一种基于链路可用带宽预测和前进距离的无人机自组网机会路由算法制造技术

本发明专利技术公开了一种基于链路可用带宽预测和前进距离的无人机自组网机会路由算法。该算法无需节点维护路由表，当节点有数据需要发送时，通过广播RTS帧发起路由请求。节点接收到RTS帧后，采用基于感知的测量方法，预测链路剩余可用带宽，并根据地理位置信息计算前进距离；然后根据可用带宽和前进距离计算转发优先级，并依据转发优先级竞争发送CTS帧完成路由应答，成为下一跳转发节点。发送节点接收到CTS帧后，将数据包发送给转发节点，由转发节点继续发起路由请求，转发接收到的数据包，直至数据包到达目的节点。仿真结果证明了路由算法的有效性。

An opportunistic routing algorithm for UAV Based on link available bandwidth prediction and advance distance

The invention discloses an UAV self organizing network opportunistic routing algorithm based on link available bandwidth prediction and advance distance. The algorithm does not require nodes to maintain routing tables. When nodes have data to send, they initiate routing requests by broadcasting RTS frames. After receiving the RTS frame, the node uses the sensing based measurement method to predict the remaining available bandwidth of the link and calculate the forward distance according to the geographic location information. Then, the forwarding priority is calculated according to the available bandwidth and the forward distance, and the CTS frame is transmitted according to the forwarding priority competition to complete the routing response and become the next hop forwarding node. . When the transmission node receives the CTS frame, the packet is sent to the forwarding node, and the forwarding node continues to initiate the routing request, forwarding the received packets, until the packet arrives at the destination node. The simulation results show the effectiveness of the routing algorithm.

【技术实现步骤摘要】
一种基于链路可用带宽预测和前进距离的无人机自组网机会路由算法
本专利技术属于无线网络领域，特别涉及基于链路可用带宽预测和前进距离的无人机自组网机会路由算法。
技术介绍
在现代信息化战争中，无人机已成为重要的信息传递节点和作战单元。无人机自组织网络是无线自组网技术在无人机编队组网中应用的产物。无人机编队通过构建灵活、高效、抗毁性强的无人机自组织网络，不仅能够保证无人机编队协同完成作战任务，而且可以空中无线“热区”的方式覆盖作战区域，实现作战单元之间信息、战术和火力的高效协同。无人机自组织网络中，节点快速移动导致网络拓扑动态变化，节点间链路频繁断裂，因而路由协议的设计成为影响无人机自组织网络性能的关键。现有的路由协议主要包括表驱动和按需驱动两类。表驱动路由协议通过对路由表的更新和维护与网络中每个节点定期地交换路由信息，如DSDV(DestinationSequencedDistanceVector)，HSR(HierarchicalStateRouting)，GSR(GlobalStateRouting)等。路由发现和路由维护是源驱动按需路由协议的两个阶段，只有需要向目的节点发送报文，且节点路由表中不包含通向目的节点路由时，才按需进行路由发现，典型的有AODV(AdhocOn-demandDistanceVectorRouting)和DSR(DynamicSourceRouting)。