張 傲，段續(xù)庭，田大新

（北京航空航天大學交通科學與工程學院，北京 102206）

1 引 言

隨著通信技術的不斷發(fā)展，移動自組網(wǎng)逐漸成為通信系統(tǒng)的關鍵技術并得到廣泛應用。飛行自組網(wǎng)（Flying Ad hoc Networks, FANETs）作為移動自組網(wǎng)在空中領域的應用，以飛行器作為網(wǎng)絡節(jié)點，采用動態(tài)組網(wǎng)、無線中繼等技術實現(xiàn)節(jié)點之間的互聯(lián)互通，并要求具備自組織、抗干擾與高效組網(wǎng)等能力。所以飛行自組網(wǎng)在設計其路由協(xié)議和體系結構上都面臨著巨大的挑戰(zhàn)，涉及了從物理層到應用層的諸多關鍵技術[1]。

飛行自組網(wǎng)具有傳統(tǒng)無線自組網(wǎng)的共同特征，如無中心、自我調節(jié)和多跳等；又有車載自組網(wǎng)獨特的網(wǎng)絡特性：節(jié)點的移動性、行駛環(huán)境易受干擾、移動拓撲結構經常變化，網(wǎng)絡稀疏，并且難以建立端到端連接等特點[2]。由于飛行自組網(wǎng)的獨特特性，使得其路由需求遠遠超過了移動自組網(wǎng)，所以傳統(tǒng)自組網(wǎng)并不能直接應用于飛行自組網(wǎng)中。為了在飛行自組網(wǎng)中實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信，所設計的網(wǎng)絡架構或通信機制就必須適應飛行自組網(wǎng)的特殊性質[3]。

飛行自組網(wǎng)可以更加廣泛地應用的重要條件就是設計適合于FANETs 的路由協(xié)議。網(wǎng)絡的性能很大程度上會受路由的影響，所以路由技術成為飛行自組網(wǎng)核心技術之一。為了建立更加可信的網(wǎng)絡，在文獻[4]中設計基于位置感知的路由方案，用來優(yōu)化路由的安全與性能設計。在文獻[5]中提出基于無人機背景下的車載自組網(wǎng)路由協(xié)議，即CRUV 協(xié)議。協(xié)議中所接收的信息與無人機共享，對交通路段帶來益處。胡春等[6]針對無人機的快速移動引起鏈路中斷問題提出了一種按需尋路的可靠路由協(xié)議。文獻[7]針對復雜環(huán)境干擾下飛行自組網(wǎng)中定位問題進行研究，設計高精度抗干擾定位技術來滿足節(jié)點定位需求。

為了使飛行自組網(wǎng)廣泛應用，國內高校實驗室目前也有許多飛行自組網(wǎng)方面的研究，開發(fā)了基于HLA 分布式操作搭建的FANETs 仿真平臺，為開發(fā)飛行自組網(wǎng)中的路由協(xié)議提供仿真驗證平臺[8]；北京航空航天大學在自主搭建的多無人機平臺中實現(xiàn)無人機相互之間的通信協(xié)作[9]，驗證了多無人機通信系統(tǒng)的有效性。飛行自組網(wǎng)的研究促進了無人機及其應用的發(fā)展，多無人機集群的飛行自組網(wǎng)具有靈活性，面向實際應用領域的研究目前還在進一步研究與學習階段，需要大量地進行實驗驗證與總結。

學者們對路由協(xié)議不斷進行優(yōu)化與改進，在存在惡意節(jié)點或其他干擾的情況下，所設計的路由仍然能夠提供可靠可信的路由。Dietzel 等[10]設計了在多跳路由協(xié)議中對冗余信息的傳播，以此來檢測路由內部的方法。在文中還提出了對于3 種度量圖的度量冗余度的方法，及時發(fā)現(xiàn)與制止行為不端的惡意節(jié)點。研究者們對飛行自組網(wǎng)的路由協(xié)議進行深入研究，但隨著FANETs 技術的廣泛應用，其面臨的問題也越來越多，每種路由協(xié)議都有其特定的優(yōu)缺點，適用于特定情況?，F(xiàn)有的多數(shù)方法都是圍繞路徑長度、路徑的更新情況、路徑的通信開銷、路徑的通信質量進行研究及創(chuàng)新。

本文旨在根據(jù)飛行自組網(wǎng)的網(wǎng)絡特性設計一種多路徑路由算法，用以為無人機間提供有效且可靠的通信數(shù)據(jù)傳輸，并在存在惡意干擾時為FANETs 中提供網(wǎng)絡彈性保證，使其在存在惡意干擾或信號中斷、局部故障的情況下能夠保持整體網(wǎng)絡性能。研究中將構建基于鏈路質量、流量負載和空間距離的抗干擾多路徑路由模型，以深入研究路由信息的傳遞路徑。通過仿真實驗評估所提出的路由協(xié)議，并將其性能與典型路由協(xié)議進行比較和分析，驗證所設計模型的有效性和可靠性。

