無人機自組網(wǎng)中的編碼感知路由協(xié)議研究

于強強，茹樂，方堃，于云龍（空軍工程大學航空航天工程學院，西安　710038）

無人機自組網(wǎng)中的編碼感知路由協(xié)議研究

于強強，茹樂，方堃，于云龍
（空軍工程大學航空航天工程學院，西安710038）

0　引言

無人駕駛飛行器簡稱是無人機，英文縮寫是UAV （Unmanned Aerial Vehicle）?？蓪o人機簡單定義為一種自帶動力，通過無線電遙控或者自備程序執(zhí)行飛行任務的不載人飛行器。隨著研究的不斷深入，無人機在性能和功能上都有很大的提升，這使得無人機在軍用和民用領(lǐng)域的應用都更加廣泛［1］。與常見的有線網(wǎng)絡以及慢移動、低動態(tài)的無線網(wǎng)絡不同，無人機自組網(wǎng)具有大空間、高動態(tài)、多中繼和大容量等顯著特點，并且要求低延時、穩(wěn)定和可靠的數(shù)據(jù)傳輸，以保證對無人機實現(xiàn)遠距離的測控和任務指令的傳達。

傳統(tǒng)的通信網(wǎng)絡一直采用“存儲轉(zhuǎn)發(fā)”這種路由方式進行信息傳輸，實踐證明該方式很難達到最大流最小割的理論上限。2000年，Ahlswede等學者提出了網(wǎng)絡編碼的相關(guān)概念，表明在單信源向多信宿發(fā)送數(shù)據(jù)的有向網(wǎng)絡中，如果中繼節(jié)點具有編碼能力且信宿節(jié)點具有譯碼能力，那么該網(wǎng)絡可以達到最大流最小割的理論上限，從而實現(xiàn)了網(wǎng)絡資源的高效利用［2］。隨著網(wǎng)絡編碼相關(guān)概念和編碼技術(shù)的不斷更新，使其在無人機自組網(wǎng)中的應用成為了可能。文獻［3］結(jié)合無人機自組網(wǎng)的特點和COPE機會網(wǎng)絡編碼的不足，針對性的提出了對流鏈路網(wǎng)絡編碼CLNC（Convection Link Network Coding），并通過建模和仿真的研究手段，驗證了該編碼策略能夠明顯的改善無人機自組網(wǎng)的吞吐性能。

在實際的無人機自組網(wǎng)多層模型中，網(wǎng)絡層采用的路由協(xié)議會對數(shù)據(jù)傳輸?shù)穆窂竭x擇產(chǎn)生直接作用，進而對網(wǎng)絡編碼的編碼機會造成影響，從而無法保證網(wǎng)絡吞吐率的有效提高。為進一步提高無人機自組網(wǎng)的吞吐性能，本文在不考慮具體網(wǎng)絡編碼策略的前提下，針對提高網(wǎng)絡編碼機會的路由協(xié)議進行研究。

1　分布式編碼感知路由（DCAR）

DCAR是一種基于多路徑的增加網(wǎng)絡編碼機會的路由協(xié)議，該協(xié)議以增加編碼機會作為主要指標來選擇數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)穆窂剑?］。換而言之，路由協(xié)議主要起到導向作用，將數(shù)據(jù)信息向潛在網(wǎng)絡編碼機會的路徑進行引導。

如圖1所示假設多路徑網(wǎng)絡模型中某節(jié)點用m表示，其相鄰節(jié)點用N（m）表示，某數(shù)據(jù)流用F表示，且m ∈F表示節(jié)點m是數(shù)據(jù)流F經(jīng)過的節(jié)點。同時假設數(shù)據(jù)流F的上線節(jié)點集合用U（m，F(xiàn)）表示，它是指數(shù)據(jù)流F經(jīng)過的除了節(jié)點m之外的所有節(jié)點，同樣假設數(shù)據(jù)流F的下線節(jié)點集合為D（m，F(xiàn)）。

