無(wú)人機(jī)自組網(wǎng)GPSR路由協(xié)議研究

祝 經(jīng)，周新力，宋斌斌，王程民

(海軍航空大學(xué)， 山東 煙臺(tái) 264001)

1 引言

隨著無(wú)人機(jī)集群組網(wǎng)應(yīng)用的發(fā)展，無(wú)人機(jī)自組網(wǎng)協(xié)議受到廣泛關(guān)注，在諸如MAC協(xié)議、路由協(xié)議、跨層協(xié)議、機(jī)會(huì)網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議等方面均有大量研究[1-2]，其中路由協(xié)議是保障無(wú)人機(jī)自組織網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行穩(wěn)定性和節(jié)點(diǎn)間可靠通信的關(guān)鍵。根據(jù)是否需要地理位置信息輔助，無(wú)人機(jī)自組網(wǎng)路由協(xié)議可分為基于拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的路由協(xié)議和基于地理位置的路由協(xié)議兩大類[3]。

參考現(xiàn)有文獻(xiàn)可以看出，基于地理位置的路由協(xié)議在維護(hù)鄰居列表時(shí)所需的開(kāi)銷遠(yuǎn)小于基于拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的路由協(xié)議在建立和維護(hù)路由表時(shí)所需的開(kāi)銷[4]。而且，基于地理位置的路由協(xié)議具有更強(qiáng)的擴(kuò)展性且無(wú)需考慮網(wǎng)絡(luò)收斂問(wèn)題[5]。另外，中小型無(wú)人機(jī)大多都具有定位功能，對(duì)基于地理位置路由協(xié)議的運(yùn)行也提供便利。因此，綜合考慮以上特性，在高動(dòng)態(tài)的無(wú)人機(jī)自組網(wǎng)中，基于地理位置的路由協(xié)議具有良好的應(yīng)用前景。而GPSR協(xié)議作為一種典型的基于節(jié)點(diǎn)地理位置信息的路由協(xié)議，具有擴(kuò)展性強(qiáng)、健壯性好和適應(yīng)高動(dòng)態(tài)拓?fù)涞忍攸c(diǎn)，從而已成為最適用于無(wú)人機(jī)自組網(wǎng)的路由協(xié)議之一。

為此，梳理GPSR協(xié)議相關(guān)研究現(xiàn)狀，分析需要進(jìn)一步優(yōu)化和改進(jìn)的研究發(fā)展方向，為基于地理位置信息輔助的路由協(xié)議更好地用于無(wú)人機(jī)網(wǎng)絡(luò)提供進(jìn)一步深入研究的思路，具有很強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義。

2 GPSR協(xié)議概述

GPSR協(xié)議中，每個(gè)節(jié)點(diǎn)將位置、標(biāo)識(shí)符等信息封裝在數(shù)據(jù)包的包頭中，并通過(guò)周期性相互交換控制消息的方式，獲取鄰居一跳節(jié)點(diǎn)的位置信息，建立鄰居列表和節(jié)點(diǎn)之間的路由，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)包的傳輸。GPSR協(xié)議有貪婪轉(zhuǎn)發(fā)(greedy forwarding)和周邊轉(zhuǎn)發(fā)(perimeter forwarding)[6]2種數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)方式。

2.1 貪婪轉(zhuǎn)發(fā)

