周長(zhǎng)家，周建國(guó)

（武漢大學(xué) 電子信息學(xué)院，武漢 430072）

0 概述

近年來(lái)，無(wú)人機(jī)在搶險(xiǎn)救災(zāi)［1］、應(yīng)急通信［2］、目標(biāo)偵查［3］、城市交通管理［4］、中繼網(wǎng)絡(luò)［5］等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。與傳統(tǒng)的移動(dòng)自組織網(wǎng)絡(luò)（Mobile Ad-hoc Network，MANET）［6］相比，無(wú)人機(jī)自組網(wǎng)（Flying Ad-hoc Network，F(xiàn)ANET）［7］的網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)性更強(qiáng)、鏈路變化更為劇烈且網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性更差［8-9］。此外，無(wú)人機(jī)集群的狀態(tài)存在編隊(duì)飛行和自主飛行2 種狀態(tài)，在不同的狀態(tài)下，F(xiàn)ANET 會(huì)表現(xiàn)出不同的網(wǎng)絡(luò)特性。為了提升FANET 的網(wǎng)絡(luò)性能，確保較低的端到端延遲以及較高的數(shù)據(jù)包投遞率，必須針對(duì)FANET的網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)設(shè)計(jì)與之匹配的路由協(xié)議。

本文在優(yōu)化鏈路狀態(tài)路由（Optimized Link State Routing，OLSR）［10］協(xié)議的基礎(chǔ)上，提出一種無(wú)人機(jī)網(wǎng)絡(luò)適用路由（UAV-OLSR）算法。在算法設(shè)計(jì)過(guò)程中考慮無(wú)人機(jī)集群的飛行狀態(tài)，選擇高質(zhì)量的節(jié)點(diǎn)作為多點(diǎn)中繼（MPR）節(jié)點(diǎn)，同時(shí)引入多徑的思想，通過(guò)路徑評(píng)估選擇較優(yōu)路徑進(jìn)行當(dāng)前數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)。在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)過(guò)程中，采用備選轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制來(lái)確保數(shù)據(jù)包能夠被正確投遞。

1 相關(guān)研究

針對(duì)FANET 的路由研究主要有2 個(gè)方向：一是對(duì)傳統(tǒng)MANET 路由進(jìn)行改進(jìn)，使其適合于FANET的網(wǎng)絡(luò)特性；二是結(jié)合實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景的特性，針對(duì)FANET 設(shè)計(jì)一種全新的路由協(xié)議。

YI 等［11］介紹一種具備移動(dòng)和負(fù)載感知的增強(qiáng)OLSR 路由協(xié)議（ML-OLSR），通過(guò)獲取UAV 節(jié)點(diǎn)的地理位置計(jì)算節(jié)點(diǎn)的穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)移動(dòng)感知，并通過(guò)負(fù)載感知算法實(shí)現(xiàn)負(fù)載均衡，最后將移動(dòng)感知用于MPR 選擇，將負(fù)載感知用于路徑選擇，仿真結(jié)果表明，ML-OLSR 可以有效提高數(shù)據(jù)包投遞率并降低平均端到端延遲，但是，其對(duì)比對(duì)象僅為OLSR，過(guò)于單一。OUBBATI 等［12］設(shè)計(jì)一種FANET 環(huán)境下的節(jié)能路由ECaD，其采用與AODV 類似的路由發(fā)現(xiàn)方法，NS2 下的仿真結(jié)果表明，ECaD 能夠有效均衡網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的能量消耗，但是，其在平均端到端延遲方面表現(xiàn)欠佳。