圖1　多路徑網(wǎng)絡編碼拓撲圖

如果兩條數(shù)據(jù)流F1和F2在節(jié)點處相交，節(jié)點k1和k2與節(jié)點l1和l2交叉相鄰，且滿足以下兩個條件［5］：

則稱節(jié)點m處存在編碼機會，數(shù)據(jù)流F1和F2都是具有潛在網(wǎng)絡編碼能力的路徑。

該路由協(xié)議主要存在兩方面的不足：一方面是該路由協(xié)議無法從多個潛在的具有網(wǎng)絡編碼機會的路徑中選擇編碼機會更多的路徑；另一方面，由于無人機自組網(wǎng)中節(jié)點分布廣、時刻處于高速移動狀態(tài)、加入與離開突然、信道條件惡劣等因素的影響，網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)會時刻發(fā)生著變化，分布式編碼感知路由并不能有效地發(fā)現(xiàn)潛在的具有網(wǎng)絡編碼機會的路徑。綜上所述，對于無人機自組網(wǎng)特有的網(wǎng)絡環(huán)境，若要將網(wǎng)絡編碼技術(shù)很好地應用其中，針對性的提出改進型分布式編碼感知路由協(xié)議十分必要。

2　改進型分布式編碼感知路由（NDCAR）

針對DCAR協(xié)議的不足，本文提出的NDCAR協(xié)議相比于DCAR協(xié)議增加了兩個重要的參數(shù)，即路徑可編碼個數(shù)和路徑穩(wěn)定系數(shù)，NDCAR協(xié)議在DCAR協(xié)議的基礎上結(jié)合這兩個參數(shù)進行路徑的選擇和數(shù)據(jù)信息的傳輸。

（1）路徑可編碼個數(shù)

增加路徑可編碼個數(shù)參數(shù)，是為了解決從多條可編碼路徑中選取一條編碼機會最多的最優(yōu)路徑而提出的一個簡單但是行之有效的方法。該方法的實質(zhì)就是在RREQ和RREP中開辟出部分存儲空間，用來保存數(shù)據(jù)包在傳輸過程中，經(jīng)過的利用編碼機會定義判斷可以進行網(wǎng)絡編碼的節(jié)點個數(shù)。當源節(jié)點收到上層指令發(fā)送新的數(shù)據(jù)信息時，會根據(jù)收到的多個RREP中的路徑可編碼個數(shù)，選擇一條編碼機會最多的路徑，作為最優(yōu)路徑。當多個路徑的路徑可編碼個數(shù)相同且最多時，需要對路徑穩(wěn)定系數(shù)進行考慮。

（2）路徑穩(wěn)定系數(shù)

為了引入路徑穩(wěn)定系數(shù)，首先需要對路徑上的每段鏈路穩(wěn)定情況進行分析：

文獻［6］提出無線信號到達接收端時的信號功率隨著發(fā)射機和接收機間的距離增大呈現(xiàn)對數(shù)式衰減，若假定某段路徑端到端的距離用d表示，則該路徑功耗可以表示為：

其中，E（d）表示基本路徑功耗；n代表路徑功耗因子，對于不同的信道環(huán)境其取值不同；d0表示參考路徑距離，需要經(jīng)過試驗測試來確定；基本路徑損耗可以利用已有自由空間路徑功耗公式計算得到：

其中，Pt是信號的發(fā)射功率，Pr是信號到達接收機時的接收功率，Gt是發(fā)射機內(nèi)置天線增益系數(shù)，Gr是接收機內(nèi)置天線增益系數(shù)，λ代表波長。

對于一般干擾下的無線信道而言，某接收機能夠正確接收信號的門限功率值用Pn表示，該門限對應的信號傳播距離最遠為dmax米，由公式1和公式2可以得到：

帶入Pn和dmax可以得到：

由公式（3）和公式（4）可以得到：

在此基礎上對鏈路穩(wěn)定系數(shù)進行定義如下：

其中R為節(jié)點進行數(shù)據(jù)廣播所能覆蓋的區(qū)域半徑。

由公式（5）和公式（6）可以得到：

由于路徑穩(wěn)定系數(shù)由該條路徑上的各段鏈路穩(wěn)定系數(shù)共同決定，同時考慮到各段鏈路之間是相互獨立的關(guān)系，假如某條路徑上共有k條鏈路，那么可以將路徑穩(wěn)定系數(shù)表示為：

將計算獲得的各條路徑的路徑穩(wěn)定系數(shù)，保存在RREQ和RREP中開辟出的存儲空間，然后再結(jié)合路徑可編碼個數(shù)，最終選擇一條最優(yōu)路徑進行數(shù)據(jù)信息的傳輸。

（1）RREQ數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu)

表1　RREQ數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu)

（2）RREP數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu)

表2　RREP數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu)

