基于鏈路擁塞的無人機動態(tài)路由組網(wǎng)

黎云，李健

（四川大學電子信息學院，成都 610065）

0 引言

復雜的戰(zhàn)場環(huán)境導致單無人機無法完成戰(zhàn)場偵查、攻擊目標等任務，多個無人機作戰(zhàn)將會成為一種重要的作戰(zhàn)方式。多無人機作戰(zhàn)首要任務是無人機之間自組網(wǎng)，是由多個無人機動態(tài)組成的、無中心的多跳網(wǎng)絡，F(xiàn)ANETs（Flying Ad hoc NETworks）是一種特別的移動自組織網(wǎng)絡（Mobile Ad hoc NETworks，MANETs），具有高速移動的特點[1,2]。FANETs比MANETs拓撲變化的更快，很多路由協(xié)議是為MANETs設計的，如BABEL[3]、OLSR（the Optimized Link-State Routing）[4,5]協(xié)議都不能對網(wǎng)絡拓撲的變化做出快速的反應，因此路由的研究變成了關鍵問題，Stefano Rosati等人[6]提出了P-OLSR（Predictive-OLSR）路由協(xié)議,該協(xié)議引入了GPS，考慮到了無人機之間的相對速度，比OLSR協(xié)議能更快的適應拓撲的變化，但是P-OLSR協(xié)議引入的ETX鏈路評價機制只考慮到了探針包的接收率和節(jié)點之間的相對速度，并未考慮到延遲。本人依據(jù)前面的相關工作，對P-OLSR協(xié)議進行改進。

1 P-OLSR路由協(xié)議

Ad Hoc網(wǎng)絡中OLSR協(xié)議是目前比較流行的網(wǎng)絡協(xié)議，是基于鏈路狀態(tài)路由選擇的協(xié)議，在原始的OL?SR協(xié)議中設計沒有考慮無線鏈路的質量，路徑的選擇是根據(jù)跳數(shù)決定，對于FANET這是不適用的。DR提出了P-OLSR算法考慮了鏈路的質量和節(jié)點的相對速度，利用改進ETX度量[7]，P-OLSR可以保證鏈路的質量，ETX度量標準定義為：

其中R是兩個節(jié)點之間的路徑，η是R中的一跳路徑，?（η）是發(fā)送節(jié)點的接收比，ρ（η）是接收節(jié)點的接收比是節(jié)點i和節(jié)點j的相對速度，β是一個非負的參數(shù)。OLSR協(xié)議選擇ETX最小的路徑，可能不是跳數(shù)最短的路徑。如果R中所有的跳數(shù)都是正確無誤的（如：?（η）=ρ（η）=1），且相對速度為0，ETX（R）就等于路徑R的跳數(shù)。

接收比是通過鏈路探針來估計的，OLSR的鏈路探針通過Hello消息來實現(xiàn)。?通過指數(shù)移動平均的方法計算，如下：

其中：

α是OLSR的一個參數(shù)，叫做鏈路質量老化。α在準確性和反應性之間取的平衡，然后去估計接收比。

如果α很大，接收比將會反應很慢，會非常穩(wěn)定可靠。如果α很小，接收比將會反應地很快。

如果節(jié)點i和節(jié)點j之間的距離在變小，相對速度就為負數(shù)，ETX則會乘一個小于1的權重系數(shù)。如果節(jié)點i和節(jié)點j之間的距離在變大，相對速度就為正數(shù)，ETX則會乘一個大于1的權重系數(shù)。也就是說在2條一跳路徑具有相同的?和ρ會選擇節(jié)點在相互靠近的一跳路徑，而不是2個節(jié)點相互遠離的一跳路徑。根據(jù)GPS獲取地理信息然后加入Hello消息中，然后就可以計算節(jié)點之間的相對速度了，計算相對速度的公式如下：

其中tl是最后一次接收到Hello的時間，tl-1是最后一次的上一次接收到Hello的時間，和分別對應2個不同時間的節(jié)點i和節(jié)點j之間的距離，由于GPS存在誤差，可以通過指數(shù)移動平均的方法進行處理，方法如下：

其中γ是P-OLSR的一個參數(shù)。但是P-OLSR協(xié)議考慮了節(jié)點的移動狀態(tài)，所利用的ETX機制只考慮了探針包丟包的狀態(tài)，并沒有考慮探針包的延遲。