貪婪轉(zhuǎn)發(fā)是基于歐幾里得距離的鄰近度量，其通過(guò)選擇到目的節(jié)點(diǎn)最近的鄰居節(jié)點(diǎn)作為數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)的下一跳節(jié)點(diǎn)[7]。此外，貪婪轉(zhuǎn)發(fā)通過(guò)交換信標(biāo)消息來(lái)進(jìn)行預(yù)先鄰居節(jié)點(diǎn)發(fā)現(xiàn)，使得每個(gè)節(jié)點(diǎn)在一次交換中擁有其鄰居節(jié)點(diǎn)的地理位置信息。如圖1所示，數(shù)據(jù)包從源節(jié)點(diǎn)S傳輸至目的節(jié)點(diǎn)D。通過(guò)選擇傳輸范圍內(nèi)距離目的地最近的節(jié)點(diǎn)作為下一跳，數(shù)據(jù)包被一跳一跳地轉(zhuǎn)發(fā)。在目的地移動(dòng)性非常高的情況下，這種路由模式提供了相當(dāng)接近有線網(wǎng)絡(luò)的成功率。但是，當(dāng)發(fā)送節(jié)點(diǎn)在其通信范圍內(nèi)沒(méi)有比本節(jié)點(diǎn)距離目的節(jié)點(diǎn)更近的節(jié)點(diǎn)時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)路由空洞，即局部最小化現(xiàn)象。如圖1所示，節(jié)點(diǎn)S在尋找到達(dá)節(jié)點(diǎn)D的路由時(shí)，發(fā)現(xiàn)單跳通信范圍內(nèi)不存在比S節(jié)點(diǎn)距離D節(jié)點(diǎn)更近的鄰居節(jié)點(diǎn)。此時(shí)則認(rèn)為貪婪轉(zhuǎn)發(fā)失效，S節(jié)點(diǎn)稱為局部最小化點(diǎn)。路由空洞就是所有相鄰局部最小化點(diǎn)之間的連線所構(gòu)成的多邊形區(qū)域。

圖1 貪婪轉(zhuǎn)發(fā)過(guò)程示意圖Fig.1 Greedy forwarding process

2.2 周邊轉(zhuǎn)發(fā)

當(dāng)數(shù)據(jù)包傳輸過(guò)程中遇到路由空洞，即貪婪轉(zhuǎn)發(fā)算法失敗時(shí)，為了能將數(shù)據(jù)包繞過(guò)路由空洞繼續(xù)向前轉(zhuǎn)發(fā)，則需切換至周邊轉(zhuǎn)發(fā)。在周邊轉(zhuǎn)發(fā)模式中，首先基于平面化算法將網(wǎng)絡(luò)平面化，然后空洞節(jié)點(diǎn)采用右手規(guī)則，在比自身距離目的節(jié)點(diǎn)遠(yuǎn)的鄰居節(jié)點(diǎn)中作出選擇，選出下一跳轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)。如圖2所示，節(jié)點(diǎn)S的傳輸范圍內(nèi)，所有其他節(jié)點(diǎn)與目的節(jié)點(diǎn)之間的距離都大于其自身。因此，節(jié)點(diǎn)S切換至周邊轉(zhuǎn)發(fā)模式，按照右手準(zhǔn)則，順時(shí)針遍歷該多邊形，形成路徑:S-A-F，繞過(guò)路由空洞。當(dāng)在節(jié)點(diǎn)F處再次符合貪婪轉(zhuǎn)發(fā)條件時(shí)，則切換模式，形成路徑F-D，節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)至目的節(jié)點(diǎn)D。

圖2 周邊轉(zhuǎn)發(fā)過(guò)程示意圖Fig.2 Perimeter forwarding process

2.3 平面化算法

GPSR協(xié)議采用的平面化算法有：相關(guān)鄰接圖算法(relative neighbor graph，RNG)和加百利圖算法(gabriel graph，GG)[7]。2種算法的原理圖如圖3所示。

RNG算法定義為：節(jié)點(diǎn)A，B之間的距離大于或等于任意節(jié)點(diǎn)X到2個(gè)節(jié)點(diǎn)的距離。其表達(dá)式為：

?X≠A，B∶d(A，B)≤max[d(X，A)，d(X，B)]

(1)

GG算法定義為：在以節(jié)點(diǎn)A，B間距離為直徑的圓內(nèi)，若不存在任意節(jié)點(diǎn)X，則存在兩節(jié)點(diǎn)A，B之間的邊(A，B)。其表達(dá)式為：

?X≠A，B∶d2(A，B)≤[d2(X，A)+d2(X，B)]

(2)

圖3 RNG和GG平面化算法原理示意圖Fig.3 RNG and GG planarization algorithm

3 GPSR協(xié)議研究現(xiàn)狀

針對(duì)無(wú)人機(jī)自組織網(wǎng)絡(luò)中由于節(jié)點(diǎn)部署稀疏、節(jié)點(diǎn)高速移動(dòng)等特性可能帶來(lái)的影響，學(xué)者們對(duì)GPSR協(xié)議展開(kāi)了廣泛的研究和改進(jìn)，其中主要有如下幾個(gè)方面。

