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        基于鄰居關(guān)系的無人機集群網(wǎng)絡(luò)環(huán)路避免方法

        2024-12-31 00:00:00伍擎
        中國新通信 2024年8期

        摘要:為了在無法獲知全網(wǎng)拓撲情況下解決無人機集群網(wǎng)絡(luò)中的環(huán)路問題,本文設(shè)計了一種基于鄰居關(guān)系的環(huán)路避免方法。此方法針對性地避免鏈狀鏈路引起的網(wǎng)絡(luò)環(huán)路,包括鏈狀拓撲節(jié)點身份判別、鏈狀拓撲節(jié)點集合建立、變更與注銷,以及基于鏈狀拓撲節(jié)點集合的選路策略。各節(jié)點通過鄰居數(shù)量判斷本節(jié)點的身份信息,包括鏈狀拓撲末端節(jié)點、鏈狀拓撲中間節(jié)點、鏈狀拓撲首節(jié)點。鏈狀拓撲節(jié)點向其他鏈狀拓撲節(jié)點以及鏈狀拓撲首節(jié)點的鄰居進行身份通告,從而建立鏈狀拓撲節(jié)點集合。當鄰居關(guān)系或鏈狀拓撲節(jié)點身份發(fā)生變化時,通過身份通告來更新鏈狀拓撲節(jié)點集合,或通過注銷報文刪除鏈狀拓撲節(jié)點集合。當鏈狀拓撲首節(jié)點的鄰居接收到目的節(jié)點為鏈狀拓撲節(jié)點的報文時,直接選擇鏈狀拓撲首節(jié)點為下一跳,以此避免環(huán)路問題的發(fā)生。此方法無需依賴全網(wǎng)拓撲為先驗信息,且節(jié)點身份信息無需擴散至全網(wǎng),所以開銷較小。

        關(guān)鍵詞:無人機集群;Ad hoc網(wǎng)絡(luò);鏈狀拓撲;網(wǎng)絡(luò)環(huán)路

        無人機集群憑借低成本和高效工作的優(yōu)點被廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域。無人機之間進行組網(wǎng)和通信是實現(xiàn)無人機協(xié)同工作的關(guān)鍵[1-2]。但由于無人機集群相對運動較為劇烈,拓撲變化較快,獲取全網(wǎng)拓撲的代價較大且?guī)捹Y源不充足,導致無人機集群網(wǎng)絡(luò)面臨許多問題,其中網(wǎng)絡(luò)環(huán)路問題尤為緊迫[3-4]。網(wǎng)絡(luò)環(huán)路將導致網(wǎng)絡(luò)開銷增加,甚至使報文無法轉(zhuǎn)發(fā)至目的節(jié)點[5]。

        部分研究基于特定的路由協(xié)議解決環(huán)路問題,如靜態(tài)路由、OSPF等,極大地限制了上述網(wǎng)絡(luò)環(huán)路避免方法的應(yīng)用場景,不具備普適性,難以應(yīng)用于約束較多、拓撲隨任務(wù)變化的無人機集群網(wǎng)絡(luò)[6-8]?;虿捎萌斯ぶ悄芩惴ㄟM行環(huán)路檢測,但無人機計算資源較為欠缺,難以運行人工智能算法[9-10]。而基于環(huán)路探測或基于標簽等方式避免網(wǎng)絡(luò)環(huán)路不限定拓撲形狀和路由協(xié)議,適用范圍較廣。環(huán)路探測通過發(fā)送環(huán)路檢測報文和環(huán)路檢測幀等完成,通過探測顯化網(wǎng)絡(luò)環(huán)路,從而針對性地解決環(huán)路問題;然而,頻繁變化的拓撲導致環(huán)路探測結(jié)果的有效期較短,但增加探測頻率將增加網(wǎng)絡(luò)開銷,且環(huán)路檢測報文并非在環(huán)路產(chǎn)生時觸發(fā),即無環(huán)路問題時,進行環(huán)路檢測的開銷是不必要的[11-12]。當采用路由標簽避免環(huán)路問題時,要求將標簽值全網(wǎng)同步,同樣存在不靈活和對帶寬要求高的問題[13]。

        為了適應(yīng)無人機集群網(wǎng)絡(luò)拓撲變化快、帶寬資源不足的特點,且考慮到鏈狀拓撲在全網(wǎng)拓撲未知的條件下極其容易產(chǎn)生環(huán)路問題,即當報文的目標節(jié)點位于鏈狀拓撲中,其局部轉(zhuǎn)發(fā)路徑是唯一的,報文必須經(jīng)過該鏈狀拓撲的首節(jié)點才能轉(zhuǎn)發(fā)至鏈狀拓撲中的其他節(jié)點。

