孫明杰,周 林,于云龍,顧金玲

(1.空軍工程大學(xué)防空反導(dǎo)學(xué)院,陜西 西安 710051;2.中國(guó)人民解放軍93861部隊(duì),陜西 咸陽(yáng)713800;3.中國(guó)人民解放軍32272部隊(duì),甘肅 蘭州 730060)

0 引 言

當(dāng)前,無(wú)人機(jī)的應(yīng)用越來(lái)越廣泛,已涵蓋到民用和軍用多個(gè)領(lǐng)域。而且無(wú)人機(jī)已成為現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中不可缺少的重要組成部分,其主要用于戰(zhàn)場(chǎng)偵察監(jiān)視、情報(bào)搜集、通信中繼、快速打擊等任務(wù)?，F(xiàn)代戰(zhàn)場(chǎng)具有對(duì)抗程度高、覆蓋范圍廣、信息量大等特點(diǎn),單架無(wú)人機(jī)已無(wú)法滿足現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)的需要,多無(wú)人機(jī)協(xié)同作戰(zhàn)成為當(dāng)今研究熱點(diǎn)。多無(wú)人機(jī)協(xié)同完成任務(wù)時(shí),通常組成飛行編隊(duì)。

多無(wú)人機(jī)編隊(duì)協(xié)作執(zhí)行任務(wù)時(shí),可通過無(wú)人機(jī)自組織網(wǎng)絡(luò)來(lái)交換彼此的任務(wù)規(guī)劃、飛行狀態(tài)和情報(bào)信息等數(shù)據(jù),以提高無(wú)人機(jī)編隊(duì)對(duì)實(shí)時(shí)態(tài)勢(shì)的感知,實(shí)現(xiàn)大于多架無(wú)人機(jī)獨(dú)立執(zhí)行任務(wù)的整體效能。無(wú)人機(jī)自組織網(wǎng)絡(luò)屬于航空自組網(wǎng),而航空自組網(wǎng)又是無(wú)線自組織網(wǎng)絡(luò)(mobile AdHoc network,MANET)在航空領(lǐng)域的典型應(yīng)用。該網(wǎng)絡(luò)能夠保證無(wú)人機(jī)在戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境下,快速地入網(wǎng)和退網(wǎng),同時(shí),為了提高網(wǎng)絡(luò)的魯棒性,各架無(wú)人機(jī)在通信體系中的地位是平等的。在無(wú)人機(jī)自組織網(wǎng)絡(luò)中,將每架無(wú)人機(jī)作為節(jié)點(diǎn)處理。

然而,無(wú)人機(jī)自組織網(wǎng)絡(luò)與移動(dòng)自組織網(wǎng)絡(luò)相比,具有節(jié)點(diǎn)移動(dòng)性更強(qiáng)、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化更快、應(yīng)用環(huán)境復(fù)雜、數(shù)據(jù)交互頻繁等特點(diǎn)。這些特點(diǎn)為無(wú)人機(jī)自組織網(wǎng)絡(luò)中路由算法的設(shè)計(jì)帶來(lái)了很大的挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的路由算法在這種環(huán)境下不能滿足多無(wú)人機(jī)協(xié)同執(zhí)行任務(wù)的需求,而其他基于服務(wù)質(zhì)量(quality of service,QoS)保證的路由算法又有各自特定的應(yīng)用場(chǎng)合,因此需要設(shè)計(jì)出適用于無(wú)人機(jī)自組織網(wǎng)絡(luò)的路由算法,以滿足復(fù)雜通信環(huán)境下無(wú)人機(jī)協(xié)同執(zhí)行任務(wù)的要求。

對(duì)于無(wú)人機(jī)自組網(wǎng)中的路由算法,本文認(rèn)為,應(yīng)滿足如下要求:① 數(shù)據(jù)傳輸延時(shí)小;② 丟包率低;③ 可靠性高;④ 無(wú)擁塞現(xiàn)象出現(xiàn);⑤ 路由開銷小;⑥ 可針對(duì)編隊(duì)變化,隨時(shí)調(diào)整路由算法,以保證網(wǎng)絡(luò)性能不下降。傳統(tǒng)的路由算法無(wú)法同時(shí)滿足上述要求。本文總結(jié)出了設(shè)計(jì)該路由算法時(shí)需要注意的3個(gè)關(guān)鍵點(diǎn):路徑長(zhǎng)度、路徑擁塞度和路徑穩(wěn)定性。需要將這3者綜合考慮來(lái)設(shè)計(jì)無(wú)人機(jī)自組網(wǎng)中的路由算法。同時(shí),在無(wú)人機(jī)自組網(wǎng)中,認(rèn)為每個(gè)節(jié)點(diǎn)能量充足,能量不是影響路由性能的因素。

近年來(lái),航空自組織網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議已呈現(xiàn)多樣化趨勢(shì)。按照路由信息的更新機(jī)制,可將這些路由協(xié)議劃分為3大類:① 表驅(qū)動(dòng)(主動(dòng))路由協(xié)議,如DSDV[1]、FSR[2]、STAR[3]、OLSR[4]、WRP[5]、TBRPF[6]等。在主動(dòng)路由協(xié)議中,每一個(gè)節(jié)點(diǎn)都要維護(hù)一個(gè)或多個(gè)路由表,表中包含了該節(jié)點(diǎn)到網(wǎng)絡(luò)中所有其他節(jié)點(diǎn)一致的、最新的路由信息。為了維護(hù)這樣的路由表,每個(gè)節(jié)點(diǎn)需要周期性地向整個(gè)網(wǎng)絡(luò)廣播路由更新信息,以便時(shí)刻維護(hù)并記憶全網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與節(jié)點(diǎn)路由信息。表驅(qū)動(dòng)路由協(xié)議的優(yōu)點(diǎn)主要是能夠很好地保證網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)脱訒r(shí)性和服務(wù)質(zhì)量,但是,使用該協(xié)議需要較高的代價(jià),數(shù)量龐大的路由控制包會(huì)大大地增加路由開銷,因此也會(huì)導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)的擁塞度增加。② 按需(被動(dòng))路由協(xié)議,如AODV[7]、DSR[8]、TORA[9]、SSR[10]等。在被動(dòng)路由協(xié)議中,當(dāng)源節(jié)點(diǎn)有通信需求時(shí),才根據(jù)事先設(shè)定的算法搜索路由,由于不需要周期性地廣播路由更新信息,所以其路由開銷小,節(jié)省了網(wǎng)絡(luò)資源,但是當(dāng)源節(jié)點(diǎn)有通信需求時(shí),若沒有到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)的路由,則需要重新搜索創(chuàng)建,數(shù)據(jù)傳輸也會(huì)因此被迫延時(shí)。③ 混合路由協(xié)議,如ZRP[11]。該路由協(xié)議將上述兩種協(xié)議結(jié)合起來(lái),但依然無(wú)法解決主動(dòng)路由協(xié)議路由開銷大的問題。