PI 等［13］提出一種全新的分布式路由算法RBDR，其主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)在于為每個(gè)節(jié)點(diǎn)定義信譽(yù)度的概念，該路由算法能夠有效降低無(wú)人機(jī)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的能量和存儲(chǔ)空間消耗，并能適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)的高動(dòng)態(tài)性，但是，RBDR 降低能耗的代價(jià)是數(shù)據(jù)包平均傳輸延遲有所增加。LADTR［14］是針對(duì)災(zāi)害環(huán)境下的無(wú)人機(jī)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的一種路由協(xié)議，該協(xié)議中引入了輪渡無(wú)人機(jī)，并結(jié)合定位輔助轉(zhuǎn)發(fā)與存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)技術(shù)，可以有效降低端到端延遲并提高數(shù)據(jù)包投遞率，但是，輪渡無(wú)人機(jī)的負(fù)載較大，會(huì)使得網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間縮短。文獻(xiàn)［15］將無(wú)人機(jī)的放置與預(yù)測(cè)性路由相結(jié)合，從而提升網(wǎng)絡(luò)容量，但其僅適用于無(wú)人機(jī)運(yùn)動(dòng)軌跡可控的情況。ECoR［16］是一種能量感知路由，可以根據(jù)無(wú)人機(jī)節(jié)點(diǎn)的剩余能量進(jìn)行任務(wù)卸載，但其重點(diǎn)關(guān)注延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)的生存時(shí)間，沒(méi)有考慮如何提升網(wǎng)絡(luò)性能。

上述研究工作多是針對(duì)FANET 的某一特點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，具有一定的局限性。本文提出的路由策略綜合考慮無(wú)人機(jī)節(jié)點(diǎn)耗能、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量（QoS）［17］等因素，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)較優(yōu)的數(shù)據(jù)路由。

2 UAV-OLSR 算法設(shè)計(jì)

OLSR 的核心在于MPR，通過(guò)MPR 機(jī)制能夠有效降低路由開銷。OLSR 通過(guò)HELLO 消息和TC 消息感知全網(wǎng)拓?fù)洌總€(gè)節(jié)點(diǎn)都維護(hù)一個(gè)鄰居鏈路集合Ls、一跳鄰居集合N1_s、兩跳鄰居集合N2_s以及網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浼蟃s。

UAV-OLSR 基于OLSR 設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，路由設(shè)計(jì)包含無(wú)人機(jī)集群狀態(tài)感知、MPR 節(jié)點(diǎn)選取、多徑路由設(shè)計(jì)以及數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)策略4 個(gè)部分。

2.1 無(wú)人機(jī)集群狀態(tài)感知

本文考慮無(wú)人機(jī)集群編隊(duì)飛行以及自主飛行2 種狀態(tài)：對(duì)于編隊(duì)飛行狀態(tài)，認(rèn)為無(wú)人機(jī)集群的節(jié)點(diǎn)保持相對(duì)靜止?fàn)顟B(tài)，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可認(rèn)為保持不變；對(duì)于自主飛行狀態(tài)，無(wú)人機(jī)集群中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)都有隨機(jī)的移動(dòng)方向和速度，網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化較為劇烈。

網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)渥兓闆r能夠直觀反映無(wú)人機(jī)集群的不同飛行狀態(tài)，因此，可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)渥兓闆r估計(jì)無(wú)人機(jī)集群的飛行狀態(tài)。UAV-OLSR 通過(guò)N1_s與Ts的變化情況共同感知無(wú)人機(jī)集群的飛行狀態(tài)，前者表示為Nc，后者表示為Tc，相關(guān)定義如下：

1）Nc：節(jié)點(diǎn)在當(dāng)前HELLO 消息間隔時(shí)間內(nèi)新增或刪除的一跳鄰居節(jié)點(diǎn)數(shù)目，計(jì)算如式（1）所示：

其中：nadded、nlost分別代表當(dāng)前HELLO 消息周期間隔內(nèi)新增、刪除的一跳鄰居節(jié)點(diǎn)數(shù)目。

2）Tc：節(jié)點(diǎn)在當(dāng)前TC 消息間隔時(shí)間內(nèi)新增或刪除的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)滏溄訑?shù)目，計(jì)算如式（2）所示：

其中：tadded代表當(dāng)前TC 消息周期間隔內(nèi)新增的拓?fù)滏溄訑?shù)目；tlost代表當(dāng)前TC 消息周期間隔內(nèi)刪除的拓?fù)滏溄訑?shù)目。

