傅 偉,周新力

(海軍航空大學(xué)電子信息工程系,山東 煙臺(tái) 264001)

0 引 言

當(dāng)前無人機(jī)的作戰(zhàn)形式由單機(jī)作戰(zhàn)向多機(jī)聯(lián)合作戰(zhàn)形式轉(zhuǎn)變，無人機(jī)群所展現(xiàn)的全方位大范圍的作戰(zhàn)能力是單個(gè)無人機(jī)所無法比擬的，但是這種高速高動(dòng)態(tài)的作戰(zhàn)環(huán)境需要更加靈活的通信方式和嚴(yán)密的標(biāo)準(zhǔn)。移動(dòng)自組網(wǎng)絡(luò)(Mobile Ad Hoc Network, MANET)以其無中心、自組織、動(dòng)態(tài)拓?fù)浜投嗦窂降奶攸c(diǎn)，成為集群作戰(zhàn)的首選方式。雖然這種自組織網(wǎng)絡(luò)具有許多其他組網(wǎng)方式所不具備的優(yōu)勢(shì)，但仍存在不少應(yīng)用上的挑戰(zhàn)。

地理定位輔助路由是以已有的主動(dòng)式或按需路由協(xié)議為藍(lán)本，通過位置預(yù)測(cè)技術(shù)或GPS全球定位技術(shù)，對(duì)目標(biāo)點(diǎn)的位置進(jìn)行判斷，最快確定其地址。文獻(xiàn)[1]提出了一種基于位置和拓?fù)湫畔⒌穆酚伤惴āＴ摲椒ń栌梅磻?yīng)式路由協(xié)議DSR的路由發(fā)現(xiàn)方式，在路由發(fā)現(xiàn)過程中加入位置信息以減少洪泛。該方法運(yùn)行簡(jiǎn)單，但沒有考慮網(wǎng)絡(luò)空洞的繞行問題。文獻(xiàn)[2]提出了一種WMSN網(wǎng)絡(luò)的路由優(yōu)化算法。通過發(fā)送探測(cè)包尋找波峰節(jié)點(diǎn)，對(duì)網(wǎng)絡(luò)空洞進(jìn)行繞行。該方法較為可行，但只適用于靜止的傳感器，網(wǎng)絡(luò)局限性較大。文獻(xiàn)[3]提出了一種基于地理位置預(yù)測(cè)的網(wǎng)絡(luò)路由算法。該算法根據(jù)ARIMA預(yù)測(cè)模型估計(jì)節(jié)點(diǎn)下一時(shí)刻的可能位置，排除了可能斷裂的節(jié)點(diǎn)選擇較高速率發(fā)送的鏈路。但這種方法較為復(fù)雜，運(yùn)行成本較高且隨著節(jié)點(diǎn)移動(dòng)頻繁網(wǎng)絡(luò)負(fù)擔(dān)變重。

針對(duì)上述問題本文提出一種基于包回傳分段優(yōu)化路由算法。仿真實(shí)驗(yàn)證明，該方法在平均端到端時(shí)延、平均路由跳數(shù)及網(wǎng)絡(luò)開銷等方面明顯優(yōu)于GPSR路由算法，適用于多無人機(jī)聯(lián)合作戰(zhàn)通信環(huán)境。

1 基于包回傳的分段優(yōu)化路由算法

本文優(yōu)化算法首先基于網(wǎng)絡(luò)空洞的繞行特點(diǎn)來優(yōu)化路徑，其次，它需要一個(gè)節(jié)點(diǎn)選擇判據(jù)來確定節(jié)點(diǎn)是否進(jìn)行繞行及保證能量均衡。本文將基于包回傳的分段優(yōu)化路由算法視為一種新的路由建立方案應(yīng)用到多無人機(jī)聯(lián)合作戰(zhàn)巡航通信中。

1.1 空洞優(yōu)化算法

大多數(shù)基于地理位置的路由協(xié)議[4]一般采用貪婪算法尋找到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)的路徑，這種方法在一般情況下會(huì)以最快的速度選擇一條最短路徑，但是當(dāng)發(fā)送節(jié)點(diǎn)在其通信范圍內(nèi)找不到比本節(jié)點(diǎn)“距離”目的節(jié)點(diǎn)更“近”的節(jié)點(diǎn)時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生路由空洞[5]。

