無人機(jī)自組網(wǎng)中基于能量權(quán)重的DSR協(xié)議

梁 青，林 天，張 凡

(西安郵電大學(xué) 電子工程學(xué)院，陜西 西安 710121)

無人機(jī)自組網(wǎng)(Unmanned Aerial Vehicle Ad-Hoc Network,UAVANET)[1]是應(yīng)用于無人機(jī)的特殊移動(dòng)自組網(wǎng)，其無需借助衛(wèi)星或者基站就可以實(shí)現(xiàn)無人機(jī)之間的通信與信息共享。在無人機(jī)飛行速度較高的情況下，UAVANET網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化劇烈，鏈路也會(huì)變得不穩(wěn)定，嚴(yán)重影響UAVANET的通信質(zhì)量。

為了建立穩(wěn)定可靠的UAVANET通信網(wǎng)絡(luò)，選擇合適的UAVANET路由協(xié)議十分必要[2]。動(dòng)態(tài)源路由(Dynamic Source Routing,DSR)協(xié)議由于具有反應(yīng)迅速、開銷低等優(yōu)點(diǎn)，成為最常用的UAVANET路由協(xié)議之一[3]，但是，DSR協(xié)議在高動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)中存在鏈路易斷裂且傳輸效率低的問題，會(huì)導(dǎo)致通信狀態(tài)處于不穩(wěn)定的狀態(tài)從而降低通信質(zhì)量[4]。

眾多研究者針對(duì)DSR協(xié)議提出了改進(jìn)方法。文獻(xiàn)[5]提出一種基于身份的順序聚合簽名的DSR(Improving DSR with ID-based Sequential Aggregate Signatures,ISDSR+)協(xié)議，該協(xié)議使用了新的簽名方案，在通信時(shí)需要對(duì)各個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行密鑰認(rèn)證，提升了路由協(xié)議的安全性。文獻(xiàn)[6]等人提出了使用跨層方法在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中檢測遭到黑洞攻擊的有效DSR路由協(xié)議。文獻(xiàn)[7]提出了一種基于DSR路由協(xié)議的快速識(shí)別洪泛攻擊的方法，防止惡意節(jié)點(diǎn)對(duì)自組網(wǎng)的攻擊。文獻(xiàn)[8]提出了一種基于多路徑DSR路由協(xié)議的高速緩存更新方法，用來處理路由信息中過期失效路徑，提高緩存空間的利用率。文獻(xiàn)[9]提出了一種信任管理系統(tǒng)來提高DSR路由協(xié)議的服務(wù)質(zhì)量。文獻(xiàn)[10]提出了利用模糊推理系統(tǒng)(Adaptive Fuzzy Inference System,ANFIS)改進(jìn)的DSR路由協(xié)議，用來選擇最優(yōu)的路由信息。上述協(xié)議均是針對(duì)DSR協(xié)議的安全性和服務(wù)質(zhì)量進(jìn)行的優(yōu)化，并未考慮協(xié)議的通信鏈路能量問題以及高動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)下的通信穩(wěn)定性。

文獻(xiàn)[11]提出了一種基于連續(xù)Hopfield神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)DSR(Continuous Hopfield Neural Network-DSR,CHNN-DSR)的路由協(xié)議，該協(xié)議使用連續(xù)的Hopfield神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)DSR協(xié)議進(jìn)行優(yōu)化，獲取最穩(wěn)定的路由信息，以適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的高速運(yùn)動(dòng)。但是，CHNN-DSR協(xié)議仿真的最大速度為50 m·s-1，而無人機(jī)的速度遠(yuǎn)高于這個(gè)速度，該路由協(xié)議對(duì)于較高速度(如100 m·s-1)飛行的無人機(jī)網(wǎng)絡(luò)并不適用。

