CN109803342B - 一种面向能量均衡的无人机自组织网络路由方法 - Google Patents

Abstract

一种面向能量均衡的无人机自组织网络路由方法，1)将无人机节点的信道划分为控制信道与数据业务信道，并设计相应的控制信令帧和数据帧；2)每一个无人机节点通过控制信道周期性发送Hello控制信令帧与覆盖范围内的无人机节点通信，建立覆盖范围内的邻居节点信息表，以及最短跳数表包括邻居节点信息表中的邻居节点最短跳数表；3)源节点即无人机发送节点发送路由请求帧RREQ，源节点通过邻接路由选择算法查找最优转发节点，通过不断转发将控制信令帧发送到目标无人机节点；4)无人机目标节点收到路由请求帧RREQ后生成路由响应帧RREP，建立从无人机源节点到无人机目标节点的路由。

Description

一种面向能量均衡的无人机自组织网络路由方法

技术领域

本发明涉及一种无线通信技术领域的方法设计，具体是一种面向能量均衡高可靠传输的无人机自组织网络路由方法。

背景技术

由小型无人机(UAV)组成的飞行自组织网络(FANET)灵活，便宜且部署快速。这使它们成为许多民用和军用应用的非常有吸引力的技术。由于节点的高移动性，维持无人机之间的通信链路是一项具有挑战性的任务。这些网络的拓扑结构比典型的移动自组织网络(MANET)和典型的车辆自组织网络更具动态性。因此，为MANET设计的现有路由协议难以满足无人机组网的动态拓扑变换的要求。现有的路由方法都是先寻找路由，然后发送数据。但由于无人机组网的高动态性特点，在传输数据时可能已经发生链路断开的情况，无法将数据包传输到目的节点。并且为了获得实时性的路由信息，节点在维护路由表时需要付出大量的计算资源等开销，但无人机节点的电源使用时间等都具有局限性。其次，无人机节点使用泛洪策略广播可能会引起广播风暴。所以现有的Ad-hoc网络中的路由方法已经不再适用。

在现有技术按需路由AODV中，仅考虑最短路径的方法，由于无人机电池资源有限，在链路建立后会出现由于无人机电量不足退出集群导致链路断裂的问题。

经过对现有文献的检索发现，Arnau Rovira-Sugranes等人于2017年在《IEEEInternational Conference on Wireless for Space and Extreme Environments(WiSEE)》上发表了题为“Predictive Routing for Dynamic UAV Networks(动态无人机网络中预测路由方法)”的文章，通过预测中间节点的地理位置来加入到路径考量当中。该技术针对无人机节点动态变化造成的网络拓扑变化问题，通过预测下一节点位置来预测网络拓扑情况选取节点，但是对于无人机较低能量和链路稳定性差的问题并没有解决。

对于数据帧的信道占用，如果采用传统的时分复用TDMA，因为无人机节点的动态加入，节点数量会经常变化，如果有新节点加入会需要重新分配信道，浪费计算资源。

综上所述，现存在的问题：(1)无人机节点位置变化引起网络拓扑变化快。(2)无人机电池资源局限，链路上有效节点能量不足以支持数据传输完成。(3)无人机节点之间链路不稳定。(4)节点数量变化浪费信道资源。节点建立邻居节点信息表，在节点的能量与链路稳定以及路径较短的条件下，现提出一种面向能量均衡高可靠传输的无人机自组织网络路由方法。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种能量高效链路稳定的无人机自组织网络路由方法。

本发明是这样实现的，一种面向能量均衡高可靠传输的无人机自组织网络路由方法，包括以下步骤：

步骤1：将无人机节点的信道划分为控制信道与数据业务信道，并设计相应的控制信令帧和数据帧；

步骤2：每一个无人机节点通过控制信道周期性发送Hello控制信令帧与覆盖范围内的无人机节点通信，建立覆盖范围内的邻居节点信息表，以及最短跳数表包括邻居节点信息表中的邻居节点最短跳数表；