1.1.1 空洞類型

解決路由空洞問題最常用的方法是根據(jù)節(jié)點(diǎn)的分布，將網(wǎng)絡(luò)連接圖平面化[6-7]，將數(shù)據(jù)向著更接近于目的節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)，直到能夠恢復(fù)到貪婪算法[8]。由于在無人飛行器網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)速度快、位置變化頻繁，空洞的產(chǎn)生隨機(jī)且形式多樣，這種單純的依據(jù)靜止的拓?fù)湫畔⑦M(jìn)行路由發(fā)現(xiàn)的周邊轉(zhuǎn)發(fā)算法不再適用，需要一種更加靈活的方式完成路由。

如圖1所示，在2種不同空洞形式出現(xiàn)的情況下，通過貪婪算法和周邊轉(zhuǎn)發(fā)，在路由發(fā)現(xiàn)過程中進(jìn)行了相當(dāng)大程度的路徑繞行，空洞邊界越復(fù)雜繞行程度越高，數(shù)據(jù)交付時(shí)延越長，網(wǎng)絡(luò)負(fù)擔(dān)也就越重。

圖1 不同空洞情況下節(jié)點(diǎn)繞行方式

1.1.2 空洞問題解決方案

路由空洞的存在大大增加了路徑長度，使得更多的節(jié)點(diǎn)加入路徑轉(zhuǎn)發(fā)過程中，協(xié)議基于已有路徑采取反向優(yōu)化機(jī)制，改進(jìn)了數(shù)據(jù)傳輸過程中的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，很好地解決了這種路徑繞行問題，既不產(chǎn)生多余的數(shù)據(jù)包，也不會(huì)增加時(shí)延。

1.1.3 數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu)

以往的路徑優(yōu)化協(xié)議中通常以探測(cè)包的形式發(fā)現(xiàn)空洞邊界或探測(cè)優(yōu)化路徑，這樣不僅會(huì)使網(wǎng)絡(luò)負(fù)擔(dān)加重，也會(huì)使包的交付時(shí)間變長。在PSOR(Packet Feedback Sectional Optimization Routing Algorithm)協(xié)議中，通過改變發(fā)送數(shù)據(jù)包的結(jié)構(gòu)，記錄包轉(zhuǎn)發(fā)的路徑并按需發(fā)送，保證了低網(wǎng)絡(luò)開銷、低傳輸時(shí)延，使網(wǎng)絡(luò)能夠?qū)ν負(fù)涞母淖儗?shí)時(shí)應(yīng)對(duì)、實(shí)時(shí)優(yōu)化，網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性提高。

為了達(dá)到以上目的，需要定義一個(gè)新的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)——分段儲(chǔ)存數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)(Segment Cache)。表1所示為Segment Cache的字段內(nèi)容，其中Segment Point為記錄路徑中作為分段標(biāo)識(shí)的節(jié)點(diǎn)。圖2為分段儲(chǔ)存結(jié)構(gòu)的封裝形式。

表1 分段儲(chǔ)存數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

字段名功能目的節(jié)點(diǎn)(Destination)判別包的目的節(jié)點(diǎn)分段點(diǎn)(Segment Point)路徑分段前跳發(fā)送狀態(tài)(Prior Sending State)記錄上一跳發(fā)送狀態(tài)

圖2 分段儲(chǔ)存數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)封裝

將定義的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)加入數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu)中，修改后的數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu)如表2所示。其中SC Array字段為分段儲(chǔ)存結(jié)構(gòu)類型的數(shù)組，用于記錄數(shù)據(jù)包在轉(zhuǎn)發(fā)過程中經(jīng)過的分段點(diǎn)信息。圖3為數(shù)據(jù)包的結(jié)構(gòu)封裝。

表2 數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu)

字段名功能包類型(Type)判別所發(fā)包的種類源節(jié)點(diǎn)(Source)判別包的源節(jié)點(diǎn)次目的節(jié)點(diǎn)(?Destination)將分段點(diǎn)作為次級(jí)目的節(jié)點(diǎn)序列號(hào)(Sequence)判別包是否重復(fù)接收分段儲(chǔ)存組(SC Array)記錄分段狀態(tài)數(shù)據(jù)(Data)轉(zhuǎn)發(fā)信息