為了提升UAVANET通信鏈路的穩(wěn)定性和持續(xù)性，本文擬提出一種基于能量權(quán)重的DSR(DSR-Energy Weights,DSR-EW)協(xié)議。在路由尋找過程中計(jì)算路徑的能量權(quán)重，選擇路徑能量權(quán)重最高的路徑進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，以防止路徑在傳輸過程中因?yàn)殒溌纺芰康投袛鄶?shù)據(jù)傳輸，造成通信中斷。

1 DSR協(xié)議

DSR路由協(xié)議是一種支持多路徑、多跳的按需路由協(xié)議，主要包括路由發(fā)現(xiàn)和路由維護(hù)兩個(gè)過程[12]。

1.1 路由發(fā)現(xiàn)

當(dāng)源節(jié)點(diǎn)有數(shù)據(jù)分組需要傳輸?shù)侥康墓?jié)點(diǎn)時(shí)，首先會(huì)在本地的路由存儲(chǔ)器中查找是否有到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)的有效路由。如果沒找到有效的路由，會(huì)重啟路由發(fā)現(xiàn)過程，在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中尋找到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)的可用路由。在源節(jié)點(diǎn)收到路由應(yīng)答包之后，選擇最短的路徑進(jìn)行數(shù)據(jù)分組的傳輸。

1.2 路由維護(hù)

在進(jìn)行數(shù)據(jù)分組傳輸時(shí)，傳輸該數(shù)據(jù)分組的各個(gè)中間節(jié)點(diǎn)要負(fù)責(zé)驗(yàn)證該數(shù)據(jù)分組是否可以通過本節(jié)點(diǎn)到達(dá)下一跳節(jié)點(diǎn)。DSR路由協(xié)議維護(hù)的所有狀態(tài)都是“軟狀態(tài)”，即任何狀態(tài)的丟失均不會(huì)影響協(xié)議正確操作，所有狀態(tài)在丟失之后，如果仍然需要該狀態(tài)，也能夠很容易恢復(fù)，不會(huì)對(duì)協(xié)議本身產(chǎn)生太大的影響[11]。該協(xié)議只使用軟狀態(tài)來維護(hù)路由，對(duì)于分組丟失、節(jié)點(diǎn)失效等問題具有很強(qiáng)的處理能力，在某個(gè)失效節(jié)點(diǎn)重新啟動(dòng)之后也能夠快速恢復(fù)其分組轉(zhuǎn)發(fā)功能，很少甚至不會(huì)中斷協(xié)議操作。

2 DSR-EW協(xié)議

DSR路由協(xié)議采用的是最短路徑傳輸，在節(jié)點(diǎn)高速移動(dòng)、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)快速變化的場景下，易發(fā)生通信鏈路斷裂，造成通信鏈路失效[13]。為此，提出DSR-EW路由協(xié)議，在路由發(fā)現(xiàn)過程中，采用能量權(quán)重模型篩選鏈路，選擇整體能量較高的路徑進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

2.1 能量權(quán)重模型

在無線傳輸信號(hào)在傳輸?shù)倪^程中，伴隨傳輸距離的增大，其信號(hào)強(qiáng)度逐漸減小。設(shè)在自由空間中，以發(fā)送節(jié)點(diǎn)為中心，以功率PT發(fā)送信號(hào)，發(fā)送節(jié)點(diǎn)與接收節(jié)點(diǎn)的距離為d。發(fā)送距離為的所有節(jié)點(diǎn)構(gòu)成了一個(gè)球面，該球面的面積為4πd2。由于總發(fā)送功率是平均分布在該球面上任意一個(gè)點(diǎn)的，因此，在該球面任意一點(diǎn)的功率密度[14]為

由此可以出計(jì)算出發(fā)送節(jié)點(diǎn)到接收節(jié)點(diǎn)之間傳輸?shù)逆溌匪p為

根據(jù)波長λ和頻率f的關(guān)系，可以得到

其中，c表示光速。

最終的接收功率為

PR=PT-PL

路由協(xié)議的數(shù)據(jù)模型可以用有效節(jié)點(diǎn)和路徑來描述為G=(V,E)，其中，V表示存有有效路由信息的節(jié)點(diǎn)集合，E表示到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)的路徑集合。