蟻群優(yōu)化算法是由意大利學(xué)者Dorigo在1992年提出的,該算法是一種啟發(fā)式算法,主要通過模擬自然界螞蟻覓食行為來(lái)實(shí)現(xiàn)[12]。隨著蟻群算法的發(fā)展,越來(lái)越多地被應(yīng)用于移動(dòng)自組織網(wǎng)絡(luò)的路由問題中。根據(jù)文獻(xiàn)[13],可以得到基于蟻群算法路由協(xié)議的分類,與航空自組網(wǎng)劃分相同,主要分為3大類。本文就其中具有代表性的且與本文相關(guān)的路由協(xié)議進(jìn)行評(píng)述。

對(duì)于Ant-DSR算法[14],單一傳播的螞蟻用于建立和更新路由,余下的兩種螞蟻則用于探測(cè)鄰居節(jié)點(diǎn)。該方法屬于主動(dòng)型路由算法,可以使數(shù)據(jù)傳輸延時(shí)變小,但是依然無(wú)法避免路由開銷的增加,以至于出現(xiàn)節(jié)點(diǎn)擁塞現(xiàn)象。

ADSR算法[15]在路由發(fā)現(xiàn)階段使用了前向螞蟻與后向螞蟻,屬于被動(dòng)型路由算法。但ADSR算法沒有評(píng)價(jià)路徑的可靠性,在節(jié)點(diǎn)移動(dòng)性較強(qiáng)的無(wú)人機(jī)自組網(wǎng)中,極易出現(xiàn)鏈路斷路現(xiàn)象,從而使得數(shù)據(jù)包成功傳輸率降低。

HOPNET算法[16]與HRAZHLS算法[17]均屬于混合型路由算法,且均包含4種類型的螞蟻。但是HOPNET算法只適用于小型網(wǎng)絡(luò),對(duì)大型網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)展性不好。HRAZHLS算法的路由開銷較大。

綜上所述,無(wú)論是主動(dòng)路由協(xié)議、被動(dòng)路由協(xié)議還是混合路由協(xié)議,無(wú)論是否與蟻群算法相結(jié)合,都無(wú)法滿足無(wú)人機(jī)自組織網(wǎng)絡(luò)對(duì)路由算法提出的要求。同時(shí),上述路由算法都無(wú)法有效地避免移動(dòng)自組網(wǎng)中常見的問題,如節(jié)點(diǎn)擁塞、鏈路斷路等,上述問題的發(fā)生會(huì)使得丟包率大大增加。

對(duì)于傳輸路徑穩(wěn)定性的判斷,首先要對(duì)其中包含的鏈路的穩(wěn)定性進(jìn)行判斷。目前,針對(duì)鏈路穩(wěn)定性的判斷方法主要有兩種,但都存在不足。第一,基于距離的鏈路穩(wěn)定性判斷[18-19]。認(rèn)為兩節(jié)點(diǎn)距離越近越穩(wěn)定,可通過全球定位系統(tǒng)(global positioning system,GPS)定位或者接收Hello消息功率來(lái)判斷兩點(diǎn)距離。該種方法判斷形式單一,不能對(duì)節(jié)點(diǎn)建立長(zhǎng)效監(jiān)督機(jī)制。而且,采用GPS定位進(jìn)行鏈路穩(wěn)定性判斷,容易引入定位誤差和外界GPS信號(hào)干擾,使得判斷失敗。第二,基于節(jié)點(diǎn)移動(dòng)性的鏈路穩(wěn)定性判斷。一種是通過節(jié)點(diǎn)的位置信息[20]計(jì)算節(jié)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)方向、速度,進(jìn)而計(jì)算鏈路的穩(wěn)定度。但是容易引入GPS誤差。另一種是基于概率方法的鏈路穩(wěn)定性估計(jì),文獻(xiàn)[21]采用的概率穩(wěn)定性估計(jì)方法較復(fù)雜,計(jì)算開銷大;文獻(xiàn)[22]以鄰居節(jié)點(diǎn)數(shù)量的變化來(lái)估計(jì)當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的穩(wěn)定度,計(jì)算不準(zhǔn)確,誤差大;文獻(xiàn)[23]雖然對(duì)鏈路穩(wěn)定度的計(jì)算較為簡(jiǎn)單,但是由其篩選出的穩(wěn)定性高的鏈路可能處于節(jié)點(diǎn)通信范圍的邊緣,易造成該鏈路的中斷。

近年來(lái),多篇文獻(xiàn)針對(duì)網(wǎng)絡(luò)擁塞問題提出了多種解決方案,但也存在一定不足。文獻(xiàn)[24]根據(jù)MAC層接口隊(duì)列長(zhǎng)度對(duì)緩沖區(qū)總長(zhǎng)度的比值來(lái)表征網(wǎng)絡(luò)負(fù)載,避免將重負(fù)載節(jié)點(diǎn)作為中間節(jié)點(diǎn)而導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)擁塞,但測(cè)量形式單一。文獻(xiàn)[25]從緩沖占有量、信道負(fù)載程度、掉包率3個(gè)方面來(lái)評(píng)估節(jié)點(diǎn)的擁塞度,但其將低能耗放在了第一位,造成了擁塞度測(cè)量結(jié)果并不準(zhǔn)確。

上述文獻(xiàn)僅為單方面考慮路徑穩(wěn)定性或者是路徑擁塞度,并沒有對(duì)二者進(jìn)行聯(lián)合的判斷。文獻(xiàn)[26]對(duì)路徑穩(wěn)定性和路徑擁塞度同時(shí)進(jìn)行判斷,有效地避免了移動(dòng)自組網(wǎng)中的常見問題,但是就其方法來(lái)看,改進(jìn)的余地還很大。

因此,本文重新設(shè)計(jì)了無(wú)人機(jī)自組網(wǎng)中的路由算法,將DSR算法與蟻群算法相結(jié)合,并做出諸多改進(jìn),提出了一種高效的路由算法——APAR算法,使之滿足數(shù)據(jù)傳輸延時(shí)低、數(shù)據(jù)成功傳輸率高、路由開銷小的要求,并且能夠避免鏈路斷路、網(wǎng)絡(luò)擁塞等常見問題,同時(shí)能夠根據(jù)編隊(duì)的變化調(diào)整路由算法,最終,克服了傳統(tǒng)路由算法存在的諸多不足。