圖3 數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu)封裝

1.1.4 反向優(yōu)化機(jī)制

目的節(jié)點(diǎn)在接收數(shù)據(jù)包后讀取數(shù)據(jù)包內(nèi)所包含的信息，為保證后續(xù)數(shù)據(jù)能夠以更短的時(shí)延、更小的能量損耗傳輸，對(duì)處于周邊轉(zhuǎn)發(fā)狀態(tài)的路徑進(jìn)行優(yōu)化。如圖4所示，S節(jié)點(diǎn)首先向D節(jié)點(diǎn)發(fā)起一次數(shù)據(jù)傳輸，根據(jù)貪婪轉(zhuǎn)發(fā)算法，當(dāng)數(shù)據(jù)到達(dá)A節(jié)點(diǎn)后遇到路由空洞，隨后轉(zhuǎn)發(fā)方式變?yōu)橹苓呣D(zhuǎn)發(fā)算法到達(dá)B點(diǎn)，轉(zhuǎn)發(fā)方式恢復(fù)為貪婪轉(zhuǎn)發(fā)發(fā)送到C節(jié)點(diǎn)，再次遇到路由空洞周邊轉(zhuǎn)發(fā)到E節(jié)點(diǎn)，由E貪婪轉(zhuǎn)發(fā)到D節(jié)點(diǎn)。轉(zhuǎn)發(fā)過程中，數(shù)據(jù)包將正向路徑中由周邊轉(zhuǎn)發(fā)轉(zhuǎn)為貪婪轉(zhuǎn)發(fā)的節(jié)點(diǎn)標(biāo)記為分段點(diǎn)(如B和E)，寫入分段儲(chǔ)存組數(shù)組中。

反向優(yōu)化時(shí)，目的節(jié)點(diǎn)D首先讀取數(shù)據(jù)包中的分段點(diǎn)，通過貪婪轉(zhuǎn)發(fā)的方式反向發(fā)送到E節(jié)點(diǎn)，再從分段點(diǎn)中尋找下一個(gè)最近分段節(jié)點(diǎn)B，并發(fā)起一次貪婪轉(zhuǎn)發(fā)，若轉(zhuǎn)發(fā)過程中由于節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)性產(chǎn)生新的空洞，同樣將更新后的路徑和狀態(tài)記錄到數(shù)據(jù)包中。由B到S進(jìn)行相同操作，不再贅述。

優(yōu)化后的路徑在數(shù)據(jù)傳輸過程中同樣保留路徑優(yōu)化功能，當(dāng)由于節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)導(dǎo)致中間節(jié)點(diǎn)失效時(shí)能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)、及時(shí)優(yōu)化。

圖4 路徑優(yōu)化過程

1.2 節(jié)點(diǎn)選擇判據(jù)改進(jìn)

1.2.1 傳統(tǒng)貪婪算法對(duì)節(jié)點(diǎn)的選擇

貪婪算法在路由發(fā)現(xiàn)過程中只根據(jù)通信距離范圍內(nèi)的鄰居節(jié)點(diǎn)的位置信息，按照一定的簡(jiǎn)單規(guī)則選擇下一跳節(jié)點(diǎn)，通常會(huì)為了滿足單一的傳輸需求從而犧牲一部分傳輸性能。例如為了降低節(jié)點(diǎn)之間的傳輸干擾，使用更多的節(jié)點(diǎn)作為中繼從而增加了端到端的時(shí)延。表3列出了幾種貪婪算法及其選擇標(biāo)準(zhǔn)。

表3 幾種傳統(tǒng)貪婪算法及其屬性

轉(zhuǎn)發(fā)方式單跳選擇范圍傳輸需求選擇標(biāo)準(zhǔn)無環(huán)性RS[9]可調(diào)抗毀與傳輸性能的均衡等概率隨機(jī)選擇否CD[10]固定最短空間距離與投影夾角最小否MFR[11]固定最小跳數(shù)最遠(yuǎn)投影點(diǎn)否NFP[12]可調(diào)減小干擾最近投影點(diǎn)否MAR[13]固定最小跳數(shù)與目的節(jié)點(diǎn)距離最小是NC[14]可調(diào)減小干擾空間最近點(diǎn)是

1.2.2 節(jié)點(diǎn)選擇判據(jù)

