢包与时延。其次，在路由路径计算方面，传统的最短路径算法忽略了无线通信信道的质量差异，在通信质量差的情况下排队时延长，导致队列拥塞造成丢包。
发明内容
本发明提供一种应急无人机网络链路感知的OLSR协议优化方法及装置，用以解决现有技术中应急无人机组网通信性能低，时延长，造成丢包的缺陷，实现提高通信性能，降低时延。
本发明提供一种应急无人机网络链路感知的OLSR协议优化方法，包括：
感知目标区域中每个无人机节点的网络链路状态，根据所述网络链路状态计算每个无人机节点成为MPR的意愿度；
将所述意愿度写入每个无人机节点的HELLO消息中，并将所述HELLO消息中的Reserved字段进行更改，更改后的字段用于记录每个无人机节点的数据链路层队列长度；
在所述无人机节点间互相发送HELLO消息后，根据每个无人机节点接收的HELLO消息维护每个无人机的邻居元组，根据所述邻居元组中邻居节点成为MPR的意愿度，选择邻居节点作为每个无人机节点的MPR；
根据每个无人机节点的数据链路层队列长度进行路由选择。
根据本发明提供的一种应急无人机网络链路感知的OLSR协议优化方法，所述网络链路状态包括邻居节点数量、剩余能量百分比、信道带宽和当前工作强度；
根据所述网络链路状态计算每个无人机节点成为MPR的意愿度，包括：
计算每个无人机节点的对称邻居节点数量、剩余能量百分比和信道带宽的乘积；
将所述乘积除以所述当前工作强度，获取每个无人机节点成为MPR的意愿度。
根据本发明提供的一种应急无人机网络链路感知的OLSR协议优化方法，根据所述邻居元组中邻居节点成为MPR的意愿度，选择邻居节点作为每个无人机节点的MPR，包括：
获取每个无人机节点的邻居节点和二跳节点；
根据所述邻居元组中每个邻居节点成为MPR的意愿度，以及与每个邻居节点连接的所述二跳节点，从所述邻居节点中选择每个无人机节点的MPR。
根据本发明提供的一种应急无人机网络链路感知的OLSR协议优化方法，所述获取每个无人机节点的邻居节点和二跳节点，包括：
将所述目标区域中与每个无人机节点互相接收到HELLO消息的无人机节点作为每个无人机节点的邻居节点；
根据每个无人机节点接收的HELLO消息中的邻居节点，获取每个无人机节点的二跳节点。
根据本发明提供的一种应急无人机网络链路感知的OLSR协议优化方法，根据所述邻居元组中每个邻居节点成为MPR的意愿度，以及与每个邻居节点连接的所述二跳节点，从所述邻居节点中选择每个无人机节点的MPR，包括：
将所述邻居节点加入每个无人机节点的邻居节点集合，将所述二跳节点加入每个无人机节点的二跳节点集合；
从所述邻居节点集合中选择所述意愿度最大的邻居节点；
判断与所述意愿度最大的邻居节点连接的所述二跳节点是否存在未被所述无人机节点的MPR集合中的MPR覆盖的节点；
若存在，则将所述意愿度最大的邻居节点加入所述MPR集合中，并从所述邻居节点集合中删除，将所述意愿度最大的邻居节点从所述二跳节点集合中删除；
若不存在，则将所述意愿度最大的邻居节点从所述邻居节点集合中删除，直到所述二跳节点集合为空集。
根据本发明提供的一种应急无人机网络链路感知的OLSR协议优化方法，所述根据每个无人机节点的数据链路层队列长度进行路由选择，包括：
将每个无人机节点的对称邻居节点加入到所述路由表中，跳数为1；
将每个无人机节点的二跳节点加入到所述路由表中，跳数为2，在存在多个下一跳节点到达所述二跳节点的情况下，选择所述数据链路层队列长度最短的下一跳节点连接所述二跳节点；
在每个无人机节点的h跳节点加入到路由表中，在存在多个跳数为h-1的节点到达所述h跳节点的情况下，选择所述数据链路层队列长度最短的h-1跳节点连接所述h跳节点；其中，h为大于或等于3的正整数。
本发明还提供一种应急无人机网络链路感知的OLSR协议优化装置，包括：
感知计算模块，用于感知目标区域中每个无人机节点的网络链路状态，根据所述网络链路状态计算每个无人机节点成为MPR的意愿度；
数据包格式修改模块，用于将所述意愿度写入每个无人机节点的HELLO消息中，并将所述HELLO消息中的Reserved字段进行更改，更改后的字段用于记录每个无人机节点的数据链路层队列长度；
维护选择模块，用于在所述无人机节点间互相发送HELLO消息后，根据每个无人机节点接收的HELLO消息维护每个无人机的邻居元组，根据所述邻居元组中邻居节点成为MPR的意愿度，选择邻居节点作为每个无人机节点的MPR；
路由优化模块，用于根据每个无人机节点的数据链路层队列长度进行路由选择。
本发明还提供一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现如上述任一种所述应急无人机网络链路感知的OLSR协议优化方法。