2 系統(tǒng)模型

在本文中，我們分析一組在FANETs 中的無人機作為自由移動的節(jié)點，每個節(jié)點都由各自的地理位置進行標注。各節(jié)點配備全球定位系統(tǒng)，慣性測量單元和數(shù)字地圖，來獲取其節(jié)點的地理位置和相關移動信息[11]。假設無人機在進行數(shù)據(jù)通信時處于同一水平面，即高度恒定[12]。因此，為簡化研究場景，本文考慮在二維（2D）空間，設計遷移模型和空間距離方案。例如，第i個節(jié)點ni的二維位置坐標和速度矢量分別由{xi,yi}和{vix,viy}表示,研究結論同樣可以擴展到三維（3D）空間。本文假設節(jié)點沒有能量限制，因為它們配備了可從充電站或環(huán)境能源（例如，無線功率傳輸、太陽能等）充電的可充電電池。另外，假設每個節(jié)點具備IEEE802.11p 無線通信能力，傳輸范圍為300 m。

2.1 鏈路質量

為了對鏈路質量進行評價，在以往的研究中大多數(shù)采用以下4 個指標之一：接收信號強度指示（Received Signal Strength Indicator, RSSI）、數(shù)據(jù)包傳遞率（Packet Delivery Rate, PDR）、信號與干擾加噪聲比和誤碼率。與其他3 個指標相比，RSSI可以快速準確地估算出鏈接是否質量很好[13]。文獻[14]證明較高的RSSI 值會導致更好的數(shù)據(jù)包傳輸率，并且只要無線電收發(fā)器的RSSI 值保持在55 dBm 以上，基本上可以實現(xiàn)所有數(shù)據(jù)包的傳輸。另外，由于RSSI 在較短時間內的數(shù)值變化微?。藴势钚∮?dBm），以此來判斷鏈路的穩(wěn)定狀態(tài)。本文采用RSSI 的統(tǒng)計信息來對鏈路質量進行評估。

在本文中，利用基于切比雪夫（Chebyshev）不等式的函數(shù)[15]來對鏈路質量進行評估。在概率論中，切比雪夫不等式可以確保在任意的概率分布或數(shù)據(jù)樣本中，則對于任意正數(shù)ε，數(shù)學期望E(X)和方差var(X)關于離散變量X具有以下不等式：

當方差var(X)趨于零時，隨機變量X的值無限接近或與其期望值相等，也就是說隨機變量X在這種情況下是相對穩(wěn)定的。根據(jù)數(shù)學定義，方差可以表示為：

以及：

式中，n為所計算方差的總體例數(shù)。

因此，var(X)可以表示為

無線收發(fā)器普遍擁有RSSI 寄存器，其中讀取的RSSI 值可以反映出此時的接收信號強度。因此，節(jié)點接收到鄰居節(jié)點傳來的數(shù)據(jù)包的同時，也就讀取了RSSI 寄存器中的信息。此處，將RSSI代入式（4）中的變量X。若RSSI 的值接近提出的預期值（如55 dBm），就可以認定發(fā)送和接收兩端節(jié)點間的鏈路具有穩(wěn)定性。那么兩個節(jié)點（如ni和nj）之間的鏈路質量LQi,j表示為

式中，Nrssi為RSSI 樣本的總數(shù)；Rx為第x個樣本的RSSI 值。

例如，節(jié)點na，nb和nc是ni的鄰居節(jié)點。如表1所示，Rx，Rx+1，Rx+2和Rx+3是來自na，nb和nc的最新接收數(shù)據(jù)包中的RSSI 值。ni可以根據(jù)式（5）計算鏈路質量，其中LQ計算值最小的節(jié)點與ni之間構成的鏈路被視為最穩(wěn)定鏈路。

表1 計算節(jié)點鏈路質量Table 1 Calculation results of node link quality

根據(jù)表中數(shù)據(jù)可知，在na，nb和nc節(jié)點中，LQi,a計算值最小，認為ni和na之間的路徑是最穩(wěn)定鏈路。若出現(xiàn)兩個節(jié)點的LQ值相同的情況，則比較接收到的最后一個數(shù)據(jù)包的RSSI 值，與預期值（如55 dBm）相差最小的節(jié)點作為鄰居節(jié)點以提供穩(wěn)定的鏈路。例如，nb和nc之間進行比較，由于最后的數(shù)據(jù)包中58 dBm 與55 dBm 更接近，所以認為nc與ni之間的路徑為更穩(wěn)定鏈路。

2.2 流量負載

具有請求發(fā)送（Request To Send, RTS）/清除發(fā)送（Clear To Send, CTS）交換的IEEE802.11介質訪問控制（Medium Access Control, MAC）協(xié)議可以解決隱藏終端或暴露終端可能導致的幀沖突。該協(xié)議引入了物理載波與虛擬載波偵聽結合的新概念，在這種協(xié)議中，利用網(wǎng)絡分配向量（Network Allocation Vector, NAV）來實現(xiàn)這種概念。NAV 中有一個時間值，可以用來表示無線介質因其他的節(jié)點傳輸而預計信道繁忙的持續(xù)時間值。當節(jié)點收到MAC 層帶有幀傳輸時間字段的RTS 或CTS 數(shù)據(jù)包時，則以此設置自己的NAV，并設置在這段時間段后再進行其他可能的傳輸。NAV 還用來反映介質的繁忙程度，可以用來衡量節(jié)點爭用和業(yè)務負載情況[16]。例如，具有3 個活躍鄰居節(jié)點的節(jié)點比只有一個活躍鄰居節(jié)點的節(jié)點獲得訪問共享介質的可能性小。所以，短時間內信道的平均繁忙程度可以反映出節(jié)點附近的業(yè)務負載情況。為了減輕流量突發(fā)的影響，節(jié)點ni處無線介質的平均繁忙程度Tibusy表示為

