梁 濤,伍心皓

(1.海軍裝備部裝備采購中心，北京 100071；2.中國直升機(jī)設(shè)計(jì)研究所，江西 景德鎮(zhèn) 333001)

0 引言

隨著電子技術(shù)、傳感器技術(shù)和通信技術(shù)的不斷發(fā)展，無人直升機(jī)系統(tǒng)的性能也取得了長足的進(jìn)步，現(xiàn)代無人直升機(jī)可以進(jìn)行自主飛行，也可以由工作人員進(jìn)行遠(yuǎn)程操作控制。由于其功能較多、飛行動(dòng)作靈活、安裝容易和操作簡單等優(yōu)點(diǎn)，無人直升機(jī)逐漸應(yīng)用于各種任務(wù)，例如搜索救援、邊界監(jiān)視、野火監(jiān)視、風(fēng)力估計(jì)、災(zāi)難監(jiān)測(cè)、遙感和交通監(jiān)控等任務(wù)。

由于無人直升機(jī)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞念l繁變化、無人直升機(jī)的快速移動(dòng)和無線鏈路質(zhì)量的不穩(wěn)定，現(xiàn)有的移動(dòng)自組織網(wǎng)絡(luò)路由不適用于無人直升機(jī)網(wǎng)絡(luò)。文獻(xiàn)[1]在兩個(gè)微型無人機(jī)和地面站的網(wǎng)絡(luò)中評(píng)估OLSR協(xié)議，發(fā)現(xiàn)OLSR路由協(xié)議無法應(yīng)對(duì)快速變化的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。文獻(xiàn)[2]提出基于BATMAN的路由，結(jié)果顯示由于其收斂時(shí)間較長，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的頻繁變化會(huì)損害該算法的效率。相比傳統(tǒng)的先應(yīng)式路由和反應(yīng)式路由，基于地理信息的路由無需路由表，也不需要反復(fù)查找最短路徑，因此其耗費(fèi)較低。對(duì)于地面車輛，DTNgeo[3]算法充分利用了導(dǎo)航信息和存儲(chǔ)-攜帶-運(yùn)輸?shù)募夹g(shù)，該方法通過引入擺渡無人機(jī)提高路由效率。 LAROD是一種基于位置的飛行器路由算法[4]，將地理信息路由與存儲(chǔ)-攜帶-轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制相結(jié)合，在較低的開銷下確保了與Epedemic路由相當(dāng)?shù)姆纸M投遞率。在稀疏節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)中基于地理信息路由轉(zhuǎn)發(fā)的性能結(jié)果證實(shí)：單純的基于地理信息的貪婪轉(zhuǎn)發(fā)方案通常只適用于非關(guān)鍵應(yīng)用[5]。因此，將基于地理信息轉(zhuǎn)發(fā)與其他機(jī)制結(jié)合是更佳的途徑。

文獻(xiàn)[6]對(duì)無人機(jī)的移動(dòng)軌跡進(jìn)行預(yù)測(cè)，利用該信息進(jìn)行數(shù)據(jù)保持或數(shù)據(jù)發(fā)送路由選擇，相比AODV和LAR算法，提升了吞吐量。完整軌跡感知路由的主要優(yōu)點(diǎn)是多跳路徑的優(yōu)化，其缺點(diǎn)在于在整個(gè)任務(wù)期間需要知道所有無人機(jī)的路徑。

本文針對(duì)多無人直升機(jī)自組織網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)渥兓?，頻繁中斷連接的特點(diǎn)，結(jié)合DTN路由機(jī)制與基于地理信息的路由方法，提出了一種高效的多無人直升機(jī)自組織網(wǎng)絡(luò)路由算法。仿真試驗(yàn)結(jié)果表明所提出的算法都能很好地適應(yīng)多無人直升機(jī)自組織網(wǎng)絡(luò)的間歇連接性特征，在投遞率方面優(yōu)于現(xiàn)有的算法。

1 網(wǎng)絡(luò)路由算法

多無人直升機(jī)自組織網(wǎng)絡(luò)與其他移動(dòng)自組織網(wǎng)絡(luò)不同的是，無人直升機(jī)節(jié)點(diǎn)是飛行的機(jī)器，而且它們的移動(dòng)與動(dòng)作具有高度的任務(wù)驅(qū)動(dòng)性。而且，每個(gè)無人直升機(jī)的地理位置通常是已知的。本節(jié)首先給出多無人機(jī)直升機(jī)自組織網(wǎng)絡(luò)模型，在該模型的基礎(chǔ)上提出多無人直升機(jī)自組織網(wǎng)絡(luò)路由算法。

