節(jié)點密集型無人機自組網(wǎng)路由協(xié)議研究?

李 操 楊余旺 肖高權(quán) 謝勇盛 湯小芳 趙啟超

（1.南京理工大學計算機科學與工程學院 南京 210094）（2.兵裝云箭集團有限公司 懷化 419503）

1 引言

無人機（Unmanned Aerial Vehicle，UAV）最早產(chǎn)生于20世紀初期應(yīng)用于軍事領(lǐng)域。無人機擁有很多優(yōu)勢，例如：機動性強［1］，成本較低，戰(zhàn)場敏感性高［2］等，是現(xiàn)代信息化戰(zhàn)場中必不可少的武器裝備。隨著無人機技術(shù)的進步，無人機被廣泛應(yīng)用于多個領(lǐng)域，在民用領(lǐng)域用于搶險救災(zāi)，地質(zhì)勘探［3］等。然而，近年來隨著無線通信技術(shù)的進步［4］以及戰(zhàn)場環(huán)境的日益復(fù)雜，無人機“蜂群”作戰(zhàn)備受世界各國關(guān)注，無人機“蜂群”集滲透偵察、誘騙干擾、察打一體、協(xié)同作戰(zhàn)、集群攻擊［5］的功能于一身，它的特點是節(jié)點移動速度快，拓撲變化頻繁，節(jié)點密度大，因此，構(gòu)建一個可靠的通信網(wǎng)絡(luò)至關(guān)重要。移動自組網(wǎng)（Mobile Ad Hoc Network，MANET）具備多跳中繼、無中心、分布式、臨時性的特點，適合應(yīng)用于無人機“蜂群”通信，形成節(jié)點密集型無人機自組網(wǎng)（Flying Ad-Hoc Network，F(xiàn)ANET）。

近年來，國內(nèi)外很多院校和研究機構(gòu)針對無人機自組網(wǎng)開展了大量的工作研究。Amartya Mukherjee等針對節(jié)點稀疏型無人機自組網(wǎng)，提出了基于延遲容忍網(wǎng)絡(luò)（Delay Tolerant Network，DTN）協(xié)議的無人機自組網(wǎng)模型，該模型利用了DTN的路由與移動性特點［6］。Hua Yang等人在DSR路由協(xié)議的基礎(chǔ)上，應(yīng)用霍普菲爾德神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（Hopfield Neural Network，HNN）對節(jié)點高速移動的無人機自組網(wǎng)進行優(yōu)化［7］。洪潔等針對高動態(tài)無人機自組網(wǎng)，提出了一種適用于高動態(tài)場景的FANET協(xié)議棧的設(shè)計，該設(shè)計重點滿足QoS需求適合高動態(tài)應(yīng)用場景［8］。

由于節(jié)點密集型無人機自組網(wǎng)相較于傳統(tǒng)無人機自組網(wǎng)具有無人機節(jié)點分布密集，節(jié)點密度大的特點，然而當節(jié)點密集型FANET中傳送的分組的數(shù)目過多，由于無人機節(jié)點的資源有限容易造成網(wǎng)絡(luò)擁塞。本文先構(gòu)建節(jié)點密集型無人機自組網(wǎng)仿真場景以模擬無人機節(jié)點分布情況，采用NS-2網(wǎng)絡(luò)仿真器，對幾種常見的自組網(wǎng)路由協(xié)議進行了路由仿真，分析丟包率、吞吐量和平均時延等性能指標，為后續(xù)研究節(jié)點密集型無人機自組網(wǎng)路由協(xié)議的適用性奠定基礎(chǔ)。