用符號(hào)“0”代表編隊(duì)飛行狀態(tài)，符號(hào)“1”代表自主飛行狀態(tài)，則無(wú)人機(jī)集群的飛行狀態(tài)通過(guò)式（3）確定。

其中：nnb為節(jié)點(diǎn)當(dāng)、前的鄰居節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)；ntp為節(jié)點(diǎn)當(dāng)前拓?fù)浼现械脑貍€(gè)數(shù)；(i=1，2，3，4)為閾值。

S的取值進(jìn)一步影響網(wǎng)絡(luò)中路由控制消息的發(fā)送頻率，具體地，UAV-OLSR 會(huì)根據(jù)S的值改變HELLO 消息和TC 消息的發(fā)送間隔，設(shè)置方式如式（4）所示：

其中：Ih_q、Ih_s、It_q、It_s為預(yù)設(shè)的變量值。改變消息發(fā)送間隔的同時(shí)需要改變消息的有效時(shí)間，具體地，Vhello=3Hivl，Vtc=3Tivl。

當(dāng)無(wú)人機(jī)集群處于自主飛行狀態(tài)時(shí)，節(jié)點(diǎn)會(huì)保持較高的HELLO 消息和TC 消息發(fā)送頻率，從而確保網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淠軌蚣皶r(shí)更新；反之，節(jié)點(diǎn)會(huì)降低HELLO 消息和TC 消息的發(fā)送頻率，從而降低自身能耗并減少路由開銷。

2.2 MPR 節(jié)點(diǎn)選取

在OLSR 路由協(xié)議中，MPR 節(jié)點(diǎn)選取將直接影響路由開銷，并在較大程度上影響網(wǎng)絡(luò)路由的可靠性。因此，為了建立可靠的端到端路由，確保網(wǎng)絡(luò)性能，必須選擇合適的MPR 節(jié)點(diǎn)。在FANET 中，節(jié)點(diǎn)的高動(dòng)態(tài)性會(huì)使得鏈路的通斷變得更加頻繁，因此，在MPR 節(jié)點(diǎn)的選取過(guò)程中，應(yīng)考慮節(jié)點(diǎn)的穩(wěn)定性。此外，無(wú)人機(jī)節(jié)點(diǎn)的能量通常較為有限［18］，為了平衡網(wǎng)絡(luò)中的能量消耗，在進(jìn)行MPR 節(jié)點(diǎn)選取時(shí)，應(yīng)考慮節(jié)點(diǎn)的能量因素。

為實(shí)現(xiàn)可靠的MPR 節(jié)點(diǎn)選取，在UAV-OLSR 中定義如下3 個(gè)參量：

1）鏈路變化率（Lcr），計(jì)算如式（5）所示：

其中：Nc的定義如式（1）所示；nnb_c為當(dāng)前一跳鄰居節(jié)點(diǎn)的個(gè)數(shù)。

2）剩余能量百分比（Pre），計(jì)算如式（6）所示：

其中：pc為當(dāng)前剩余能量；pt為節(jié)點(diǎn)初始能量。

3）節(jié)點(diǎn)中心度（Rc），計(jì)算如式（7）所示：

其中：nnb_c（n2nb_c）為當(dāng)前的一跳（兩跳）鄰居節(jié)點(diǎn)數(shù)目。

進(jìn)一步地，對(duì)上述3 個(gè)變量進(jìn)行非線性映射處理，得到可用于評(píng)估節(jié)點(diǎn)質(zhì)量的參數(shù)（i=1，2，3）。

1）對(duì)于Lcr，映射方法為：=min{Lcr，1}。

2）對(duì)于Pre，其數(shù)值越大，代表節(jié)點(diǎn)的能量越充足，且當(dāng)其數(shù)值小到一定程度時(shí)，對(duì)網(wǎng)絡(luò)的影響會(huì)更加明顯，因此，采用如下的方式進(jìn)行映射處理：=1-(1-Pre)3。