1.1 網(wǎng)絡(luò)模型

本文引入兩種鏈路：“實(shí)鏈路(real links)”和“虛鏈路(virtual links)”，其中實(shí)鏈路代表普通傳輸數(shù)據(jù)的無線鏈路，虛鏈路則為一個(gè)假設(shè)存在的鏈路，代表在數(shù)據(jù)傳輸前需要被攜帶運(yùn)輸?shù)逆溌贰?/p>

1)實(shí)鏈路

當(dāng)某兩個(gè)節(jié)點(diǎn)ni和nj的地理距離為d，同時(shí)兩個(gè)節(jié)點(diǎn)經(jīng)由實(shí)鏈路連接，D為每個(gè)節(jié)點(diǎn)的通信傳輸距離，那么d≤D。在加權(quán)圖G中，wij代表這條鏈路的邊的權(quán)值，其實(shí)際意義為這條鏈路上的ni和nj之間的預(yù)期數(shù)據(jù)傳輸延遲：

(1)

式中：Mdata代表需要被傳輸?shù)臄?shù)據(jù)的大小，s(ni,nj)代表節(jié)點(diǎn)ni與nj之間的吞吐量。在連通的網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行路由轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)，加權(quán)圖被用于計(jì)算消息傳輸?shù)淖疃搪窂?，該路徑具有最小的傳輸延遲。

2)虛鏈路

(2)

(3)

1.2 DTNclose算法

為了解決現(xiàn)有算法存在的問題，本文提出基于位置預(yù)測(cè)的DTNclose算法。因?yàn)槊總€(gè)無人直升機(jī)當(dāng)前的位置、方向和速度都是可用的，所以本文對(duì)無人直升機(jī)的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行預(yù)測(cè)，得到時(shí)間F后無人直升機(jī)的位置，根據(jù)該位置信息，選擇新的下一跳節(jié)點(diǎn)，被選擇的節(jié)點(diǎn)應(yīng)當(dāng)是未來離目標(biāo)更近的無人直升機(jī)。由此，可以有效避免被選擇的無人直升機(jī)在接收到數(shù)據(jù)后朝著遠(yuǎn)離目標(biāo)的方向運(yùn)動(dòng)，從而增加網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)男省?/p>

假設(shè)某個(gè)無人直升機(jī)標(biāo)記為n，那么在整個(gè)無人直升機(jī)網(wǎng)絡(luò)中有部分節(jié)點(diǎn)與無人直升機(jī)n存在端到端鏈路，即這部分無人直升機(jī)可以通過中繼節(jié)點(diǎn)和無人直升機(jī)n連通。將這部分無人直升機(jī)節(jié)點(diǎn)的集合標(biāo)記為M，對(duì)于DTNclose算法而言，選出的下一跳節(jié)點(diǎn)m必須滿足以下條件：

dm(S,t+F)

arg mindm(S,t+F),m∈M.

(4)

式中，t為當(dāng)前時(shí)間，F(xiàn)為預(yù)測(cè)的時(shí)間間隔，dm(S,t+F)為時(shí)間t+F時(shí)節(jié)點(diǎn)m和目標(biāo)S的距離，arg min保證選擇的節(jié)點(diǎn)m為時(shí)間t+F時(shí)集合M中距離目標(biāo)S最近的一個(gè)，同時(shí)，dm(S,t+F)

在完成預(yù)測(cè)之后，使用得到的位置信息計(jì)算t+F時(shí)刻集合M中各個(gè)節(jié)點(diǎn)以及當(dāng)前節(jié)點(diǎn)n到目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的虛鏈路權(quán)值，找到其中權(quán)值最小的一個(gè)無人直升機(jī)節(jié)點(diǎn)。如果該節(jié)點(diǎn)為當(dāng)前節(jié)點(diǎn)n，則不進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，無人直升機(jī)節(jié)點(diǎn)n將存儲(chǔ)該數(shù)據(jù)并繼續(xù)攜帶飛行；否則，當(dāng)前節(jié)點(diǎn)n將開始向被選擇的無人直升機(jī)節(jié)點(diǎn)傳輸數(shù)據(jù)，被選擇的無人直升機(jī)節(jié)點(diǎn)即為下一跳。