1 控制數(shù)據(jù)包定義

在移動(dòng)AdHoc網(wǎng)絡(luò)中,主要包含兩類路由控制包,路由請(qǐng)求控制包(routing request control packet,RREQ)和路由應(yīng)答控制包(routing reply control packet,RREP)。RREQ包括目的節(jié)點(diǎn)地址、目的節(jié)點(diǎn)序列號(hào)、廣播序列號(hào)、源節(jié)點(diǎn)地址、源節(jié)點(diǎn)序列號(hào)、上一跳地址和跳數(shù)等信息。RREP包括源節(jié)點(diǎn)地址、目的節(jié)點(diǎn)地址、目的節(jié)點(diǎn)序列號(hào)、跳數(shù)和生存時(shí)間等信息。本文將蟻群算法與動(dòng)態(tài)源路由算法相結(jié)合,并做了諸多改進(jìn),因此需要對(duì)RREQ和RREP的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行修改,使之滿足本文所提新路由算法。修改后的兩類路由控制包分別稱為RREQ.Ant和RREP.Ant,在本文中,這兩類控制包也被稱為前向螞蟻、后向螞蟻。其修改后的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 控制數(shù)據(jù)包格式Fig.1 Format of control data packet

源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)的地址為MAC地址而不是IP地址,主要為了防止節(jié)點(diǎn)與網(wǎng)絡(luò)斷開鏈接而分配不到IP地址。HC代表了RREQ.Ant從源節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)所經(jīng)過中間節(jié)點(diǎn)的個(gè)數(shù),在RREQ.Ant中,HC的初始值為0。在RREP.Ant中,HC為一恒定值。RC與RS分別代表了從源節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)路徑的擁塞度和穩(wěn)定度,a值僅在RREP.Ant中有效,主要用于確定后向螞蟻的轉(zhuǎn)發(fā)路徑。Type代表路由控制包的類型,當(dāng)Type=1時(shí),路由控制包為RREQ.Ant;當(dāng)Type=0時(shí),路由控制包為RREP.Ant。最后一部分用于存儲(chǔ)在路由發(fā)現(xiàn)過程中,RREQ.Ant從源節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)所經(jīng)過的中間節(jié)點(diǎn)的地址。

2 路徑穩(wěn)定性感知

在無(wú)人機(jī)自組織網(wǎng)中,由于無(wú)人機(jī)的移動(dòng)速度較快且每架無(wú)人機(jī)的任務(wù)分配不同,所以其網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓^快,鏈路中斷的現(xiàn)象十分普遍。因此,為了避免鏈路中斷造成的網(wǎng)絡(luò)性能下降,本文提出了一種鏈路穩(wěn)定性的評(píng)價(jià)方法,該方法主要通過接收Hello消息的信號(hào)強(qiáng)度并對(duì)其建立長(zhǎng)效的監(jiān)督機(jī)制,不但能夠綜合的評(píng)判某一鏈路的穩(wěn)定性,還能預(yù)測(cè)并提前刪除可能中斷的鏈路,克服了之前方法的不足,從而提高了網(wǎng)絡(luò)性能。同時(shí),為了避免GPS定位誤差或者外界干擾GPS信號(hào)對(duì)本文方法的影響,本文不使用節(jié)點(diǎn)的位置信息。

在無(wú)人機(jī)編隊(duì)對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境的偵察過程中,由于任務(wù)不同的需要,編隊(duì)往往由不同種類的無(wú)人機(jī)構(gòu)成,所以各個(gè)平臺(tái)的速度、天線增益、最大發(fā)射功率不同。因此,本文對(duì)Hello消息的數(shù)據(jù)包進(jìn)行改進(jìn),最終包括:源節(jié)點(diǎn)地址、節(jié)點(diǎn)擁塞度、天線增益、傳輸功率、移動(dòng)速度。

根據(jù)自由空間衰減模型[27],當(dāng)前節(jié)點(diǎn)接收到距離d處的鄰居節(jié)點(diǎn)i的Hello消息的信號(hào)強(qiáng)度Pri為

(1)

式中：λ為無(wú)線電波的波長(zhǎng)；Gr是接收天線的增益；Gt是發(fā)射天線的增益；Pt為鄰居節(jié)點(diǎn)Hello消息發(fā)射功率。

本文假設(shè)天線的覆蓋范圍為一個(gè)半徑為R的圓形區(qū)域。由文獻(xiàn)[28]可知,在半徑為R的圓形區(qū)域內(nèi),兩個(gè)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)之間的平均距離為0.905 4R。因此,本文將接收到鄰居節(jié)點(diǎn)Hello消息的信號(hào)強(qiáng)度的臨界值定義為

(2)

當(dāng)前節(jié)點(diǎn)可以根據(jù)本節(jié)點(diǎn)已知信息和鄰居節(jié)點(diǎn)Hello消息中包含的信息計(jì)算出接收信號(hào)強(qiáng)度的臨界值,并與實(shí)測(cè)的信號(hào)強(qiáng)度進(jìn)行比較,對(duì)鏈路的穩(wěn)定性進(jìn)行初次的評(píng)判。過程如下:

(3)

LSi值的大小代表了當(dāng)前時(shí)刻第i條鏈路的穩(wěn)定度,LSi越大代表該鏈路穩(wěn)定性越好,但不超過1。當(dāng)LSi為0時(shí),該鏈路被認(rèn)定為不穩(wěn)定的鏈路,并從存儲(chǔ)區(qū)刪除。為了保持LSi值的實(shí)時(shí)性,需要不斷對(duì)其進(jìn)行更新,更新的時(shí)間間隔(Hello消息的廣播周期)t為

(4)

式中：V1代表當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的最大移動(dòng)速度；V2代表鄰居節(jié)點(diǎn)的最大移動(dòng)速度。由于鄰居節(jié)點(diǎn)的類型不同,所以對(duì)應(yīng)的t也是不同的。采用此時(shí)間間隔來(lái)更新LSi值,能夠保證在時(shí)間t內(nèi),存儲(chǔ)區(qū)中的鄰居節(jié)點(diǎn)都未移出其通信范圍,有效地利用了節(jié)點(diǎn)的存儲(chǔ)空間,為路由發(fā)現(xiàn)階段提供了可靠地選擇。有效地解決了固定Hello消息周期存在的缺陷。