在貪婪算法對(duì)節(jié)點(diǎn)的選擇上，為了能夠滿足更多的傳輸需求，需要對(duì)貪婪算法進(jìn)行改進(jìn)。通常，無人機(jī)在執(zhí)行飛行任務(wù)時(shí)會(huì)根據(jù)航程、能量攜帶情況規(guī)定一定的巡航時(shí)間，當(dāng)能量耗盡就退出所屬機(jī)群返航，因此為了增加無人機(jī)巡航范圍和巡航時(shí)間，需要盡可能地合理分配功率消耗。在通信領(lǐng)域，能量的消耗主要來自數(shù)據(jù)的發(fā)送，盡可能地避免低能量節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)包，是提高偵查能力的主要方法。

圖5 節(jié)點(diǎn)選擇范圍

如圖5所示，將節(jié)點(diǎn)的傳輸范圍劃分為3個(gè)部分，以源節(jié)點(diǎn)與目的節(jié)點(diǎn)的連線為軸方向左右各取α角，在此區(qū)域內(nèi)接收節(jié)點(diǎn)與目的節(jié)點(diǎn)之間的歐氏距離小于發(fā)送節(jié)點(diǎn)與目的節(jié)點(diǎn)的歐氏距離，選得的接收節(jié)點(diǎn)為區(qū)域I最優(yōu)點(diǎn)。由2α向兩邊繼續(xù)擴(kuò)張到180°，上下2部分共同組成區(qū)域II，該區(qū)域中依然有部分節(jié)點(diǎn)滿足區(qū)域I條件，節(jié)點(diǎn)選擇需要考慮在內(nèi)。節(jié)點(diǎn)傳輸范圍內(nèi)的剩余部分組成區(qū)域III，在區(qū)域I和區(qū)域II都無法選擇符合要求的節(jié)點(diǎn)時(shí)，需在該區(qū)域選擇周邊轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)，此時(shí)空間傳輸?shù)膬?yōu)勢(shì)已不再作為主要標(biāo)準(zhǔn)，能量均衡顯得尤為重要[15]。由此得到節(jié)點(diǎn)判據(jù)公式：

N(i)=βd(S,N)+(1-β)Eres/Ecap

(1)

其中，N(i)是節(jié)點(diǎn)的選擇判據(jù)，選擇可選區(qū)域內(nèi)判據(jù)最大的點(diǎn)作為下一跳節(jié)點(diǎn)，β是修正系數(shù)，根據(jù)節(jié)點(diǎn)所在位置取值，d(S,N)是發(fā)送節(jié)點(diǎn)與接收節(jié)點(diǎn)的距離，Eres是節(jié)點(diǎn)的剩余能量，Ecap是節(jié)點(diǎn)的總能量。

2 優(yōu)化路由協(xié)議

2.1 節(jié)點(diǎn)位置信息的交換與維護(hù)

隨著定位技術(shù)的發(fā)展，無人機(jī)節(jié)點(diǎn)上可以安裝GPS或北斗等衛(wèi)星定位系統(tǒng)，以此獲得節(jié)點(diǎn)位置。首先，剛開機(jī)的節(jié)點(diǎn)(以節(jié)點(diǎn)A表示)以向周圍廣播hello包的方式獲取入網(wǎng)通知，通過新節(jié)點(diǎn)向中控節(jié)點(diǎn)發(fā)送入網(wǎng)請(qǐng)求、中控節(jié)點(diǎn)回復(fù)入網(wǎng)應(yīng)答的方式完成節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)。節(jié)點(diǎn)完成入網(wǎng)后，立即發(fā)送攜帶本節(jié)點(diǎn)位置信息的sop包，并從此有資格接收和轉(zhuǎn)發(fā)其他節(jié)點(diǎn)的sop包。在節(jié)點(diǎn)未完成入網(wǎng)前不能接收其他節(jié)點(diǎn)的sop包。節(jié)點(diǎn)通過接收其他節(jié)點(diǎn)的sop包，逐漸收集到全網(wǎng)所有節(jié)點(diǎn)的地理位置信息，建立節(jié)點(diǎn)位置信息表。