3）對(duì)于Rc，其值越小，代表節(jié)點(diǎn)所處的位置越接近網(wǎng)絡(luò)中心，節(jié)點(diǎn)的評(píng)分也就越高，因此，使用雙曲正切函數(shù)進(jìn)行映射處理：=1-tanh(Rc)。

最后對(duì)各個(gè)指標(biāo)進(jìn)行加權(quán)求和，得到節(jié)點(diǎn)質(zhì)量的評(píng)估結(jié)果EEP。本文采用層次分析法（AHP）［19］進(jìn)行加權(quán)系數(shù)確定。在本文方案中，認(rèn)為3 個(gè)參數(shù)的重要性排序?yàn)椋?。?gòu)造判斷矩陣A=(aij)3×3，其 中：aii=1(i=1，2，3)；a12=2；a13=3；a23=2；aij×aij=1。矩陣A的最大特征值所對(duì)應(yīng)的特征向量（歸一化值）即為以及的加權(quán)系數(shù)，得到EEP的表達(dá)式如下：

在改進(jìn)的MPR 選擇算法中，不再使用節(jié)點(diǎn)意愿度（willingness）的概念，而是使用節(jié)點(diǎn)質(zhì)量評(píng)分EEP作為相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)，算法流程與標(biāo)準(zhǔn)OLSR 中的選取算法類似。

2.3 多徑路由設(shè)計(jì)

在FANET 中，高速移動(dòng)的節(jié)點(diǎn)會(huì)降低路由的可靠性，因此，可建立多條從源到達(dá)目的端的路徑，以降低鏈路不穩(wěn)定所帶來(lái)的影響。同時(shí)制定合適的路由度量標(biāo)準(zhǔn)，選擇較優(yōu)的一條路徑作為當(dāng)前數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā)路徑。

2.3.1 路徑度量

在標(biāo)準(zhǔn)OLSR 中，通過(guò)數(shù)據(jù)包從源到達(dá)目的端所需要進(jìn)行的轉(zhuǎn)發(fā)次數(shù)來(lái)對(duì)路徑進(jìn)行度量，但在部分情況下最少的轉(zhuǎn)發(fā)次數(shù)并不是最佳的路徑選擇。針對(duì)該問(wèn)題，有研究人員選擇期望傳輸次數(shù)（ETX）［20］、節(jié)點(diǎn)密度參數(shù)和干擾率［21］、能源效率度量標(biāo)準(zhǔn)（RESDN）［22］等作為路徑度量標(biāo)準(zhǔn)，以選擇較優(yōu)的路徑進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。

在UAV-OLSR 中，本文考慮影響路徑質(zhì)量的多個(gè)指標(biāo)，并綜合這些指標(biāo)對(duì)路徑的質(zhì)量進(jìn)行定量描述。其中，考慮的因素包括路徑上節(jié)點(diǎn)的剩余能量占比（Pre）、節(jié)點(diǎn)的對(duì)稱一跳鄰居節(jié)點(diǎn)比例（Rs_n）、節(jié)點(diǎn)的質(zhì)量評(píng)分（EEP）、節(jié)點(diǎn)的可用緩沖區(qū)比例（Rr_b）以及數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)所需跳數(shù)（HHOP）。部分參量通過(guò)在HELLO消息包和TC消息包中添加額外的字段（Pre（16 bit）、Rs_n（8 bit）、EEP（8 bit）、Rr_b（8 bit））實(shí)現(xiàn)全網(wǎng)感知。

Pre和EEP的定義分別如式（6）和式（8）所示，HHOP是指數(shù)據(jù)從源到達(dá)目的端所需要的轉(zhuǎn)發(fā)次數(shù)。Rs_n定義為節(jié)點(diǎn)的對(duì)稱一跳鄰居節(jié)點(diǎn)數(shù)量與節(jié)點(diǎn)的一跳鄰居數(shù)量集合中節(jié)點(diǎn)數(shù)量的比值：