步骤3：源节点即无人机发送节点发送路由请求帧RREQ，源节点通过邻接路由选择算法查找最优转发节点，通过不断转发将控制信令帧发送到无人机目标节点；

步骤4:无人机目标节点收到路由请求帧RREQ后生成路由响应帧RREP，并沿着请求帧RREQ转发的逆向路径发送给源节点，建立从无人机源节点到无人机目标节点的路由；

其中所述步骤2建立邻居节点信息表包括以下步骤：

步骤(2.1)：每个无人机发送节点给其通信范围内的无人机目标节点发送包含无人机发送节点信息Ω的Hello信令帧,其中节点信息Ω包括节点自身ID、节点剩余电量值、最短跳数表和无人机发送节点与无人机目标节点的连接稳定性；

步骤(2.2)：接收到Hello信令帧的无人机目标节点存储无人机发送节点的节点信息Ω，更新自己的最短跳数表；

步骤(2.3)：无人机发送节点每隔一定时间重新发送一次Hello信令帧，每个无人机目标节点接收到新的Hello信令帧时更新自己的邻居节点信息表和最短跳数表；

其中所述步骤4的发送路由请求分为以下步骤：

步骤(4.1)：当前节点查找无人机目标节点的ID是否存在自己的邻居节点信息表中；若存在转步骤(4.5)，若不存在，转步骤(4.2)；

步骤(4.2)：当前节点n_i从邻居节点信息表中获取每个邻居节点k的剩余电量E_ik、稳定性S_ik、当前节点到无人机目标节点的最短跳数值N_id和邻居节点到目的地d的最短跳数值N_kd；

步骤(4.3)：计算当前节点i的邻居节点k的激励值R_k， 其中，ω₁、ω₂、ω₃为权重系数，由指标的重要性决定，且满足ω₁+ω₂+ω₃＝1；

步骤(4.4)：计算转发到邻居节点k的转发概率P_ik，则其中，C_i为该当前节点所有邻居节点的集合；

步骤(4.5)：选择转发概率值P_ik最高的邻居节点为中继节点,如果存在多个P_ik相等，则从其中随机选择一个邻居节点作为中继节点，中继节点在缓存中记录路径信息；

步骤(4.6)：转发RREQ至中继节点，然后转步骤(4.1)；

步骤(4.7)：无人机目标节点的转发概率P_ik＝1，当前节点直接将RREQ转发给无人机目标节点。

进一步，控制信道和业务信道中，总带宽分割为控制信道和业务信道，其中控制信道占很小部分带宽，控制信道用于发送Hello信令帧、路由请求RREQ、路由响应RREP，业务信道传输数据帧。

进一步，每当两个邻居节点即发送节点与无人机目标节点之间完成一次可靠数据传输，则在缓存中记录，累计次数S为两节点之间数据成功交互的次数，S表示邻居节点之间链路的稳定性。

进一步，无人机目标节点接收来自邻居节点的Hello信令帧，Hello信令帧内包括邻居节点的最短跳数表，更新无人机目标节点自己的最短跳数表，记录无人机目标节点到其他所有节点的最短跳数，无人机目标节点的邻居节点到该节点的最短跳数值为count＝1；

进一步，更新最短跳数表为以下步骤：

步骤(6.1)：无人机目标节点接收到邻居发送节点发送的Hello信令帧，检查当前节点的跳数表中是否存在邻居发送节点跳数表中的节点ID，若存在，转到步骤(6.2)，若不存在，转到步骤(6.3)；

步骤(6.2)：比较同一发送节点k在当前的跳数表中跳数值count_k和在邻居发送节点的跳数表中跳数值count_k′，若满足count_k>count_k′+1，则更新当前发送节点的跳数表中节点k的跳数，转到步骤(6.3)，否则不更新跳数值；