2 無人機自組網(wǎng)路由協(xié)議

FANET路由協(xié)議根據(jù)路由觸發(fā)的時機可以劃分為表驅(qū)動路由協(xié)議、按需驅(qū)動路由協(xié)議、混合型路由協(xié)議。在表驅(qū)動路由協(xié)議中為了維護路由表，每個節(jié)點都要周期性的交換路由信息，而在按需驅(qū)動路由協(xié)議中節(jié)點僅在需要發(fā)送報文至目的節(jié)點又沒有到目的節(jié)點的路由時才會進行路由發(fā)現(xiàn)，因此能夠節(jié)省網(wǎng)絡(luò)資源但是會帶來一定的路由發(fā)現(xiàn)延遲。根據(jù)網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)FANET路由協(xié)議可以劃分為平面結(jié)構(gòu)路由協(xié)議和層次結(jié)構(gòu)路由協(xié)議。在平面結(jié)構(gòu)路由協(xié)議中所有節(jié)點的地位是平等的，沒有層次的概念，然而當自組網(wǎng)的規(guī)模變很大時，每個節(jié)點要維護很多路由信息，路由信息報文充滿整個網(wǎng)絡(luò)，層次結(jié)構(gòu)路由的分簇能夠有效解決上述問題。根據(jù)以上分析，為了全面分析在節(jié)點密集型FANET中各種協(xié)議的性能，本文選取了常見的AODV、DSDV、OLSR和MP-OLSR協(xié)議進行仿真實驗。

DSDV（Destination-Sequenced Distance-Vector Routing）協(xié)議是表驅(qū)動路由協(xié)議，是基于Bell?man-Ford算法的RIP協(xié)議的改進。由目標節(jié)點產(chǎn)生對應(yīng)的序列號并且加入到路由信息，當節(jié)點從廣播報文中接收到目標節(jié)點的路由信息時，將自身路由表對應(yīng)表項與其比較，若接收到的序列號比自身路由表對應(yīng)表項序列號大，則更新路由表。

AODV（Ad hoc On demand Distance Vector Routing）［9］協(xié)議是按需驅(qū)動路由協(xié)議，是基于DSDV協(xié)議結(jié)合按需驅(qū)動的思想而提出的。當沒有到達目的節(jié)點的路由時，源節(jié)點會將源節(jié)點和目的節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)層地址記錄在RREQ（路由請求）報文中，并且以多播的形式發(fā)出RREQ報文，鄰居節(jié)點接收到RREQ報文先判斷自身是否為目的節(jié)點，若是，則向源節(jié)點發(fā)送RREP（路由回應(yīng)）報文，若不是，且路由表中有到達目的節(jié)點的路由則向源節(jié)點發(fā)送RREP，否則繼續(xù)轉(zhuǎn)發(fā)RREQ。

OLSR（Optimized Link State Routing）［10］協(xié)議，又稱優(yōu)化鏈路狀態(tài)路由協(xié)議，是表驅(qū)動的路由協(xié)議。OLSR協(xié)議的核心是MPR（Multi Point Relay）機制，優(yōu)化了泛洪算法，使用MPR節(jié)點廣播鏈路狀態(tài)信息降低了協(xié)議的開銷。由于OLSR協(xié)議是主動型路由協(xié)議，相比于按需型路由協(xié)議查找路由延時小。OLSR協(xié)議的主要工作流程包括鏈路感知、鄰居發(fā)現(xiàn)、MPR選擇、TC分組泛洪、拓撲表建立、路由表計算、路由表維護。

MP-OLSR（Multiple-Path Optimized Link State Routing）協(xié)議［11］，又稱多路OLSR協(xié)議，是在OLSR協(xié)議的基礎(chǔ)上改進而來。與OLSR協(xié)議相比主要有三個變化：支持多路發(fā)送，協(xié)議能夠計算多條從源節(jié)點到目的節(jié)點的路徑，從而使路徑的生存和恢復(fù)能力增強；按需計算路由，只有當源節(jié)點需要發(fā)送數(shù)據(jù)時，源節(jié)點才會計算傳輸路徑，其他節(jié)點只是根據(jù)數(shù)據(jù)包里攜帶的路徑信息轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包，從而有效的減少了節(jié)點的路由計算帶來的能量消耗；路由恢復(fù)，路由恢復(fù)機制能夠在傳輸路徑失效時讓中間節(jié)點重新計算路由。

3 節(jié)點密集型無人機自組網(wǎng)場景構(gòu)建

節(jié)點密集型FANET要求在一定目標區(qū)域內(nèi)投放的無人機節(jié)點數(shù)量足夠多，滿足無人機“蜂群”作戰(zhàn)的條件，實現(xiàn)FANET協(xié)同交互，因此對于無人機節(jié)點的分布情況有要求，本文將構(gòu)建節(jié)點密集型無人機自組網(wǎng)場景再進行仿真實驗。