其中：nsym為對(duì)稱一跳鄰居節(jié)點(diǎn)數(shù)量；nall為一跳鄰居節(jié)點(diǎn)總數(shù)量。

Rr_b定義為緩沖區(qū)可用的隊(duì)列長(zhǎng)度與初始化的緩沖區(qū)隊(duì)列長(zhǎng)度最大值的比值：

其中：qused是當(dāng)前緩沖區(qū)中排隊(duì)等候的數(shù)據(jù)包數(shù)量；qall是初始化的緩沖區(qū)隊(duì)列長(zhǎng)度最大值。

此外，在從源到目的端的路徑上，本文對(duì)除去源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)的其余節(jié)點(diǎn)的Rs_n、Rr_b、Pre、EEP進(jìn)行分析。對(duì)于Rr_b、Pre和EEP，取其最小值作為整條路徑的度量參數(shù)。對(duì)于Rs_n，將路徑上節(jié)點(diǎn)Rs_n值的乘積作為路徑度量參數(shù)。最后，分析相關(guān)參數(shù)對(duì)路徑質(zhì)量的影響類型，并將它們分為加性影響和乘性影響兩類。路徑度量準(zhǔn)則Rmeaure定義如下：

其中：αi(i=1，2，3，4)為加權(quán)系數(shù)，通過(guò)層次分析法確定；表示對(duì)所有的非源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)n(i)取x的最小值；表示所有非源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)的x連乘。

2.3.2 多徑計(jì)算

在UAV-OLSR 中，針對(duì)目的節(jié)點(diǎn)與源節(jié)點(diǎn)的距離制定了不同的多路徑計(jì)算策略，并采用按需計(jì)算的方法進(jìn)行多路徑計(jì)算。具體地，將目的節(jié)點(diǎn)分為一跳可達(dá)節(jié)點(diǎn)、兩跳可達(dá)節(jié)點(diǎn)、其余類型節(jié)點(diǎn)三類。

對(duì)于一跳可達(dá)節(jié)點(diǎn)，為其建立最多2 條路徑：r1為從源到目的地的直接路徑；r2為經(jīng)過(guò)一次中轉(zhuǎn)的路徑，且中轉(zhuǎn)節(jié)點(diǎn)也為源節(jié)點(diǎn)的鄰居節(jié)點(diǎn)。需要注意的是，r2存在的條件為目的節(jié)點(diǎn)既是源節(jié)點(diǎn)的一跳鄰居節(jié)點(diǎn)也是其兩跳鄰居節(jié)點(diǎn)。

對(duì)于兩跳可達(dá)節(jié)點(diǎn)，為其建立不超過(guò)3 條路徑：r1和r2都為最短路徑（轉(zhuǎn)發(fā)次數(shù)最少，下同）；r3為次短路徑（路徑長(zhǎng)度為最短路徑長(zhǎng)度加1）。兩跳可達(dá)節(jié)點(diǎn)多徑計(jì)算方法描述如算法1 所示。

路徑a和b的重復(fù)度定義如下：

其中：M=h為路徑上的節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)（不含源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)）；E為長(zhǎng)度為h的數(shù)組，若路徑a與b中第j個(gè)節(jié)點(diǎn)一致（不含源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)），則E中位置j處的元素為1，反之為0；n(i)表示E中連續(xù)i個(gè)1 出現(xiàn)的次數(shù)，例如E=[1，1，1，0，1，0]，則n(1)=4，n(2)=2，n(3)=1，n(4)=n(5)=n(6)=0。

2.3.3 多徑維護(hù)

UAV-OLSR 的多徑路由采用按需計(jì)算，因此僅對(duì)多徑路由表中已有的路由進(jìn)行維護(hù)。為每組路徑（s->d）定義一個(gè)有效時(shí)間t，每隔一個(gè)HELLO 周期對(duì)t進(jìn)行更新。若在當(dāng)前HELLO 周期內(nèi)該組路徑被使用，則t設(shè)置為最大值；反之，將t減1。若t≤0，則該組路徑記為失效，從路由表中將其刪除。