本发明还提供一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现如上述任一种所述应急无人机网络链路感知的OLSR协议优化方法。
本发明还提供一种计算机程序产品，包括计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上述任一种所述应急无人机网络链路感知的OLSR协议优化方法。
本发明提供的应急无人机网络链路感知的OLSR协议优化方法及装置，通过对HELLO消息的数据包格式进行修改，将HELLO消息中的Reserved字段进行更改后用于记录无人机节点的数据链路层队列长度，并将无人机节点成为MPR的意愿度写入HELLO消息中，根据网络链路感知确定无人机节点成为MPR的意愿度，根据邻居元组维护的意愿度为每个节点选择MPR，并根据数据链路层队列长度进行路由表计算，提高了通信质量，降低了通信延时。
附图说明
为了更清楚地说明本发明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一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图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是本发明提供的应急无人机网络链路感知的OLSR协议优化方法中FANET路由模型示意图；
图2是本发明提供的应急无人机网络链路感知的OLSR协议优化方法中OLSR协议的关键活动流程示意图；
图3是本发明提供的应急无人机网络链路感知的OLSR协议优化方法的流程示意图；
图4是本发明提供的应急无人机网络链路感知的OLSR协议优化方法中HEELO消息的数据包格式示意图；
图5是本发明提供的应急无人机网络链路感知的OLSR协议优化方法中LogDistance损耗模型下的时延性能对比示意图；
图6是本发明提供的应急无人机网络链路感知的OLSR协议优化方法中ThreeLogDistance损耗模型下的时延性能对比示意图；
图7是本发明提供的应急无人机网络链路感知的OLSR协议优化方法中LogDistance损耗模型下的丢包性能对比示意图；
图8是本发明提供的应急无人机网络链路感知的OLSR协议优化方法中ThreeLogDistance损耗模型下的丢包性能对比示意图；
图9是本发明提供的应急无人机网络链路感知的OLSR协议优化方法中LogDistance损耗模型下的吞吐量对比示意图；
图10是本发明提供的应急无人机网络链路感知的OLSR协议优化方法中ThreeLogDistance损耗模型下的吞吐量对比示意图；
图11是本发明提供的应急无人机网络链路感知的OLSR协议优化方法中RandomWaypoint移动模型下的丢包率性能对比示意图；
图12是本发明提供的应急无人机网络链路感知的OLSR协议优化方法中RandomDirection2d移动模型下的丢包率性能对比示意图；
图13是本发明提供的应急无人机网络链路感知的OLSR协议优化方法中GaussMarkov移动模型下的丢包率性能对比示意图；
图14是本发明提供的应急无人机网络链路感知的OLSR协议优化方法中RandomWaypoint移动模型下的吞吐量性能对比示意图；
图15是本发明提供的应急无人机网络链路感知的OLSR协议优化方法中RandomDirection2d移动模型下的吞吐量性能对比示意图；
图16是本发明提供的应急无人机网络链路感知的OLSR协议优化方法中GaussMarkov移动模型下的吞吐量性能对比示意图；
图17是本发明提供的应急无人机网络链路感知的OLSR协议优化装置的结构示意图；
图18是本发明提供的电子设备的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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作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。
在介绍本发明的实施例之前，先对本发明的系统模型和OLSR协议进行介绍。
考虑应急通信场景下，救援人员派遣无人机进行灾情感知并将灾情信息通过多跳中继传输至救援人员处。如图1所示，救援无人机具有感知功能以及传输功能，识别到灾情的无人机(例如最左侧无人机)收集信息，例如视频数据，并通过邻居节点的多跳路由传至后方救援中心(右侧救援人员)处。每个无人机节点的能耗有限，能量耗尽的无人机无法继续提供感知与中转服务。