3.1 協(xié)議控制開(kāi)銷優(yōu)化

基于拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的路由協(xié)議需要知道全局節(jié)點(diǎn)的拓?fù)湫畔?，并建立和維護(hù)路由表，而傳統(tǒng)的GPSR協(xié)議作為典型基于地理位置的路由協(xié)議，僅需知道所有一跳鄰居節(jié)點(diǎn)當(dāng)前時(shí)刻的位置信息，再根據(jù)這些位置信息即可完成數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)，不需要建立和維護(hù)路由表[8]。因此相比基于拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的路由協(xié)議，GPSR協(xié)議具有更少的控制開(kāi)銷，傳輸效率更高，更適用于拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化頻繁的無(wú)人機(jī)網(wǎng)絡(luò)。然而GPSR協(xié)議仍可能面臨著開(kāi)銷過(guò)大的問(wèn)題[9]，如周邊轉(zhuǎn)發(fā)模式下的冗余現(xiàn)象，見(jiàn)圖4所示。

圖4 周邊轉(zhuǎn)發(fā)冗余現(xiàn)象示意圖Fig.4 Perimeter forwarding redundancy

由圖4(a)可知，數(shù)據(jù)包在轉(zhuǎn)發(fā)過(guò)程中遇到了路由空洞，在網(wǎng)絡(luò)平面化之后，根據(jù)右手規(guī)則選擇下一跳節(jié)點(diǎn)，形成了S-A-B-C-E-F-D的傳輸路徑。而從圖4(b)可以發(fā)現(xiàn)，如果節(jié)點(diǎn)S在遇到路由空洞之后直接將E作為下一跳節(jié)點(diǎn)，形成S-E-F-D，將比原來(lái)的方式具有更短的路徑，即傳統(tǒng)的周邊轉(zhuǎn)發(fā)模式可能會(huì)出現(xiàn)繞路的現(xiàn)象。

為了降低車(chē)載自組網(wǎng)(vehicular ad hoc network，VANET)中遇到局部最優(yōu)的可能性，文獻(xiàn)[10]設(shè)計(jì)了一種改進(jìn)的基于流量密度分層的GPSR協(xié)議。在稀疏區(qū)域，每個(gè)節(jié)點(diǎn)維護(hù)一個(gè)記錄其多跳鄰居節(jié)點(diǎn)的列表，而在稠密區(qū)域，每個(gè)節(jié)點(diǎn)只維護(hù)其單跳鄰居節(jié)點(diǎn)。每個(gè)節(jié)點(diǎn)會(huì)根據(jù)外圍流量密度的變化而改變策略。仿真結(jié)果表明，相比傳統(tǒng)GPSR協(xié)議，改進(jìn)后的GPSR協(xié)議具有更高的傳輸速率和更小的控制開(kāi)銷。

文獻(xiàn)[11]提出了一種改進(jìn)版的E-GPSR協(xié)議，采用了一種新的機(jī)制來(lái)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的周邊轉(zhuǎn)發(fā)模式進(jìn)行下一跳節(jié)點(diǎn)的選擇。新的選擇機(jī)制基于源節(jié)點(diǎn)(或中繼節(jié)點(diǎn))到目的地的距離加上源節(jié)點(diǎn)(或中繼節(jié)點(diǎn))到下一跳的距離，從而使得下一跳為總距離最小的鄰居。改進(jìn)的E-GPSR協(xié)議經(jīng)過(guò)驗(yàn)證，可以有效地減少傳輸延遲和控制開(kāi)銷。

文獻(xiàn)[12]基于虛擬坐標(biāo)映射提出了一種有效的空洞繞過(guò)路由協(xié)議(EVRP)。EVRP通過(guò)映射邊緣節(jié)點(diǎn)在虛擬圓上的坐標(biāo)，將空白邊緣的隨機(jī)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為規(guī)則結(jié)構(gòu)。經(jīng)過(guò)聚類和冗余調(diào)度后，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都有一個(gè)能量閾值。如果節(jié)點(diǎn)的能量低于閾值，則向集群頭發(fā)送故障消息，集群頭利用與故障節(jié)點(diǎn)的交角，將其所有鄰居視為預(yù)備邊界節(jié)點(diǎn)，同時(shí)判斷每個(gè)預(yù)備邊界節(jié)點(diǎn)。這樣就構(gòu)造了一個(gè)虛擬矩形，覆蓋產(chǎn)生動(dòng)態(tài)中間目的節(jié)點(diǎn)的路由空洞，提高了數(shù)據(jù)包傳輸過(guò)程中繞過(guò)路由空洞的效率和成功率。仿真和分析結(jié)果表明，EVRP在尋找最短路由路徑方面具有更高的傳輸率、更小的控制開(kāi)銷和能量消耗。

