基于鏈路生存時(shí)間預(yù)測的高動(dòng)態(tài)飛行自組網(wǎng)組播路由協(xié)議

王 玉，王文燦，白 麗，范兼睿，張莉涓，雷 磊

（1.南京航空航天大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，南京 211106；2.中國人民解放軍96091 部隊(duì)，北京 100089；3.北京航天自動(dòng)控制研究所，北京 100854）

0 概述

近年來，無人機(jī)在軍事打擊、農(nóng)業(yè)植保、緊急救援和火災(zāi)監(jiān)測等軍事和民用領(lǐng)域應(yīng)用廣泛［1-3］。相對于單架無人機(jī)單獨(dú)執(zhí)行任務(wù)，無人機(jī)集群作業(yè)能有效克服單架無人機(jī)易損毀、作業(yè)時(shí)間短、執(zhí)行效率低等問題。因此，無人機(jī)相關(guān)技術(shù)成為熱門研究方向之一。

無人機(jī)協(xié)同通信作為無人機(jī)集群關(guān)鍵技術(shù)，面臨通信網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建、跨層干擾、網(wǎng)絡(luò)安全等［4-6］諸多挑戰(zhàn)。為降低對基礎(chǔ)通信設(shè)施的依賴，無人機(jī)集群通常采用自組網(wǎng)的方式進(jìn)行通信，這種去中心化的思想使無人機(jī)集群能有效抵抗網(wǎng)絡(luò)攻擊和因單個(gè)節(jié)點(diǎn)損壞導(dǎo)致的網(wǎng)絡(luò)癱瘓問題。因此，采用自組網(wǎng)的無人機(jī)集群屬于典型的飛行自組網(wǎng)（Flying Ad-hoc Networks，F(xiàn)ANETs）［7］。

無人機(jī)集群作為高速移動(dòng)的FANETs，有其自身顯著的特點(diǎn)：無人機(jī)節(jié)點(diǎn)在三維空間的運(yùn)動(dòng)速度為30～460 km/h［8］，這使得無人機(jī)集群的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化非常迅速，路由生存時(shí)間短；同時(shí)無人機(jī)節(jié)點(diǎn)易損毀，導(dǎo)致正常的數(shù)據(jù)傳輸中斷；此外，在實(shí)際應(yīng)用場景中，無人機(jī)節(jié)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)通常為任務(wù)導(dǎo)向，節(jié)點(diǎn)所執(zhí)行的具體任務(wù)決定了節(jié)點(diǎn)在某段時(shí)間內(nèi)的飛行軌跡。目前研究人員對無人機(jī)自組網(wǎng)協(xié)同通信技術(shù)的研究重點(diǎn)集中在無人機(jī)集群自組網(wǎng)路由協(xié)議和自組網(wǎng)媒體接入控制（Medium Access Control，MAC）協(xié)議兩方面［9］。

當(dāng)無人機(jī)集群進(jìn)行自組網(wǎng)通信時(shí)，單架無人機(jī)通常需要和集群中的多架無人機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，如定期報(bào)告自身的位置、數(shù)據(jù)采集、任務(wù)執(zhí)行情況等。如果采用單播方式進(jìn)行上述通信，將成倍地增加網(wǎng)絡(luò)中的傳輸數(shù)據(jù)量，甚至造成網(wǎng)絡(luò)的嚴(yán)重?fù)砣?，而采用組播方式則可以大幅減少對信道資源的占用。因此，在FANETs 網(wǎng)絡(luò)中，組播路由協(xié)議應(yīng)用廣泛。

然而，針對無人機(jī)集群系統(tǒng)設(shè)計(jì)組播路由協(xié)議面臨很大挑戰(zhàn)。在FANETs 網(wǎng)絡(luò)中實(shí)現(xiàn)組播通信時(shí)，為保證通信效率，數(shù)據(jù)在交付過程中不需要逐跳進(jìn)行確認(rèn)，但這可能導(dǎo)致組播節(jié)點(diǎn)無法及時(shí)檢測到鏈路斷開的問題，對于高速移動(dòng)的無人機(jī)集群網(wǎng)絡(luò)該問題尤為突出。因此，在進(jìn)行組播路由選擇時(shí)，應(yīng)盡可能提高路由的可靠性。此外，路由建立時(shí)間、傳輸時(shí)延、路由開銷、服務(wù)質(zhì)量（Quality of Service，QoS）保證等因素也是路由協(xié)議必須要考慮的問題［10］。