式中，NAVik-1為來自最近的媒體訪問的度量；α為系統(tǒng)參數(shù)，根據(jù)當前流量狀況對平均值計算產生的影響進行配置。

根據(jù)IEEE802.11 的通信機制，當MAC 層不能及時將分組發(fā)送出去時，就會在存儲器中對分組進行緩存。那么，在業(yè)務負載多的情況下，一些節(jié)點的緩存區(qū)中就會有更多的數(shù)據(jù)包在此等待并緩存。因此，節(jié)點ni的緩存區(qū)中存儲的平均等待數(shù)據(jù)包數(shù)Qibuf可以長期指示ni周圍的業(yè)務負載，可以表示為

式中，Bik-1為緩存區(qū)中存儲的最新測量的等待數(shù)據(jù)包數(shù)；β為系統(tǒng)參數(shù)，根據(jù)當前流量狀況對平均值計算產生的影響進行配置。

這里，對式(6)、式(7)中的系統(tǒng)參數(shù)α、β進行說明，α、β∈[0，1]，α、β的值越大表示當前流量狀況對平均值的影響就越大。當α、β取極值1 時，當前流量狀況主導平均流量負載。在本文實驗中，α、β取值為0.1。

由以上得出，節(jié)點ni的總流量負載TLi可以表示為

式中，γ為濾波器增益常數(shù)，取值范圍為[ 0 ，1]；?為調整因子；(Tibusy+Qibuf)·?為介質訪問和分組隊列延遲。Tbusy和Qbuf分別是存儲在節(jié)點na，nb和nc的緩存區(qū)中的無線介質的平均繁忙程度和平均等待數(shù)據(jù)包數(shù)量，如表2所示。在本文中，濾波器增益常數(shù)取0.5，調整因子取0.02。根據(jù)式（8），為各個節(jié)點計算業(yè)務負載。TLb是最小的，所以nb點流量負載最輕。其中，na、nb和nc的流量負載分別為11.6282、7.7468 和8.9054。

表2 計算節(jié)點流量Table 2 Calculation results of node traffic

2.3 空間距離

當FANETs 遭受惡意攻擊時，這些惡意攻擊會通過有意的干擾和破壞掩蓋關鍵任務區(qū)域。在該區(qū)域中，在不同的路徑上進行工作的無人機會在同一時間被惡意信號所干擾，而進一步導致源節(jié)點與目的節(jié)點之間的幾條路徑由于這種情況而斷開鏈接。因此，本節(jié)的重點就是如何利用空間節(jié)點不相交的多條路徑來避免通信傳輸沖突和路由耦合，而且還要達到減少局部故障和干擾對整體網(wǎng)絡通信的影響。

在本節(jié)中提出適用于節(jié)點不相交的多路徑的空間距離計算規(guī)則和基于文獻[17]的測量路徑與路徑之間物理距離的計算方法。首先，路徑p中節(jié)點ni與路徑q之間的距離定義為路徑p的節(jié)點ni到路徑q的所有節(jié)點的距離中的最小距離，可以表示為

式中，dist(i,j)為節(jié)點ni與nj之間的空間距離，可表示為

其中，{xi,yi}為節(jié)點ni二維位置坐標；{x j,yj}為節(jié)點nj二維位置坐標。

路徑p到路徑q的距離定義為路徑p到路徑q上所有節(jié)點的距離的算術平均值，可以表示為

式中，size(p)為路徑p上的節(jié)點數(shù)（除源節(jié)點和目的節(jié)點）。

由于式（11）是針對其中一條路徑而言的，所以路徑p和q之間的空間距離表示為

例如，源節(jié)點nS和目標節(jié)點nD之間有三條路徑p、q和r，各節(jié)點的位置坐標如圖1所示。在此，我們考慮水平的二維空間，即X-Y平面上。

圖1 節(jié)點位置坐標Fig.1 Position coordinates of the node

如表3所示,可以根據(jù)式（12）計算任意兩個路徑之間的空間距離,路徑p,r有最大的空間距離,δ(p,r)= 10。

表3 計算節(jié)點空間距離Table 3 Calculation results of node space distance

3 路由算法原理

3.1 路由發(fā)現(xiàn)過程

在源節(jié)點有數(shù)據(jù)傳輸需求時，發(fā)送數(shù)據(jù)包前會先在自己的路由表中尋找可以到目標節(jié)點的路由。若無法找到這樣的路由或路由不可用，那么源節(jié)點會廣播路由請求包（Route Request,RREQ）進行路由發(fā)現(xiàn)過程。