3.2 路由空洞處理算法優(yōu)化

由于無(wú)人機(jī)網(wǎng)絡(luò)具有稀疏性，節(jié)點(diǎn)密度較為稀疏，且當(dāng)路徑上出現(xiàn)阻擋或是通信鏈路不穩(wěn)定導(dǎo)致的節(jié)點(diǎn)斷開(kāi)，都不可避免地會(huì)出現(xiàn)路由空洞現(xiàn)象[13-15]。該空洞既可以是物理上網(wǎng)絡(luò)無(wú)法覆蓋的內(nèi)部區(qū)域，也可以是應(yīng)用程序定義的無(wú)法進(jìn)行數(shù)據(jù)包路由的交通阻塞區(qū)域。

當(dāng)傳統(tǒng)GPSR協(xié)議在貪婪轉(zhuǎn)發(fā)過(guò)程中出現(xiàn)路由空洞現(xiàn)象時(shí)，節(jié)點(diǎn)根據(jù)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)和一跳鄰居節(jié)點(diǎn)的位置信息構(gòu)造平面圖，再使用周邊轉(zhuǎn)發(fā)的方式，繞開(kāi)路由空洞，直至滿足條件回到貪婪轉(zhuǎn)發(fā)狀態(tài)。在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)密度足夠密集的條件下，貪婪轉(zhuǎn)發(fā)一定可以找到一條最優(yōu)路徑[16]。但是當(dāng)出現(xiàn)空洞之后，周邊轉(zhuǎn)發(fā)算法在選擇節(jié)點(diǎn)時(shí)具有一定的隨意性，只能保證能夠找到一條到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)的路徑，但不一定是最優(yōu)路徑，即貪婪轉(zhuǎn)發(fā)方法將終止在局部最優(yōu)，而不是全局最優(yōu)。并且傳統(tǒng)的周邊轉(zhuǎn)發(fā)方式不僅需要進(jìn)行多次的轉(zhuǎn)發(fā)才能回到貪婪轉(zhuǎn)發(fā)狀態(tài)，在過(guò)程中也極容易出現(xiàn)繞路的現(xiàn)象，增加不必要的多跳節(jié)點(diǎn)和端到端延時(shí)。如果無(wú)人機(jī)網(wǎng)絡(luò)部署在不理想的環(huán)境中，則將頻繁地遇到空洞，從而頻繁地切換數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)方式，以致可能會(huì)帶來(lái)更多不必要的跳數(shù)。同時(shí)數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)方式的頻繁切換，將使數(shù)據(jù)包的生存周期降低，從而導(dǎo)致數(shù)據(jù)包丟失的概率增加。因此，傳統(tǒng)路由空洞處理算法在應(yīng)用時(shí)仍存在一定的問(wèn)題，如何優(yōu)化路由空洞處理算法以提升協(xié)議的傳輸效率，已成為GPSR協(xié)議研究的熱點(diǎn)。

文獻(xiàn)[17]提出了一種新的空洞處理算法，其首先檢測(cè)出空洞的邊界，然后選取邊界凸包中的一個(gè)節(jié)點(diǎn)作為中繼節(jié)點(diǎn)，最后利用中繼節(jié)點(diǎn)的信息，將數(shù)據(jù)包繞空洞轉(zhuǎn)發(fā)，從而構(gòu)造出跳數(shù)較少的路徑。新提出算法能夠較好地處理路由空洞，提高數(shù)據(jù)包投遞率，但由于其較高的算法復(fù)雜度，仍面臨著端到端延時(shí)和控制開(kāi)銷較高的問(wèn)題。