文獻(xiàn)［11］提出一種具備飛行預(yù)測的組播路由協(xié)議（SP-GMRF）。在該路由方案中，節(jié)點(diǎn)在需要發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，能對鄰居節(jié)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)狀況預(yù)測，并尋找距離各目的節(jié)點(diǎn)最近的鄰居節(jié)點(diǎn)。通過在數(shù)據(jù)分組頭部添加“轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)-目的節(jié)點(diǎn)”配對信息的方式，指定下一跳數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)。但該方案要求節(jié)點(diǎn)能夠獲取鄰居節(jié)點(diǎn)及目的節(jié)點(diǎn)的具體位置信息，并且數(shù)據(jù)分組首部的開銷隨著組播組中目的節(jié)點(diǎn)數(shù)的增加而不斷增大。文獻(xiàn)［12］提出一個(gè)基于強(qiáng)化學(xué)習(xí)的自學(xué)習(xí)路由協(xié)議，該協(xié)議中所有飛行節(jié)點(diǎn)均定期與鄰居節(jié)點(diǎn)交換狀態(tài)信息，用于更新存儲(chǔ)本地?cái)?shù)據(jù)。此外，該協(xié)議允許通過無人機(jī)節(jié)點(diǎn)的位置信息和一個(gè)基于全局網(wǎng)絡(luò)使用情況的獎(jiǎng)勵(lì)函數(shù)更新本地路由策略，避免了搜索全網(wǎng)節(jié)點(diǎn)信息的必要。但強(qiáng)化學(xué)習(xí)算法的引入給無人機(jī)節(jié)點(diǎn)帶來了諸多計(jì)算開銷，這對于計(jì)算資源有限的輕型無人機(jī)而言代價(jià)過于昂貴。文獻(xiàn)［13］提出一種具備運(yùn)動(dòng)預(yù)測特性的混合通信協(xié)議，該協(xié)議混合使用單播與地理群播技術(shù)，要求無人機(jī)配備定向天線，在路由建立與數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^程中根據(jù)鄰居節(jié)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)情況動(dòng)態(tài)調(diào)整定向天線的方向與輻射角度。定向天線的引入使得節(jié)點(diǎn)的通信距離得到了提高，同時(shí)減弱了節(jié)點(diǎn)相互間的干擾，但由于定向天使成本高昂，該協(xié)議難以在小型廉價(jià)無人機(jī)集群上得到應(yīng)用。文獻(xiàn)［14-16］將分簇的方法引入網(wǎng)絡(luò)，通過成員節(jié)點(diǎn)與簇首之間及不同簇首間的相互合作，實(shí)現(xiàn)高效的網(wǎng)絡(luò)管理，并優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)表現(xiàn)。但當(dāng)節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)速度較高、網(wǎng)路拓?fù)渥兓l繁時(shí)，分簇的維護(hù)成本將過于高昂，影響網(wǎng)絡(luò)表現(xiàn)。

以上路由協(xié)議均需要全球定位系統(tǒng)（Global Positioning System，GPS）設(shè)備的支持才能在相鄰節(jié)點(diǎn)之間交換位置與速度信息?？紤]到無人機(jī)集群在植被茂盛區(qū)域、GPS 信號受嚴(yán)重干擾的區(qū)域、室內(nèi)大型倉庫等場景無法由GPS 信號獲得準(zhǔn)確的定位信息，本文提出一種針對高動(dòng)態(tài)無人機(jī)集群自組網(wǎng)且無須GPS 支持的增強(qiáng)型組播路由協(xié)議（FMRP-LP）。采用一種基于鏈路生存時(shí)間預(yù)測的方式，使節(jié)點(diǎn)能夠根據(jù)其與鄰居節(jié)點(diǎn)間的距離變化情況對鏈路生存時(shí)間進(jìn)行預(yù)測。此外，在路由建立階段，節(jié)點(diǎn)可綜合鏈路生存時(shí)間、路由跳數(shù)與剩余飛行能量等因素對路由質(zhì)量進(jìn)行評估，并根據(jù)評估結(jié)果從多個(gè)上一跳節(jié)點(diǎn)中選出最佳節(jié)點(diǎn)作為轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)，在集群中按需建立較為可靠的組播路由。同時(shí)，在數(shù)據(jù)傳輸過程中引入局部路由修復(fù)與全局路由刷新相結(jié)合的路由維護(hù)策略，使節(jié)點(diǎn)在無需數(shù)據(jù)確認(rèn)的情況下自主檢測到斷開鏈路并進(jìn)行修復(fù)，解決節(jié)點(diǎn)高速移動(dòng)導(dǎo)致鏈路頻繁斷開的問題。

1 節(jié)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)模型與鏈路生存時(shí)間預(yù)測

假設(shè)節(jié)點(diǎn)由于受到某些因素的影響，無法直接獲取自身所處的準(zhǔn)確位置、運(yùn)動(dòng)速度、運(yùn)動(dòng)方向等信息，但節(jié)點(diǎn)可以通過某種技術(shù)手段獲取與鄰居節(jié)點(diǎn)間的距離（如通過TOA/TDOA［17］、AOA［18］、RSSI［19］等方式）。由于鄰居節(jié)點(diǎn)間距離測量的代價(jià)要比直接對無人機(jī)進(jìn)行定位的代價(jià)要小得多，且考慮到無人機(jī)集群作業(yè)過程中防碰撞的需要，相鄰節(jié)點(diǎn)間的距離感知是必要的。