考虑由n个无人机节点组成的无人机飞行自组网，使用N＝{n1,n2,...,nn}表示网络中所有节点的集合，i,j,k分别表示网络中任意不同的三个节点。所有无人机随机分布在x×y×h的三维空间中，所有节点按相同的移动模型随机移动，各节点运动互相独立且互不干扰。每个无人机的传输范围为R，当节点i和节点j互相处于传输范围内，则两节点存在可能的通信链路。当i,j间存在已经认证的双向链路，则为对称邻居节点，否则称i,j间存在非对称链路，i,j互为非对称邻居节点，无法进行数据传输。节点i的一跳邻居节点集合记为Ni 1。当i,j节点互为一跳邻居节点，同时j,k节点互为一跳邻居节点时，称i,k节点互为二跳邻居节点，记i的二跳邻居节点集合为
Figure BDA0003692150310000081
针对数据链路层以及物理层的设计如下：
1、无人机节点配置全向天线，即无人机在空中的传输区域为半径为R的球形空间。
2、各无人机节点的发送功率以及传输范围一致。
3、数据链路层接入协议为载波监听多路访问(Carrier Sense Multiple Access，CSMA)协议。
4、为方便实验，默认网络中无非对称链路以及非对称邻居。
OLSR协议是一种分布式协议。在自组网中，各节点分别维护自身的信息集合，通过定期发送HELLO信息来进行链路感知等活动，通过定期发送TC消息来传播自身的链路信息。根据接收到的HELLO消息、TC消息来维护自身记录的邻居表、链路表等信息集合和拓扑图。图2展示了使用OLSR协议的节点的关键活动。
下面结合图3描述本发明的一种应急无人机网络链路感知的OLSR协议优化方法，包括：
步骤301，感知目标区域中每个无人机节点的网络链路状态，根据所述网络链路状态计算每个无人机节点成为MPR的意愿度；
本实施例对OLSR协议进行优化，所提供的基于能耗和链路质量的优化路由协议简称优化路由协议(OPT-OLSR)。相较于OLSR协议，OPT-OLSR主要针对MPR机制和路由算法作出了改动，具体如表1所示。
表1相较于OLSR协议的具体改动
Figure BDA0003692150310000091
OLSR协议的MPR选取原则是连接度优先，即优先选择能连接更多二跳邻居节点的一跳邻居。考虑到无人机能耗有限导致的节点高动态性，以及无线链路的质量问题，高连接度的无人机可能有存活时间短、链路质量差的问题，将此类节点选为MPR可能会造成路由频繁断开或数据包传输时延过长等问题。
为了解决上述问题，本实施例将选取的原则优化为意愿度willingness值优先，即优先选择willingness值更高的节点作为MPR，感知网络链路状态，从节点和链路质量两方面评估其成为MPR的意愿度，提高MPR的稳定性和传输质量。
步骤302，将所述意愿度写入每个无人机节点的HELLO消息中，并将所述HELLO消息中的Reserved字段进行更改，更改后的字段用于记录每个无人机节点的数据链路层队列长度；
为了应对应急无人机场景中的高动态链路，对节点链路的状态信息进行感知以优化MPR选择和路径计算，需要获取并传播链路状态的相关信息。此信息需要通过HELLO信息进行传播并及时更新，因此需要修改原始HELLO消息的数据包格式。
在OLSR协议中，HELLO消息的前两个字节为“Reserved”字段，无意义并固定为“0000000000000”。本实施例将协议中的该字段更改为“QueueLength”，用来记录数据链路层的数据队列长度，如图4所示。
无人机节点在发送HELLO消息前，获取自身链路层的数据包队列长度，并计算意愿度willingness值。将队列长度信息与willingness值分别写入HELLO消息包中的“QueueLength”和“Willingness”字段中。
步骤303，在所述无人机节点间互相发送HELLO消息后，根据每个无人机节点接收的HELLO消息维护每个无人机的邻居元组，根据所述邻居元组中邻居节点成为MPR的意愿度，选择邻居节点作为每个无人机节点的MPR；
节点收到其他节点的HELLO消息后，解析HELLO消息中的信息，将邻居节点的地址、邻居节点的willingness值和邻居节点的队列长度等信息存入邻居元组(N_neighbor_main_addr,N_status,N_willingness，N_Queue)中。其中，N_neighbor_main_addr表示邻居节点的地址，N_status表示邻居节点的状态，N_willingness表示邻居节点成为MPR的意愿度，N_Queue表示邻居节点的队列长度。