NDCAR協(xié)議的路由發(fā)現(xiàn)過程簡要描述如下：

（1）根據(jù)初始化指令，網(wǎng)絡內(nèi)所有節(jié)點新建一個網(wǎng)絡編碼路由表，用來存儲可以進行網(wǎng)絡編碼的路徑路由信息，同時向周圍鄰居節(jié)點周期性地發(fā)送連接請求報文，用來將整個網(wǎng)絡的各段鏈路連接起來；

（2）源節(jié)點收到發(fā)送數(shù)據(jù)的指令后，會將要發(fā)送的數(shù)據(jù)和RREQ消息進行打包處理；

（3）源節(jié)點根據(jù)網(wǎng)絡環(huán)境選擇合適的發(fā)射功率向其鄰居節(jié)點廣播RREQ消息；

（4）當中間節(jié)點收到了一個新的RREQ消息后，首先會對該消息進行查重，如果與最近一次收到的RREQ消息內(nèi)容相同則直接丟棄，如果不同則進行如下處理：

①通過RREQ消息內(nèi)的路由表信息，分析得到上級節(jié)點與路徑的所屬關(guān)系，用于判斷該節(jié)點是否是可編碼節(jié)點，如果是則給Coding Count字段加1；

②計算上級節(jié)點到本節(jié)點間的鏈路穩(wěn)定系數(shù)，并進行存儲；

③將本節(jié)點相關(guān)信息存儲在RREQ小心中，并向鄰居節(jié)點進行廣播。

（5）目的節(jié)點收到RREQ消息后，將進行如下處理：

①選取RREQ消息中關(guān)鍵字段進行存儲，替換新的源節(jié)點與目的節(jié)點信息；

②將Link Stability Coefficient中存儲的多個鏈路穩(wěn)定系數(shù)按照公式（8）進行計算，得到整條路由的路徑穩(wěn)定系數(shù)，并進行存儲；

③生成RREP消息，并沿著RREQ消息傳來的路徑進行單播回傳。

（6）當中間節(jié)點收到RREP消息后，主要進行錯誤檢查，即檢查RREP消息中路由表信息與本節(jié)點信息是否一致。如果不一致，則丟棄該RREP消息，如果一致，則向上級節(jié)點進行單播回傳；

（7）當源節(jié)點收到多條路徑傳回的RREP消息后，主要對各個RREP消息中的Route Table字段、Coding Count字段和Route Stability Coefficient字段進行存儲，然后再結(jié)合待發(fā)送數(shù)據(jù)信息的性質(zhì)，選取一條網(wǎng)絡編碼機會更多更穩(wěn)定的最優(yōu)路徑。

3　仿真實驗和結(jié)果分析

圖2　最優(yōu)路徑編碼節(jié)點個數(shù)比較

為了驗證NDCAR協(xié)議在提高無人機自組網(wǎng)的編碼機會和網(wǎng)絡吞吐率兩個方面卓有成效，選擇網(wǎng)絡仿真平臺NS2進行相關(guān)的仿真實驗。將仿真場景設定為的區(qū)域內(nèi)隨機分布數(shù)量可變的節(jié)點（≥2），其中兩個節(jié)點固定作為源節(jié)點和目的節(jié)點，其余作為中間節(jié)點。得到的仿真結(jié)果如圖2所示。

由圖2（a）所示的仿真結(jié)果可知，對于節(jié)點隨機分布的網(wǎng)絡模型，當網(wǎng)絡節(jié)點較少時，可供源節(jié)點選取的路徑也非常有限，所以網(wǎng)絡采用兩種路由協(xié)議選取的最優(yōu)路徑上編碼節(jié)點個數(shù)相同或差別不大。當網(wǎng)絡節(jié)點較多時，可供源節(jié)點選取的路徑也比較多，由于DCAR協(xié)議默認從多條可編碼路徑中選擇更短的路徑，而NDCAR協(xié)議則是結(jié)合路徑可編碼節(jié)點個數(shù)和路徑穩(wěn)定系數(shù)選取最優(yōu)路徑，所以后者選取的最優(yōu)路徑上編碼節(jié)點個數(shù)會明顯更多。

由圖2（b）所示的仿真結(jié)果可知，僅使用CLNC算法不結(jié)合機會路由協(xié)議的曲線增長緩慢且很快收斂，網(wǎng)絡吞吐率的提高受到限制，這是因為沒有路由協(xié)議對網(wǎng)絡編碼機會進行引導，無法實現(xiàn)負載平衡，部分信道容易出現(xiàn)堵塞。另外從圖中可以看出，CLNC算法結(jié)合NDCRA協(xié)議對網(wǎng)絡吞吐率的提高效果比結(jié)合DCRA協(xié)議更加明顯，從而驗證了NDCRA協(xié)議很好地改善了DCRA協(xié)議的不足，起到了提高無人機自組網(wǎng)中網(wǎng)絡編碼機會的作用。