RREQ 包中有源節(jié)點ID（Sid）,目標節(jié)點ID（Did）,包序列號（pktseq），源節(jié)點的跳數(shù)（Chop）、源路由記錄（Hroute）、位置坐標列表記錄（Pcoord），沿途最差鏈路質量（Lqt）和最大沿線的業(yè)務負載（Tld）。RREQ 包的長度以Byte 為單位，格式如圖2所示。

圖2 RREQ 消息的格式Fig.2 Format of the RREQ package

3.2 正向路由建立過程

傳輸路徑中的各個中間節(jié)點首次收到鄰居節(jié)點的RREQ 包，首先對包序列號pktseq和到源節(jié)點的跳數(shù)Chop進行緩存。根據(jù)式（5）和式（8）可以計算得到此節(jié)點和發(fā)送RREQ 包的節(jié)點之間的鏈路質量和此刻的業(yè)務負載。由于RREQ 包中Lqt為沿途最差鏈路質量，如果根據(jù)公式計算的鏈路質量大于Lqt，則對Lqt進行替換。同理，由于RREQ 包中Tld為沿線最大業(yè)務負載，若計算得到的流量負載大于Tld，則對Tld進行替換。并將這個節(jié)點的ID 添加到Hroute中，將節(jié)點的位置坐標添加到Pcoord中，將跳數(shù)Chop的值加1，然后進行重新廣播。若鏈路質量與業(yè)務負載小于或等于當前值，將僅在源路由記錄Hroute中添加節(jié)點ID，在位置坐標列表記錄Pcoord中添加位置坐標，將跳數(shù)值加1，且重新廣播RREQ 包。

當節(jié)點再次接收到重復的RREQ 數(shù)據(jù)包時，會把再次接收到的數(shù)據(jù)包中搭載的Chop與之前緩存的跳數(shù)進行對比。如果RREQ 包中的Chop大于之前緩存的跳數(shù)，那么此節(jié)點將忽略重復的RREQ 數(shù)據(jù)包。

3.3 反向路由建立過程

在反應式路由協(xié)議中，各節(jié)點會主動監(jiān)聽正在傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包，而且會在其路由表中緩存路由信息，以此來掌握其他節(jié)點的路由信息。在這個過程中，監(jiān)聽有利于提高路由的性能。本文中提出的抗干擾多路徑路由，即使中間節(jié)點的路由表中已經存在了目的節(jié)點的路由信息，中間節(jié)點也不可以對此進行路由回復，將路由回復（RREP）數(shù)據(jù)包直接回復到源節(jié)點。這是因為如果中間節(jié)點從緩存中回復RREP 數(shù)據(jù)包，由于目的節(jié)點沒有達到匹配的RREQ 數(shù)據(jù)包數(shù)量，導致很難建立最大空間節(jié)點不相交的多條路徑，目的節(jié)點將不知道中間節(jié)點緩存的路由信息[18]。

目的節(jié)點接將收到的多個不相交節(jié)點的路由信息存儲在路由表中。當目的節(jié)點第一次接收到RREQ 數(shù)據(jù)包時，它會在自己的路由表中記錄pktseq，Hroute，Pcoord，Lqt和Tld這些信息。目的節(jié)點會在一定的時間段內（twait）持續(xù)地接收更多的RREQ 數(shù)據(jù)包，并掌握所有可能的路由信息。

當目的節(jié)點再次接收到與之前相同的RREQ數(shù)據(jù)包時，就會將重復的RREQ 數(shù)據(jù)包中的Hroute與路由表中記錄的所有節(jié)點不相交路徑進行對比。如果這個重復的RREQ 數(shù)據(jù)包中的Hroute記錄的節(jié)點，除了源節(jié)點和目的節(jié)點外，與路由表中已有的節(jié)點不相交路徑之間沒有共有的點，它將接收到的RREQ 數(shù)據(jù)包中的pktseq，Hroute，Pcoord，Lqt和Tld記錄到路由表中。否則，目的節(jié)點會因為不滿足節(jié)點不相交路徑的要求而丟棄接收到的RREQ 數(shù)據(jù)包。

大多數(shù)路由算法幾乎沒有考慮長距離通信問題，這帶來了較高能耗[19]。所以第一次接收到的RREQ 數(shù)據(jù)包中所記錄的路徑（最短延遲路徑）有更高的優(yōu)先權在路由表中進行存儲。最短延遲路徑的特點是源節(jié)點和目標節(jié)點之間的跳數(shù)更少，沿轉發(fā)路徑具有更好的鏈路質量和輕量的業(yè)務負載。最短延遲路徑還具有最大限度地減少傳輸延遲和路由發(fā)現(xiàn)過程等待時間，是在反應式路由協(xié)議中根據(jù)實際情況急需解決的問題。

在twait時間段過后，目標節(jié)點會通過計算的鏈路質量、業(yè)務負載和空間距離來選擇不存在公共節(jié)點的路徑。本文將研究路徑數(shù)目設置為兩條。在路由表中每對路徑都匹配相應優(yōu)先級（Pprio），這代表節(jié)點不相交路徑在鏈路質量、業(yè)務負載和空間距離的綜合判斷因子。兩個節(jié)點不相交路徑p和q的優(yōu)先級可以表示為

式中，為沿著路徑p的最差鏈路質量；為沿著路徑p的最大業(yè)務負載；為沿著路徑q的最差鏈路質量；為沿著路徑q的最大業(yè)務負；δ(p,q)為路徑p和q之間的空間距離。