步骤(6.3)：将无人机目标节点的跳数count_k′+1和邻居发送节点ID记录在当前节点的跳数表中。

有益效果：解决无人机节点位置变化引起网络拓扑变化快和无人机电池资源局限、链路上有效节点能量不足以支持数据传输完成以及无人机节点之间链路不稳定等问题，通过节点建立邻居节点信息表，在节点的能量与链路稳定以及路径较短的条件下，面向能量均衡高可靠传输的无人机自组织网络路由方法。节点数量变化浪费信道资源。也是一种链路稳定的无人机自组织网络路由方法。

附图说明

图1是网络拓扑结构图；

图2是本发明实施自组网路由方法的步骤示意图；

图3是节点更新跳数表的步骤示意图；

图4是传输路由请求的算法实现图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

下面结合附图对本发明的应用原理作详细的描述。

本发明实施例提供的一种面向能量均衡高可靠传输的无人机自组织网络路由方法，本实施例采用图1所示的网络拓扑，图中网络共有13个节点，其中节点A为源节点，节点M为目的节点。

实施步骤如下

S101：将无人机节点的信道分为控制信道与业务信道，并设计相应的控制信令帧和数据帧；

S102：每一个节点通过控制信道周期性发送Hello信令帧与覆盖范围内的节点通信，建立邻居节点信息表，以及最短跳数表和邻居节点最短跳数表；

S103：源节点发送路由请求帧RREQ，节点通过邻接路由选择算法查找最优转发节点，通过不断转发将信令帧发送到目标节点；

S104:目标节点生成路由响应帧RREP，并将其沿着逆向路径发送给源节点，建立从源节点到目标节点的路由；

下面结合附图对本发明的应用原理作进一步的描述。

本发明实施例提供的一种面向能量均衡高可靠传输的无人机自组织网络路由方法包括以下步骤：

步骤一，将带宽分割为控制信道和业务信道，对于控制信道需要传输包括Hello信令帧和跳数信令帧的控制信令帧，业务信道传输数据帧，该路由方法包括以下三种类型数据包：

具体的，Hello数据包需要包括节点自身的ID、邻居节点的ID、Hello包发送时间间隔这些信息，头部已经包括了发送包的源节点ID，Hello包的详细格式如下：

步骤二，每一个节点通过控制信道周期性发送Hello信令帧与覆盖范围内的节点通信，建立邻居节点信息表，以及最短跳数表和邻居节点最短跳数表，具体步骤如下：

第一步，每个节点给其通信范围内的节点发送包含节点信息Ω的Hello信令帧,其中节点信息Ω包括节点自身ID、节点剩余电量值E、跳数表和节点与目标节点的连接稳定性S；

第二步，接收到Hello信令帧的节点存储源节点的ID和节点信息Ω；

第三步，每隔一定时间重新发送一次Hello信令帧，每个节点接收到新的Hello信令帧时更新自己的邻居节点信息表和跳数表；

以节点B为例，具体更新跳数表的步骤如下：

第一步，节点B接收到来自邻居节点A,C,G的Hello包，此时节点B的跳数表为空，记录节点A,C,G的跳数均为1；

第二步，节点B接收到节点A的跳数表，比较节点B中同一节点k在当前的跳数表中跳数值count_k和在节点A的跳数表中跳数值count_k′，若满足count_k>count_k′+1，则更新当前节点B的跳数表中节点k的跳数，否则不更新跳数值；

第三步，将节点的跳数count_k′+1和节点ID记录在节点B的跳数表中；

节点B的最终跳数表记录了节点B到其他12个节点的最短跳数值，如下：

其中，Hello包每隔时间间隔ΔT重新发送一次，ΔT的典型值为0.1秒。

其中R_max是任意两个节点距离的最大值，v是数据包传输速度。

重新发送Hello包后所有节点更新自己的邻居节点信息表，删除上一个邻居节点信息表。

步骤三，源节点发起路由请求帧RREQ，在其邻居节点中通过邻接路由选择算法选取最优转发节点进行转发。如图3所示，具体步骤如下：

第一步，源节点A在自己的邻居节点信息表中寻找是否存在节点M，并未发现节点M，计算所有邻居节点的R值：

其中，ω₁、ω₂、ω₃为权重系数，且满足

ω₁+ω₂+ω₃＝1

这里权重系数采用平均法，即

其中E_ik为邻居节点k对应的剩余电量，S_ik为节点A与邻居节点k之间的连接稳定性，即每当两个节点之间完成一次数据传输，则在缓存中记录，累计次数S为两节点之间完成数据传输的次数，N_id为当前节点到目的节点的最短跳数，这里为4，N_kd为邻居节点k到目的节点d的最短跳数值，节点A的邻居信息如下表：