上述入網(wǎng)方案的關(guān)鍵是每個(gè)節(jié)點(diǎn)時(shí)刻維護(hù)一個(gè)到當(dāng)前中控節(jié)點(diǎn)的下一跳節(jié)點(diǎn)。由于節(jié)點(diǎn)移動(dòng)以及中控節(jié)點(diǎn)切換等原因，該到中控節(jié)點(diǎn)的下一跳節(jié)點(diǎn)隨時(shí)可能變得無效。因此每個(gè)節(jié)點(diǎn)每隔一個(gè)sop周期便對(duì)自己到中控的下一跳節(jié)點(diǎn)的有效性進(jìn)行檢測(cè)，一旦發(fā)現(xiàn)自己到中控的下一跳節(jié)點(diǎn)變得無效，比如該下一跳節(jié)點(diǎn)移動(dòng)到自己的單跳通信距離之外了，或者當(dāng)前的中控節(jié)點(diǎn)發(fā)生了切換，那么本節(jié)點(diǎn)將立刻根據(jù)當(dāng)前中控節(jié)點(diǎn)的位置找出一個(gè)新的、有效的到中控的下一跳節(jié)點(diǎn)。

2.2 正向路由發(fā)現(xiàn)

根據(jù)已知入網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的地理位置信息，正向路由的發(fā)現(xiàn)過程采用基于方向角度限定及最優(yōu)節(jié)點(diǎn)選取的路徑選擇方式，具體算法步驟如下：

1)當(dāng)源節(jié)點(diǎn)有數(shù)據(jù)包要發(fā)送時(shí)，設(shè)置數(shù)據(jù)包類型Type=1，Prior Sending State為0，源節(jié)點(diǎn)與目的節(jié)點(diǎn)作為初始分段點(diǎn)。

2)節(jié)點(diǎn)獲取目的節(jié)點(diǎn)(或次目的節(jié)點(diǎn))的地理位置信息，計(jì)算目的節(jié)點(diǎn)(或次目的節(jié)點(diǎn))到本節(jié)點(diǎn)的距離，并判斷是否在本節(jié)點(diǎn)的單跳通信范圍之內(nèi)。如果在，則將目的節(jié)點(diǎn)(或次目的節(jié)點(diǎn))置為下一跳，直接發(fā)出，否則執(zhí)行步驟3。

3)根據(jù)節(jié)點(diǎn)位置信息表中的信息，以從本節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)(或次目的節(jié)點(diǎn))的方向?yàn)檩S線，以節(jié)點(diǎn)的單跳通信距離為半徑向兩側(cè)畫弧，角度為2α，確定一個(gè)封閉的扇形區(qū)域。

4)按照協(xié)議設(shè)計(jì)中節(jié)點(diǎn)選擇判據(jù)公式，從扇形區(qū)域包含的所有節(jié)點(diǎn)中選擇出最優(yōu)節(jié)點(diǎn)作為下一跳，檢查Prior Sending State字段內(nèi)容。若Prior Sending State=0，則將本節(jié)點(diǎn)作為分段點(diǎn)插入Segment Point字段，并把包發(fā)送給下一跳節(jié)點(diǎn)，設(shè)置Prior Sending State=1。若所選扇形區(qū)域內(nèi)沒有節(jié)點(diǎn)則執(zhí)行步驟5，否則直接執(zhí)行步驟6。

5)節(jié)點(diǎn)將下一跳節(jié)點(diǎn)的選取范圍擴(kuò)展到180°，根據(jù)修正過的節(jié)點(diǎn)選擇判據(jù)公式，從2個(gè)小扇形區(qū)域中選擇次優(yōu)節(jié)點(diǎn)作為下一跳節(jié)點(diǎn)，檢查Prior Sending State字段內(nèi)容。若Prior Sending State=0，則將本節(jié)點(diǎn)作為分段點(diǎn)插入Segment Point字段，并把包發(fā)送給下一跳節(jié)點(diǎn)，設(shè)置Prior Sending State=1。若扇形區(qū)域內(nèi)沒有節(jié)點(diǎn)則進(jìn)入周邊轉(zhuǎn)發(fā)模式，執(zhí)行步驟7，否則執(zhí)行步驟6。

6)節(jié)點(diǎn)收到來自上一跳的數(shù)據(jù)包，判斷自己是否為目的節(jié)點(diǎn)(或次目的節(jié)點(diǎn))，如果是則接收該包，否則根據(jù)源節(jié)點(diǎn)與序列號(hào)查找記錄中是否接收過該數(shù)據(jù)包，如果接收過該數(shù)據(jù)包則不再轉(zhuǎn)發(fā)并將包刪除，若未接收過該包，則重復(fù)步驟2的路由發(fā)現(xiàn)過程。