把接收數(shù)據(jù)分組節(jié)點(diǎn)處的能量和發(fā)送數(shù)據(jù)分組節(jié)點(diǎn)處的能量比值定義為該鏈路的能量權(quán)重[15]，記為

通過計(jì)算每條鏈路的能量權(quán)重可以得到每條路徑的能量權(quán)重。第條路徑的能量權(quán)重計(jì)算表達(dá)式為

其中：n表示路徑i的鏈路總數(shù)；wi表示路徑i中鏈路k(k=1,2,…,n)的能量權(quán)重。能量權(quán)重值越高，該條路徑的整體能量也就越高，意味著該鏈路能夠維持的時(shí)間也就越長[16]。

2.2 路由數(shù)據(jù)包信息

路由請(qǐng)求包主要包含以下信息[17-18]。

1)源節(jié)點(diǎn)地址，即發(fā)起節(jié)點(diǎn)IP地址。

2)目的節(jié)點(diǎn)地址，即目的節(jié)點(diǎn)IP地址。

3)跳數(shù)限制，設(shè)置跳數(shù)取值范圍為[1,255]。

4)選項(xiàng)類型，設(shè)置長度為8 bit。

5)選項(xiàng)數(shù)據(jù)長度，設(shè)置長度為8 bit。

6)識(shí)別碼，表示路由請(qǐng)求發(fā)起節(jié)點(diǎn)的唯一識(shí)別碼，設(shè)置長度為16 bit。

7)地址列表，記錄路由尋找過程中的相關(guān)節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)信息。

8)能量權(quán)重，記錄路徑的能量權(quán)重值。

路由應(yīng)答包主要包含以下信息[17-18]。

1)源節(jié)點(diǎn)地址，即發(fā)起節(jié)點(diǎn)IP地址。

2)目的節(jié)點(diǎn)地址，即目的節(jié)點(diǎn)IP地址。

3)選項(xiàng)類型，設(shè)置長度為8 bit。

4)選項(xiàng)數(shù)據(jù)長度，設(shè)置長度為8 bit。

5)標(biāo)志位，設(shè)置長度為1 bit。

6)保留位，設(shè)置長度為1 bit。

7)地址列表，記錄路由請(qǐng)求過程中的路由信息。

2.3 協(xié)議描述

DSR-EW協(xié)議可以描述為3個(gè)步驟。在路由發(fā)現(xiàn)過程中，首先，通過全球定位系統(tǒng)(Global Positioning System,GPS)獲得節(jié)點(diǎn)的位置信息，計(jì)算出相鄰兩個(gè)節(jié)點(diǎn)的距離。其次，根據(jù)能量權(quán)重模型計(jì)算出每條鏈路的能量權(quán)重，從而得出每條路徑的能量權(quán)重。最后，從這些路徑中選擇能量權(quán)重最高的那條路徑進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，以此減少傳輸過程中鏈路因能量不足而導(dǎo)致通信中斷的次數(shù)，為數(shù)據(jù)的成功傳輸提供了最可靠的路徑，確保數(shù)據(jù)可以及時(shí)到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)。

3 仿真與結(jié)果分析

3.1 仿真環(huán)境

為了驗(yàn)證DSR-EW路由協(xié)議的性能，采用網(wǎng)絡(luò)仿真軟件NS 2.35對(duì)EW-DSR路由協(xié)議進(jìn)行仿真，并且與DSR和CHNN-DSR協(xié)議進(jìn)行對(duì)比。

仿真使用的介質(zhì)訪問控制(Media Access Control,MAC)層類型為無線局域網(wǎng)通用標(biāo)準(zhǔn)電氣與電子工程師協(xié)會(huì)(Institute of Electrical and Electronics Engineers,IEEE)802.11，分組類型為固定碼率(Constant Bit Rate,CBR)，天線類型為全向天線(Omni Antenna)，無線傳播模型為雙徑地面反射(Two Ray Ground)，信道類型為無線信道(Wireless Channel)。其他仿真參數(shù)設(shè)置如表1所示。