	E	S	N	R
					B	80	2	3	1.068
C	60	2	3	1.026
					D	70	1	4	0.837

计算节点A的每个邻居节点的转发概率值P_i

其中，N为该节点所有邻居节点的集合；

得到A点所有邻居节点的转发概率值：

P_B＝0.364，P_C＝0.350，P_D＝0.286

节点B的转发概率P_B最大，节点A将RREQ转发给节点B。

第二步，节点B接收到RREQ后计算邻居节点的转发概率，节点B到目的节点M最短跳数N_BM为3，邻居节点信息表的信息如下表：

	E	S	N	R
					A	50	2	4	0.867
G	45	3	2	1.043
					C	60	1	3	0.842

P_A＝0.315，P_G＝0.379，P_C＝0.306

节点G的转发概率最大，转发RREQ给节点G；

第三步，节点G接收到RREQ后计算邻居节点的转发概率，节点G到目的节点M最短跳数N_GM为2，计算邻居节点转发概率

	E	S	N	R
					B	80	3	3	0.960
F	50	5	3	0.965
					L	35	2	1	0.948
C	60	1	3	0.759

P_B＝0.264，P_F＝0.266，P_L＝0.261，P_C＝0.209

节点F的转发概率最大，转发数RREQ给节点F；

第四步，节点F接收到RREQ后计算邻居节点的转发概率，节点F到目的节点M最短跳数N_FM为3，计算邻居节点转发概率

P_E＝0.208，P_C＝0.188，P_G＝0.222，P_H＝0.224，P_D＝0.158

节点H的转发概率最大，转发RREQ给节点H；

第五步，节点H接收到RREQ后计算邻居节点的转发概率，节点H到目的节点M最短跳数N_HM为2，计算邻居节点转发概率

	E	S	N	R
					F	50	5	3	0.966
I	40	3	3	0.860
					K	50	1	1	0.899
L	35	3	1	1.007
					E	80	1	3	0.801
G	45	2	2	0.873
					J	60	1	2	0.815

P_F＝0.156，P_I＝0.138，P_K＝0.143，P_L＝0.162，

P_E＝0.129，P_G＝0.141，P_J＝0.131

节点L的转发概率最大，转发RREQ给节点L；

第六步，节点L接收到RREQ后计算邻居节点的转发概率，节点L到目的节点M最短跳数N_LM为1，计算邻居节点转发概率R

	E	S	N	R
					G	45	2	2	0.762
H	60	3	2	0.863
					M	35	1	0	0.848

节点M为目的节点，则节点M的转发概率为：

P_M＝1

其他邻居节点转发概率均小于1，因此转发给节点M。

通过上述方法，RREQ经过路径A→B→G→F→H→L→M到达目的节点M；

步骤五，目的节点M接收到RREQ后沿着路径反向回复一个路由响应帧RREP给源节点，源节点A接收到RREP后，路由建立，源节点A缓存这条路径。

Claims (2)

1.一种面向能量均衡的无人机自组织网络路由方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1：将无人机节点的信道划分为控制信道与数据业务信道，并设计相应的控制信令帧和数据帧；

步骤2：每一个无人机节点通过控制信道周期性发送Hello控制信令帧与覆盖范围内的无人机节点通信，建立覆盖范围内的邻居节点信息表，以及最短跳数表包括邻居节点信息表中的邻居节点最短跳数表；