由于無人機(jī)在飛行過程中通常攜帶具體任務(wù)，其飛行軌跡并非完全隨機(jī)，因此認(rèn)為無人機(jī)的飛行軌跡是分段線性的，即無人機(jī)節(jié)點(diǎn)在向著目標(biāo)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)的某段時(shí)間內(nèi)，其運(yùn)動(dòng)軌跡為空間中一條直線。此外，假設(shè)運(yùn)動(dòng)速度和運(yùn)動(dòng)方向均保持不變。假設(shè)兩個(gè)鄰居節(jié)點(diǎn)A、B每間隔Δt時(shí)間對相互間距離作一次測定，2 節(jié)點(diǎn)最近3 次測距時(shí)的距離分別為d0、d1、d2。由于節(jié)點(diǎn)保持恒定速度運(yùn)動(dòng)，其相對運(yùn)動(dòng)速度也是固定的。以節(jié)點(diǎn)A為參考點(diǎn)，認(rèn)為節(jié)點(diǎn)A是相對靜止的，節(jié)點(diǎn)B在最近3 次測距時(shí)所處的位置分別為B0、B1、B2，對應(yīng)時(shí)間為t0、t1、t2，由于是等時(shí)間測距的，因此B0B1=B1B2。以點(diǎn)B0所處位置為原點(diǎn)，點(diǎn)B0到點(diǎn)A的方向?yàn)閆軸正方向，建立空間直角坐標(biāo)系，如圖1 所示。圖1（a）表示t0時(shí)刻節(jié)點(diǎn)B正處于逐漸靠近節(jié)點(diǎn)A的過程中，圖1（b）表示t0時(shí)刻節(jié)點(diǎn)B正處于逐漸遠(yuǎn)離節(jié)點(diǎn)A的過程中。

圖1 相鄰節(jié)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡Fig.1 Trajectory of adjacent nodes

在建立上述坐標(biāo)系的過程中，僅確定了坐標(biāo)系原點(diǎn)位置與Z軸的方向，X、Y軸的方向并未給出，因此僅需X、Y、Z這3 個(gè)坐標(biāo)軸滿足相互垂直的條件。采用上述方式建立坐標(biāo)系的原因在于，雖然在真實(shí)情況下，當(dāng)以節(jié)點(diǎn)A為參考點(diǎn)時(shí)，節(jié)點(diǎn)B的運(yùn)動(dòng)軌跡為空間中某一條固定直線（滿足假設(shè)條件下），但由于目前無法確定鄰居節(jié)點(diǎn)B所處的具體方位，僅可獲知鄰居節(jié)點(diǎn)間的相對距離，因此在當(dāng)前運(yùn)動(dòng)模型中，節(jié)點(diǎn)B的可能運(yùn)動(dòng)軌跡為以B0為圓錐頂點(diǎn)、B0A所在直線為中軸線的某一圓錐上任一條母線所在的直線，如圖2 所示（以圖1（a）為例），該圓錐的母線與中軸線的夾角為定值，可以用d0、d1、d2唯一表示。根據(jù)對稱性，節(jié)點(diǎn)B的軌跡具體為哪條直線并不影響最終對鏈路生存時(shí)間的預(yù)測。

圖2 節(jié)點(diǎn)相對運(yùn)動(dòng)模型Fig.2 Nodes relative motion model

在該模型中，角θ的大小如下：

為了求得節(jié)點(diǎn)A、B之間的剩余鏈路生存時(shí)間，將節(jié)點(diǎn)B的軌跡方程表示為：

這里B1的值可以直接求解得到，但α與β的值卻不可以求出，其原因在于在當(dāng)前物理模型中節(jié)點(diǎn)B的運(yùn)動(dòng)軌跡無法完全確定。求解的思路有2 個(gè)：假設(shè)α（或β）為定值進(jìn)而求解β（或α）；將α與β整體求解。這里采取整體求解的方法：

設(shè)節(jié)點(diǎn)A的最大有效通信范圍為R，以節(jié)點(diǎn)A為圓心作半徑為R的球面，設(shè)該球面與B的運(yùn)動(dòng)軌跡的交點(diǎn)為Bm(xm,ym,zm)，Bm點(diǎn)即為當(dāng)前情況下節(jié)點(diǎn)B到達(dá)節(jié)點(diǎn)A最大有效通信范圍時(shí)所處的位置，求解Bm的位置：

節(jié)點(diǎn)B在節(jié)點(diǎn)A范圍內(nèi)（Z軸方向）最大運(yùn)動(dòng)距離如下：

設(shè)當(dāng)前時(shí)間為t，則節(jié)點(diǎn)A、B間的剩余鏈路生存時(shí)間如下：

在上述根據(jù)3 次測距進(jìn)行運(yùn)動(dòng)預(yù)測及剩余鏈路生存時(shí)間估計(jì)過程中，假設(shè)節(jié)點(diǎn)間的距離測量是準(zhǔn)確的，且節(jié)點(diǎn)相對運(yùn)動(dòng)速度始終保持恒定。有2 種情況可能會(huì)導(dǎo)致上述預(yù)測結(jié)果不正確：一是在相鄰節(jié)點(diǎn)間測距的過程中存在誤差，導(dǎo)致測量得到的距離可信度較差；二是在3 次測距的過程中節(jié)點(diǎn)A或節(jié)點(diǎn)B的運(yùn)動(dòng)速度發(fā)生了改變，導(dǎo)致2 節(jié)點(diǎn)間相對運(yùn)動(dòng)速度改變，節(jié)點(diǎn)B相對節(jié)點(diǎn)A的軌跡不再是一條直線。后一種情況尤為重要，因?yàn)? 次測距只能在假設(shè)條件下對節(jié)點(diǎn)間的剩余鏈路生存時(shí)間做出預(yù)測，并不能判斷出假設(shè)條件是否始終成立，即節(jié)點(diǎn)間相對運(yùn)動(dòng)速度是否是始終恒定的。這里采用文獻(xiàn)［20］的方法，引入4 次測距，通過增加一次測距的方式檢測節(jié)點(diǎn)間的相對運(yùn)動(dòng)速度是否變化。