此處，?、σ和?是計算對優(yōu)先級的每個指標的加權因子，并且(?+σ+?) = 1。根據(jù)計算出的，將選擇具有最小Pprio的路徑，對作為兩條不相交的路徑發(fā)送數(shù)據(jù)包。

在此過程之后，目標節(jié)點將帶有反向路由信息的RREP 數(shù)據(jù)包回復到源節(jié)點。源節(jié)點在接收到RREP 包之后，在自己的路由表中記錄RREP包中的完整路由信息，然后沿著兩條節(jié)點不相交路徑開始進行數(shù)據(jù)包的傳輸。路由建立流程如圖3所示。

圖3 路由建立流程圖Fig.3 Flow chart of routing setup

3.4 路由異常修復策略

由于節(jié)點的移動性、業(yè)務擁塞、數(shù)據(jù)包沖突，甚至故意的阻塞和中斷，路徑的某些鏈路可能經常斷開。在飛行自組網(wǎng)抗干擾多路徑路由中，如果節(jié)點連續(xù)未能沿轉發(fā)路徑將數(shù)據(jù)包傳遞到下一跳節(jié)點，即未聽到隱式確認或未收到顯式確認[20]，則它會認為鏈路已斷開并通過斷開的鏈路路由發(fā)送錯誤（Route Error, RERR）數(shù)據(jù)包到源節(jié)點。接收到RERR 數(shù)據(jù)包后，源節(jié)點將刪除其路由表中包含斷開鏈路的整個路徑。如果會話的兩個節(jié)點不相交路徑中只有一個無效，則源節(jié)點將使用剩余的有效路徑來傳遞數(shù)據(jù)包。如果兩個路徑均無效，則源節(jié)點再次啟動路由發(fā)現(xiàn)過程，以找到一對新的節(jié)點不相交路徑發(fā)送數(shù)據(jù)包，如圖4所示。

圖4 路由控制流程圖Fig.4 Flow chart of routing control

例如，在源節(jié)點nS和目標節(jié)點nD之間有3個不相交的路徑X，Y和Z，如圖5所示。圖中惡意節(jié)點nm能夠連續(xù)廣播干擾信號，以干擾路徑Y和Z中節(jié)點ne和nh的通信，并中斷nS和nD之間路徑Y和Z的整個通信。如果將路徑Y和Z選擇為兩個不相交的節(jié)點進行通信，則這種不利的情況將使多路徑路由的好處無效。

圖5 網(wǎng)絡示意圖Fig.5 Schematic diagram of network

此處，?，σ和?分別設置為0.2、0.2 和0.6，其中，空間距離的權重大于鏈路質量和業(yè)務負載的權重。當節(jié)點收到路由控制信息后，飛行組網(wǎng)抗干擾多路徑路由的目的是阻止選擇物理上更近的路徑，以避免它們被單一的干擾源干擾，并且使端到端的中斷率以及網(wǎng)絡彈性和性能可以在惡意干擾存在的情況下得到改善。

4 RREP 包接收率影響因素研究

進一步從源節(jié)點的RREP包接收速率（用Rrrep表示）來分析所提出的飛行自組網(wǎng)抗干擾多路徑路由協(xié)議。當源節(jié)點接收到與先前發(fā)出的RREQ包相對應的RREP 包時，它成功地找到一條將數(shù)據(jù)包發(fā)送到目標節(jié)點的路徑。假設：網(wǎng)絡規(guī)模是X×Ym2，其中N節(jié)點是均勻分布的，一個數(shù)據(jù)包損失率ζ由鏈路質量或鏈接狀態(tài)決定。和分別表示目標節(jié)點接收RREQ 包和源節(jié)點接收RREP 包的概率。Rrrep表示為

本文中，源節(jié)點與目標節(jié)點之間的平均跳數(shù)chop根據(jù)文獻[21]近似表示為

式中，? 為每一跳的平均進度；d為源節(jié)點與目標節(jié)點之間的平均距離；R為每個節(jié)點的通信范圍；ξ是位于R內節(jié)點的平均數(shù)量。

其中

這里，Rsr是一個RREP 包通過跳數(shù)chop被轉發(fā)回源節(jié)點的概率。最后，Rrrep表示為：

圖6～8 中，給出了網(wǎng)絡中源節(jié)點和目標節(jié)點之間的跳數(shù)和源節(jié)點的RREP 包接收速率與節(jié)點數(shù)量和信道錯誤率的數(shù)值結果。在第2 節(jié)中，我們假設無人機在進行數(shù)據(jù)通信時高度恒定，即在同一水平面內，選取這一水平面中的 1000×1000 m2作為仿真區(qū)域，隨機生成的節(jié)點作為無人機通信節(jié)點。在理想情況下，通信模塊的能量以各向同性的特性向外擴散，由此建立的模型在通信仿真中廣泛應用[22-24]。特別是在無線傳感器網(wǎng)絡的路由、覆蓋、拓撲等仿真設計中，圓形模型被作為通信模型。因此，飛行自組網(wǎng)中節(jié)點通信網(wǎng)絡覆蓋范圍為以無人機為圓心通信距離為半徑的圓形區(qū)域。在仿真中，50～100 個節(jié)點均勻分布在一個1000×1000 m2的網(wǎng)絡區(qū)域內，每個節(jié)點的通信距離為300 m，信道誤碼率為5%～10%。