文獻(xiàn)[18]為最大限度地提高分組轉(zhuǎn)發(fā)效率，在貪婪轉(zhuǎn)發(fā)模式下采用了一種新的路由算法IAPS(interference aware progress speed)，該算法可以估計(jì)下一跳節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)發(fā)距離、鏈路質(zhì)量和信道訪問(wèn)難度。當(dāng)數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)達(dá)到局部最小值時(shí)，算法IAPS采用一種基于競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)的機(jī)會(huì)轉(zhuǎn)發(fā)方法來(lái)繞過(guò)空洞區(qū)域，從而可以有效地提高網(wǎng)絡(luò)資源利用率和平均吞吐量，降低無(wú)線多跳網(wǎng)絡(luò)的擁塞損失率。

3.3 鏈路建立穩(wěn)定性優(yōu)化

GPSR協(xié)議在工作時(shí)，源節(jié)點(diǎn)掌握自身位置信息、一跳范圍內(nèi)鄰居節(jié)點(diǎn)以及目的節(jié)點(diǎn)的地理位置信息，并在使用貪婪算法時(shí)，根據(jù)歐幾里得距離來(lái)選擇下一跳節(jié)點(diǎn)[19-20]。下一跳節(jié)點(diǎn)通常是鄰居節(jié)點(diǎn)列表中與目的節(jié)點(diǎn)歐幾里得距離最小的節(jié)點(diǎn)，因此，這樣選擇的下一跳節(jié)點(diǎn)通常處于節(jié)點(diǎn)通信范圍的邊緣。而無(wú)人機(jī)自組網(wǎng)中通常以無(wú)人機(jī)作為通信節(jié)點(diǎn)，其具有的高速移動(dòng)特性可能會(huì)使所選擇的下一跳節(jié)點(diǎn)在數(shù)據(jù)包到達(dá)之前就已移出通信范圍。如圖5所示，源節(jié)點(diǎn)S向目的節(jié)點(diǎn)D傳輸數(shù)據(jù)包。在數(shù)據(jù)包傳輸之前，根據(jù)貪婪轉(zhuǎn)發(fā)的原則，節(jié)點(diǎn)S將選擇距離目的節(jié)點(diǎn)D最近的B作為下一跳節(jié)點(diǎn)。當(dāng)數(shù)據(jù)包傳輸?shù)倪^(guò)程中，節(jié)點(diǎn)發(fā)生移動(dòng)，S移動(dòng)到了S′，B移動(dòng)到了B′，然而B(niǎo)′已經(jīng)不在S′的通信范圍之內(nèi)，即B′不在S′的鄰居節(jié)點(diǎn)列表中。這樣就會(huì)造成數(shù)據(jù)包無(wú)法從S′傳輸?shù)紹′，導(dǎo)致傳輸鏈路出現(xiàn)斷裂，數(shù)據(jù)包將出現(xiàn)回傳或丟失現(xiàn)象，降低網(wǎng)絡(luò)的整體性能。

除此之外，由于無(wú)人機(jī)自組織網(wǎng)絡(luò)部署環(huán)境的復(fù)雜性、資源有限性等特點(diǎn)，建立的鏈路容易由于節(jié)點(diǎn)間的通訊干擾、節(jié)點(diǎn)休眠、電力耗盡以及數(shù)據(jù)擁塞等因素而失效[21]，由此就會(huì)造成鏈路穩(wěn)定性下降，增加丟包率和端到端延時(shí)，影響數(shù)據(jù)包的傳輸。因此，面對(duì)無(wú)人機(jī)節(jié)點(diǎn)高速移動(dòng)等特性，傳統(tǒng)的GPSR協(xié)議仍存在一定的局限性，不能夠保證節(jié)點(diǎn)選擇和鏈路建立的準(zhǔn)確性和可靠性，還需進(jìn)行相關(guān)優(yōu)化來(lái)更好地解決問(wèn)題。

圖5 節(jié)點(diǎn)移出通信范圍現(xiàn)象示意圖Fig.5 Node moving out of communication range

文獻(xiàn)[22]在原有GPSR路由協(xié)議基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)，通過(guò)選取鄰居節(jié)點(diǎn)移動(dòng)方向、鏈路風(fēng)險(xiǎn)、鄰居節(jié)點(diǎn)密度和鄰近度等4個(gè)指標(biāo)來(lái)評(píng)估鏈路質(zhì)量，可有效地提升包投遞率，增加鏈路的穩(wěn)定性。