設(shè)第4 次測距的時(shí)間為t3，B點(diǎn)所處位置為B3，滿足AB3=d3：

這里可得到z1的2 種表達(dá)形式，在不考慮測量誤差且節(jié)點(diǎn)間相對運(yùn)動(dòng)速度保持恒定的條件下，上述表達(dá)式必然是成立的，d0、d1、d2、d3滿足如下關(guān)系：

設(shè)距離測量過程的最大誤差率為σ，因測量誤差導(dǎo)致的式（12）的誤差最大值如下：

為式（12）設(shè)置一個(gè)置信區(qū)間［Γ1，Γ2］，當(dāng)式（12）的值處于該區(qū)間內(nèi)時(shí)，認(rèn)為當(dāng)前路由生存時(shí)間預(yù)測結(jié)果是可靠的，將其當(dāng)做后續(xù)路由建立過程的依據(jù)之一。當(dāng)式（12）的值超出此范圍時(shí)，認(rèn)為測量誤差過大或節(jié)點(diǎn)間相對運(yùn)動(dòng)速度已發(fā)生了改變，當(dāng)前預(yù)測結(jié)果不可信，放棄此次剩余鏈路生存時(shí)間預(yù)測過程。

由于引入了4 次測距的過程，當(dāng)前預(yù)測得到的剩余鏈路生存時(shí)間修正如下：

2 FMRP-LP 協(xié)議實(shí)現(xiàn)流程

本節(jié)將在第1 節(jié)剩余鏈路生存時(shí)間預(yù)測過程的基礎(chǔ)上，介紹FMRP-LP 協(xié)議的實(shí)現(xiàn)流程，協(xié)議主要分為初始階段、路由建立階段、路由確認(rèn)與數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)以及路由維護(hù)過程。

2.1 初始階段

在初始階段，網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)每間隔△t時(shí)間向外廣播Hello 分組，該分組主要包含發(fā)送節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)ID、狀態(tài)信息、時(shí)間信息等。節(jié)點(diǎn)可以通過接收到的來自鄰居節(jié)點(diǎn)的Hello 分組確定自身一跳范圍內(nèi)的鄰居節(jié)點(diǎn)數(shù)量與相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)ID，并定期對節(jié)點(diǎn)自身到鄰居節(jié)點(diǎn)間的距離進(jìn)行測量，將不同時(shí)刻下鄰居節(jié)點(diǎn)到自身的距離記錄到節(jié)點(diǎn)鄰居表中。當(dāng)后續(xù)需要在網(wǎng)絡(luò)中建立轉(zhuǎn)發(fā)路由時(shí)，節(jié)點(diǎn)將根據(jù)鄰居表中的內(nèi)容對自身到鄰居節(jié)點(diǎn)間的剩余生存時(shí)間進(jìn)行預(yù)測，選擇合適的轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)。

2.2 路由建立階段

當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中有某個(gè)源節(jié)點(diǎn)S 首次有數(shù)據(jù)要發(fā)送至特定組播組時(shí)，由于網(wǎng)絡(luò)中并不存在該組播組的轉(zhuǎn)發(fā)路由，源節(jié)點(diǎn)需要先通過洪泛路由請求（Route Request，RREQ）分組的過程嘗試建立組播路由，RREQ 分組結(jié)構(gòu)如圖3 所示。其中，歷史最少剩余能量Emin為從源節(jié)點(diǎn)至當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)發(fā)鏈路上所有節(jié)點(diǎn)所具有的剩余能量最小值，它表示當(dāng)前轉(zhuǎn)發(fā)鏈路能維持的最長飛行時(shí)間。TRLL_min、Qmin則分別表示預(yù)測得到的當(dāng)前轉(zhuǎn)發(fā)鏈路剩余生存時(shí)間和路由質(zhì)量的最小值。

圖3 RREQ 分組結(jié)構(gòu)Fig.3 Grouping structure of RREQ

源節(jié)點(diǎn)的鄰居節(jié)點(diǎn)收到該RREQ 分組后將直接對其進(jìn)行更新并繼續(xù)向外廣播轉(zhuǎn)發(fā)，而后續(xù)節(jié)點(diǎn)在收到RREQ 分組后，將啟動(dòng)定時(shí)器，等待thold時(shí)間后再做出路由決策。在等待路由決策的這段時(shí)間內(nèi)，節(jié)點(diǎn)可能會(huì)收到來自多個(gè)鄰居節(jié)點(diǎn)所轉(zhuǎn)發(fā)的RREQ分組，并根據(jù)所收到的RREQ 分組中路由跳數(shù)、剩余能量Emin、鏈路生存時(shí)間TRLL_min等參數(shù)對可能存在的多條轉(zhuǎn)發(fā)路由進(jìn)行路由質(zhì)量評估，計(jì)算路由質(zhì)量指數(shù)Q：

其中：min(TRLL)為通過前文所述方法對鄰居節(jié)點(diǎn)間剩余鏈路生存時(shí)間預(yù)測結(jié)果與收到的RREQ 分組中記錄的參數(shù)較小值；HopCount 為該RREQ 分組所在轉(zhuǎn)發(fā)路徑中源節(jié)點(diǎn)距當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的跳數(shù)；Emin為接收到的RREQ 分組中記錄的值；ωt、ωh和ωe分別為鏈路生存時(shí)間、路由跳數(shù)及剩余能量在路由質(zhì)量中所占的權(quán)重。在不同的應(yīng)用場景中，可以根據(jù)具體的集群作業(yè)環(huán)境對3 個(gè)指標(biāo)系數(shù)進(jìn)行調(diào)整。若要維持一個(gè)較大的鏈路生存時(shí)間，可以增大ωt，降低其余2 個(gè)系數(shù)的值；若要降低傳輸跳數(shù)，保證數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延，可以適當(dāng)增加大ωh的值；若應(yīng)用環(huán)境較為復(fù)雜，無人機(jī)能量消耗比較迅速，則可以適當(dāng)增加大ωe的值。