        本文設(shè)計一種基于鄰居關(guān)系的網(wǎng)絡(luò)環(huán)路避免方法,該方法基于鄰居數(shù)量確定節(jié)點是否位于鏈狀拓撲中,完成身份判別后,鏈狀拓撲節(jié)點向特定的鄰居進行身份通告,建立鏈狀拓撲節(jié)點集合,身份通告僅在鏈狀拓撲節(jié)點和鏈狀拓撲首節(jié)點的鄰居之間完成,無需擴散至全網(wǎng)。當鏈狀拓撲首節(jié)點的鄰居對目標節(jié)點為鏈狀拓撲節(jié)點的報文進行轉(zhuǎn)發(fā)時,直接選擇鏈狀拓撲首節(jié)點為下一跳。當鄰居關(guān)系或鏈狀拓撲節(jié)點身份發(fā)生變化時,通過身份通告進行鏈狀拓撲節(jié)點集合更新,或通過注銷報文刪除鏈狀拓撲節(jié)點集合。該網(wǎng)絡(luò)環(huán)路避免方法僅在鏈狀拓撲產(chǎn)生或改變時進行身份通告和注銷報文轉(zhuǎn)發(fā),且上述報文的轉(zhuǎn)發(fā)僅在鏈狀拓撲節(jié)點及鏈狀拓撲首節(jié)點的鄰居之間完成,無需擴散到全網(wǎng),極大地減小了控制開銷。

        一、鏈狀拓撲節(jié)點建模

        為了能夠識別無人機集群中的鏈狀拓撲節(jié)點,并對目的節(jié)點為鏈狀拓撲節(jié)點的尋路進行特殊處理,本小節(jié)對鏈狀拓撲節(jié)點進行建模。設(shè)無人機集群包含m個節(jié)點,其節(jié)點集合為。針對節(jié)點,其鄰居節(jié)點集合為。

        定義1:設(shè)為鏈狀拓撲末端節(jié)點集合,的節(jié)點為鏈狀拓撲末端節(jié)點,即鏈狀拓撲末端節(jié)點為有且僅有1個鄰居的節(jié)點。設(shè)為鏈狀拓撲中間節(jié)點集合,的節(jié)點為鏈狀拓撲中間節(jié)點,即鏈狀拓撲中間節(jié)點有且僅有2個鄰居。

        定義2:設(shè)為鏈狀拓撲首節(jié)點集合,的節(jié)點為鏈狀拓撲首節(jié)點,即鏈狀拓撲首節(jié)點為鄰居數(shù)量大于等于3并且至少其中一個鄰居為鏈狀拓撲中間節(jié)點或鏈狀拓撲末端節(jié)點。

        顯然,當目標節(jié)點或,確定相應(yīng)的鏈狀拓撲首節(jié)點能夠避免環(huán)路,即鏈狀拓撲首節(jié)點需確認與其相關(guān)的鏈狀拓撲首節(jié)點或鏈狀拓撲中間節(jié)點,形成鏈狀拓撲節(jié)點集合。

        定義3:鏈狀拓撲節(jié)點集合為由鏈狀拓撲末端節(jié)點、鏈狀拓撲中間節(jié)點、鏈狀拓撲首節(jié)點構(gòu)成的鏈路,其中由直接與節(jié)點Xe或節(jié)點Xo連接的節(jié)點、僅通過其他鏈狀拓撲中間節(jié)點與節(jié)點Xe或節(jié)點Xo連接的節(jié)點。

        需要注意的是,允許。顯然,當轉(zhuǎn)發(fā)目的節(jié)點的報文,且節(jié)點Xo為當前節(jié)點的鄰居時,當前節(jié)點必須選擇節(jié)點Xo作為下一跳,否則將形成環(huán)路。