上述過程僅對(duì)某一時(shí)刻鏈路的穩(wěn)定性進(jìn)行了評(píng)價(jià),并沒有建立長(zhǎng)效機(jī)制,對(duì)鏈路的穩(wěn)定度進(jìn)行綜合的評(píng)價(jià)。因此,本文根據(jù)不同時(shí)刻Hello消息信號(hào)強(qiáng)度的變化,對(duì)鄰居節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)性進(jìn)行估計(jì),將當(dāng)前節(jié)點(diǎn)存儲(chǔ)區(qū)內(nèi)移動(dòng)性強(qiáng)的鄰居節(jié)點(diǎn)刪除。

根據(jù)文獻(xiàn)[29],可以得到比安內(nèi)梅-切比雪夫不等式：

(5)

式中：X為離散變量;E(X)為X的數(shù)學(xué)期望;var(X)為X的方差；ε為任意正數(shù)。

當(dāng)var(X)=0時(shí),有P{|X-E(X)|<ε}=1,說(shuō)明了變量X與其期望值相等,同時(shí)也說(shuō)明了變量X的方差越小,變量X越接近其期望,變量X的變化量越小。

根據(jù)變量X的多次測(cè)量值,可以得到其方差var(X)為

(6)

將LSi不同時(shí)刻的值作為變量X的多次測(cè)量值,并代入式(6)中,得

(7)

通過式(7),可以得到某一鄰居節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)性,var(LSi)越小,代表該鄰居節(jié)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)越不明顯,第i條鏈路也就越穩(wěn)定。此方法僅對(duì)當(dāng)前節(jié)點(diǎn)存儲(chǔ)區(qū)內(nèi)的鄰居節(jié)點(diǎn)移動(dòng)性進(jìn)行判斷。

綜上所述,具體的鏈路穩(wěn)定性判斷過程為:每個(gè)節(jié)點(diǎn)都對(duì)進(jìn)入本節(jié)點(diǎn)0.905 4R范圍內(nèi)鄰居節(jié)點(diǎn)進(jìn)行編號(hào),并將其寫入存儲(chǔ)區(qū),而且根據(jù)式(3),計(jì)算出每條鏈路當(dāng)前時(shí)刻的穩(wěn)定度LSi。當(dāng)某一鏈路的LSi值為0時(shí),存儲(chǔ)區(qū)將刪除該鏈路。當(dāng)某一鏈路連續(xù)得到兩個(gè)不為0的LSi時(shí),便對(duì)其節(jié)點(diǎn)移動(dòng)性進(jìn)行判斷,只要LSi不為0,就一直對(duì)該鏈路的節(jié)點(diǎn)移動(dòng)性進(jìn)行判斷。當(dāng)某一鏈路的var(LSi)累計(jì)3次超過預(yù)先設(shè)定的臨界值varthreshold時(shí),說(shuō)明了此鄰居節(jié)點(diǎn)移動(dòng)性強(qiáng),同時(shí)也說(shuō)明了該鏈路不穩(wěn)定,因此將該鏈路從當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的存儲(chǔ)區(qū)中刪除。同時(shí),為了節(jié)省存儲(chǔ)空間,本文定義節(jié)點(diǎn)存儲(chǔ)區(qū)內(nèi)只存儲(chǔ)最近5個(gè)時(shí)刻的LSi值。

在路由發(fā)現(xiàn)階段,通常需要選出最穩(wěn)定的路由來(lái)傳輸數(shù)據(jù),因此需要對(duì)當(dāng)前一跳鏈路的穩(wěn)定度進(jìn)行綜合量化。本文提出了一種當(dāng)前一跳鏈路穩(wěn)定性的綜合量化方法,如下：

(8)

式中：CLSi(tm)為第i條鏈路tm時(shí)刻的綜合穩(wěn)定度;LSi(tm)為tm時(shí)刻的LSi值;varm(LSi)為tm時(shí)刻的var(LSi)值。當(dāng)該時(shí)刻,某一鄰居節(jié)點(diǎn)第一次進(jìn)入當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的存儲(chǔ)區(qū)時(shí),var(LSi)值為空,在此方法中,令該時(shí)刻的varm(LSi)=1。并且,CLSi(tm)值越大,代表該鏈路的綜合穩(wěn)定性越高。

在本文中,每一個(gè)路由控制包都包含一個(gè)RS值,其大小由RREQ在路由發(fā)現(xiàn)過程計(jì)算得到。源節(jié)點(diǎn)發(fā)出一只前向螞蟻,并令RS的初始值為1。當(dāng)該前向螞蟻在網(wǎng)絡(luò)中移動(dòng)時(shí),每經(jīng)過一個(gè)中間節(jié)點(diǎn),就將該中間節(jié)點(diǎn)與上一跳節(jié)點(diǎn)之間的鏈路穩(wěn)定度CLSi與當(dāng)前RS值相乘,得到一個(gè)新的RS值。當(dāng)該前向螞蟻到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)時(shí),便可以得到源節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)之間路徑的穩(wěn)定度RS:

(9)

3 路徑擁塞度感知

多架無(wú)人機(jī)以編隊(duì)形式對(duì)熱點(diǎn)地區(qū)偵察的過程中,需要共享和回傳大量的目標(biāo)數(shù)據(jù)。如果采用傳統(tǒng)的路由算法來(lái)構(gòu)建傳輸數(shù)據(jù)的路由,那么極易造成網(wǎng)絡(luò)擁塞現(xiàn)象。在無(wú)人機(jī)自組網(wǎng)中,如果出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)擁塞,會(huì)使網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸性能下降,例如掉包率增加、平均端到端延時(shí)增大等。

本文提出了一種路徑擁塞度測(cè)量方法,主要根據(jù)緩沖占有量、信道負(fù)載程度來(lái)測(cè)量節(jié)點(diǎn)的擁塞度,并采用了非線性化處理手段,結(jié)合路由發(fā)現(xiàn)過程使得路徑擁塞度測(cè)量結(jié)果更符合實(shí)際。

3.1 緩沖占有量

節(jié)點(diǎn)Ni的MAC層接口隊(duì)列長(zhǎng)度與緩沖區(qū)總長(zhǎng)度的比值代表了當(dāng)前節(jié)點(diǎn)緩沖占有量BOi,表示如下:

(10)

式中：Qi為節(jié)點(diǎn)Ni的MAC層接口隊(duì)列長(zhǎng)度;Qmax為當(dāng)前節(jié)點(diǎn)緩沖區(qū)的總長(zhǎng)度,本文假設(shè)所有節(jié)點(diǎn)緩沖區(qū)的總長(zhǎng)度相同。