當(dāng)前節(jié)點(diǎn)接收到HELLO 消息或TC 消息后，將對(duì)路由表進(jìn)行更新。首先檢查每組路由的有效時(shí)間t，若t≤0，則將該組路徑刪除；反之，對(duì)路由項(xiàng)進(jìn)行更新，每組路徑的更新步驟如下：

1）計(jì)算到目的節(jié)點(diǎn)的最短路徑所需跳數(shù)，如果該值與當(dāng)前路由表中該組路由的最少跳數(shù)一致，則進(jìn)入第2 步，反之進(jìn)入第4 步。

2）檢查路徑的連通性，如果路徑仍連通，則進(jìn)入第3 步，反之進(jìn)入第4 步。

3）計(jì)算該組路徑中每條路徑的度量分?jǐn)?shù)，如果其最大值小于閾值φ，則進(jìn)入第4 步，反之進(jìn)入第5 步。

4）按照2.3.2 節(jié)所述方法重新計(jì)算到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)的多條路徑并選擇度量分?jǐn)?shù)較大的路徑作為備選。

5）對(duì)每條路徑的度量分?jǐn)?shù)進(jìn)行更新。

2.4 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)策略

在UAV-OLSR 中，多徑路由僅在源節(jié)點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算，且路徑信息包含在數(shù)據(jù)包的IP 頭部，中間節(jié)點(diǎn)根據(jù)IP頭部的路徑信息進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。由于網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涓麓嬖谘舆t，源節(jié)點(diǎn)計(jì)算的路徑可能存在部分無(wú)效的情況。為解決該問(wèn)題，本文在UAV-OLSR 中保留了OLSR 原有的路由表，若中間節(jié)點(diǎn)檢測(cè)到數(shù)據(jù)包頭部的路徑信息無(wú)效，則中間節(jié)點(diǎn)對(duì)數(shù)據(jù)包頭部信息進(jìn)行修改，并將數(shù)據(jù)包按照標(biāo)準(zhǔn)OLSR 中的轉(zhuǎn)發(fā)方式進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。

3 仿真分析

為驗(yàn)證UAV-OLSR 的有效性，在NS2 中進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)仿真測(cè)試，并將UAV-OLSR 與AODV、OLSR 進(jìn)行比較。對(duì)于自組織網(wǎng)絡(luò)而言，其性能參數(shù)包括數(shù)據(jù)包投遞率、端到端延遲、端到端吞吐量等，由于無(wú)人機(jī)節(jié)點(diǎn)的能量高度受限，因此網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間也是FANET 需要考慮的關(guān)鍵因素。

在仿真測(cè)試中，主要分析FANET 的數(shù)據(jù)包投遞率、平均數(shù)據(jù)包傳輸延遲和網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)剩余能量。在數(shù)據(jù)包大小已知的情況下，數(shù)據(jù)包投遞率和平均傳輸延遲也可以間接反映網(wǎng)絡(luò)吞吐量，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)剩余能量最小值是指某一時(shí)刻網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)的剩余能量最小值，該值越大，代表網(wǎng)絡(luò)的生存時(shí)間越長(zhǎng)。仿真測(cè)試部分關(guān)鍵參數(shù)如表1 所示。

表1 部分仿真參數(shù)Table 1 Some simulation parameters

具體地，建立一個(gè)固定大小的仿真區(qū)域，隨機(jī)初始化無(wú)人機(jī)節(jié)點(diǎn)的位置，并讓每個(gè)節(jié)點(diǎn)隨機(jī)移動(dòng)，在網(wǎng)絡(luò)中隨機(jī)生成固定數(shù)目的數(shù)據(jù)流（cbr 流），按照預(yù)設(shè)的仿真時(shí)間進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)仿真，并對(duì)仿真得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，進(jìn)而分析網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)性能。

圖1 所示為某時(shí)刻的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，圖中不同的線條箭頭代表不同的數(shù)據(jù)流（僅列出部分）。網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)具有較大的隨機(jī)性，因此，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋾?huì)呈現(xiàn)出高度的動(dòng)態(tài)性。