文獻(xiàn)[23]提出一種基于預(yù)測(cè)地理位置的路由協(xié)議PGRP，以減少數(shù)據(jù)包的丟失，提升網(wǎng)絡(luò)的性能。在PGRP中，每個(gè)節(jié)點(diǎn)將根據(jù)節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)方向和角度給相鄰節(jié)點(diǎn)一個(gè)權(quán)重，并根據(jù)節(jié)點(diǎn)移動(dòng)的加速度預(yù)測(cè)每個(gè)節(jié)點(diǎn)在發(fā)送hello數(shù)據(jù)包時(shí)的位置。相比傳統(tǒng)GPSR協(xié)議，PGRP在數(shù)據(jù)包投遞率、平均跳數(shù)等方面均有所提升，能夠有效地提高鏈路的穩(wěn)定性。

文獻(xiàn)[24]結(jié)合移動(dòng)預(yù)測(cè)，提出了一種高效可行的更新算法DBUM。DBUM由主動(dòng)更新和強(qiáng)制更新2種模式構(gòu)成，其能夠在較少信標(biāo)流量情況下提高節(jié)點(diǎn)位置信息的準(zhǔn)確性。評(píng)估結(jié)果表明：采用DBUM算法的GPSR協(xié)議，在提高了地理位置信息準(zhǔn)確性的同時(shí)，減少了控制開(kāi)銷和端到端延時(shí)，較好地克服了節(jié)點(diǎn)高移動(dòng)性對(duì)網(wǎng)絡(luò)整體性能的影響。

3.4 節(jié)點(diǎn)能量均衡優(yōu)化

在無(wú)人機(jī)自組網(wǎng)中，無(wú)人機(jī)作為其中的移動(dòng)節(jié)點(diǎn)，能量因素將對(duì)其載荷能力產(chǎn)生較大的影響[25]。而GPSR路由協(xié)議的貪婪轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制通?；跉W氏距離來(lái)選擇下一跳節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)，雖然比較容易實(shí)現(xiàn)，但也易造成網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)能量分布不均衡，影響網(wǎng)絡(luò)的整體性能，主要原因如下：

在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)過(guò)程中，路徑上的節(jié)點(diǎn)既是主機(jī)又是路由器，將承擔(dān)數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)雙重任務(wù)，能量消耗較快，容易導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的能量不均衡[26]。

貪婪算法在選擇下一條節(jié)點(diǎn)時(shí)，通常只考慮了距離因素，沒(méi)有考慮節(jié)點(diǎn)能量消耗的差異，如圖6所示。源節(jié)點(diǎn)S在向目的節(jié)點(diǎn)D轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包時(shí)，在N1，N2，N3，N4中往往選取距離目的節(jié)點(diǎn)更近的N2作為下一跳節(jié)點(diǎn)。當(dāng)出現(xiàn)熱點(diǎn)路由問(wèn)題時(shí)，即如果目的節(jié)點(diǎn)D為熱點(diǎn)數(shù)據(jù)源，數(shù)據(jù)包頻繁地傳至D，則S-N2-D將成為一條熱點(diǎn)路由。熱點(diǎn)路由頻繁地承擔(dān)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的任務(wù)，例如N2這樣熱點(diǎn)路由上的節(jié)點(diǎn)就可能會(huì)出現(xiàn)過(guò)早的能量耗盡，從而縮短網(wǎng)絡(luò)的生存時(shí)間。

因此，如何均衡網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的能量，延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)的生存周期，從而提高協(xié)議工作效率成為了GPSR路由協(xié)議研究的熱點(diǎn)問(wèn)題[27-28]。

圖6 熱點(diǎn)路由現(xiàn)象示意圖Fig.6 Hotspot routing

文獻(xiàn)[29]提出了一種基于地理路由協(xié)議的能量均衡貪婪轉(zhuǎn)發(fā)路由(EBGR)協(xié)議，以實(shí)現(xiàn)路由路徑的均衡能耗，同時(shí)保持分層網(wǎng)絡(luò)的良好效率和可擴(kuò)展性。該方法使用剩余跳數(shù)代替?zhèn)鹘y(tǒng)貪婪轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制中的歐氏距離，結(jié)合節(jié)點(diǎn)的剩余能級(jí)，建立起源節(jié)點(diǎn)與匯聚節(jié)點(diǎn)之間的路徑。