節(jié)點(diǎn)Ni周期性地對(duì)BOi值進(jìn)行測(cè)量,便可以得到一定時(shí)間內(nèi)緩沖平均占有量Ave_BOi(t)。本文假設(shè),在t時(shí)間內(nèi)共進(jìn)行了N次測(cè)量,則

(11)

式中：BOi(j)為節(jié)點(diǎn)Ni對(duì)BOi值進(jìn)行的第j次的測(cè)量結(jié)果。

通常情況下,MAC層接口隊(duì)列長(zhǎng)度占緩沖區(qū)總長(zhǎng)度65%以上就認(rèn)定該節(jié)點(diǎn)緩沖占有量大[30]。因此,為使其符合實(shí)際需要，本文對(duì)Ave_BOi(t)進(jìn)行非線性化處理：

NBOi=1-(1-Ave_BOi(t))5

(12)

式中：NBOi為節(jié)點(diǎn)Ni的非線性化緩沖平均占有量。

3.2 信道負(fù)載程度

根據(jù)文獻(xiàn)[26],通過一段時(shí)間內(nèi)周期地對(duì)信道進(jìn)行采樣,便可以得到信道負(fù)載CLi，可表示為

(13)

式中：Nbusy表示該段時(shí)間內(nèi)信道處于繁忙狀態(tài)的次數(shù);Nidle表示該段時(shí)間內(nèi)信道處于空閑狀態(tài)的次數(shù)。

信道采樣過程如圖2所示。

圖2 信道采樣過程Fig.2 Sampling process of channel

隨著信道負(fù)載CLi的增加,網(wǎng)絡(luò)中的擁塞現(xiàn)象會(huì)越來(lái)越嚴(yán)重。本文對(duì)CLi值進(jìn)行了多次連續(xù)測(cè)量,得到了時(shí)間t內(nèi)信道的平均負(fù)載:

(14)

式中：CLi(j)為第j次CLi值的測(cè)量結(jié)果;N為時(shí)間t內(nèi)的測(cè)量次數(shù)。通常情況下,時(shí)間t取30 s,每次的測(cè)量時(shí)間為5～10 s。

類似于緩沖占有量,信道負(fù)載程度依然要進(jìn)行非線性化處理。本文認(rèn)為,Ave_CLi(t)大于等于0.7就代表該信道負(fù)載程度高,因此對(duì)其進(jìn)行如下非線性化處理：

NCLi=1-(1-Ave_CLi(t))4

(15)

為了綜合評(píng)價(jià)某一節(jié)點(diǎn)的擁塞度,定義如下等式:

(16)

CNCi(t)=νMi(t-1)+(1-ν)Mi(t)

(17)

式中：Mi(t)為當(dāng)前時(shí)間窗節(jié)點(diǎn)的擁塞度；ν和(1-ν)為賦予前一時(shí)間窗和當(dāng)前時(shí)間窗節(jié)點(diǎn)擁塞度的權(quán)重因子；CNCi(t)為該節(jié)點(diǎn)擁塞度的綜合值。

每一個(gè)路由控制包都含有一個(gè)RC值,由路由發(fā)現(xiàn)過程計(jì)算得到。源節(jié)點(diǎn)發(fā)出一只前向螞蟻,該螞蟻負(fù)責(zé)建立從源節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)的路由,當(dāng)前向螞蟻到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)時(shí),其所經(jīng)過的所有節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)擁塞度CNCi(t)的最大值將成為該路徑的擁塞度RC,表示為

(18)

4 基于蟻群優(yōu)化的多態(tài)感知路由算法

4.1 路由發(fā)現(xiàn)過程

由于執(zhí)行的任務(wù)不同,無(wú)人機(jī)存在多種形式的編隊(duì),本文主要關(guān)注其編隊(duì)中無(wú)人機(jī)的密度對(duì)無(wú)人機(jī)自組網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)路由的影響。因此,本文根據(jù)其網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)密度提出了兩種不同的路由發(fā)現(xiàn)算法。

根據(jù)文獻(xiàn)[31],本文認(rèn)為平均網(wǎng)絡(luò)分區(qū)(average network partitioning,ANP)小于等于3%時(shí),無(wú)人機(jī)編隊(duì)為密集編隊(duì);否則為稀疏編隊(duì)。路由發(fā)現(xiàn)過程對(duì)這兩種情況處理的不同點(diǎn)主要體現(xiàn)在RREQ.Ant的轉(zhuǎn)發(fā)方法上,在其他方面方法均相同。

4.1.1 路由請(qǐng)求控制包傳遞過程

(1)稀疏編隊(duì)

當(dāng)某一無(wú)人機(jī)獲取到目標(biāo)信息,并需要將該信息共享至其他無(wú)人機(jī)時(shí),當(dāng)前節(jié)點(diǎn)首先對(duì)本節(jié)點(diǎn)緩沖區(qū)內(nèi)已經(jīng)存在的路由進(jìn)行比對(duì),如果存在能夠完成此次信息傳輸?shù)穆酚?那么根據(jù)路由選擇過程,選取最優(yōu)的路徑來(lái)傳輸該目標(biāo)信息;如果當(dāng)前節(jié)點(diǎn)找不到向目的節(jié)點(diǎn)傳輸目標(biāo)信息的路由,那么將從當(dāng)前節(jié)點(diǎn)啟動(dòng)路由發(fā)現(xiàn)過程,向其鄰居節(jié)點(diǎn)中所有穩(wěn)定的節(jié)點(diǎn)發(fā)出前向螞蟻。與文獻(xiàn)[32]提出的洪泛方法相比,本文提出的方法能夠有效地避免洪泛廣播消息的無(wú)方向性、盲目性,提高了所發(fā)現(xiàn)路由的可靠性。

對(duì)于中間節(jié)點(diǎn),如果接收到上一節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)來(lái)的前向螞蟻,首先對(duì)其數(shù)據(jù)包內(nèi)的跳數(shù)HC值進(jìn)行判斷,由于存儲(chǔ)空間的限制,HC的最大值為127,如果發(fā)現(xiàn)HC為最大值,那么該中間節(jié)點(diǎn)將銷毀該數(shù)據(jù)包,不再轉(zhuǎn)發(fā),以免引起路由長(zhǎng)度測(cè)量的誤差。