無人機“蜂群”協(xié)同的搜索一塊目標區(qū)域并且執(zhí)行任務(wù)是常見的FANET應(yīng)用場景，因此要求無人機自組網(wǎng)能夠覆蓋目標區(qū)域［12］，為了有效地實現(xiàn)目標區(qū)域覆蓋，無人機自組網(wǎng)場景應(yīng)該滿足兩個條件［13］：1）通信范圍完全覆蓋目標區(qū)域；2）保證自組網(wǎng)的連通性，即任意兩個無人機節(jié)點之間存在通信路徑。NS-2的雙徑地面反射模型的節(jié)點通信半徑計算公式為

其中Pt是發(fā)射功率，Gt是發(fā)射天線增益，Gr是接收天線增益，ht是發(fā)射天線高度，hr是接收天線高度，Pr是接收功率。

在二維平面R2上，節(jié)點的通信范圍是一個以節(jié)點為圓心，半徑為d的圓形區(qū)域，設(shè)p，q為R2上的任意一點，D(p，q)表示p和q的距離，則節(jié)點Ni的通信區(qū)域為

自組網(wǎng)的通信區(qū)域Aall是所有n個節(jié)點通信區(qū)域的并集：

因此自組網(wǎng)的通信范圍完全覆蓋目標區(qū)域需要滿足R2是Aall的子集，即：

如果節(jié)點Ni、節(jié)點Nj是互為一跳鄰居，即D(Ni，Nj)≤d，則稱（Ni，Nj）是自組網(wǎng)G的一條邊。因此整個自組網(wǎng)可以表示為

通過上述分析，只要滿足式（4）、（6），F(xiàn)ANET的通信范圍就能完全覆蓋目標區(qū)域并且任意兩個無人機節(jié)點之間存在通信路徑。仿真投放500個無人機節(jié)點在2km×2km區(qū)域的場景如圖1所示。

圖1 節(jié)點密集型FANET仿真場景

4 仿真

4.1 仿真實驗環(huán)境

本文實驗環(huán)境是CentOS 6.0，在ns 2.29平臺進行仿真。實驗?zāi)M了無人機集群在目標區(qū)域內(nèi)執(zhí)行偵查任務(wù)的場景，無人機集群在飛行過程中通過組成FANET進行通信。仿真實驗采用IEEE 802.11MAC協(xié)議。仿真區(qū)域大小為1km×1km，節(jié)點通信范圍為250m，仿真時間為100s，節(jié)點采用固定傳輸速率CBR（Constant Bit Rate）應(yīng)用以1個/s的速率發(fā)送數(shù)據(jù)包，數(shù)據(jù)包大小為512B，CBR連接數(shù)量20個。為了仿真更加精確，除了要考慮傳送端到接收端直線距離的路徑損耗，還要考慮地面反射，因此實驗采用雙徑地面反射（Two Ray Ground）傳輸模型。

4.2 實驗結(jié)果

本實驗采用的性能指標有丟包率、吞吐量和平均時延。丟包率是指目的節(jié)點接收數(shù)據(jù)包的個數(shù)與源節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)包的個數(shù)的比值。吞吐量是單位時間內(nèi)成功傳輸數(shù)據(jù)的比特數(shù)。平均時延是指數(shù)據(jù)包從源節(jié)點到目的節(jié)點所花費時間的平均值，由于存在丟包的情況，所以只計算成功接收的數(shù)據(jù)包的時延，包括處理時延、排隊時延和傳輸時延。

在保持其他參數(shù)不變的情況下，分別改變節(jié)點數(shù)量和節(jié)點移動速度。在每個場景下分別使用AODV、DSDV、OLSR和MP-OLSR協(xié)議，實驗結(jié)束對使用各種路由協(xié)議的節(jié)點密集型FANET的丟包率，吞吐量和平均時延等性能指標與節(jié)點數(shù)量和節(jié)點移動速度的關(guān)系進行分析。網(wǎng)絡(luò)性能與節(jié)點數(shù)量和節(jié)點移動速度的關(guān)系分別如圖2和圖3所示。