传统路由协议采用确定性路由方式，在链路质量和稳定性较差的环境下，频繁的链路层数据重传将消耗大量的带宽资源，影响无线多跳网络的吞吐量和提供服务质量的能力。针对无线信道的广播特性、时变特性和干扰不规则性，麻省理工学院的Biswas等人于2004年率先提出了机会路由的概念。机会路由通过多个潜在中继节点竞争、自主智能进行下一跳节点选择，充分利用信道广播特性，提高吞吐量和传输可靠性。机会路由基于网络层和MAC(MediumAccessControl)层联合设计，传输成功率高，适用于节点处于高速移动的无人机自组网，已成为当前移动自组织网络路由协议研究的一个重要方向。已有的机会路由策略有：基于端到端最短路径策略，如ExoR(ExtremelyOpportunisticRouting)和ROMER(ResilientOpportunisticMeshRouting)；基于端到端迭代策略，如OAPF(OpportunisticAny-pathForwarding)；基于地理位置策略，如GeRaF(GeographicRandomForwarding)和MGOR(Multi-rateGeographicOpportunisticRouting)；基于网络编码策略，如CORE(Coding-awareOpportunisticRoutingMechanism)。链路可用带宽是指在不影响网络现有业务QoS(QualityofService)水平的前提下，链路收/发节点所能获得的最大数据传输带宽。可用带宽(AvailableBandwidth，AB)信息对于路由选择，接入控制，冲突避免和保障业务QoS需求具有重要的作用。现有的链路可用带宽预测方法中，基于探测的预测方法要求节点通过向网络中注入端到端的探测包来预测信道上的可用带宽；基于感知的预测方法通常仅利用本地获得的带宽利用信息来预测链路的可用带宽，该类方法无需发送探测包，不占用网络可用带宽，不会对网络中的已有业务产生影响，能够获得更加准确的链路可用带宽预测结果。将链路可用带宽和中间节点距目的节点的距离相结合，作为机会路由中中继节点选择的依据，可以有效提高无人机自组织网络的吞吐量和分组投递率，充分保障网络的服务质量。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对无人机自组织网络，提出一种基于链路可用带宽预测和前进距离的机会路由算法，提高网络吞吐量和分组投递率，保障网络的服务质量。为了实现该目的，本专利技术所采用的步骤是：步骤1：当节点网络层有数据分组需要发送时，节点网络层将数据分组交付给MAC层，由MAC层缓存当前数据分组，并广播RTS帧发起路由请求过程，发送节点在广播RTS帧之前，通过载波检测机制侦听信道，如果信道持续空闲DIFS时间，则进行发送前的随机退避过程，待退避完成后，向邻居节点广播RTS帧，并开启定时器等待接收CTS帧，节点若在等待DIFS时间或者随机退避过程中信道变忙，则暂停等待或者随机退避过程，并继续监听信道，等到信道再次空闲DIFS时间，并且随机退避过程结束后，节点继续为当前数据帧广播RTS帧发起路由请求过程，RTS帧中包含了待发送数据帧的目的节点信息。步骤2：接收节点接收到RTS帧后，解析RTS帧请求的目的节点信息，如果自身即为RTS帧请求的目的节点，则直接向发送节点发送CTS帧完成路由应答；如果自身不是RTS帧请求目的节点，则采用基于感知的测量方法，预测链路剩余可用带宽，并根据地理位置信息计算前进距离，然后根据可用带宽和前进距离判断是否能作为转发节点转发当前数据帧，节点如果判定自身能作为转发节点，则进一步计算转发优先级，依据转发优先级设置发送CTS帧前的退避时间，竞争发送CTS帧完成路由应答。步骤3：发送节点在广播RTS帧后，开启定时器等待接收CTS帧，发送节点如果在定时器超时前成功接收到CTS帧，则将当前待发送DATA帧发送给应答CTS帧的节点，由应答CTS帧的节点继续将当前待发送DATA帧向待发送DATA帧的目的节点传递，并开启定时器等待接收ACK帧应答；发送节点如果等待CTS帧超时，则重新广播RTS帧，继续为当前待发送DATA帧寻找路由，如果多次重传RTS帧均未接收到CTS帧应答，发送节点则将当前待发送DATA帧丢弃，并继续尝试为下一个待发送DATA帧广播RTS帧发起路由请求。步骤4：接收节点接收到DATA帧后，向发送节点应答ACK帧，并解析DATA帧的目的节点，如果本节点即为DATA帧的目的节点，节点则将DATA帧传递给本节点的上层，如果本节点不是DATA帧的目的节点，节点则缓存当前DATA帧，并广播RTS帧继续为当前DATA帧发起路由请求，等收到CTS帧路由应答后，转发当前DATA帧。