        二、鏈狀拓撲節(jié)點確認與解除

        (一)鏈狀拓撲節(jié)點確認與身份通告

        顯然,鏈狀拓撲首節(jié)點Xo需要確認與其相關(guān)的鏈狀拓撲節(jié)點集合,并將該集合通告至其鄰居節(jié)點,以便于其鄰居節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)相關(guān)報文時將其選為下一跳。為了減少控制開銷,鏈狀拓撲節(jié)點通告由鏈狀拓撲末端節(jié)點發(fā)起。各節(jié)點周期性確認本節(jié)點身份,有且只有1個鄰居的節(jié)點確認為鏈狀拓撲末端節(jié)點,有且只有2個鄰居的節(jié)點確認為鏈狀拓撲中間節(jié)點。鏈狀拓撲末端節(jié)點和鏈狀拓撲中間節(jié)點確認身份后,向其鄰居發(fā)送鏈狀拓撲節(jié)點身份通告報文。需要注意的是,鏈狀拓撲首節(jié)點的身份確認需要在接收到鄰居發(fā)送的身份通告報文后才能完成。需要注意的是,僅鏈狀拓撲末端節(jié)點能主動發(fā)起身份通告,鏈狀拓撲中間節(jié)點和鏈狀拓撲首節(jié)點需接收到鄰居發(fā)送的身份通告報文后,再向其鄰居發(fā)送身份通告報文,使身份通告報文從鏈狀拓撲末端節(jié)點向鏈狀拓撲首節(jié)點單向傳遞,減少控制開銷,簡化處理策略。當鏈狀拓撲末端節(jié)點確認身份后,主動向唯一的鄰居發(fā)送身份通告報文;鏈狀拓撲中間節(jié)點接收到其中一個鄰居發(fā)送的身份通告報文后,將自己的身份信息加入該身份通告報文中,按協(xié)議整理后發(fā)送至另一個未給本節(jié)點發(fā)送身份通告報文的鄰居。

        當節(jié)點接收到鄰居發(fā)送的身份通告報文,且本節(jié)點非鏈狀拓撲末端節(jié)點和鏈狀拓撲中間節(jié)點,即本節(jié)點的鄰居數(shù)量大于等于3,則該節(jié)點確認為鏈狀拓撲首節(jié)點。同樣地,鏈狀拓撲首節(jié)點將自己的身份信息加入身份通告報文中,并發(fā)送至除鏈狀拓撲中間節(jié)點和鏈狀拓撲末端節(jié)點以外的所有鄰居。普通節(jié)點收到通告報文后,無需繼續(xù)進行轉(zhuǎn)發(fā)。普通節(jié)點通過路徑首節(jié)點發(fā)送的身份通告報文,知悉與其鄰居Xo相關(guān)的鏈狀拓撲,當普通節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)報文的目的節(jié)點時,直接選擇鄰居Xo為下一跳。

        (二)鏈狀拓撲節(jié)點變更與注銷

        當拓撲發(fā)生變化,節(jié)點的身份或者鄰居關(guān)系將發(fā)生變化,相應(yīng)的鏈狀拓撲可能改變甚至是消失,因此,需要對鏈狀拓撲節(jié)點的身份進行解除并通告給鄰居。

        為了便于注銷或更新鏈狀拓撲節(jié)點集合,對鏈狀拓撲前向鄰居和后向鄰居進行定義:

        定義4:鏈狀拓撲節(jié)點Xj的前向鄰居滿足,鏈狀拓撲節(jié)點Xi的前向鄰居滿足,其中hop(Xi, Xj)為節(jié)點Xi到鏈狀拓撲末端節(jié)點Xj的最小跳數(shù)。

        即節(jié)點Xi的前向鄰居為其更靠近鏈狀拓撲末端節(jié)點Xe的鄰居,后向鄰居為其更靠近鏈狀拓撲首節(jié)點Xo的鄰居。顯然,鏈狀拓撲末端節(jié)點無前向鄰居,鏈狀拓撲首節(jié)點無后向鄰居。

        當鏈狀拓撲節(jié)點的拓撲狀態(tài)發(fā)生變化,在必要時需向相應(yīng)鄰居發(fā)送鏈狀拓撲節(jié)點集合注銷報文。當節(jié)點收到鄰居發(fā)送的注銷報文時,直接根據(jù)報文中的鏈狀拓撲節(jié)點集合ID刪除本地存儲的相應(yīng)鏈狀拓撲節(jié)點集合。此外,假如收到注銷報文的節(jié)點為鏈狀拓撲中間節(jié)點,該節(jié)點需將注銷報文轉(zhuǎn)發(fā)至其后向鄰居;假如收到注銷報文的節(jié)點為鏈狀拓撲首節(jié)點,該節(jié)點需將注銷報文轉(zhuǎn)發(fā)至其所有非鏈狀拓撲節(jié)點鄰居。引起鏈狀拓撲節(jié)點集合變化的情況包括鄰居關(guān)系變化或鏈狀拓撲節(jié)點身份變更,針對不同的鏈狀拓撲節(jié)點,其處理策略不同。