由于一個(gè)理想的路由需要有較長的生存時(shí)間、較多的剩余能量和較小的跳數(shù)，因此ωt與ωe的系數(shù)為正，ωh的系數(shù)為負(fù)。此外，為了方便比較路由質(zhì)量因子的大小，對相關(guān)參數(shù)進(jìn)行歸一化處理：

其中：Tm為路由最大有效時(shí)間，即全局路由刷新時(shí)間。HopCount 與Emin的歸一化過程與TRLL類似。

在計(jì)算完路由質(zhì)量參數(shù)后，中間節(jié)點(diǎn)根據(jù)計(jì)算結(jié)果從多個(gè)上一跳節(jié)點(diǎn)中選擇最佳的中繼節(jié)點(diǎn)作為轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)，更新并廣播來自該節(jié)點(diǎn)的RREQ 分組，同時(shí)在當(dāng)前組播組中將該節(jié)點(diǎn)選為上一跳中繼節(jié)點(diǎn)，將該節(jié)點(diǎn)的ID 記錄到路由表中。最終，全部目的節(jié)點(diǎn)將收到經(jīng)過多跳轉(zhuǎn)發(fā)的RREQ 分組。RREQ 分組的傳播過程如圖4 所示。

圖4 RREQ 傳播示意圖Fig.4 RREQ propagation diagram

在圖4 中，節(jié)點(diǎn)S 為組播組源節(jié)點(diǎn)，D1、D2、D3為目的節(jié)點(diǎn)。在圖4（a）中，初始時(shí)節(jié)點(diǎn)S 有數(shù)據(jù)需要發(fā)送，此時(shí)由于網(wǎng)絡(luò)中不存在轉(zhuǎn)發(fā)路由，節(jié)點(diǎn)S 首先向外廣播RREQ 分組嘗試建立路由。鄰居節(jié)點(diǎn)R1～R4 收到RREQ 分組后將對鏈路質(zhì)量進(jìn)行計(jì)算，得到源節(jié)點(diǎn)S 到自身與之間的鏈路質(zhì)量分別為0.7、0.7、0.8、0.5，隨后將該值記錄到RREQ 分組中并繼續(xù)轉(zhuǎn)發(fā)。在圖4（b）中，節(jié)點(diǎn)R3 收到R1 轉(zhuǎn)發(fā)的RREQ分組，由于R3 此前已經(jīng)轉(zhuǎn)發(fā)過該分組，因此會(huì)直接將該分組丟棄，不做其它操作。節(jié)點(diǎn)R5 將在thold時(shí)間內(nèi)收到來自R3、R4 這2 個(gè)節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)的RREQ 分組，并對節(jié)點(diǎn)間鏈路質(zhì)量進(jìn)行計(jì)算。由于R3 所在轉(zhuǎn)發(fā)鏈路的鏈路質(zhì)量為0.7，大于R4 所在鏈路的鏈路質(zhì)量0.5，R5 將選擇R3 作為自身的上一跳節(jié)點(diǎn)。在圖4（c）中，節(jié)點(diǎn)D1、R5、R6 在計(jì)時(shí)器超后繼續(xù)向外轉(zhuǎn)發(fā)RREQ，節(jié)點(diǎn)R7、R8 將收到多個(gè)節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)的RREQ 分組，通過對鏈路質(zhì)量進(jìn)行評價(jià)，R7、R8 都將選擇節(jié)點(diǎn)R5 作為上一跳轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)。在圖4（d）中，最終RREQ 分組將分別沿著S-R3-D1、S-R3-R5-R7-D2、S-R3-R5-R7-D3 的路徑逐跳轉(zhuǎn)發(fā)至目的節(jié)點(diǎn)D1～D3。

2.3 路由確認(rèn)與數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)

目的節(jié)點(diǎn)收到RREQ 分組后，將向源節(jié)點(diǎn)回復(fù)一個(gè)RREP（Route Reply）分組，目的是對轉(zhuǎn)發(fā)路由進(jìn)行確認(rèn)。RREP 分組沿著RREQ 分組的傳播方向反向由目的節(jié)點(diǎn)逐跳轉(zhuǎn)發(fā)至源節(jié)點(diǎn)，收到RREP 分組的節(jié)點(diǎn)將被標(biāo)記為轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)，參與后續(xù)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)。圖4 中，目的節(jié)點(diǎn)D3 產(chǎn)生的RREP 分組將沿D3-R7-R5-R3-S 的路徑被逐跳轉(zhuǎn)發(fā)至源節(jié)點(diǎn)S。最終，R3、R5、R7 將被標(biāo)記為轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)，在后續(xù)過程中參與數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)，如此完成路由的建立過程。