步骤5：发送节点如果在等待ACK帧定时器超时前接收到ACK帧，则将当前DATA帧释放，并继续尝试为下一个待发送DATA帧广播RTS帧发起路由请求，如果等待ACK帧超时，则重新广播RTS帧，继续为当前待发送DATA帧寻找路由，如果多次重传DATA帧均未接收到ACK帧应答，发送节点则将当前待发送DATA帧丢弃，并继续尝试为下一个待发送DATA帧广播RTS帧发起路由请求。本专利技术提出的基于链路可用带宽预测和前进距离的机会路由算法已经在EXata网络仿真环境中得到了验证。仿真中业务流设置为恒定比特流业务，应用层报文大小为1000字节，信道速率为2Mbps。传播层使用双线地面反射模型，传输距离为250m，物理载波检测距离为550m。附图7给出了本专利技术采用的机会路由算法仿真拓扑，整个拓扑由邻接的正三角形组成，每六个正三角形组成一个正六边形，73架无人机节点分别放置在拓扑中交点位置，节点之间相距200m，保证转发节点集中节点数目的合理性。其中，f1为主业务流，f2、f3、f4为背景业务流，各业务流参数如表1所示。仿本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于链路可用带宽预测和前进距离的无人机自组网机会路由算法，所采用的步骤是：步骤1：当节点网络层有数据分组需要发送时，节点网络层将数据分组交付给MAC层，由MAC层缓存当前数据分组，并广播RTS帧发起路由请求过程，发送节点在广播RTS帧之前，通过载波检测机制侦听信道，如果信道持续空闲DIFS时间，则进行发送前的随机退避过程，待退避完成后，向邻居节点广播RTS帧，并开启定时器等待接收CTS帧，节点若在等待DIFS时间或者随机退避过程中信道变忙，则暂停等待或者随机退避过程，并继续监听信道，等到信道再次空闲DIFS时间，并且随机退避过程结束后，节点继续为当前数据帧广播RTS帧发起路由请求过程，RTS帧中包含了待发送数据帧的目的节点信息；步骤2：接收节点接收到RTS帧后，解析RTS帧请求的目的节点信息，如果自身即为RTS帧请求的目的节点，则直接向发送节点发送CTS帧完成路由应答；如果自身不是RTS帧请求目的节点，则采用基于感知的测量方法，预测链路剩余可用带宽，并根据地理位置信息计算前进距离，然后根据可用带宽和前进距离判断是否能作为转发节点转发当前数据帧，节点如果判定自身能作为转发节点，则进一步计算转发优先级，依据转发优先级设置发送CTS帧前的退避时间，竞争发送CTS帧完成路由应答；步骤3：发送节点在广播RTS帧后，开启定时器等待接收CTS帧，发送节点如果在定时器超时前成功接收到CTS帧，则将当前待发送DATA帧发送给应答CTS帧的节点，由应答CTS帧的节点继续将当前待发送DATA帧向待发送DATA帧的目的节点传递，并开启定时器等待接收ACK帧应答；发送节点如果等待CTS帧超时，则重新广播RTS帧，继续为当前待发送DATA帧寻找路由，如果多次重传RTS帧均未接收到CTS帧应答，发送节点则将当前待发送DATA帧丢弃，并继续尝试为下一个待发送DATA帧广播RTS帧发起路由请求；步骤4：接收节点接收到DATA帧后，向发送节点应答ACK帧，并解析DATA帧的目的节点，如果本节点即为DATA帧的目的节点，节点则将DATA帧传递给本节点的上层，如果本节点不是DATA帧的目的节点，节点则缓存当前DATA帧，并广播RTS帧继续为当前DATA帧发起路由请求，等收到CTS帧路由应答后，转发当前DATA帧；步骤5：发送节点如果在等待ACK帧定时器超时前接收到ACK帧，则将当前DATA帧释放，并继续尝试为下一个待发送DATA帧广播RTS帧发起路由请求，如果等待ACK帧超时，则重新广播RTS帧，继续为当前待发送DATA帧寻找路由，如果多次重传DATA帧均未接收到ACK帧应答，发送节点则将当前待发送DATA帧丢弃，并继续尝试为下一个待发送DATA帧广播RTS帧发起路由请求。...

【技术特征摘要】
1.一种基于链路可用带宽预测和前进距离的无人机自组网机会路由算法，所采用的步骤是：步骤1：当节点网络层有数据分组需要发送时，节点网络层将数据分组交付给MAC层，由MAC层缓存当前数据分组，并广播RTS帧发起路由请求过程，发送节点在广播RTS帧之前，通过载波检测机制侦听信道，如果信道持续空闲DIFS时间，则进行发送前的随机退避过程，待退避完成后，向邻居节点广播RTS帧，并开启定时器等待接收CTS帧，节点若在等待DIFS时间或者随机退避过程中信道变忙，则暂停等待或者随机退避过程，并继续监听信道，等到信道再次空闲DIFS时间，并且随机退避过程结束后，节点继续为当前数据帧广播RTS帧发起路由请求过程，RTS帧中包含了待发送数据帧的目的节点信息；步骤2：接收节点接收到RTS帧后，解析RTS帧请求的目的节点信息，如果自身即为RTS帧请求的目的节点，则直接向发送节点发送CTS帧完成路由应答；如果自身不是RTS帧请求目的节点，则采用基于感知的测量方法，预测链路剩余可用带宽，并根据地理位置信息计算前进距离，然后根据可用带宽和前进距离判断是否能作为转发节点转发当前数据帧