        1.鏈狀拓撲末端節(jié)點

        鏈狀拓撲末端節(jié)點的連接關(guān)系變化后,其身份變更或鏈狀拓撲節(jié)點集合注銷工作流程圖1所示。當其僅發(fā)生鄰居關(guān)系變化時,即該節(jié)點仍然只有1個鄰居,但該鄰居為新鄰居,此時鏈狀拓撲末端節(jié)點向新鄰居發(fā)起身份通告。當鏈狀拓撲末端節(jié)點身份發(fā)生變化時,即變更為鏈狀拓撲中間節(jié)點、鏈狀拓撲首節(jié)點或普通節(jié)點時,假如原后向鄰居存在,則向后向鄰居發(fā)送注銷報文。

        2.鏈狀拓撲中間節(jié)點

        鏈狀拓撲中間節(jié)點的連接關(guān)系變化后,當僅鄰居關(guān)系發(fā)生變化,即該節(jié)點仍有且僅有2個鄰居,但前向鄰居或后向鄰居發(fā)生變化,針對前向鄰居發(fā)生變化的情況,假如原后向鄰居存在,則向后向鄰居發(fā)送注銷報文;針對后向鄰居變化情況,假如原前向鄰居存在,則向新的后向鄰居發(fā)送身份通告,更新鏈狀拓撲節(jié)點集合。當節(jié)點身份發(fā)生變化,假如變更為鏈狀拓撲末端節(jié)點,則向后向鄰居發(fā)送新的身份通告,形成新的鏈狀拓撲節(jié)點集合;假如變更為鏈狀拓撲首節(jié)點,當原前向鄰居存在時,向非鏈狀拓撲節(jié)點的所有鄰居發(fā)送身份通告,當原前向鄰居不存在且后向鄰居存在時,向原后向鄰居發(fā)送注銷報文;假如變更為普通節(jié)點,且后向鄰居不變,則向后向鄰居發(fā)送注銷報文。

        3.鏈狀拓撲首節(jié)點

        鏈狀拓撲首節(jié)點的連接關(guān)系變化后,當僅鄰居關(guān)系發(fā)生變化時,假如前向鄰居保持不變,則向新的鄰居發(fā)送身份通告;否則,向所有非鏈狀拓撲節(jié)點鄰居發(fā)送注銷報文。對于節(jié)點身份的變更,如果變更為鏈狀拓撲末端節(jié)點,并且后向鄰居保持不變,那么向后向鄰居發(fā)送注銷報文并發(fā)起新的身份通告;否則,直接向后向鄰居發(fā)送身份通告。對于變更為鏈狀拓撲中間節(jié)點的情況,如果前向鄰居保持不變,那么向后向鄰居發(fā)送身份通告;否則,向原來的后向鄰居發(fā)送注銷報文。如果變更為普通節(jié)點,并且前向鄰居發(fā)生變化但后向鄰居保持不變,或者前向鄰居發(fā)生變化且后向鄰居發(fā)生變化,那么向后向鄰居發(fā)送注銷報文。

        4.鏈狀拓撲首節(jié)點的鄰居

        針對鏈狀拓撲首節(jié)點的鄰居,僅需鏈狀拓撲首節(jié)點是否仍為鄰居,如與鏈狀拓撲首節(jié)點的連接斷開,直接刪除本地存儲的相應(yīng)鏈狀拓撲節(jié)點集合。

        三、基于鏈狀拓撲節(jié)點集合的選路策略

        針對存在ns條鏈狀拓撲的網(wǎng)絡(luò),該鏈狀拓撲首節(jié)點的所有鄰居均存儲了鏈狀拓撲節(jié)點集合,上述節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)報文基于鏈狀拓撲節(jié)點集合進行選路。即鏈狀拓撲首節(jié)點的所有鄰居對目的節(jié)點的報文進行轉(zhuǎn)發(fā)時,無需根據(jù)采用的路由算法,直接選擇鏈狀拓撲首節(jié)點為下一跳。

        四、結(jié)束語

        針對無人機集群網(wǎng)絡(luò)拓撲變化劇烈、無法獲取全網(wǎng)拓撲的情況,本文設(shè)計一種基于鄰居關(guān)系的環(huán)路避免方法,針對性解決鏈狀鏈路引起的網(wǎng)絡(luò)環(huán)路問題。通過鏈狀拓撲節(jié)點身份判別、鏈狀拓撲節(jié)點集合建立、變更與注銷策略,使鏈狀拓撲首節(jié)點的鄰居能識別鏈狀拓撲節(jié)點,并對目的節(jié)點為鏈狀拓撲節(jié)點的報文的下一跳選擇進行特殊處理,從而避免環(huán)路問題。該方法適用于任意拓撲,且節(jié)點身份信息無需擴散至全網(wǎng),開銷較小。

        作者單位:伍擎 中國電子科技集團公司第七研究所

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