其次,針對(duì)無(wú)人機(jī)自組網(wǎng)中可能出現(xiàn)的路由環(huán)路問題,本文提出了一種預(yù)防機(jī)制,能夠避免路由環(huán)路對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能產(chǎn)生的不利影響。當(dāng)中間節(jié)點(diǎn)在RREQ.Ant的中間節(jié)點(diǎn)存儲(chǔ)區(qū)(INA)中發(fā)現(xiàn)本節(jié)點(diǎn)的地址時(shí),就認(rèn)為該路由發(fā)現(xiàn)過程已進(jìn)入環(huán)路狀態(tài),本文首先對(duì)RREQ.Ant進(jìn)行修改,將進(jìn)入環(huán)路的節(jié)點(diǎn)刪除,隨后從當(dāng)前中間節(jié)點(diǎn)的鄰居節(jié)點(diǎn)中篩選出不會(huì)進(jìn)入環(huán)路的穩(wěn)定節(jié)點(diǎn)作為下一跳節(jié)點(diǎn),并向這些節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)RREQ.Ant。

最后,如果未發(fā)生路由環(huán)路問題,當(dāng)前節(jié)點(diǎn)會(huì)查找本節(jié)點(diǎn)緩沖區(qū)內(nèi)是否存在能夠到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)的路由,若存在,則需要對(duì)前向螞蟻中的相關(guān)信息進(jìn)行更新(例如跳數(shù)、穩(wěn)定度、擁塞度等),并啟動(dòng)路由應(yīng)答過程,該方法能夠降低端到端延時(shí)和路由開銷;如果不存在可用路由,當(dāng)前節(jié)點(diǎn)會(huì)更新前向螞蟻,并且轉(zhuǎn)發(fā)至其穩(wěn)定的鄰居節(jié)點(diǎn)。

對(duì)于目的節(jié)點(diǎn),如果接收到RREQ.Ant,需要對(duì)其進(jìn)行更新并啟動(dòng)路由應(yīng)答過程。

(2)密集編隊(duì)

對(duì)于密集編隊(duì),若其路由算法與稀疏編隊(duì)相同,由于節(jié)點(diǎn)密度的增加,RREQ.Ant的轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)量也大大增加,極易造成廣播風(fēng)暴,致使網(wǎng)絡(luò)性能急劇下降,因此本文對(duì)密集編隊(duì)路由算法的改動(dòng)有兩處。其一是對(duì)Hello消息的改動(dòng),在密集編隊(duì)中,Hello消息在原有基礎(chǔ)上附加了當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的穩(wěn)定鄰居節(jié)點(diǎn)列表;其二是對(duì)前向螞蟻轉(zhuǎn)發(fā)方法的改動(dòng),本文受文獻(xiàn)[31]的啟發(fā),提出了一種概率轉(zhuǎn)發(fā)方法,能夠減少RREQ.Ant的轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)量,降低廣播風(fēng)暴發(fā)生的可能性,同時(shí)也保證了所發(fā)現(xiàn)路徑的冗余性,在戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境中具有抗擊毀性。

該概率轉(zhuǎn)發(fā)方法僅適用于中間節(jié)點(diǎn),對(duì)于源節(jié)點(diǎn),依然采用稀疏編隊(duì)的前向螞蟻轉(zhuǎn)發(fā)方法,以保證發(fā)現(xiàn)路徑的冗余。當(dāng)某一中間節(jié)點(diǎn)D接收到上一節(jié)點(diǎn)F發(fā)來(lái)的前向螞蟻時(shí),首先對(duì)F節(jié)點(diǎn)Hello消息中的節(jié)點(diǎn)列表與本節(jié)點(diǎn)的作比較,計(jì)算出前向螞蟻的轉(zhuǎn)發(fā)概率p,節(jié)點(diǎn)D以概率p將更新過的前向螞蟻轉(zhuǎn)發(fā)至穩(wěn)定的鄰居節(jié)點(diǎn)。轉(zhuǎn)發(fā)概率計(jì)算如下:

(19)

式中：m為兩節(jié)點(diǎn)穩(wěn)定鄰居節(jié)點(diǎn)中公共部分的數(shù)量;n為屬于節(jié)點(diǎn)F但不屬于節(jié)點(diǎn)D的穩(wěn)定鄰居節(jié)點(diǎn)的數(shù)量;q為屬于節(jié)點(diǎn)D但不屬于節(jié)點(diǎn)F的穩(wěn)定鄰居節(jié)點(diǎn)的數(shù)量。

雖然對(duì)Hello消息的改動(dòng)增加了數(shù)據(jù)包對(duì)無(wú)線媒介的占用時(shí)間,但是概率轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制能夠大大地降低所轉(zhuǎn)發(fā)前向螞蟻的數(shù)量,降低了路由開銷,而且能夠保證所發(fā)現(xiàn)路徑的可靠性,因此利大于弊。

4.1.2 路由應(yīng)答控制包傳遞過程

當(dāng)目的節(jié)點(diǎn)接收到RREQ.Ant時(shí),需要將其數(shù)據(jù)包類型轉(zhuǎn)換為RREP.Ant,并沿原路徑返回至源節(jié)點(diǎn)。對(duì)于中間節(jié)點(diǎn),如果接收到RREP.Ant,那么該節(jié)點(diǎn)只需要按路徑轉(zhuǎn)發(fā)即可;如果中間節(jié)點(diǎn)接收到RREQ.Ant并找到了到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)的路由,則需要將數(shù)據(jù)包變?yōu)镽REP.Ant,同樣將其按原路徑返回源節(jié)點(diǎn)。當(dāng)源節(jié)點(diǎn)接收到RREP.Ant時(shí),需要啟動(dòng)路由選擇過程,選出最優(yōu)路徑來(lái)傳輸目標(biāo)數(shù)據(jù)。

4.1.3 路由選擇

源節(jié)點(diǎn)每接收到一個(gè)后向螞蟻,都會(huì)從中提取出HC值、RC值和RS值,用來(lái)計(jì)算該路徑的信息素,計(jì)算方法如下:

(20)

