無人機自組網中基于能量權重的DSR協議

梁 青，林 天，張 凡

(西安郵電大學 電子工程學院，陜西 西安 710121)

無人機自組網(Unmanned Aerial Vehicle Ad-Hoc Network,UAVANET)[1]是應用于無人機的特殊移動自組網，其無需借助衛星或者基站就可以實現無人機之間的通信與信息共享。在無人機飛行速度較高的情況下，UAVANET網絡的拓撲結構變化劇烈，鏈路也會變得不穩定，嚴重影響UAVANET的通信質量。

為了建立穩定可靠的UAVANET通信網絡，選擇合適的UAVANET路由協議十分必要[2]。動態源路由(Dynamic Source Routing,DSR)協議由于具有反應迅速、開銷低等優點，成為最常用的UAVANET路由協議之一[3]，但是，DSR協議在高動態網絡中存在鏈路易斷裂且傳輸效率低的問題，會導致通信狀態處于不穩定的狀態從而降低通信質量[4]。

眾多研究者針對DSR協議提出了改進方法。文獻[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+)協議，該協議使用了新的簽名方案，在通信時需要對各個節點進行密鑰認證，提升了路由協議的安全性。文獻[6]等人提出了使用跨層方法在無線傳感器網絡中檢測遭到黑洞攻擊的有效DSR路由協議。文獻[7]提出了一種基于DSR路由協議的快速識別洪泛攻擊的方法，防止惡意節點對自組網的攻擊。文獻[8]提出了一種基于多路徑DSR路由協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[9]提出了一種信任管理系統來提高DSR路由協議的服務質量。文獻[10]提出了利用模糊推理系統(Adaptive Fuzzy Inference System,ANFIS)改進的DSR路由協議，用來選擇最優的路由信息。上述協議均是針對DSR協議的安全性和服務質量進行的優化，并未考慮協議的通信鏈路能量問題以及高動態網絡狀態下的通信穩定性。

文獻[11]提出了一種基于連續Hopfield神經網絡DSR(Continuous Hopfield Neural Network-DSR,CHNN-DSR)的路由協議，該協議使用連續的Hopfield神經網絡對DSR協議進行優化，獲取最穩定的路由信息，以適應網絡節點的高速運動。但是，CHNN-DSR協議仿真的最大速度為50 m·s-1，而無人機的速度遠高于這個速度，該路由協議對于較高速度(如100 m·s-1)飛行的無人機網絡并不適用。

為了提升UAVANET通信鏈路的穩定性和持續性，本文擬提出一種基于能量權重的DSR(DSR-Energy Weights,DSR-EW)協議。在路由尋找過程中計算路徑的能量權重，選擇路徑能量權重最高的路徑進行數據傳輸，以防止路徑在傳輸過程中因為鏈路能量低而中斷數據傳輸，造成通信中斷。

1 DSR協議

DSR路由協議是一種支持多路徑、多跳的按需路由協議，主要包括路由發現和路由維護兩個過程[12]。

1.1 路由發現

當源節點有數據分組需要傳輸到目的節點時，首先會在本地的路由存儲器中查找是否有到達目的節點的有效路由。如果沒找到有效的路由，會重啟路由發現過程，在整個網絡中尋找到達目的節點的可用路由。在源節點收到路由應答包之后，選擇最短的路徑進行數據分組的傳輸。

1.2 路由維護

在進行數據分組傳輸時，傳輸該數據分組的各個中間節點要負責驗證該數據分組是否可以通過本節點到達下一跳節點。DSR路由協議維護的所有狀態都是“軟狀態”，即任何狀態的丟失均不會影響協議正確操作，所有狀態在丟失之后，如果仍然需要該狀態，也能夠很容易恢復，不會對協議本身產生太大的影響[11]。該協議只使用軟狀態來維護路由，對于分組丟失、節點失效等問題具有很強的處理能力，在某個失效節點重新啟動之后也能夠快速恢復其分組轉發功能，很少甚至不會中斷協議操作。

2 DSR-EW協議

DSR路由協議采用的是最短路徑傳輸，在節點高速移動、網絡拓撲結構快速變化的場景下，易發生通信鏈路斷裂，造成通信鏈路失效[13]。為此，提出DSR-EW路由協議，在路由發現過程中，采用能量權重模型篩選鏈路，選擇整體能量較高的路徑進行數據傳輸。

2.1 能量權重模型

在無線傳輸信號在傳輸的過程中，伴隨傳輸距離的增大，其信號強度逐漸減小。設在自由空間中，以發送節點為中心，以功率PT發送信號，發送節點與接收節點的距離為d。發送距離為的所有節點構成了一個球面，該球面的面積為4πd2。由于總發送功率是平均分布在該球面上任意一個點的，因此，在該球面任意一點的功率密度[14]為