圖1 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涫疽鈭DFig.1 Schematic diagram of network topology

在仿真過(guò)程中，節(jié)點(diǎn)剩余能量百分比的最小值隨時(shí)間的變化情況如圖2 所示。在仿真初始階段，由于各節(jié)點(diǎn)剩余能量的百分比都較大，能量均衡效果并不明顯，因此，不同路由協(xié)議的節(jié)點(diǎn)剩余能量之間差異較小。隨著仿真的進(jìn)行，不同路由協(xié)議的能量均衡效果差異逐漸體現(xiàn)出來(lái)，具體表現(xiàn)為曲線在垂直方向上的間隔逐漸擴(kuò)大，由于OLSR 接收到HELLO 消息或者TC消息后都會(huì)進(jìn)行路由更新，因此其節(jié)點(diǎn)間的能量均衡效果優(yōu)于AODV，而UAV-OLSR 采用了能量均衡設(shè)計(jì)，其性能表現(xiàn)更優(yōu)于OLSR。

圖2 節(jié)點(diǎn)剩余能量百分比的最小值對(duì)比Fig.2 Comparison of minimum residual energy percentage of nodes

圖3 和圖4 所示分別為數(shù)據(jù)包的平均傳輸延遲和丟包率情況，曲線上點(diǎn)的縱坐標(biāo)代表以當(dāng)前橫坐標(biāo)為中心的一個(gè)時(shí)間區(qū)間內(nèi)的統(tǒng)計(jì)平均值。從圖3 可以看出，在仿真起始階段，因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)中擁塞現(xiàn)象不明顯，所以3 種路由協(xié)議的數(shù)據(jù)包平均延遲基本一致，在網(wǎng)絡(luò)仿真過(guò)程中，OLSR 路由協(xié)議的數(shù)據(jù)包平均傳輸延遲在多數(shù)情況下比AODV 路由協(xié)議低，而UAV-OLSR 協(xié)議的數(shù)據(jù)包平均傳輸延遲始終低于OLSR 和AODV。從圖4 可以看出，在仿真起始階段，3 種路由協(xié)議的性能差異并不明顯，在整個(gè)仿真過(guò)程中，OLSR 與AODV 的數(shù)據(jù)包投遞率差異不明顯，而UAV-OLSR 的數(shù)據(jù)包投遞率明顯高于OLSR 與AODV。

圖3 數(shù)據(jù)包平均傳輸延遲對(duì)比Fig.3 Comparison of average packet transmission delay

圖4 數(shù)據(jù)包投遞率對(duì)比Fig.4 Comparison of packet delivery rate

4 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)無(wú)人機(jī)自組網(wǎng)的高動(dòng)態(tài)特性以及節(jié)點(diǎn)能量高度受限的特點(diǎn)，提出一種基于OLSR 的無(wú)人機(jī)網(wǎng)絡(luò)適用路由協(xié)議UAV-OLSR。通過(guò)無(wú)人機(jī)集群狀態(tài)感知機(jī)制調(diào)整路由協(xié)議的相關(guān)參數(shù)，進(jìn)而適應(yīng)無(wú)人機(jī)集群的狀態(tài)變化。根據(jù)多維度的節(jié)點(diǎn)質(zhì)量評(píng)估和路徑評(píng)估機(jī)制選擇可靠的中間節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。使用自定義的多路徑計(jì)算方法計(jì)算從源到達(dá)目的端的多條路徑，并結(jié)合路徑評(píng)估和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)策略選擇較優(yōu)的路徑進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，與OLSR、AODV 等傳統(tǒng)移動(dòng)自組網(wǎng)路由協(xié)議相比，UAV-OLSR 能夠提高數(shù)據(jù)包投遞率，降低數(shù)據(jù)包延遲，從而實(shí)現(xiàn)較好的網(wǎng)絡(luò)能量均衡。下一步將在UAV-OLSR 的基礎(chǔ)上引進(jìn)節(jié)點(diǎn)休眠機(jī)制，以延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)的生存時(shí)間。