在MPR选择方面，将MPR选择原则优化为基于意愿度优先的原则。可选地，节点选择willingness值最高的邻居节点作为MPR，以此适应FANETs的网络环境。
步骤304，根据每个无人机节点的数据链路层队列长度进行路由选择。
在路由路径计算方面，在跳数相同的下一跳节点中，优先选择数据链路层队列长度较短的下一跳节点，以减少排队时延以及队列拥塞造成的丢包。
本实施例通过对HELLO消息的数据包格式进行修改，将HELLO消息中的Reserved字段进行更改后用于记录无人机节点的数据链路层队列长度，并将无人机节点成为MPR的意愿度写入HELLO消息中，根据网络链路感知确定无人机节点成为MPR的意愿度，根据邻居元组维护的意愿度为每个节点选择MPR，并根据数据链路层队列长度进行路由表计算，提高了通信质量，降低了通信延时。
在上述实施例的基础上，本实施例中所述网络链路状态包括邻居节点数量、剩余能量百分比、信道带宽和当前工作强度；
本实施例综合考虑节点连通性、拥塞可能性、剩余能量和带宽，选取相应量化指标并加入到willingness值的计算中。其中，对称邻居节点数量值考虑了节点的连通性，选择邻居节点更多的节点有利于减少MPR的数量，减少泛洪开销；剩余能量值考虑了节点的生存时间，使之更适应无人机通信组网的场景；信道带宽值考虑了节点的传输质量，有利于充分利用大带宽节点的传输能力；考虑节点的当前工作强度，有利于防止传输集中带来的拥塞。其中，节点的当前工作强度可通过该节点当前被选为多少个其他节点的MPR来衡量。
根据所述网络链路状态计算每个无人机节点成为MPR的意愿度，包括：
计算每个无人机节点的对称邻居节点数量、剩余能量百分比和信道带宽的乘积；
将所述乘积除以所述当前工作强度，获取每个无人机节点成为MPR的意愿度。
本实施例中意愿度的计算公式为：
willingness值＝对称邻居节点数量×剩余能量百分比×信道带宽÷MPRS数量。
在上述实施例的基础上，本实施例中根据所述邻居元组中邻居节点成为MPR的意愿度，选择邻居节点作为每个无人机节点的MPR，包括：获取每个无人机节点的邻居节点和二跳节点；
根据所述邻居元组中每个邻居节点成为MPR的意愿度，以及与每个邻居节点连接的所述二跳节点，从所述邻居节点中选择每个无人机节点的MPR。
本实施例中的MPR选择算法分为两个部分，第一部分为每个无人机的邻居节点和二跳节点的获取方法，本实施例对邻居节点和二跳节点的获取方法不作具体限定；第二部分为根据邻居节点和二跳节点为每个无人机节点选择MPR，本实施例对MPR的选择方法不作具体限定。
在上述实施例的基础上，本实施例中所述获取每个无人机节点的邻居节点和二跳节点，包括：
将所述目标区域中与每个无人机节点互相接收到HELLO消息的无人机节点作为每个无人机节点的邻居节点；
在MPR选择算法的第一部分中，每个无人机节点与周围节点通过HELLO消息包传播进行连接握手，将与每个无人机节点互相接收到HELLO包的节点加入邻居节点集合。
根据每个无人机节点接收的HELLO消息中的邻居节点，获取每个无人机节点的二跳节点。
由于每个无人机节点的HELLO消息包中保存了本节点的邻居节点，因此每个无人机节点可从接收的邻居节点的HELLO消息中，获取其每个邻居节点连接的二跳节点，并将所有二跳节点加入二跳节点集合。
在上述实施例的基础上，本实施例中根据所述邻居元组中每个邻居节点成为MPR的意愿度，以及与每个邻居节点连接的所述二跳节点，从所述邻居节点中选择每个无人机节点的MPR，包括：
将所述邻居节点加入每个无人机节点的邻居节点集合，将所述二跳节点加入每个无人机节点的二跳节点集合；
从所述邻居节点集合中选择所述意愿度最大的邻居节点；
判断与所述意愿度最大的邻居节点连接的所述二跳节点是否存在未被所述无人机节点的MPR集合中的MPR覆盖的节点；
若存在，则将所述意愿度最大的邻居节点加入所述MPR集合中，并从所述邻居节点集合中删除，将所述意愿度最大的邻居节点从所述二跳节点集合中删除；
若不存在，则将所述意愿度最大的邻居节点从所述邻居节点集合中删除，直到所述二跳节点集合为空集。
在MPR选择算法的第二部分具体包括如下步骤：
1、每个无人机节点根据存在本地的邻居元组信息，在所有邻居节点中挑选willingness值最大的节点；
2、遍历挑选的节点连接的所有二跳节点，对比是否有未被其他MPR覆盖的节点。
3、若有，则将此邻居节点加入MPR集中，将其从邻居集合中删除，并将其覆盖的二跳节点从二跳节点集合中删除。
若没有，则直接将其从邻居集合中删除。
4、在剩余的邻居节点中重复上述过程，直至二跳节点集合为空集。
具体方法流程参见下面的伪代码，算法的输入为无人机节点集合N，输出结果为每个节点的MPR节点集合