源節(jié)點(diǎn)會(huì)對(duì)每一條路徑的信息素進(jìn)行計(jì)算,并選擇信息素最高的路徑來(lái)傳輸目標(biāo)信息。用于傳輸信息的路徑通常有跳數(shù)小、穩(wěn)定性高、擁塞度低等特點(diǎn)。源節(jié)點(diǎn)針對(duì)一個(gè)目的節(jié)點(diǎn)通常會(huì)保留多條可用路徑,以防最優(yōu)路徑遭到破壞。同時(shí),為了降低平均端到端延時(shí),本文定義了如下機(jī)制:當(dāng)源節(jié)點(diǎn)接收到第一個(gè)RREP.Ant時(shí),便開始沿著該后向螞蟻提供的路徑傳輸目標(biāo)信息;如果接收到第二個(gè)RREP.Ant,源節(jié)點(diǎn)會(huì)選擇信息素最高的路徑來(lái)傳輸信息,以此類推,直到最后一個(gè)RREP.Ant。由于本文引入了信息素?fù)]發(fā)機(jī)制,所以每接收到一個(gè)后向螞蟻,需要對(duì)所有已知路徑的信息素進(jìn)行重新選擇,不能沿用之前的信息素值。

4.1.4 目標(biāo)信息傳遞過程

在傳輸目標(biāo)信息之前,需要將已選擇路徑的中間節(jié)點(diǎn)地址寫入到目標(biāo)信息中,使得目標(biāo)信息能夠沿著該路徑到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)。當(dāng)目的節(jié)點(diǎn)接收到目標(biāo)信息時(shí),會(huì)立即發(fā)送ACK消息至源節(jié)點(diǎn),表明此次信息傳輸成功。如果源節(jié)點(diǎn)在一定時(shí)間內(nèi)未接收到ACK消息,那么會(huì)選用備用路徑來(lái)傳輸目標(biāo)信息,若沒有路徑可以使用,則需要重新啟動(dòng)路由發(fā)現(xiàn)過程。

4.2 路由維護(hù)過程

在無(wú)人機(jī)自組織網(wǎng)絡(luò)中,節(jié)點(diǎn)的可移動(dòng)性、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)變化都使得路由維護(hù)顯得十分重要。路由斷路和路由死循環(huán)是路由維護(hù)中必須解決的兩個(gè)關(guān)鍵問題。

根據(jù)蟻群算法可知,當(dāng)螞蟻尋找食物時(shí),會(huì)經(jīng)過不同的路徑到達(dá)食物源。在返回蟻穴的過程中,螞蟻會(huì)留下信息素,信息素值的大小代表了該路徑的可用程度。當(dāng)某一路徑不斷地存在螞蟻返回時(shí),會(huì)增加該路徑的信息素值;當(dāng)食物消耗殆盡,不再有螞蟻返回時(shí),該路徑的信息素由于揮發(fā)會(huì)逐漸減弱,直至消失。

受螞蟻覓食以及文獻(xiàn)[33]的啟發(fā),本文對(duì)信息素的揮發(fā)機(jī)制[34-35]進(jìn)行了改進(jìn),使之滿足本文算法的需要。當(dāng)前時(shí)刻某一路徑的信息素值表示如下:

(21)

式中：Ph[k]t為t時(shí)刻某一路徑的信息素值;α為衰減系數(shù),用于改變信息素的衰減幅度,可以根據(jù)實(shí)際應(yīng)用隨時(shí)調(diào)整該系數(shù);vmax為所有節(jié)點(diǎn)移動(dòng)的最大速度;n為源節(jié)點(diǎn)接收到ACK消息的數(shù)量。

當(dāng)某一路徑接收到后向螞蟻時(shí),路由維護(hù)過程隨之啟動(dòng)。在該過程,后向螞蟻具有和ACK消息一樣的作用,因此在t=0時(shí),n=1。當(dāng)該路徑正常的傳輸數(shù)據(jù)時(shí),其信息素值會(huì)不斷“增加”,當(dāng)然,這種“增加”是相對(duì)于無(wú)數(shù)據(jù)傳輸時(shí)信息素值變化的,總體來(lái)看,正常傳輸數(shù)據(jù)的路徑,其信息素水平也會(huì)下降,但下降速度較慢;當(dāng)該路徑未被使用或者已經(jīng)出現(xiàn)斷路時(shí),其信息素水平會(huì)迅速下降,當(dāng)?shù)陀谀骋婚T限值β時(shí),該路徑失效被移出源節(jié)點(diǎn)存儲(chǔ)區(qū)。同時(shí),節(jié)點(diǎn)的最大移動(dòng)速度也是影響信息素水平的重要因素,節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)速度越大,造成鏈路中斷的可能性就增加,因此信息素的衰減程度與節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)速度成正相關(guān)。

在路由維護(hù)部分,α和β的大小可根據(jù)實(shí)際情況隨時(shí)調(diào)整,以便于滿足不同的要求。通常來(lái)說(shuō),被選定用于傳輸數(shù)據(jù)路徑的α值要比未被使用路徑的α值高,這是因?yàn)?選出的用于傳輸數(shù)據(jù)的路徑信息素水平是最高的,如果該路徑因某一節(jié)點(diǎn)遭擊毀而出現(xiàn)斷路,那么其信息素水平會(huì)迅速下降,且下降速度與其他未使用路徑的信息素下降速度相同(如果所有路徑的α值相同),當(dāng)該路徑的信息素值小于β時(shí),才認(rèn)為路徑失效,但此時(shí)所有的備用路徑早已被認(rèn)定是失效的了,重新啟動(dòng)路由發(fā)現(xiàn)過程,增加了路由開銷。因此,本文將路徑信息素的衰減程度區(qū)分開來(lái),對(duì)于正在使用的路徑,其信息素衰減程度大,一旦路徑遭到破壞,可使其信息素迅速下降并失效;備用路徑由于其信息素衰減程度小,可在主路徑失效時(shí)迅速切換至備用路徑,而不用啟動(dòng)路由發(fā)現(xiàn)過程,降低了路由開銷。

對(duì)于路由循環(huán)問題,在路由發(fā)現(xiàn)階段就已經(jīng)解決了。前向螞蟻所經(jīng)過的中間節(jié)點(diǎn)都會(huì)將自己的地址加入到螞蟻信息當(dāng)中,螞蟻對(duì)此都有記錄并且只經(jīng)過從未到達(dá)的節(jié)點(diǎn)。因此,算法自身就很有效地避免了循環(huán)問題。