RREP 分組結(jié)構(gòu)如圖5 所示。

圖5 RREP 分組結(jié)構(gòu)Fig.5 Grouping structure of RREP

經(jīng)過RREQ 洪泛與RREP 逆向傳播的過程后，可在網(wǎng)絡(luò)中建立一個(gè)基于網(wǎng)格的轉(zhuǎn)發(fā)路由，基于網(wǎng)格的路由比基于樹的路由具有更強(qiáng)的魯棒性，能夠較好地適應(yīng)節(jié)點(diǎn)高速移動(dòng)的網(wǎng)絡(luò)場景。路由建立完成后，當(dāng)源節(jié)點(diǎn)有數(shù)據(jù)需要發(fā)送時(shí)便可直接向外廣播數(shù)據(jù)分組。中間節(jié)點(diǎn)收到數(shù)據(jù)分組后檢查自身是否是特定組播組的轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)，若是則將數(shù)據(jù)分組IP 頭部的上一跳節(jié)點(diǎn)地址修改為自身地址并繼續(xù)向外轉(zhuǎn)發(fā)該數(shù)據(jù)分組，直到數(shù)據(jù)分組沿預(yù)先建立好的路由轉(zhuǎn)發(fā)至目的節(jié)點(diǎn)。

2.4 路由維護(hù)過程

在FANETs 網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點(diǎn)的高動(dòng)態(tài)特性容易導(dǎo)致已建立路由頻繁斷開，數(shù)據(jù)無法順利從源節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)至目的節(jié)點(diǎn)?？紤]到組播過程一對多通信的特點(diǎn)，數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)過程不再需要逐跳確認(rèn)，以此減少對信道資源的占用。上游節(jié)點(diǎn)可能無法及時(shí)感知到組播組中部分鏈路斷開的問題，導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)中斷。因此，一個(gè)合理的路由維護(hù)策略對FANETs 組播路由協(xié)議而言至關(guān)重要。

為了使中間轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)及目的節(jié)點(diǎn)自主感知到節(jié)點(diǎn)自身是否與組播組斷開連接，令源節(jié)點(diǎn)在路由有效期內(nèi)持續(xù)一定時(shí)間沒有數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)，定期向組播組發(fā)送一個(gè)組播查詢分組，該分組不攜帶任何數(shù)據(jù)，僅用于對組播路由的維護(hù)。在路由有效期內(nèi)，當(dāng)轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)或成員節(jié)點(diǎn)連續(xù)一段時(shí)間沒有收到任何數(shù)據(jù)分組或組播查詢分組時(shí)，節(jié)點(diǎn)將感知到自身與組播組斷開了連接，將發(fā)起對局部路由的修復(fù)過程，并嘗試重新加入原組播組。

當(dāng)節(jié)點(diǎn)檢測到自身與組播組失去連接后，在小范圍內(nèi)洪泛一個(gè)路由修復(fù)分組（如設(shè)置TTL=2），發(fā)起路由修復(fù)過程。周圍節(jié)點(diǎn)收到路由修復(fù)分組后檢查自身是否為對應(yīng)組播組的成員節(jié)點(diǎn)或轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)，若滿足條件則沿路由修復(fù)分組的傳播路徑反向回復(fù)一個(gè)路由修復(fù)確認(rèn)分組，否則將TTL 值減1，并在有效期內(nèi)繼續(xù)轉(zhuǎn)發(fā)該路由修復(fù)分組。與RREP 分組的傳播過程類似，收到修復(fù)確認(rèn)分組的節(jié)點(diǎn)同樣將自身標(biāo)記為轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)，最終斷開節(jié)點(diǎn)并在收到修復(fù)確認(rèn)分組后重新加入到組播組中，從而完成局部路由修復(fù)過程。若修復(fù)失敗，則節(jié)點(diǎn)等待一段時(shí)間后繼續(xù)嘗試該過程，同時(shí)將TTL 值加1，擴(kuò)大修復(fù)范圍。連續(xù)失敗超過一定次數(shù)后，節(jié)點(diǎn)將放棄局部路由修復(fù)的過程，等待后續(xù)路由的刷新。

如圖6（a）所示，在路由建立不久時(shí)，網(wǎng)絡(luò)中存在由源節(jié)點(diǎn)S 到目的節(jié)點(diǎn)D1、D2、D3 的有效路由，目的節(jié)點(diǎn)均能夠正常收到源節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)分組或組播查詢分組。在圖6（b）中，當(dāng)目的節(jié)點(diǎn)D3 因自身的運(yùn)動(dòng)與組播組斷開連接后，將無法正常接收到數(shù)據(jù)分組或組播查詢分組。一段時(shí)間后，節(jié)點(diǎn)D3 意識到自身與組播組斷開了連接，將主動(dòng)發(fā)起圖6（c）中的局部路由修復(fù)過程。節(jié)點(diǎn)R3 在小范圍洪泛一個(gè)TTL 值為3 的路由修復(fù)分組，鄰居節(jié)點(diǎn)R9 收到該分組后檢測到自身不是組播組的成員節(jié)點(diǎn)或轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)，繼續(xù)向外轉(zhuǎn)發(fā)此路由修復(fù)分組，R6 同樣如此。最終，節(jié)點(diǎn)R5 收到該分組后發(fā)現(xiàn)自身為目標(biāo)組播組的轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)，將沿路由修復(fù)傳播的反向路徑向D3 回復(fù)修復(fù)確認(rèn)分組。修復(fù)確認(rèn)分組的傳播過程如圖6（d）所示，在此過程中，節(jié)點(diǎn)R6 與R9 將被標(biāo)記為轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)，參與后續(xù)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)。節(jié)點(diǎn)D3 后續(xù)將在節(jié)點(diǎn)R6 與R9 的幫助下繼續(xù)接收數(shù)據(jù)。當(dāng)有新節(jié)點(diǎn)需要加入特定組播組時(shí)，其加入過程與斷開節(jié)點(diǎn)的修復(fù)過程一致。