Figure BDA0003692150310000131
Figure BDA0003692150310000132
Figure BDA0003692150310000141
在上述各实施例的基础上，本实施例中所述根据每个无人机节点的数据链路层队列长度进行路由选择，包括：
将每个无人机节点的对称邻居节点加入到所述路由表中，跳数为1；
将每个无人机节点的二跳节点加入到所述路由表中，跳数为2，在存在多个下一跳节点到达所述二跳节点的情况下，选择所述数据链路层队列长度最短的下一跳节点连接所述二跳节点；
在每个无人机节点的h跳节点加入到路由表中，在存在多个跳数为h-1的节点到达所述h跳节点的情况下，选择所述数据链路层队列长度最短的h-1跳节点连接所述h跳节点；其中，h为大于或等于3的正整数。
OLSR协议的路由表计算方法使用的是最短跳数算法。为了应对无人机网络中链路的动态性，本实施例考虑链路状态对传输的影响，跳数最短的路径中可能存在质量较差的链路，导致传输质量的下降。因此，本实施例在计算路由表路径时，综合考虑了链路状态和到目的节点的总跳数。
基于链路状态的路由表计算考虑了跳数与下一跳节点的数据链路层队列长度。路由表格式为{目的节点，下一跳节点，最短跳数}。
路由表的计算步骤如下：
1、首先初始化清空路由表，将所有的对称邻居节点加入路由表中，跳数为1；
2、将二跳节点加入路由表，跳数为2，在记录到达该节点的下一跳节点时，查找拓扑表Rtopoi；
若存在多个下一跳节点可连接此节点，则选择数据链路层队列长度较短的节点；
3、对于跳数h≥3的节点，通过遍历跳数为h-1的节点获取。
具体方法流程参见下面的伪代码，算法输入为Ni 1，Ni 2，Rtopoi，输出结果为路由表Rtablei。
Figure BDA0003692150310000151
Figure BDA0003692150310000161
无人机节点的移动性和传播损失模型在决定移动自组网路由协议的性能方面起着至关重要的作用。为了验证所提协议在复杂环境以及高动态场景下的性能，本实施例仿真了在不同路径损耗下，以及在不同运动模型下的时延、丢包率和吞吐量性能。
由于本实施例提出的算法基于应急场景，自由空间的路径损耗模型，例如FriisPropagationLoss无法模拟实际场景中复杂的信道衰落。为了考虑应急场景中山丘、树木等造成的随机阴影效应，使用LogDistancePropagationLoss模型，同时考虑密林场景中层次化树种分布，不同距离损耗指数不同，使用ThreeLogDistancePropagationLoss模型。此外，考虑无人机在不同任务中，可能使用不同的移动模型，使用了RandomWaypoint、RandomDirection2d、GaussMarkov三种移动模型，在2D和3D空间内模拟无人机运动路径。RandomWaypoint是随机路点模型，每个节点在运动一段时间后，重新随机选择速度、方向继续运动，其特点是存在密度波，即运动路线在运动区域的中间的密度会比边缘更高，适用于应急场景中有重点区域的随机搜索任务。RandomDirection2d是随机方向模型，每个节点在运动一段时间后，重新随机选择方向继续运动，与RandomWayPoint模型类似，但解决了密度波问题。GaussMarkov模型是一个3D空间内的移动模型。仿真的对比协议为OLSR协议与EEOLSR协议，其中EEOLSR为能量优化的OLSR协议，使用基于能量的MPR选择机制。具体参数设置如表2所示。
表2仿真参数表
Figure BDA0003692150310000162
Figure BDA0003692150310000171
首先验证本实施例所提协议在不同路径损耗模型下的性能。在仿真图中，下三角线条表示本实施例所提协议，十字线条表示EEOLSR协议，原点线条表示OLSR协议。
图5和图6分别是LogDistance和ThreeLogDistance两种传播损耗模型下不同协议的时延性能。本实施例所提协议的时延相较于OLSR协议分别减少22％与42.1％。由于传播损耗影响了信道传输质量，从图中曲线可以看出，EEOLSR协议只增加了能量模块，对于无线信道变化的适应能力差，在不同信道损耗模型下的性能优化有限。所提协议由于具有对无线信道状况的感知模块，时延性能在收敛过程中以及收敛完成后都优于OLSR协议和EEOLSR协议，且在越复杂的路径损耗模型中，优化能力越强。