表1 仿真參數(shù)設(shè)置

3.2 結(jié)果分析

DSR、CHNN-DSR和DSR-EW等3種協(xié)議的丟包率仿真結(jié)果如圖1所示。在無人機(jī)節(jié)點(diǎn)速度為10～100 m·s-1時(shí)，DSR-EW協(xié)議的丟包率相比DSR和CHNN-DSR協(xié)議分別平均降低了35.4%和31.2%。這是因?yàn)椋珼SR-EW協(xié)議篩選的路徑為能量權(quán)重最高的路徑，其路徑的整體能量權(quán)重較高，能夠維持的傳輸時(shí)間較長，減少了鏈路因能量不足而導(dǎo)致斷裂的次數(shù)，在提高數(shù)據(jù)傳輸效率的同時(shí)，降低了丟包率。

圖1 丟包率仿真結(jié)果

DSR、CHNN-DSR和DSR-EW等3種協(xié)議的端到端時(shí)延仿真結(jié)果如圖2所示。在無人機(jī)節(jié)點(diǎn)速度為10～100 m·s-1時(shí)，DSR-EW協(xié)議的端到端時(shí)延相比DSR和CHNN-DSR協(xié)議分別平均降低了45.2%和41.6%。這是因?yàn)?，DSR-EW協(xié)議采用能量權(quán)重模型選取的路徑穩(wěn)定性較高，減少了路由的發(fā)起次數(shù)，使數(shù)據(jù)包可以更快的到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)，進(jìn)而降低了端到端時(shí)延。

圖2 端到端時(shí)延仿真結(jié)果

DSR、CHNN-DSR和DSR-EW等3種協(xié)議的路由開銷仿真結(jié)果如圖3所示。在無人機(jī)節(jié)點(diǎn)速度為10～100 m·s-1時(shí)，DSR-EW協(xié)議的路由開銷相比DSR和CHNN-DSR協(xié)議分別平均降低了34.4%和32.1%。這是因?yàn)?，DSR-EW協(xié)議在路由尋找時(shí)采用能量權(quán)重模型篩選到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)的路徑，為數(shù)據(jù)成功傳輸提供了能量支持，有效避免了由于鏈路斷裂引起不必要的重新搜尋開銷。

DSR、CHNN-DSR和DSR-EW協(xié)議的吞吐量仿真結(jié)果如圖4所示。在無人機(jī)速度為10～100 m·s-1時(shí)，DSR-EW協(xié)議的吞吐量相比DSR和CHNN-DSR協(xié)議分別平均提高了42.9%和32.8%。當(dāng)無人機(jī)節(jié)點(diǎn)處于高速運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)時(shí)，其網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓浅×?，鏈路也處于極其不穩(wěn)定的狀態(tài)，導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹袛?。但是，由于DSR-EW協(xié)議通過篩選并選擇能量權(quán)重高的路徑傳輸信息，在同樣的傳輸時(shí)間內(nèi)，可以傳輸更多的數(shù)據(jù)，從而數(shù)據(jù)吞吐量較高。

圖4 吞吐量仿真結(jié)果

4 結(jié)語

針對(duì)DSR路由協(xié)議在高速時(shí)存在鏈路易斷裂和信息傳輸效率低等問題，提出了一種改進(jìn)的DSR-EW協(xié)議。在路由尋找過程中，選擇能量權(quán)重值高的路徑進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，為數(shù)據(jù)傳輸提供穩(wěn)定可靠的數(shù)據(jù)傳輸通道。仿真結(jié)果表明，在無人機(jī)節(jié)點(diǎn)速度較高時(shí)，相比于DSR和CHNN-DSR協(xié)議，DSR-EW協(xié)議的丟包率和路由開銷較低，數(shù)據(jù)吞吐量較高，路由的數(shù)據(jù)傳輸效率和通信性能較好。