5 仿真分析結(jié)果

在仿真環(huán)境下,本文將APAR算法與部分主流算法進(jìn)行了性能比較,這些算法包括:DSR算法[8]、Ant-DSR算法[14]、HOPNET算法[16]。其中,運(yùn)用的仿真軟件為NS-2(Network Simulator v2.34)。由于本文針對(duì)無(wú)人機(jī)的稀疏編隊(duì)與密集編隊(duì)提出了兩種不同的路由策略,所以需要分成兩種情況來(lái)測(cè)試其性能,這兩種情況除了節(jié)點(diǎn)數(shù)量不同,其他仿真參數(shù)均相同。假設(shè)無(wú)人機(jī)為低空低速小型無(wú)人機(jī),其通信距離較近,但由于執(zhí)行任務(wù)的多樣性,所以該無(wú)人機(jī)自組網(wǎng)中的節(jié)點(diǎn)移動(dòng)性較強(qiáng),具體仿真參數(shù)如表1所示。仿真參數(shù)的選擇主要參考了文獻(xiàn)[4,8,16]。為了真實(shí)地模擬戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境,體現(xiàn)出本文提出的無(wú)人機(jī)自組網(wǎng)路由算法——APAR算法在戰(zhàn)時(shí)的優(yōu)異性能。仿真過程中選擇隨機(jī)地關(guān)閉一些節(jié)點(diǎn),以此來(lái)表示無(wú)人機(jī)自組網(wǎng)在戰(zhàn)時(shí)遭到一定程度破壞,某些無(wú)人機(jī)被擊毀。同時(shí),為了減少隨機(jī)誤差,所有實(shí)驗(yàn)結(jié)果為30次實(shí)驗(yàn)的平均值。仿真結(jié)果如圖3～圖8所示。

表1 仿真參數(shù)Table 1 Simulation parameter

圖3 稀疏編隊(duì)下數(shù)據(jù)包成功傳輸率比較圖Fig.3 Comparison diagram of data packet delivery ratio in sparse formation

圖4 密集編隊(duì)下數(shù)據(jù)包成功傳輸率比較圖Fig.4 Comparison diagram of data packet delivery ratio in concentrated formation

圖3和圖4給出了無(wú)人機(jī)自組織網(wǎng)絡(luò)在無(wú)人機(jī)稀疏編隊(duì)和密集編隊(duì)的情況下,分別采用DSR、Ant-DSR、HOPNET、APAR算法在數(shù)據(jù)包成功傳輸率性能上的比較?？梢郧宄乜吹?無(wú)論是稀疏編隊(duì)還是密集編隊(duì),本文提出的APAR算法與之前的3種算法相比,數(shù)據(jù)包成功傳輸率有較大幅度的提升。具體來(lái)說(shuō),在稀疏編隊(duì)下,APAR算法比HOPNET、Ant-DSR、DSR算法將數(shù)據(jù)包成功傳輸率分別提高了30%、60%、130%以上;在密集編隊(duì)下,本文算法比上述3種算法分別提高了40%、90%、200%以上。由于在無(wú)人機(jī)密集編隊(duì)中,節(jié)點(diǎn)與節(jié)點(diǎn)之間鏈接的可能性更大,所以APAR算法在密集編隊(duì)中有更高的數(shù)據(jù)包成功傳輸率。

圖5和圖6給出了無(wú)人機(jī)自組織網(wǎng)絡(luò)在無(wú)人機(jī)稀疏編隊(duì)和密集編隊(duì)的情況下,采用上述4種算法在平均端到端延時(shí)性能上的比較?？梢钥闯?APAR算法無(wú)論在何種情況下,與其他3種算法相比,都具有較低的端到端延時(shí)。該性能的取得主要得益于本算法的路由發(fā)現(xiàn)過程和路由維護(hù)過程。

圖5 稀疏編隊(duì)下平均端到端延時(shí)比較圖Fig.5 Comparison diagram of average end to end delay in sparse formation

圖6 密集編隊(duì)下平均端到端延時(shí)比較圖Fig.6 Comparison diagram of average end to end delay in concentrated formation

圖7 稀疏編隊(duì)下路由開銷比較圖Fig.7 Comparison diagram of routing overhead in sparse formation

圖8 密集編隊(duì)下路由開銷比較圖Fig.8 Comparison diagram of routing overhead in concentrated formation

圖7和圖8給出了無(wú)人機(jī)自組織網(wǎng)絡(luò)在無(wú)人機(jī)稀疏編隊(duì)和密集編隊(duì)的情況下,采用上述4種算法在路由開銷性能上的比較?？梢钥闯?APAR算法在無(wú)人機(jī)稀疏網(wǎng)絡(luò)和密集網(wǎng)絡(luò)中,都具有相對(duì)較低的路由開銷,在一定程度上降低了該網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)能量的消耗。同時(shí),由于DSR算法在路由發(fā)現(xiàn)過程中采用了洪泛機(jī)制,所以其路由開銷相對(duì)較大。

綜上所述,APAR算法在平均端到端延時(shí)、數(shù)據(jù)包成功傳輸率和路由開銷方面都有較為優(yōu)異的性能,能夠?yàn)閼?zhàn)場(chǎng)環(huán)境下多無(wú)人機(jī)編隊(duì)執(zhí)行任務(wù)提供有效的通信保障。

6 結(jié) 論

本文針對(duì)無(wú)人機(jī)自組織網(wǎng)絡(luò)中,采用傳統(tǒng)的路由算法容易使該網(wǎng)絡(luò)在數(shù)據(jù)包傳輸率、端到端延時(shí)和路由開銷等方面性能降低,以至于不能滿足多無(wú)人機(jī)編隊(duì)執(zhí)行任務(wù)信息共享需要的情況,提出了一種基于蟻群優(yōu)化的多態(tài)感知路由算法——APAR算法,該算法主要受蟻群相關(guān)行為的啟發(fā),并與動(dòng)態(tài)源路由算法相結(jié)合,通過感知路徑長(zhǎng)度、路徑穩(wěn)定性和路徑擁塞度來(lái)建立選路標(biāo)準(zhǔn),有效地避免了擁塞和鏈路斷路現(xiàn)象的發(fā)生。同時(shí),該算法能夠根據(jù)無(wú)人機(jī)編隊(duì)的變化適時(shí)地調(diào)整路由策略,以保證相關(guān)性能不下降。針對(duì)其他主流算法路由開銷較大的問題,本文改進(jìn)了信息素的揮發(fā)機(jī)制,對(duì)于不同的路徑采用不同的衰減系數(shù),降低了路由開銷。APAR算法與DSR、Ant-DSR和HOPNET算法在仿真部分進(jìn)行了性能比較,結(jié)果表明,在戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境下,無(wú)論多無(wú)人機(jī)是稀疏編隊(duì)還是密集編隊(duì),APAR算法都能保證較低的平均端到端延時(shí)、較高的數(shù)據(jù)包成功傳輸率和較低的路由開銷,能夠滿足多無(wú)人機(jī)編隊(duì)組網(wǎng)執(zhí)行任務(wù)的需要。