图7和图8分别是LogDistance和ThreeLogDistance两种路径损耗模型下不同协议的丢包率性能。本实施例所提协议的丢包率相较于OLSR协议分别减少14.7％与52.3％。从图中可以看出，在达到收敛时间之前，丢包率会进行上下浮动，此时路由建立尚未完全。当达到收敛时间之后，丢包率趋于稳定。与时延性能类似，无论是收敛前或是收敛后，EEOLSR协议的性能优化程度低，所提协议的丢包性能都优于OLSR和EEOLSR，同样在越复杂的路径损耗模型中，优化能力越强。
图9和图10分别是LogDistance和ThreeLogDistance两种路径损耗下不同协议的吞吐量性能，本实施例所提协议的吞吐量相较于OLSR协议分别增加1.2％与4.1％。从图9可以看出，所提协议和EEOLSR协议的吞吐量性能增幅都不大，而在图10中，所提协议的吞吐量整体维持在一个相对较高的水平，远高于OLSR和EEOLSR协议，且是一条比较平稳的波动曲线。说明所提协议在更复杂的损耗模型下，具有更优、更稳定的吞吐量新能表现。
在两种不同损耗模型下，本实施例所提协议与OLSR协议在收敛时间、时延、丢包率和吞吐量性能上的对比如表3所示。由于ThreeLogDistance损耗模型相比LogDistance损耗模型增加了层次性，更加复杂，因此路由协议的收敛时间相对更长。对于只是用了能量优化的EEOLSR协议，在收敛过程中性能优化不稳定，且在收敛完成后的优化效果在ThreeLogDistance(图6、图8、图10)损耗模型下并不明显，在LogDistance(图5、图7、图9)模型下甚至没有优化效果。由此可以看出本实施例所提协议对信道宽度以及链路层数据包队列等链路信息的使用，使协议在复杂传输环境下的产生了较大的性能优势。
表3不同损耗模型下的性能对比
损耗模型 收敛时间 时延 丢包率 吞吐量
LogDistance 55s 22％ 14.7％ 1.2％
ThreeLogDistance 140s 42.1％ 52.3％ 4.1％
接着验证了无人机组网在不同运动模型下，使用不同路由协议的性能差异。
图11至图13分别是RandomWaypoint、RandomDirection2d和GaussMarkov运动模型下三种协议的丢包率性能，本实施例所提协议相较于OLSR协议分别减少25.6％、19％与13.2％。节点运动模型影响了节点间链路的稳定性，因此影响了信道的传输质量。从三张图可以看出，随着节点最大运动速度的增加，网络拓扑的不稳定性增加，丢包率也随之增加。EEOLSR协议只在部分速率区间内，对比OLSR协议在丢包率性能上有微弱的提升；本实施例所提协议在实验的所有速率下，在丢包率性能上都较OLSR有一定提升，这是因为在MPR的选择和路径的选择过程中，感知了信道的带宽和队列长度，因此更加适应复杂多变的信道环境，其中，在RandomWaypoint移动模型下的提升效果最佳。
如图14至图16分别是RandomWaypoint、RandomDirection2d、GaussMarkov运动模型下几种协议的吞吐量性能比较。本实施例所提协议相较于OLSR协议，吞吐量性能分别增加10％、14.1％与16.9％。相较于RandomWaypoint移动模型下的协议吞吐量，RandomDirection2d和GaussMarkov移动模型下协议的平均吞吐量更高。对比OLSR协议的性能提升也更高，说明所提协议在RandomDirection2d和GaussMarkov移动模型下能得到较好的吞吐量性能。而EEOLSR在三种移动模型下，吞吐量性能提高都不明显。可以得出结论，在路由协议中增加对信道情况的查探与利用对性能提升有明显的作用。
在几种不同移动模型下，相较于OLSR协议，所提协议对丢包率和吞吐量性能优化情况的对比如表4所示，可以看出协议对丢包率和吞吐量的优化强度基本上是此消彼长的。例如在RandomWaypoint移动模型下，所提协议对性能的优化主要在丢包率上，在吞吐量方面的优化强度不大；在GaussMarkov移动模型下，所提协议对丢包率的优化强度是三种移动模型中最差的，而对吞吐量的优化强度则是最优的。
表4不同移动模型下的性能对比
移动模型 丢包率 吞吐量
RandomWaypoint 25.6％ 10％
RandomDirection2d 19％ 14.1％
GaussMarkov 13.2％ 16.9％
下面对本发明提供的应急无人机网络链路感知的OLSR协议优化装置进行描述，下文描述的应急无人机网络链路感知的OLSR协议优化装置与上文描述的应急无人机网络链路感知的OLSR协议优化方法可相互对应参照。
如图17所示，该装置包括感知计算模块1701、数据包格式修改模块1702、维护选择模块1703和路由优化模块1704，其中：