4　結(jié)語

為了進一步改善無人機自組網(wǎng)的傳輸性能，著重對提高無人機自組網(wǎng)中網(wǎng)絡編碼機會的路由協(xié)議進行了研究。研究以分布式編碼感知路由協(xié)議為出發(fā)點，結(jié)合該路由協(xié)議的不足和無人機自組網(wǎng)的特點，針對性地提出了改進型分布式編碼感知路由協(xié)議，并對該路由協(xié)議的改進原理、數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)和路由發(fā)現(xiàn)過程進行了詳細說明。最后利用仿真實驗的研究手段，對提出的改進型分布式編碼感知路由協(xié)議在網(wǎng)絡編碼機會和網(wǎng)絡吞吐率兩個方面上的提升效果進行了驗證。

［1］劉銘，孫軼.國外軍用無人機技術(shù)的發(fā)展分析［J］.艦船電子工程，2010，30（9）:22-27.

［2］Ahlswede R，Cai N，Li S Y，et al.Network Information Flow.IEEE Transactions on Information Theory，2000，46（4）:1204-1216.

［3］于強強，茹樂，于云龍，方堃.基于網(wǎng)絡編碼的無人機數(shù)據(jù)鏈技術(shù)研究［J］.計算機測量與控制，2015，23（7）:2563-2565.

［4］Le J，Lui J S，Chiu D M.DCAR:Distributed Coding-Aware Routing in Wireless Networks.IEEE Transactions on Mobile Computing，2010，9（4）:596-608.

［5］Sengupta，S.，Rayanchu，S.，Banerjee，S.et al.Network Coding-Aware Routing in Wireless Networks［J］.IEEE/ACM Transactions on Networking，2010，18（4）:1158-1170.

［6］Katti S，Rahul H，Hu W，et al.XORs in the Air:Practical Wireless Network Coding.IEEE/ACM Transactions on Networking，2008，16 （3）:497-510.

UAV MANET；CDAR；NCDAR；Throughput Performance

Research on Routing Protocol for Network Coding Opportunities of UAV MANET

YU Qiang-qiang，RU Le，F(xiàn)ANG Kun，YU Yun-long
（Air Force University of Engineering，Aeronautics and Astronautics Engineering College，Xi'an 710038）

1007-1423（2015）35-0026-05

10.3969/j.issn.1007-1423.2015.35.006

于強強（1991-），男，安徽臨泉人，在讀碩士研究生，研究方向為無人飛行器信息系統(tǒng)

茹樂（1978-），男，陜西臨潼人，博士，副教授，研究方向為無人飛行器測控與信息處理

方堃（1992-），男，甘肅蘭州人，在讀碩士研究生，研究方向為無人飛行器信息系統(tǒng)

于云龍（1992-），男，山東煙臺人，在讀碩士研究生，研究方向為無人飛行器信息系統(tǒng)

2015-11-05

2015-11-30

隨著當代科學技術(shù)的快速發(fā)展，無人機在性能和功能上都有很大的提升，這使得無人機在軍用和民用兩個領(lǐng)域上的應用都更加廣泛。為了更好地傳達任務指令，有必要對無人機自組網(wǎng)傳輸性能進行改進，結(jié)合分布式編碼感知路由協(xié)議的不足和無人機自組網(wǎng)的特點，針對性地提出改進型分布式編碼感知路由協(xié)議。仿真結(jié)果表明，改進型分布式編碼感知路由能夠有效地提高無人機自組網(wǎng)的吞吐性能。

無人機自組網(wǎng)；分布式編碼感知路由；改進型分布式編碼感知路由；吞吐性能

With the rapid development of modern science and technology，UAV have greatly improved in performance and functionality，which makes the UAV applications in military and civilian are more extensive.In order to convey the task instruction，it is necessary to transport the UAV MANET performance improvement，combined with distributed encoding aware routing deficiencies and UAV MANET characteristics，targeted proposes an improved distributed encoding aware routing.Simulation results show that the improved distributed encoding-aware routing can effectively improve the throughput performance of UAV MANET.