文獻(xiàn)[30]引入興趣梯度和能量梯度的概念來(lái)對(duì)GPSR協(xié)議進(jìn)行改進(jìn)。首先，當(dāng)查詢路徑建立后，進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，根據(jù)匯聚節(jié)點(diǎn)與事件區(qū)域節(jié)點(diǎn)發(fā)生數(shù)據(jù)內(nèi)容的匹配程度確定興趣閾值，并根據(jù)路徑能量損耗數(shù)據(jù)包和傳感器節(jié)點(diǎn)剩余能量，得到一個(gè)固定值作為能量閾值；然后，當(dāng)節(jié)點(diǎn)接近閾值時(shí)，網(wǎng)絡(luò)及時(shí)地根據(jù)遞歸貪婪算法和右手規(guī)則提前找出一條新的路徑到目標(biāo)區(qū)域，從而使節(jié)點(diǎn)負(fù)載相對(duì)均衡。通過(guò)這種改進(jìn)方案，優(yōu)化后的GPSR協(xié)議可以有效地減少網(wǎng)絡(luò)能耗，并均衡節(jié)點(diǎn)能量，達(dá)到了延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)生存周期的目的。

4 GPSR協(xié)議研究發(fā)展方向

近幾年，隨著對(duì)GPSR協(xié)議研究的深入，為更好地適應(yīng)無(wú)人機(jī)自組網(wǎng)的工作特點(diǎn)，對(duì)一些新穎算法進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)，逐漸成為專家學(xué)者們新的研究發(fā)展方向。

4.1 三維優(yōu)化算法

傳統(tǒng)的GPSR路由協(xié)議在貪婪轉(zhuǎn)發(fā)模式轉(zhuǎn)變至周邊轉(zhuǎn)發(fā)模式之前，通常需要先采用GG和RNG等2種方式來(lái)構(gòu)建一個(gè)二維的平面，再?gòu)闹懈鶕?jù)右手規(guī)則進(jìn)行對(duì)下一跳節(jié)點(diǎn)的選擇[31]。通過(guò)這2種平面化算法，可以較好地選擇出下一跳節(jié)點(diǎn)，保證數(shù)據(jù)包存在一個(gè)路徑傳至目的節(jié)點(diǎn)。但是對(duì)于無(wú)人機(jī)自組網(wǎng)來(lái)說(shuō)，無(wú)人機(jī)節(jié)點(diǎn)通常工作在三維空間中，在二維平面圖上的節(jié)點(diǎn)選擇通常會(huì)存在一些偏差，使節(jié)點(diǎn)無(wú)法找到正確的中間節(jié)點(diǎn)，從而可能導(dǎo)致數(shù)據(jù)包的傳輸錯(cuò)誤，影響數(shù)據(jù)包傳輸?shù)男室约罢_性[32]。

文獻(xiàn)[33]提出一種改進(jìn)的GPSR-3D路由協(xié)議，其采用表面轉(zhuǎn)發(fā)模式來(lái)代替周邊轉(zhuǎn)發(fā)模式。表面轉(zhuǎn)發(fā)模式首先基于一種新的三維幾何結(jié)構(gòu)將整個(gè)網(wǎng)絡(luò)空間劃分為一組子空間，然后根據(jù)一種并行多面體遍歷算法來(lái)恢復(fù)局部極小值。仿真結(jié)果表明，GPSR-3D具有較高的可靠性、節(jié)能性和存儲(chǔ)效率，但其控制開(kāi)銷較大且更多地適用于靜止的網(wǎng)絡(luò)中，難以滿足無(wú)人機(jī)自組網(wǎng)中節(jié)點(diǎn)高速移動(dòng)等特性。由此，設(shè)計(jì)出一種貼合無(wú)人機(jī)自組網(wǎng)三維工作環(huán)境特點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)選擇算法，成為未來(lái)的研究熱點(diǎn)。