7)設(shè)置數(shù)據(jù)包類型Type=2，進(jìn)入周邊轉(zhuǎn)發(fā)的節(jié)點(diǎn)同樣根據(jù)修正過的節(jié)點(diǎn)選擇判據(jù)公式，從轉(zhuǎn)發(fā)區(qū)域中選擇局部最優(yōu)節(jié)點(diǎn)作為下一跳節(jié)點(diǎn)并發(fā)送，并將Prior Sending State設(shè)置為0執(zhí)行步驟6。

為了減小節(jié)點(diǎn)移動(dòng)對(duì)鏈路穩(wěn)定性的不利影響，在選擇下一跳節(jié)點(diǎn)時(shí)，可以將單跳通信距離適當(dāng)回退，例如當(dāng)單跳通信距離為250 km時(shí)，按200 km去確定扇形區(qū)域。理論證明發(fā)送過程中不會(huì)出現(xiàn)閉環(huán)現(xiàn)象。

2.3 反向路徑分段優(yōu)化

根據(jù)反向優(yōu)化機(jī)制對(duì)接收到的數(shù)據(jù)包記錄路徑進(jìn)行優(yōu)化，具體步驟如下：

1)目的節(jié)點(diǎn)收包后讀取數(shù)據(jù)包類型，并將源節(jié)點(diǎn)設(shè)置為目的節(jié)點(diǎn)，本節(jié)點(diǎn)為源節(jié)點(diǎn)，若Type=1，路徑為最優(yōu)路徑，無數(shù)據(jù)請(qǐng)求不再發(fā)包；若Type=2，則讀取SC Array字段，判斷分段點(diǎn)并反向?qū)懭霐?shù)據(jù)包分段點(diǎn)字段中，并設(shè)置Type=1，將第一個(gè)分段點(diǎn)作為次級(jí)目的節(jié)點(diǎn)，以正向路由發(fā)現(xiàn)的方式轉(zhuǎn)發(fā)給下一跳。

2)節(jié)點(diǎn)收到數(shù)據(jù)包后判斷自己是否為目的節(jié)點(diǎn)，若是，則接收該包，否則判斷自己是否為次目的節(jié)點(diǎn)，若是，則SC Array字段中取出下一個(gè)分段點(diǎn)替代本節(jié)點(diǎn)作為次目的節(jié)點(diǎn)，以正向路由發(fā)現(xiàn)的方式轉(zhuǎn)發(fā)，否則，繼續(xù)向次目的節(jié)點(diǎn)發(fā)包。

反向分段優(yōu)化的路由發(fā)現(xiàn)過程與正向路由發(fā)現(xiàn)相似，在此不再贅述。

3 仿真分析

本文使用OPNET[16]進(jìn)行仿真，為了驗(yàn)證算法的優(yōu)化性能，選擇與地理位置輔助路由中最為常見的GPSR[17]路由協(xié)議以及針對(duì)路由空洞問題進(jìn)行改進(jìn)的BOPF(Boundary Optional Perimeter Forwarding)[18]算法從平均端到端時(shí)延、平均跳數(shù)和網(wǎng)絡(luò)負(fù)載3個(gè)方面進(jìn)行比較，并對(duì)不同節(jié)點(diǎn)密度下的協(xié)議性能進(jìn)行仿真，仿真參數(shù)見表4。

表4 主要仿真參數(shù)設(shè)置

參數(shù)值仿真區(qū)域1000 km×1000 km節(jié)點(diǎn)數(shù)量60、70、80、90、100、110通信覆蓋范圍200 kmMAC協(xié)議SPMA移動(dòng)速度200 m/s

圖6顯示的是PSOR協(xié)議、GPSR協(xié)議以及BOPF協(xié)議在不同節(jié)點(diǎn)密度下平均端到端時(shí)延的變化趨勢(shì)?？梢钥闯鯬SOR協(xié)議明顯優(yōu)于GPSR協(xié)議，與BOPF協(xié)議相比同樣存在一定優(yōu)勢(shì)。這是由于PSOR協(xié)議能夠快速找到一條到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)的局部最優(yōu)路徑，并且能夠通過路徑優(yōu)化保證在后續(xù)的數(shù)據(jù)傳輸過程中保持路徑的全局最優(yōu)。GPSR協(xié)議則是在一次傳輸過程之后保持相同路徑傳輸，這樣不僅導(dǎo)致路由冗余，還會(huì)由于過度消耗節(jié)點(diǎn)能量導(dǎo)致空洞變大，路徑繞行時(shí)延增加。BOPF協(xié)議雖然也能找到一條局部最優(yōu)路徑，但是在遇到空洞之后需要計(jì)算前后2個(gè)節(jié)點(diǎn)連線與基線的夾角，并且在節(jié)點(diǎn)數(shù)目較少、空洞邊界復(fù)雜的情況下適應(yīng)性較差。隨著節(jié)點(diǎn)數(shù)目的增多，端到端時(shí)延呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，原因是參與轉(zhuǎn)發(fā)的節(jié)點(diǎn)增多，傳輸時(shí)延增加，但PSOR協(xié)議對(duì)于網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的擴(kuò)展適應(yīng)性要高于GPSR協(xié)議和BOPF協(xié)議。