首先分析圖2展示的網(wǎng)絡(luò)性能隨節(jié)點數(shù)量的變化，仿真場景的初始節(jié)點數(shù)為50，此后每次實驗增加10，直至150個，節(jié)點最大移動速度為10m/s。顯然DSDV協(xié)議的丟包率最高，隨著節(jié)點數(shù)量的增加其丟包率有下降的趨勢，AODV協(xié)議的丟包率受節(jié)點數(shù)量影響較小，一直穩(wěn)定在10%以下，在四個協(xié)議中表現(xiàn)最好。OLSR協(xié)議的丟包率比MP-OLSR協(xié)議低，兩個協(xié)議變化趨勢基本吻合。觀察吞吐量曲線發(fā)現(xiàn)其與丟包率曲線變化相反，這是由于丟包率會影響吞吐量，因此結(jié)果是AODV協(xié)議的吞吐量最高，DSDV協(xié)議的吞吐量最低符合預(yù)期，OLSR協(xié)議和MP-OLSR協(xié)議的吞吐量比較接近且位于AODV協(xié)議與DSDV協(xié)議之間。再分析各個協(xié)議的時延表現(xiàn)，DSDV協(xié)議的時延在節(jié)點數(shù)量增加時比較穩(wěn)定且在四個協(xié)議中表現(xiàn)最好，其他三個協(xié)議的時延都呈現(xiàn)增加的趨勢，其中OLSR協(xié)議的時延增加比較明顯，AODV協(xié)議的時延比較接近MP-OLSR協(xié)議。

圖2 網(wǎng)絡(luò)性能與節(jié)點數(shù)量關(guān)系

圖3展示的是網(wǎng)絡(luò)性能隨節(jié)點移動速度的變化情況。仿真場景的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點數(shù)為100，節(jié)點初始最大移動速度為11m/s，此后每次實驗增加1m/s，直至20m/s。AODV協(xié)議的丟包率最低并且隨節(jié)點移動速度變化比較小，DSDV協(xié)議的丟包率最高，隨著節(jié)點移動速度增大其丟包率有增加的趨勢，OLSR協(xié)議與MP-OLSR協(xié)議的丟包率比較接近位于AODV協(xié)議和DSDV協(xié)議之間并且丟包率同樣隨著節(jié)點移動速度增大而增加。和前面分析相同，吞吐量受丟包率影響，因此協(xié)議的吞吐量曲線與丟包率曲線呈現(xiàn)相反的趨勢，AODV協(xié)議的吞吐量最高且相對穩(wěn)定，DSDV協(xié)議的吞吐量最低并且隨節(jié)點移動速度增大而降低，OLSR協(xié)議的吞吐量比MP-OLSR協(xié)議的吞吐量大但差距較小。DSDV協(xié)議的時延表現(xiàn)最好，AODV協(xié)議的時延次之但比較穩(wěn)定，MP-OLSR協(xié)議的時延表現(xiàn)最差并且隨著節(jié)點移動速度增大有明顯增加的趨勢。

圖3 網(wǎng)絡(luò)性能與節(jié)點移動速度關(guān)系

5 結(jié)語

本文針對節(jié)點密集型FANET構(gòu)建仿真場景，比較了AODV、DSDV、OLSR和MP-OLSR路由協(xié)議在仿真場景下隨節(jié)點數(shù)量和節(jié)點移動速度變化的性能，包括丟包率、吞吐量和平均時延，實驗結(jié)果表明，AODV協(xié)議無論在節(jié)點數(shù)量增加還是節(jié)點移動速度變大的情況下，其丟包率和吞吐量的表現(xiàn)皆最優(yōu)，但由于按需驅(qū)動路由協(xié)議的先天限制，AODV協(xié)議的平均時延表現(xiàn)稍差于DSDV協(xié)議，然而OL?SR協(xié)議和MP-OLSR協(xié)議在節(jié)點密集型FANET的表現(xiàn)對比AODV協(xié)議并無優(yōu)勢，如果網(wǎng)絡(luò)對報文發(fā)送的實時性要求不高，則應(yīng)優(yōu)先考慮AODV協(xié)議。