感知计算模块1701用于感知目标区域中每个无人机节点的网络链路状态，根据所述网络链路状态计算每个无人机节点成为MPR的意愿度；
数据包格式修改模块1702用于将所述意愿度写入每个无人机节点的HELLO消息中，并将所述HELLO消息中的Reserved字段进行更改，更改后的字段用于记录每个无人机节点的数据链路层队列长度；
维护选择模块1703用于在所述无人机节点间互相发送HELLO消息后，根据每个无人机节点接收的HELLO消息维护每个无人机的邻居元组，根据所述邻居元组中邻居节点成为MPR的意愿度，选择邻居节点作为每个无人机节点的MPR；
路由优化模块1704用于根据每个无人机节点的数据链路层队列长度进行路由选择。
本实施例通过对HELLO消息的数据包格式进行修改，将HELLO消息中的Reserved字段进行更改后用于记录无人机节点的数据链路层队列长度，并将无人机节点成为MPR的意愿度写入HELLO消息中，根据网络链路感知确定无人机节点成为MPR的意愿度，根据邻居元组维护的意愿度为每个节点选择MPR，并根据数据链路层队列长度进行路由表计算，提高了通信质量，降低了通信延时。
图18示例了一种电子设备的实体结构示意图，如图18所示，该电子设备可以包括：处理器(processor)1810、通信接口(Communications Interface)1820、存储器(memory)1830和通信总线1840，其中，处理器1810，通信接口1820，存储器1830通过通信总线1840完成相互间的通信。处理器1810可以调用存储器1830中的逻辑指令，以执行应急无人机网络链路感知的OLSR协议优化方法，该方法包括：感知目标区域中每个无人机节点的网络链路状态，根据所述网络链路状态计算每个无人机节点成为MPR的意愿度；将意愿度写入每个无人机节点的HELLO消息中，并将HELLO消息中的Reserved字段更改为用于记录每个无人机节点的数据链路层队列长度的字段；根据每个无人机节点接收的HELLO消息维护每个无人机的邻居元组，根据邻居元组中邻居节点成为MPR的意愿度，选择邻居节点作为每个无人机节点的MPR；根据每个无人机节点的数据链路层队列长度进行路由选择。
此外，上述的存储器1830中的逻辑指令可以通过软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
另一方面，本发明还提供一种计算机程序产品，所述计算机程序产品包括计算机程序，计算机程序可存储在非暂态计算机可读存储介质上，所述计算机程序被处理器执行时，计算机能够执行上述各方法所提供的应急无人机网络链路感知的OLSR协议优化方法，该方法包括：感知目标区域中每个无人机节点的网络链路状态，根据所述网络链路状态计算每个无人机节点成为MPR的意愿度；将意愿度写入每个无人机节点的HELLO消息中，并将HELLO消息中的Reserved字段更改为用于记录每个无人机节点的数据链路层队列长度的字段；根据每个无人机节点接收的HELLO消息维护每个无人机的邻居元组，根据邻居元组中邻居节点成为MPR的意愿度，选择邻居节点作为每个无人机节点的MPR；根据每个无人机节点的数据链路层队列长度进行路由选择。
又一方面，本发明还提供一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现以执行上述各方法提供的应急无人机网络链路感知的OLSR协议优化方法，该方法包括：感知目标区域中每个无人机节点的网络链路状态，根据所述网络链路状态计算每个无人机节点成为MPR的意愿度；将意愿度写入每个无人机节点的HELLO消息中，并将HELLO消息中的Reserved字段更改为用于记录每个无人机节点的数据链路层队列长度的字段；根据每个无人机节点接收的HELLO消息维护每个无人机的邻居元组，根据邻居元组中邻居节点成为MPR的意愿度，选择邻居节点作为每个无人机节点的MPR；根据每个无人机节点的数据链路层队列长度进行路由选择。
以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。
通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种应急无人机网络链路感知的OLSR协议优化方法，其特征在于，包括：
感知目标区域中每个无人机节点的网络链路状态，根据所述网络链路状态计算每个无人机节点成为MPR的意愿度；
将所述意愿度写入每个无人机节点的HELLO消息中，并将所述HELLO消息中的Reserved字段进行更改，更改后的字段用于记录每个无人机节点的数据链路层队列长度；