圖6 局部鏈路修復(fù)過程Fig.6 Local link repair process

通過圖6 可以看出，斷開節(jié)點(diǎn)實(shí)質(zhì)上是通過局部洪泛的方式，將更多的鄰居節(jié)點(diǎn)標(biāo)記為轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)，從而實(shí)現(xiàn)路由修復(fù)。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓l繁且源節(jié)點(diǎn)長時(shí)間發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，組播組的轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)數(shù)量將越來越多，多余的轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)將浪費(fèi)寶貴的信道資源。作為對上述局部路由修復(fù)過程的補(bǔ)充，為組播路由設(shè)定一個(gè)最大有效期，當(dāng)建立好的組播路由到期后且源節(jié)點(diǎn)仍有數(shù)據(jù)需要發(fā)送時(shí)，源節(jié)點(diǎn)將暫停數(shù)據(jù)發(fā)送并重新廣播一個(gè)RREQ 分組對全局路由進(jìn)行刷新，其過程與初始路由建立過程一致，并且轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)收到RREQ 分組后將清除自身的轉(zhuǎn)發(fā)標(biāo)志。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

使用EXata網(wǎng)絡(luò)仿真工具對所提出的FMRP-LP 協(xié)議進(jìn)行仿真分析，并與經(jīng)典組播路由協(xié)議ODMRP［21］作比較。分別改變節(jié)點(diǎn)移動(dòng)速度與密度，比較兩者在數(shù)據(jù)遞交率、網(wǎng)絡(luò)吞吐量、路由開銷、端到端時(shí)延4 個(gè)方面的差異，分析FMRP-LP 協(xié)議的性能優(yōu)勢。其中，路由開銷定義為網(wǎng)路中全部節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)的控制分組與數(shù)據(jù)分組數(shù)量之和與目的節(jié)點(diǎn)所收到的數(shù)據(jù)分組數(shù)之比，對于多跳網(wǎng)絡(luò)而言，該值通常大于1。

仿真環(huán)境的參數(shù)如表1 所示。在FANETs 中，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)跳數(shù)對路由穩(wěn)定性和數(shù)據(jù)遞交時(shí)延均有較大的影響。跳數(shù)越少，參與數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的節(jié)點(diǎn)數(shù)越少，因節(jié)點(diǎn)損毀導(dǎo)致路由失效的概率就越低，因此為ωh設(shè)置了一個(gè)較大的值；考慮到仿真場景中節(jié)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)間較短，路由穩(wěn)定性受節(jié)點(diǎn)剩余能量的影響較小，為ωe設(shè)置了一個(gè)較小的值。綜合以上因素，將ωt、ωh、ωe的值分別設(shè)置為0.3、0.6、0.1。

表1 仿真參數(shù)Table 1 Simulation parameters

比較不同節(jié)點(diǎn)移動(dòng)速度下，F(xiàn)MRP-LP 協(xié)議在數(shù)據(jù)遞交率、網(wǎng)絡(luò)吞吐量、路由開銷與端到端時(shí)延4 個(gè)方面的變化情況。假設(shè)節(jié)點(diǎn)數(shù)量固定為100，源節(jié)點(diǎn)發(fā)包頻率為20 packets/s，數(shù)據(jù)包大小為512 Byte，網(wǎng)絡(luò)中共設(shè)置4 條業(yè)務(wù)流，計(jì)算不同業(yè)務(wù)流的平均結(jié)果。

在圖7（a）中，當(dāng)初始階段節(jié)點(diǎn)保持靜止時(shí)，使用不同協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)在數(shù)據(jù)遞交率方面相差很小。隨著節(jié)點(diǎn)移動(dòng)速度的增大，網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)遞交率不斷降低，但使用FMRP-LP 協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)在數(shù)據(jù)遞交率方面的下降幅度小于使用ODMRP 協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)，整個(gè)過程中數(shù)據(jù)遞交率僅降低了約14 個(gè)百分點(diǎn)，而使用ODMRP 協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)遞交率下降了約55 個(gè)百分點(diǎn)。圖7（b）展示了網(wǎng)絡(luò)吞吐量變化情況與節(jié)點(diǎn)移動(dòng)速度之間的關(guān)系，整個(gè)過程中使用ODMRP 協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)吞吐量降低了約1.9 Mb/s，使用FMRP-LP 協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)吞吐量僅降低了0.47 Mb/s，明顯優(yōu)于ODMRP 協(xié)議。綜合圖7（a）和圖7（（b）可看出，不同網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)遞交率和吞吐量均隨著節(jié)點(diǎn)移動(dòng)速度的增大而不斷下降，但使用FMRP-LP 協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)在這兩方面的下降幅度相對較小，能夠很好地保持?jǐn)?shù)據(jù)遞交率與吞吐量的穩(wěn)定性。