圖6 RREP 包節(jié)點數(shù)與跳數(shù)Fig.6 Number of RREP packet nodes and the number of hops

從圖6可以看出，源節(jié)點和目標節(jié)點之間的跳數(shù)隨節(jié)點數(shù)的增加變化不是十分明顯，所以網(wǎng)絡中源節(jié)點和目標節(jié)點之間的跳數(shù)對網(wǎng)絡中的節(jié)點數(shù)并不敏感，從圖中可以看出跳數(shù)大概穩(wěn)定在2.427 跳左右。如圖7所示，隨著節(jié)點數(shù)量的增加，路由回復包的接收速率變化不大，這是因為隨著節(jié)點密度的不斷增加，源節(jié)點與目標節(jié)點之間的平均跳數(shù)變化不大。然而，接收兩個路由回復包的概率比接收一個路由回復包的概率要低，因為在傳輸過程中，由于信道質量差或鏈路斷開，可能會存在丟失一個路由回復包的情況。在圖8中，隨著信道誤碼率的增加，路由回復包RREP報文的接收速率明顯降低。這是因為路由請求包RREQ 或路由回復包RREP 在傳輸過程中丟失的機會更多，信道誤碼率也更大。

圖7 RREP 包接收速率與節(jié)點數(shù)Fig.7 RREP packet reception rate and number of nodes

圖8 RREP 包接收速率與信道誤碼率Fig.8 RREP packet reception rate and channel error rate

5 仿真分析

本文使用OMNeT++對所設計的A-JMR 進行仿真實驗，以此來評估和分析A-JMR 的性能。在1000×1000 m2的網(wǎng)絡區(qū)域內進行仿真，在這個區(qū)域內均勻分布著 50～100 個節(jié)點。節(jié)點采用IEEE802.11 p 的無線收發(fā)器。節(jié)點之間的通信距離設置為300 m，數(shù)據(jù)傳輸速率假設為2 Mbps。網(wǎng)絡中采用隨機路徑點遷移模型[25]，節(jié)點以30 m/s 零暫停地向網(wǎng)絡中隨機選擇的目的地進行恒速移動。源節(jié)點以1.0～3.0 b/s 的恒定比特率生成流量包，數(shù)據(jù)包的大小為512 Byte。仿真時間持續(xù)3000 s，各仿真場景使用不同隨機生成種子進行10 次重復實驗，可以得到較為可靠的性能指標。仿真參數(shù)如表4所示。

表4 仿真參數(shù)Table 4 Simulation parameters

FANETs 路由協(xié)議經過多年發(fā)展，在不同應用中得到廣泛應用[26]。為了比較本文協(xié)議的性能，下面介紹3 種有代表性的作為實驗對比對象的路由協(xié)議，分別是動態(tài)源路由（Dynamic Source Routing, DSR）[27]、優(yōu)化鏈路狀態(tài)路由（Optimized Link State Routing, OLSR）[28]和分裂多路徑路由（Split Multipath Routing, SMR）[29]。3 種基準路由協(xié)議的主要操作簡述如下。

（1）動態(tài)源路由。當源節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)包之前，會在自己的路由表中搜索到目的節(jié)點的路由。若是出現(xiàn)路由不可用的情況，那么源節(jié)點將廣播RREQ 包，以此來啟動路由發(fā)現(xiàn)過程。位于源節(jié)點和目的節(jié)點之間的中間節(jié)點的路由表中若沒有可以到達目的節(jié)點的路由信息，將會在數(shù)據(jù)包報頭中添加其節(jié)點地址并再次廣播接收到的RREQ。當目的節(jié)點收到RREQ 數(shù)據(jù)包時，會向源節(jié)點返回一個RREP 數(shù)據(jù)包。源節(jié)點接到RREP后，使用包報頭中承載的完整路由發(fā)送數(shù)據(jù)包。

（2）優(yōu)化的鏈路狀態(tài)路由。節(jié)點之間會維護可以在兩跳以下就能到達的鄰居節(jié)點。多點中繼（Multipoint Relay, MPR）算法可以使覆蓋所有兩跳鄰居節(jié)點所需的繼電器數(shù)量最小化。僅當發(fā)送方節(jié)點將數(shù)據(jù)包選為MPR 時，才會開始轉發(fā)數(shù)據(jù)包。為維護路由表，OLSR 周期性地在MPR 上更新鏈路狀態(tài)。最后，在每個節(jié)點上創(chuàng)建活動路由，以到達網(wǎng)絡中任意的目的節(jié)點。

（3）分裂多路徑路由。當源節(jié)點要將數(shù)據(jù)包發(fā)送到路由不可用的目的節(jié)點時，源節(jié)點會在網(wǎng)絡中廣播RREQ 包。首次接到RREQ 包時，目的節(jié)點會將第一次收到的RREQ 包中搭載的路由信息作為第一個可用的路徑，同時源節(jié)點將RREP包回復到源節(jié)點。目的節(jié)點在一段時間進行等待來接收后續(xù)的RREQ 包。目的節(jié)點選擇公共節(jié)點數(shù)最少并且有回復的路由。最后，目標節(jié)點通過第二個選擇的路由向源節(jié)點發(fā)送另一個RREP 包。