圖6 平均端到端時(shí)延

圖7顯示的是PSOR協(xié)議、GPSR協(xié)議和BOPF協(xié)議在不同節(jié)點(diǎn)密度下平均路由跳數(shù)的變化趨勢(shì)?？梢钥闯?，與GPSR協(xié)議相比，PSOR協(xié)議的平均跳數(shù)節(jié)省了28.12%，比BOPF協(xié)議節(jié)省了8.5%。這是因?yàn)镻SOR路由協(xié)議能夠及時(shí)優(yōu)化出現(xiàn)的網(wǎng)絡(luò)空洞，并且通過節(jié)點(diǎn)選擇判據(jù)選擇最優(yōu)節(jié)點(diǎn)，避免能量的浪費(fèi)，隨著節(jié)點(diǎn)密度的增加，參與轉(zhuǎn)發(fā)的節(jié)點(diǎn)數(shù)量也增加，路徑的優(yōu)化效果更加明顯。GPSR協(xié)議通過單一的標(biāo)準(zhǔn)選擇傳輸節(jié)點(diǎn)，無法對(duì)繞行節(jié)點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化，節(jié)點(diǎn)浪費(fèi)問題突出。而BOPF協(xié)議雖然對(duì)路由空洞進(jìn)行了路徑優(yōu)化，但是不能適應(yīng)節(jié)點(diǎn)高速移動(dòng)的環(huán)境，對(duì)拓?fù)涞淖兓磻?yīng)較慢，同樣會(huì)導(dǎo)致特殊節(jié)點(diǎn)過度消耗的問題。

圖8顯示的是PSOR協(xié)議、GPSR協(xié)議和BOPF協(xié)議在不同節(jié)點(diǎn)密度下網(wǎng)絡(luò)負(fù)載的變化趨勢(shì)。可以看出PSOR協(xié)議與GPSR協(xié)議和BOPF協(xié)議在網(wǎng)絡(luò)負(fù)載上相差不大，是因?yàn)橹饕木W(wǎng)絡(luò)負(fù)載都是來自于網(wǎng)絡(luò)中位置信息的交換，在節(jié)點(diǎn)密度不大的情況下，PSOR協(xié)議由于對(duì)路徑的優(yōu)化引入路徑信息使得負(fù)載稍有增加，但隨著網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)密度的增大，對(duì)路徑的優(yōu)化效果明顯，多余的節(jié)點(diǎn)傳輸減少，網(wǎng)絡(luò)負(fù)載降低。而BOPF協(xié)議在節(jié)點(diǎn)數(shù)目較少、空洞邊界復(fù)雜的情況下，需要返回較多的地標(biāo)數(shù)據(jù)因此提高了路由開銷。

圖7 平均路由跳數(shù)

圖8 網(wǎng)絡(luò)開銷

4 結(jié)束語

本文針對(duì)位置路由協(xié)議中會(huì)遇到的路由空洞提出解決算法，分區(qū)域的節(jié)點(diǎn)選擇機(jī)制保證節(jié)點(diǎn)以更快的速度選擇下一跳，考慮到無人機(jī)特性引入節(jié)點(diǎn)選擇綜合判據(jù)公式，保證路徑的選擇滿足能量均衡，增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)的可擴(kuò)展性和壽命。仿真實(shí)驗(yàn)證明，PSOR協(xié)議的反向優(yōu)化機(jī)制能夠很好地解決網(wǎng)絡(luò)的路由空洞問題，雖然使網(wǎng)絡(luò)負(fù)載稍有增加，但在可接受范圍內(nèi)對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能做出明顯優(yōu)化，能夠達(dá)到多無人機(jī)聯(lián)合作戰(zhàn)通信需求。