圖7（c）表明FMRP-LP 協(xié)議在端到端時(shí)延方面比ODMRP 協(xié)議有一定的增高，這是因?yàn)閿嚅_節(jié)點(diǎn)通過路由修復(fù)過程并重新加入原組播組后，距源節(jié)點(diǎn)的距離和跳數(shù)可能大于路由初始建立時(shí)的值，導(dǎo)致時(shí)延的增大。此外，數(shù)據(jù)從源節(jié)點(diǎn)遞交至距離越遠(yuǎn)、跳數(shù)越多的的節(jié)點(diǎn)所花費(fèi)的時(shí)間越長，而隨著節(jié)點(diǎn)移動(dòng)速度的增加，這部分節(jié)點(diǎn)與組播組斷開連接的概率也越高。由于ODMRP 協(xié)議缺少有效的路由修復(fù)測策略，當(dāng)節(jié)點(diǎn)移動(dòng)速度增加后，隨著部分距離較遠(yuǎn)節(jié)點(diǎn)的斷開，其平均端到端時(shí)延并未出現(xiàn)明顯的增加。

如圖7（d）所示，節(jié)點(diǎn)移動(dòng)速度增加時(shí)，數(shù)據(jù)遞交率的降低與路由維護(hù)成本的增加均導(dǎo)致路由開銷比例增大。在斷開節(jié)點(diǎn)通過局部路由修復(fù)重新加入組播組的過程中，F(xiàn)MRP-LP 協(xié)議將指定額外的節(jié)點(diǎn)作為轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)為自身轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，盡管這個(gè)過程可能導(dǎo)致網(wǎng)路中所轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)量的增加，但由于其很好地保持了數(shù)據(jù)遞交率，因此FMRP-LP 協(xié)議路由開銷比例仍然低于ODMRP 協(xié)議。

圖7 不同移動(dòng)速度下路由協(xié)議性能對比Fig.7 Performance comparison of routing protocols under different movement speeds

圖8 展示了不同節(jié)點(diǎn)密度下FMRP-LP 協(xié)議與ODMRP 協(xié)議的性能對比情況，在該場景下仿真區(qū)域大小與源節(jié)點(diǎn)發(fā)包頻率保持不變，節(jié)點(diǎn)以恒定20 m/s的速度運(yùn)動(dòng)。

圖8 不同節(jié)點(diǎn)數(shù)量下路由協(xié)議性能對比Fig.8 Performance comparison of routing protocols under different number of nodes

在圖8（a）中，當(dāng)節(jié)點(diǎn)密度較低時(shí)，數(shù)據(jù)遞交率隨著節(jié)點(diǎn)數(shù)量的增加而上升，但當(dāng)節(jié)點(diǎn)數(shù)增加至90以后，數(shù)據(jù)遞交率開始趨于穩(wěn)定，不再繼續(xù)增長，且由于節(jié)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)的原因，F(xiàn)MRP-LP 協(xié)議的表現(xiàn)始終優(yōu)于ODMRP 協(xié)議。圖8（b）中網(wǎng)絡(luò)吞吐量的變化趨勢與數(shù)據(jù)遞交率相類似。造成圖8（a）和圖8（b）出現(xiàn)該現(xiàn)象的原因在于初始階段網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)數(shù)量較少且分布較為稀疏，因此在初始路由建立過程中可供選擇的轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)較少，建立的路由不夠穩(wěn)定，節(jié)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)很容易導(dǎo)致鏈路的斷開，導(dǎo)致數(shù)據(jù)的丟失。當(dāng)節(jié)點(diǎn)增加時(shí)，節(jié)點(diǎn)分布的密度加大為路由建立過程提供了更多的選擇，一定程度上減輕了上述問題。端到端時(shí)延與路由開銷分別如圖8（c）和圖8（d）所示，與圖7 情況相同，F(xiàn)MRP-LP 協(xié)議的端到端時(shí)延略高于ODMRP 協(xié)議，但路由開銷明顯優(yōu)于ODMRP 協(xié)議。

4 結(jié)束語

本文針對無人機(jī)集群飛行自組網(wǎng)，提出一種具備鏈路生存時(shí)間預(yù)測與路由評價(jià)機(jī)制的組播路由協(xié)議FMRP-LP。通過鄰居節(jié)點(diǎn)間相對距離的變化情況對剩余鏈路生存時(shí)間進(jìn)行預(yù)測，并結(jié)合鏈路生存時(shí)間、跳數(shù)及剩余能量3 個(gè)指標(biāo)對路由質(zhì)量進(jìn)行評價(jià)，選擇最佳鄰居節(jié)點(diǎn)作為數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)，從而保證路由的生存時(shí)間與穩(wěn)定性。在此基礎(chǔ)上，使用全局路由刷新與局部路由修復(fù)過程相結(jié)合的策略，有效減小由于節(jié)點(diǎn)高速移動(dòng)導(dǎo)致鏈路頻繁斷開所帶來的負(fù)面影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，與經(jīng)典ODMRP 協(xié)議相比，F(xiàn)MRP-LP 協(xié)議保證了在不同應(yīng)用場景中網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)遞交率與吞吐量，尤其適用于節(jié)點(diǎn)移動(dòng)速度較高、拓?fù)渥兓l繁的FANETs 網(wǎng)絡(luò)。下一步將對鏈路修復(fù)過程進(jìn)行優(yōu)化，以減少冗余轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)，降低數(shù)據(jù)遞交時(shí)延。