5.1 包傳遞率

首先，通過改變數(shù)據(jù)包注入速率、節(jié)點數(shù)量和惡意干擾器數(shù)量來測量數(shù)據(jù)包傳遞率PDR。隨著包注入速率的增加，4 種方案PDR 減小，如圖9所示。隨著數(shù)據(jù)包的增加，惡意干擾信號與其碰撞概率越大。數(shù)據(jù)包傳遞率減小可能是由于信道質量差導致數(shù)據(jù)包在傳輸過程中丟失。其中，A-JMR 體現(xiàn)了最好的性能。因為A-JMR 選擇最大空間節(jié)點不相交路徑來進行數(shù)據(jù)包的傳輸。由于包注入速率逐漸增加，在網(wǎng)絡中就會有更多正在傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包。若其中一條路徑被干擾而導致不能正常地傳輸，數(shù)據(jù)包還可以沿另一條與此路徑相對應的最大空間節(jié)點不相交路徑來傳輸。

圖9 包傳遞率與分組注入速率Fig.9 Packet injection rate and delivery ratio

網(wǎng)絡節(jié)點數(shù)量增多，路由的PDR 也會隨之增加，如圖10 所示。節(jié)點密度增大，節(jié)點周圍就會出現(xiàn)更多的鄰居節(jié)點，源節(jié)點和目的節(jié)點之間有可以構建出更多條路由來進行數(shù)據(jù)包的發(fā)送。SMR 和A-JMR 的PDR 比另外兩個路由高，在SMR 和A-JMR 中是選擇多條路徑進行傳輸?shù)模康墓?jié)點在有惡意干擾的情況下也可以接收到數(shù)據(jù)包。尤其是A-JMR 選擇的是最大空間節(jié)點不相交的路徑，受惡意干擾的影響就會小一些，PDR也會顯示較高的數(shù)值。

圖10 包傳遞率與點節(jié)數(shù)量Fig.10 Number of nodes and packet delivery ratio

隨著惡意干擾的增加，PDR 的曲線明顯降低，如圖11 所示。但是，A-JMR 比其他幾個路由的表現(xiàn)更好，這得益于A-JMR 選擇的是優(yōu)鏈路質量、輕業(yè)務負載、最大空間節(jié)點不相交的路徑來進行發(fā)送。

圖11 包傳遞率與干擾器數(shù)量Fig.11 Packet delivery ratio and number of jammers

5.2 通信中斷率

端到端通信中斷率（COR）通過節(jié)點和惡意干擾器數(shù)量進行測試。隨著網(wǎng)絡中節(jié)點數(shù)量的增加，各路由的整體COR 逐漸減小，如圖12 所示。隨著節(jié)點密度的增加，每個節(jié)點有更多的相鄰節(jié)點，因此在任意兩個節(jié)點之間有更多的路由路徑可用。盡管惡意的干擾器可以破壞一定數(shù)量的路由，但是仍然有更多的路由路徑可用，所以COR呈減少的狀態(tài)。其中，A-JMR 優(yōu)于其他3 種路由，在節(jié)點數(shù)量增加時提供了最低的COR。因為選擇最大空間節(jié)點不相交路徑，干擾信號的半徑覆蓋兩個最大空間距離路徑的機會更小。

圖12 節(jié)點數(shù)量與通信中斷率Fig.12 Number of nodes and end-to-end communication outage rate

如圖13 所示，COR 對惡意干擾器的數(shù)量非常敏感。隨著惡意干擾器數(shù)量的增加，COR 顯著性增加。惡意干擾器的干擾信號會干擾大量中間節(jié)點的接收和發(fā)送，從而影響源節(jié)點和目標節(jié)點之間的整個端到端連接，最終影響路由路徑的總數(shù)。然而，A-JMR 的COR 值最低，因為在每個路由發(fā)現(xiàn)過程中都選擇了空間距離最大的兩條路由路徑。因此，中斷的端到端連接數(shù)量較少。此外，隨著惡意干擾器數(shù)量的增加，A-JMR 與其他3 種路由的COR 差異也隨之增大。

圖13 干擾器數(shù)量與通信中斷率Fig.13 Number of jammers and end-to-end communication outage rate

5.3 傳輸延遲

本文選擇節(jié)點數(shù)量和惡意干擾器數(shù)量的變化來測量數(shù)據(jù)包發(fā)送延遲，如圖14～15 所示。改變節(jié)點數(shù)量時OLSR 的PDL 最低。因為OLSR 是主動路由協(xié)議，路由表定期更新和共享，并使用存儲的路由路徑立即傳輸數(shù)據(jù)包沒有延遲。對于其他3 種路由，必須啟動路由發(fā)現(xiàn)過程來查找路由路徑。與OLSR 相比，它們可以獲得更大的PDL。其中，DSR 的PDL 最高，目的節(jié)點使用RREP包來回復第一個RREQ 包，以此來構建源節(jié)點與目的節(jié)點之間的路徑。這條路徑有可能會因惡意干擾而引起中間節(jié)點不能正常將數(shù)據(jù)包發(fā)送到下一跳節(jié)點，在發(fā)生這種情況時會重新發(fā)送數(shù)據(jù)包給源節(jié)點，以此來重新啟動路由發(fā)現(xiàn)過程，進而導致PDL 的值提高。SMR 選擇最大節(jié)點不相交路徑，那么所選的幾條路徑會由于距離相近而同時在干擾區(qū)域內，受到這種影響就會重啟路由發(fā)現(xiàn)過程，這個過程導致耗時增加。