在所述无人机节点间互相发送HELLO消息后，根据每个无人机节点接收的HELLO消息维护每个无人机的邻居元组，根据所述邻居元组中邻居节点成为MPR的意愿度，选择邻居节点作为每个无人机节点的MPR；
根据每个无人机节点的数据链路层队列长度进行路由选择。
2.根据权利要求1所述的应急无人机网络链路感知的OLSR协议优化方法，其特征在于，所述网络链路状态包括邻居节点数量、剩余能量百分比、信道带宽和当前工作强度；
根据所述网络链路状态计算每个无人机节点成为MPR的意愿度，包括：
计算每个无人机节点的对称邻居节点数量、剩余能量百分比和信道带宽的乘积；
将所述乘积除以所述当前工作强度，获取每个无人机节点成为MPR的意愿度。
3.根据权利要求1所述的应急无人机网络链路感知的OLSR协议优化方法，其特征在于，根据所述邻居元组中邻居节点成为MPR的意愿度，选择邻居节点作为每个无人机节点的MPR，包括：
获取每个无人机节点的邻居节点和二跳节点；
根据所述邻居元组中每个邻居节点成为MPR的意愿度，以及与每个邻居节点连接的所述二跳节点，从所述邻居节点中选择每个无人机节点的MPR。
4.根据权利要求3所述的应急无人机网络链路感知的OLSR协议优化方法，其特征在于，所述获取每个无人机节点的邻居节点和二跳节点，包括：
将所述目标区域中与每个无人机节点互相接收到HELLO消息的无人机节点作为每个无人机节点的邻居节点；
根据每个无人机节点接收的HELLO消息中的邻居节点，获取每个无人机节点的二跳节点。
5.根据权利要求3所述的应急无人机网络链路感知的OLSR协议优化方法，其特征在于，根据所述邻居元组中每个邻居节点成为MPR的意愿度，以及与每个邻居节点连接的所述二跳节点，从所述邻居节点中选择每个无人机节点的MPR，包括：
将所述邻居节点加入每个无人机节点的邻居节点集合，将所述二跳节点加入每个无人机节点的二跳节点集合；
从所述邻居节点集合中选择所述意愿度最大的邻居节点；
判断与所述意愿度最大的邻居节点连接的所述二跳节点是否存在未被所述无人机节点的MPR集合中的MPR覆盖的节点；
若存在，则将所述意愿度最大的邻居节点加入所述MPR集合中，并从所述邻居节点集合中删除，将所述意愿度最大的邻居节点从所述二跳节点集合中删除；
若不存在，则将所述意愿度最大的邻居节点从所述邻居节点集合中删除，直到所述二跳节点集合为空集。
6.根据权利要求1-5任一所述的应急无人机网络链路感知的OLSR协议优化方法，其特征在于，所述根据每个无人机节点和数据链路层队列长度进行路由选择，包括：
将每个无人机节点的对称邻居节点加入到所述路由表中，跳数为1；
将每个无人机节点的二跳节点加入到所述路由表中，跳数为2，在存在多个下一跳节点到达所述二跳节点的情况下，选择所述数据链路层队列长度最短的下一跳节点连接所述二跳节点；
在每个无人机节点的h跳节点加入到路由表中，在存在多个跳数为h-1的节点到达所述h跳节点的情况下，选择所述数据链路层队列长度最短的h-1跳节点连接所述h跳节点；其中，h为大于或等于3的正整数。
7.一种应急无人机网络链路感知的OLSR协议优化装置，其特征在于，包括：
感知计算模块，用于感知目标区域中每个无人机节点的网络链路状态，根据所述网络链路状态计算每个无人机节点成为MPR的意愿度；
数据包格式修改模块，用于将所述意愿度写入每个无人机节点的HELLO消息中，并将所述HELLO消息中的Reserved字段进行更改，更改后的字段用于记录每个无人机节点的数据链路层队列长度；
维护选择模块，用于在所述无人机节点间互相发送HELLO消息后，根据每个无人机节点接收的HELLO消息维护每个无人机的邻居元组，根据所述邻居元组中邻居节点成为MPR的意愿度，选择邻居节点作为每个无人机节点的MPR；
路由优化模块，用于根据每个无人机节点的数据链路层队列长度进行路由选择。
8.一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现如权利要求1至6任一项所述应急无人机网络链路感知的OLSR协议优化方法。
9.一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至6任一项所述应急无人机网络链路感知的OLSR协议优化方法。
10.一种计算机程序产品，包括计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至6任一项所述应急无人机网络链路感知的OLSR协议优化方法。
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