由此可以出計算出發送節點到接收節點之間傳輸的鏈路衰減為

根據波長λ和頻率f的關系，可以得到

其中，c表示光速。

最終的接收功率為

PR=PT-PL

路由協議的數據模型可以用有效節點和路徑來描述為G=(V,E)，其中，V表示存有有效路由信息的節點集合，E表示到達目的節點的路徑集合。

把接收數據分組節點處的能量和發送數據分組節點處的能量比值定義為該鏈路的能量權重[15]，記為

通過計算每條鏈路的能量權重可以得到每條路徑的能量權重。第條路徑的能量權重計算表達式為

其中：n表示路徑i的鏈路總數；wi表示路徑i中鏈路k(k=1,2,…,n)的能量權重。能量權重值越高，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間也就越長[16]。

2.2 路由數據包信息

路由請求包主要包含以下信息[17-18]。

1)源節點地址，即發起節點IP地址。

2)目的節點地址，即目的節點IP地址。

3)跳數限制，設置跳數取值范圍為[1,255]。

4)選項類型，設置長度為8 bit。

5)選項數據長度，設置長度為8 bit。

6)識別碼，表示路由請求發起節點的唯一識別碼，設置長度為16 bit。

7)地址列表，記錄路由尋找過程中的相關節點的節點信息。

8)能量權重，記錄路徑的能量權重值。

路由應答包主要包含以下信息[17-18]。

1)源節點地址，即發起節點IP地址。

2)目的節點地址，即目的節點IP地址。

3)選項類型，設置長度為8 bit。

4)選項數據長度，設置長度為8 bit。

5)標志位，設置長度為1 bit。

6)保留位，設置長度為1 bit。

7)地址列表，記錄路由請求過程中的路由信息。

2.3 協議描述

DSR-EW協議可以描述為3個步驟。在路由發現過程中，首先，通過全球定位系統(Global Positioning System,GPS)獲得節點的位置信息，計算出相鄰兩個節點的距離。其次，根據能量權重模型計算出每條鏈路的能量權重，從而得出每條路徑的能量權重。最后，從這些路徑中選擇能量權重最高的那條路徑進行數據傳輸，以此減少傳輸過程中鏈路因能量不足而導致通信中斷的次數，為數據的成功傳輸提供了最可靠的路徑，確保數據可以及時到達目的節點。

3 仿真與結果分析

3.1 仿真環境

為了驗證DSR-EW路由協議的性能，采用網絡仿真軟件NS 2.35對EW-DSR路由協議進行仿真，并且與DSR和CHNN-DSR協議進行對比。

仿真使用的介質訪問控制(Media Access Control,MAC)層類型為無線局域網通用標準電氣與電子工程師協會(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)。其他仿真參數設置如表1所示。

表1 仿真參數設置

3.2 結果分析

DSR、CHNN-DSR和DSR-EW等3種協議的丟包率仿真結果如圖1所示。在無人機節點速度為10～100 m·s-1時，DSR-EW協議的丟包率相比DSR和CHNN-DSR協議分別平均降低了35.4%和31.2%。這是因為，DSR-EW協議篩選的路徑為能量權重最高的路徑，其路徑的整體能量權重較高，能夠維持的傳輸時間較長，減少了鏈路因能量不足而導致斷裂的次數，在提高數據傳輸效率的同時，降低了丟包率。

圖1 丟包率仿真結果

DSR、CHNN-DSR和DSR-EW等3種協議的端到端時延仿真結果如圖2所示。在無人機節點速度為10～100 m·s-1時，DSR-EW協議的端到端時延相比DSR和CHNN-DSR協議分別平均降低了45.2%和41.6%。這是因為，DSR-EW協議采用能量權重模型選取的路徑穩定性較高，減少了路由的發起次數，使數據包可以更快的到達目的節點，進而降低了端到端時延。

圖2 端到端時延仿真結果

DSR、CHNN-DSR和DSR-EW等3種協議的路由開銷仿真結果如圖3所示。在無人機節點速度為10～100 m·s-1時，DSR-EW協議的路由開銷相比DSR和CHNN-DSR協議分別平均降低了34.4%和32.1%。這是因為，DSR-EW協議在路由尋找時采用能量權重模型篩選到達目的節點的路徑，為數據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協議的吞吐量仿真結果如圖4所示。在無人機速度為10～100 m·s-1時，DSR-EW協議的吞吐量相比DSR和CHNN-DSR協議分別平均提高了42.9%和32.8%。當無人機節點處于高速運動的狀態時，其網絡拓撲變化非常劇烈，鏈路也處于極其不穩定的狀態，導致數據傳輸的中斷。但是，由于DSR-EW協議通過篩選并選擇能量權重高的路徑傳輸信息，在同樣的傳輸時間內，可以傳輸更多的數據，從而數據吞吐量較高。

圖4 吞吐量仿真結果

4 結語

針對DSR路由協議在高速時存在鏈路易斷裂和信息傳輸效率低等問題，提出了一種改進的DSR-EW協議。在路由尋找過程中，選擇能量權重值高的路徑進行數據傳輸，為數據傳輸提供穩定可靠的數據傳輸通道。仿真結果表明，在無人機節點速度較高時，相比于DSR和CHNN-DSR協議，DSR-EW協議的丟包率和路由開銷較低，數據吞吐量較高，路由的數據傳輸效率和通信性能較好。