圖14 節(jié)點數(shù)與包傳輸延遲Fig.14 Number of nodes and packet delivery latency

圖15 干擾器數(shù)量與包傳輸延遲Fig.15 Number of jammers and packet delivery latency

5.4 實驗結果對比

仿真實驗通過改變數(shù)據(jù)包注入速率、節(jié)點數(shù)量與惡意干擾器數(shù)量來對比幾種路由協(xié)議下的網(wǎng)絡性能。

當改變數(shù)據(jù)包注入速率時，數(shù)據(jù)包傳遞率會隨著包注入速率的增加而減少。其中，A-JMR 展現(xiàn)了良好的網(wǎng)絡性能，在包注入速率增加過程中，其數(shù)據(jù)包傳遞率始終高于其他3 種路由。

當改變節(jié)點數(shù)量時，網(wǎng)絡的包傳遞率、通信中斷率與傳輸延遲均會不同程度地受到影響。當節(jié)點數(shù)量增多時，鄰居節(jié)點的增加會成功構建出更多的可用路由，所以包傳遞率上升，而通信中斷率呈下降趨勢。A-JMR 與SMR 為多路徑路由，因此在包傳遞率與通信中斷率方面比其他兩種路由更具優(yōu)勢。在傳輸延遲方面，OLSR 為主動路由實時傳輸數(shù)據(jù)包延遲較??；DSR 與SMR 存在重啟路由的情況而導致傳輸延遲更加明顯。A-JMR 選擇空間距離最大的兩條路由，只要其中一條不在干擾區(qū)域就不需要重啟，這樣平均傳輸延遲優(yōu)于DSR 和SMR。

當改變惡意干擾器數(shù)量時，SMR 和A-JMR為多路徑路由，受惡意干擾的影響較小。其中，A-JMR 選擇最大空間距離節(jié)點不相交路徑，這在包傳遞率與通信終端率對比實驗中有較好的表現(xiàn)。

A-JMR 選擇的更優(yōu)鏈路質量、輕業(yè)務負載、最大空間節(jié)點不相交路由進行數(shù)據(jù)包傳輸，在包傳遞率、通信中斷率與傳輸延遲方面都展現(xiàn)了較其他3 種路由更好的網(wǎng)絡性能。

6 結束語

飛行自組網(wǎng)是移動自組織網(wǎng)絡在交通領域的典型應用，作為新興的移動自組網(wǎng)技術，它已經得到了廣泛的關注。飛行自組網(wǎng)需要突破依賴固定基礎設施網(wǎng)絡的局限性，逐漸在網(wǎng)絡信息站中嶄露頭角。目前，飛行自組網(wǎng)具有高動態(tài)性、間歇性的連接、存在干擾和中斷等特征。本文立足于飛行自組網(wǎng)實際應用需求，并針對鏈路的脆弱性提出了一種具有抗擾性的多路徑路由協(xié)議，用以為無人機提供有效且可靠的通信數(shù)據(jù)傳輸，并在存在惡意干擾時為 FANETs 中提供網(wǎng)絡彈性保證。

本文設計了一種具有抗干擾性的多路徑路由。通過考慮鏈路質量、業(yè)務負載、空間距離構建了多路徑路由模型：通過使用RSSI 的統(tǒng)計信息來估計鏈路質量；根據(jù)等待數(shù)據(jù)包的平均數(shù)量和平均繁忙部分衡量業(yè)務負載；最大程度地利用源和目的地之間的空間節(jié)點建立最大空間節(jié)點不相交路徑。由于節(jié)點的移動性、業(yè)務擁塞、數(shù)據(jù)包沖突，甚至故意的阻塞和中斷，路徑的某些鏈路可能經常斷開。根據(jù)這些特點設計了適用在飛行自組網(wǎng)中的抗干擾多路徑路由。

通過仿真實驗驗證了所設計的飛行自組網(wǎng)抗干擾多路徑路由工程性能并進行了仿真對比。因為所設計的路由選擇了多路徑的高質量鏈接、低流量負載、最大空間距離來發(fā)送數(shù)據(jù)包，所以在包傳遞率、傳輸延遲和端到端的通信中斷率等方面都表現(xiàn)了良好的性能優(yōu)勢。本階段的研究使用RSSI 的統(tǒng)計信息作為鏈路質量的評價指標，可以考慮將通信延時與通信帶寬等因素加入來衡量鏈路質量。本文還隱含地假設了雙向鏈路，在后續(xù)的研究中可以對單向路由及其他鏈路情況進行分析，使A-JMR 具有更大的實際應用價值。