4.2 粒子群優(yōu)化算法

GPSR協(xié)議根據(jù)地理位置信息來(lái)建立無(wú)人機(jī)自組網(wǎng)路由，在其貪婪轉(zhuǎn)發(fā)選擇下一跳節(jié)點(diǎn)時(shí)，當(dāng)前節(jié)點(diǎn)通常只考慮在其一跳范圍內(nèi)距離目的節(jié)點(diǎn)最近的鄰居節(jié)點(diǎn)，而忽略了丟包嚴(yán)重、節(jié)點(diǎn)能量消耗和邊界節(jié)點(diǎn)易受干擾等問(wèn)題，網(wǎng)絡(luò)傳輸效率和質(zhì)量實(shí)際上并不高[34]。因此，如何更全面地考慮多因素對(duì)節(jié)點(diǎn)選擇的影響已成為協(xié)議優(yōu)化重點(diǎn)關(guān)注的問(wèn)題。

粒子群優(yōu)化算法是一種較為成熟的群智能優(yōu)化技術(shù)[35]，其可以在每次迭代過(guò)程中通過(guò)當(dāng)前所找的個(gè)體極值和全局極值來(lái)不斷更新自己的位置和速度，從而不斷向目標(biāo)位置靠近，最終找到最優(yōu)解[36]。因此，為盡可能考慮到節(jié)點(diǎn)下一跳選擇時(shí)的多方面因素，實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)人機(jī)自組網(wǎng)中GPSR協(xié)議的進(jìn)一步優(yōu)化，利用粒子群算法來(lái)進(jìn)行均衡處理可成為下一步研究的方向。

4.3 多徑路由算法

傳統(tǒng)的GPSR協(xié)議采用單路徑、多跳的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā)。協(xié)議中數(shù)據(jù)包通過(guò)多個(gè)中間無(wú)線節(jié)點(diǎn)在單條路徑上進(jìn)行協(xié)作轉(zhuǎn)發(fā)，每個(gè)中間節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)包從上一跳轉(zhuǎn)發(fā)到下一跳節(jié)點(diǎn)。此種傳輸方式在拓?fù)渥兓^小且負(fù)載較低的網(wǎng)絡(luò)中具有控制復(fù)雜度低、路徑質(zhì)量高等優(yōu)點(diǎn)[21]。然而由于無(wú)人機(jī)自組網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的高速移動(dòng)性、部署環(huán)境的復(fù)雜性以及資源有限性等特點(diǎn)，單條路徑容易發(fā)生斷裂，如何提高鏈路傳輸?shù)姆€(wěn)定性已成為一個(gè)不可避免的問(wèn)題。

為解決GPSR協(xié)議中單路徑傳輸所面臨的問(wèn)題，多徑路由算法能夠同時(shí)構(gòu)造和維護(hù)多條自源節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)的路徑，并根據(jù)網(wǎng)絡(luò)要求將任務(wù)流量分配到一條或多條路徑上。與單徑路由相比，多徑路由算法除了可靠性更高以外，還具有資源利用高效、QoS保證等優(yōu)點(diǎn)。目前大部分多徑路由算法，多以AODV和DSR為代表的基于拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的路由協(xié)議來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)，結(jié)合基于地理位置的路由協(xié)議的研究較少。如何設(shè)計(jì)出適合GPSR等基于地理位置的路由協(xié)議的多徑路由算法，還需要研究者們展開(kāi)更深入的研究工作。

5 結(jié)論

近年來(lái)，無(wú)人機(jī)自組網(wǎng)在現(xiàn)代化無(wú)人機(jī)作戰(zhàn)形式中得到越來(lái)越多的重視和應(yīng)用，而無(wú)人機(jī)自組網(wǎng)路由協(xié)議作為無(wú)人機(jī)自組網(wǎng)通信技術(shù)的重要組成部分，更是需要進(jìn)行大量的研究來(lái)滿足實(shí)際作戰(zhàn)的需求。GPSR協(xié)議作為一種典型的基于地理位置的無(wú)人機(jī)自組網(wǎng)路由協(xié)議，被實(shí)驗(yàn)證明在無(wú)人機(jī)自組網(wǎng)中具有良好的性能，但仍存在一些問(wèn)題，影響其更好地應(yīng)用。本文在闡述了GPSR協(xié)議基本概念的同時(shí)，對(duì)其在無(wú)人機(jī)自組網(wǎng)中的研究現(xiàn)狀和發(fā)展方向等方面進(jìn)行了梳理和討論，可為無(wú)人機(jī)自組網(wǎng)GPSR協(xié)議的研究提供重要參考。