2 基于擁塞的P-OLSR

原始的ETX并未考慮探針包的延時，探針包的延遲，可以反應出鏈路的質量，對ETX的探針包進行修改，如下：

其中：

其中p為P-OLSR的參數(shù)，Δtl為最后一次接收到探針包的延時，Δtl-1為最后一次的前一次接收到探針包的延時。Δt的計算如下：

其中trl為探針包發(fā)送的時間，tsl為探針包接收的時間。在相對速度為0的情況下，如果二個一跳鏈路具有相同的?和ρ，修改后的ETX會選擇延時在減小的鏈路，從而可以提前避免鏈路的擁堵。

3 仿真分析

3.1 仿真平臺

利用NS-2仿真平臺[8]來仿真OLSR、P-OLSR、POLSR的協(xié)議改進，在不同的運動速度下。NS-2是個開源的軟件，NS-2是用C++和OTCL編寫的，能夠仿真不同的網(wǎng)絡傳輸協(xié)議，例如：TCP、UDP[9]，還能方便添加各種路由協(xié)議如：OLSR[10]。

3.2 仿真參數(shù)

表1

3.3 性能參數(shù)

本文選取了分組投遞率和平均時延對三個路由協(xié)議的性能進行比較，分組投遞率定義為數(shù)據(jù)包成功傳輸?shù)谋壤?，等于總共接收到的?shù)據(jù)包比上總共發(fā)送的數(shù)據(jù)包。分組投遞率的值越大，協(xié)議的性能越好。端到端的延遲定義為數(shù)據(jù)包發(fā)送到目的點所花時間的平均值，端到端的延遲越小，協(xié)議的性能越好。

3.4 仿真結果

取α=0.2,γ=0.04,β=0.004,p=0.5的情況下，分別在不同的速度下重復10次取平均值，OSLR，P-OL?SR，P-OLSR-IMPROVE的分組投遞率的對比如圖1所示，P-OLSR，P-OLSR-IMPROVE協(xié)議的分組投遞率都好于原始協(xié)議OSLR，P-OLSR-IMPROVE在6個速度仿真中，5個速度點優(yōu)于P-OSLR。OSLR，P-OLSR，P-OLSR-IMPROVE的端到端的時延的對比如圖2所示，P-OLSR，P-OLSR-IMPROVE協(xié)議的端到端的時延都好于原始協(xié)議OSLR，同時與P-OLSR協(xié)議比較，POLSR-IMPROVE的時延更低，因為 P-OLSR-IM?PROVE選擇了擁塞較小的鏈路，因此時延會較P-OL?SR會下降。

圖1 OLSR、P-OLSR、P-OLSR數(shù)據(jù)分組到達率

圖2 OLSR、P-OLSR、P-OLSR端到端的延遲

4 結語

本文在ETX的算法上考慮了鏈路的延遲，提出了改進后的路由協(xié)議。仿真實驗表明，改進后的網(wǎng)絡能提前避開擁塞的鏈路，在數(shù)據(jù)分組投遞率上有一定的提升，在端到端的延遲上有較大的提升，改進后的協(xié)議更加適合無人機自組網(wǎng)。

參考文獻：

[1]Oubbati O S,Lakas A,Zhou F,et al.A Survey on Position-based Routing Protocols for Flying Ad Hoc Networks（FANETs）[J].Vehicular Communications,2017.

[2]I.Bekmezci,O.K.Sahingoz,S.Temel.Flying Ad-Hoc Networks（FANETs）:A Survey.Ad Hoc Networks,2013（11），3：1254-1270.

[3]J.Chroboczek.The Babel Routing Protocol.RFC 6126,2011.

[4]T.Clausen，P.Jacquet.Optimized Link State Routing Protocol（OLSR）.RFC 3626,2003.

[5]C.Dearlove,T.Clausen,P.Jacquet.The Optimized Link State Routing Protocol Version 2.IETF Draft RFC Draft-ietf-manet-olsrv2-10,2009.

[6]Rosati S,Kruzelecki K,Heitz G,et al.Dynamic Routing for Flying Ad Hoc Networks[J].IEEE Transactions on Vehicular Technology,2016,65（3）:1690-1700.

[7]D.S.J.De Couto,D.Aguayo,J.Bicket,R.Morris.A High-Throughput Path Metric for Multi-hop Wireless Routing.in Proceedings of the 9th Annual International Conference on Mobile Computing and Networking,ser.MobiCom'03.New York,NY,USA:ACM,2003：134-146.

[8]ZhibinWu,Rutgres University,Available:http://www.winlab.rutgres.edu/~zhibinwu/html/network_simulator_2.html,2007.

[9]Issariyakul,Teerawat,Hossain,Ekram.Introduction to Network Simulators[online]Available.http://www.springer.com/engineering/signals/book/978-0-3871759-3,2009.

[10]Francisco J.Ros,OLSR.Available:http://masimum.inf.um.es/fjrm/development/um-olsr/,September,2013.