步骤3：源节点即无人机发送节点发送路由请求帧RREQ，源节点通过邻接路由选择算法查找最优转发节点，通过不断转发将控制信令帧发送到无人机目标节点；

步骤4:无人机目标节点收到路由请求帧RREQ后生成路由响应帧RREP，并沿着请求帧RREQ转发的逆向路径发送给源节点，建立从无人机源节点到无人机目标节点的路由；

其中所述步骤2建立邻居节点信息表包括以下步骤：

步骤(2.1)：每个无人机发送节点给其通信范围内的无人机目标节点发送包含无人机发送节点信息Ω的Hello信令帧,其中节点信息Ω包括节点自身ID、节点剩余电量值、最短跳数表和无人机发送节点与无人机目标节点的连接稳定性；

步骤(2.2)：接收到Hello信令帧的无人机目标节点存储无人机发送节点的节点信息Ω，更新自己的最短跳数表；

步骤(2.3)：无人机发送节点每隔一定时间重新发送一次Hello信令帧，每个无人机目标节点接收到新的Hello信令帧时更新自己的邻居节点信息表和最短跳数表；

其中所述步骤4的发送路由请求分为以下步骤：

步骤(4.1)：当前节点查找无人机目标节点的ID是否存在自己的邻居节点信息表中；若存在转步骤(4.5)，若不存在，转步骤(4.2)；

步骤(4.2)：当前节点n_i从邻居节点信息表中获取每个邻居节点k的剩余电量E_ik、稳定性S_ik、当前节点到无人机目标节点的最短跳数值N_id和邻居节点到目的地d的最短跳数值N_kd；

步骤(4.3)：计算当前节点i的邻居节点k的激励值R_k，R_k＝ω₁×log(E_ik)+其中，ω₁、ω₂、ω₃为权重系数，由指标的重要性决定，且满足ω₁+ω₂+ω₃＝1；

步骤(4.4)：计算转发到邻居节点k的转发概率P_ik，则其中，C_i为该当前节点所有邻居节点的集合；

步骤(4.5)：选择转发概率值P_ik最高的邻居节点为中继节点,如果存在多个P_ik相等，则从其中随机选择一个邻居节点作为中继节点，中继节点在缓存中记录路径信息；

步骤(4.6)：转发RREQ至中继节点，然后转步骤(4.1)；

步骤(4.7)：无人机目标节点的转发概率P_ik＝1，当前节点直接将RREQ转发给无人机目标节点；

控制信道和业务信道中，总带宽分割为控制信道和业务信道，其中控制信道占很小部分带宽，控制信道用于发送Hello信令帧、路由请求RREQ、路由响应RREP，业务信道传输数据帧；

无人机目标节点接收来自邻居节点的Hello信令帧，Hello信令帧内包括邻居节点的最短跳数表，更新无人机目标节点自己的最短跳数表，记录无人机目标节点到其他所有节点的最短跳数，无人机目标节点的邻居节点到该节点的最短跳数值为count＝1；

更新最短跳数表为以下步骤：

步骤(6.1)：无人机目标节点接收到邻居发送节点发送的Hello信令帧，检查当前节点的跳数表中是否存在邻居发送节点跳数表中的节点ID，若存在，转到步骤(6.2)，若不存在，转到步骤(6.3)；

步骤(6.2)：比较同一发送节点k在当前的跳数表中跳数值count_k和在邻居发送节点的跳数表中跳数值count_k′，若满足count_k>count_k′+1，则更新当前发送节点的跳数表中节点k的跳数，转到步骤(6.3)，否则不更新跳数值；

步骤(6.3)：将无人机目标节点的跳数count_k′+1和邻居发送节点ID记录在当前节点的跳数表中。

2.根据权利要求1所述的面向能量均衡的无人机自组织网络路由方法，其特征在于，每当两个邻居节点即发送节点与无人机目标节点之间完成一次可靠数据传输，则在缓存中记录，累计次数S为两节点之间数据成功交互的次数，S表示邻居节点之间链路的稳定性。