1.3 基于DTNclose的改進(jìn)算法DTNmul

DTNgeo與DTNclose都是單副本傳輸。每個(gè)消息網(wǎng)絡(luò)中都只有一個(gè)副本，一旦數(shù)據(jù)包傳輸出錯(cuò)，或者某個(gè)消息副本傳輸?shù)奶鴶?shù)過多且仍未到達(dá)目的地，都有可能導(dǎo)致該副本被丟棄，從而影響無人直升機(jī)數(shù)據(jù)傳輸?shù)男Ч?/p>

為了解決該問題，提出一種基于多消息拷貝的DTNmul算法。DTNmul算法在DTNclose算法基礎(chǔ)上借鑒Epidemic算法的泛洪傳播方式，其路由選擇方式與DTNclose一致。區(qū)別在于DTNclose算法中每個(gè)無人直升機(jī)在發(fā)送完一個(gè)數(shù)據(jù)包后，不會(huì)繼續(xù)保存這個(gè)數(shù)據(jù)包，而DTNmul對(duì)這一點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化，無人直升機(jī)可以繼續(xù)保存已經(jīng)發(fā)送的數(shù)據(jù)包。為了盡可能減少網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載，DTNmul算法會(huì)在某個(gè)消息到達(dá)消息的最終目的節(jié)點(diǎn)后，刪除這個(gè)消息在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中的副本，從此該消息只有在目標(biāo)節(jié)點(diǎn)中才存在唯一的副本，因此可以大量減少網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載。

2 試驗(yàn)

本文在ONE仿真平臺(tái)中實(shí)現(xiàn)DTNgeo、DTNclose和DTNmul三個(gè)算法，比較三個(gè)算法的運(yùn)行結(jié)果。仿真試驗(yàn)的相關(guān)參數(shù)設(shè)置見表1。

表1 仿真試驗(yàn)相關(guān)參數(shù)

首先，設(shè)置DTNclose的預(yù)測(cè)時(shí)間F=4s，在ONE平臺(tái)完成仿真試驗(yàn)后，可以生成一個(gè)報(bào)告文件MessageDeliveryReport.txt。該文件記錄了從仿真開始到仿真結(jié)束的全網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)交付比，因此可以得到折線圖(如圖1)，橫坐標(biāo)為仿真時(shí)間，縱坐標(biāo)為該時(shí)間整個(gè)無人直升機(jī)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包的交付比，即仿真時(shí)間內(nèi)成功傳輸?shù)侥康墓?jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)包的數(shù)量占這段時(shí)間全部創(chuàng)建數(shù)據(jù)包的比率。

圖1 三種路由算法交付比

由圖1可知，總體的交付比DTNclose>DTNmul>DTNgeo，三種算法在高峰期都擁有95%以上的交付比，可見折線起伏較大。這是由于數(shù)據(jù)包傳輸?shù)降孛嬲局荒芡ㄟ^擺渡無人直升機(jī)，所以當(dāng)擺渡無人直升機(jī)進(jìn)入地面站的通信范圍內(nèi)，會(huì)有一大批數(shù)據(jù)包傳輸?shù)侥康牡?，交付比?huì)大幅上升；反之，當(dāng)沒有擺渡無人直升機(jī)在地面站的通信范圍內(nèi)時(shí)，不會(huì)有數(shù)據(jù)包到達(dá)目的地，但是各個(gè)無人直升機(jī)還在產(chǎn)生數(shù)據(jù)包，因此交付比會(huì)持續(xù)下降，直到下一個(gè)擺渡無人直升機(jī)進(jìn)入地面站的通信范圍。

5 結(jié)論

為了設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)適合多無人直升機(jī)自組織網(wǎng)絡(luò)的路由算法，本文利用無人直升機(jī)的位置信息和移動(dòng)信息，提出了一種高效的多無人直升機(jī)自組織網(wǎng)絡(luò)路由算法。該算法結(jié)合了地理信息路由和延遲容忍網(wǎng)絡(luò)路由，能同時(shí)處理存在端到端鏈路、鏈路連接中斷這兩種情況；利用無人直升機(jī)的位置信息和移動(dòng)信息，對(duì)無人直升機(jī)未來的位置進(jìn)行預(yù)測(cè)，以選擇更優(yōu)的路徑進(jìn)行消息發(fā)送；考慮到多無人直升機(jī)網(wǎng)絡(luò)頻繁中斷的特點(diǎn)，提出了多副本消息傳輸?shù)牟呗?。仿真試?yàn)結(jié)果表明，兩種路由算法都能很好地適應(yīng)多無人直升機(jī)自組織網(wǎng)絡(luò)的間歇連接性特征，同時(shí)，對(duì)該算法的兩種改進(jìn)能有效提升算法性能。