，节点如果判定自身能作为转发节点，则进一步计算转发优先级，依据转发优先级设置发送CTS帧前的退避时间，竞争发送CTS帧完成路由应答；步骤3：发送节点在广播RTS帧后，开启定时器等待接收CTS帧，发送节点如果在定时器超时前成功接收到CTS帧，则将当前待发送DATA帧发送给应答CTS帧的节点，由应答CTS帧的节点继续将当前待发送DATA帧向待发送DATA帧的目的节点传递，并开启定时器等待接收ACK帧应答；发送节点如果等待CTS帧超时，则重新广播RTS帧，继续为当前待发送DATA帧寻找路由，如果多次重传RTS帧均未接收到CTS帧应答，发送节点则将当前待发送DATA帧丢弃，并继续尝试为下一个待发送DATA帧广播RTS帧发起路由请求；步骤4：接收节点接收到DATA帧后，向发送节点应答ACK帧，并解析DATA帧的目的节点，如果本节点即为DATA帧的目的节点，节点则将DATA帧传递给本节点的上层，如果本节点不是DATA帧的目的节点，节点则缓存当前DATA帧，并广播RTS帧继续为当前DATA帧发起路由请求，等收到CTS帧路由应答后，转发当前DATA帧；步骤5：发送节点如果在等待ACK帧定时器超时前接收到ACK帧，则将当前DATA帧释放，并继续尝试为下一个待发送DATA帧广播RTS帧发起路由请求，如果等待ACK帧超时，则重新广播RTS帧，继续为当前待发送DATA帧寻找路由，如果多次重传DATA帧均未接收到ACK帧应答，发送节点则将当前待发送DATA帧丢弃，并继续尝试为下一个待发送DATA帧广播RTS帧发起路由请求。2.根据权利要求1所述的一种基于链路可用带宽预测和前进距离的无人机自组网机会路由算法，其特征在于节点采用基于感知的测量方法，预测链路剩余可用带宽的具体方法为：(1)计算链路最大吞吐量链路最大吞吐量thpmax定义为链路层在不受其它业务影响的情况下能获得的最大吞吐量，可以依据MAC层规约通过计算获得，用L(S，R)表示发送节点S和接收节点R组成的传输链路，定义传输周期t为链路成功完成一次数据传输所需要的时间，表示为：t＝td1+td2+td3(1)时间段td1、td2、td3表示为：其中，时间段td1由退避过程(BackOff，BO)经历的平均时间E(tBO)和分布式帧间间隔(DistributedInterframeSpace，DIFS)时间tDIFS组成；td2包括RTS帧传输时间tRTS、CTS帧传输时间tCTS、短帧间间隔(ShortInterframeSpace，SIFS)时间tSIFS和竞争应答CTS帧的最大退避选择窗口时间twmax；时间段td3包括DATA帧和ACK帧的传输时间tDATA和tACK，以及两个短帧间间隔；RTS帧、CTS帧以及DATA帧和ACK帧的传输时间与帧的大小以及信道速率C有关；用LDATA表示DATA帧的大小，在传输周期t内链路L(S，R)能够获得的最大吞吐量thpmax计算为：链路最大吞吐量thpmax即为网络中一条链路的可用带宽的上限值ABmax；(2)统计发送可用时长和接收可用时长为了计算链路可用带宽，链路发送/接收节点首先通过载波检测机制统计各自的发送可用时长和接收可用时长，定义节点发送可用时长Ts为节点物理层和MAC层均处于空闲状态时，空闲时间大于tDIFS的时间之和；接收可用时长Tr为节点MAC层处于空闲状态，物理层侦听信道噪声功率小于冲突功率门限的时间之和，在一个预测周期T内，网络中每个节点利用自身载波检测机制，统计出各自发送可用时长Ts和接收可用时长Tr，具体过程如下：在每个预测周期开始时，网络中节点将各自的总发送可用时长和总接收可用时长设置为0，并将空闲时长计时器设为0，网络运行过程中，节点通过物理载波检测机制和虚拟载波检测机制监听信道，若节点物理载波检测机制检测到信道由忙变为空闲，且MAC层处于空闲状态，则启用空闲时长计时器；当信道由空闲变忙或者当前预测周期结束时，关闭空闲时长计时器，并计算空闲时长持续时间，然后，通过虚拟载波检测机制计算信道忙碌的时长，若计时器开启时，信道处于忙碌状态，则在原有的空闲时长持续时间上减去该段信道忙碌的时长，再将修改后的空闲时长持续时间与tDIFS进行比较，当发送可用时长持续时间大于tDIFS，且MAC层处于空闲状态时，将该段空闲时长累加到总发送可用时长；当接收可用时长持续时间大于0，且MAC层处于空闲状态时，将该段空闲时长累加到总接收可用时长，预测结束时，获得总发送可用时长和总接收可用时长；发送节点在广播RTS帧时，即将自身的发送可用时长Ts和接收可用时长Tr信息捎带广播告知邻居节点；(3)链路可用带宽的预估计通过发送和接收可用时长统计算法，获得L(S，R)发送节点S的发送可用时长Ts(S)和接收节点R的接收可用时长Tr(R)，链路可用时长TL(S，R)为链路的发送节点发送数据时，对应的接收节点能够接收数据的可用时长，即发送、接收同步的可用时长；由于其它节点的业务在无线信道中随机接入的干扰，使得链路收发节点的可用时长存在不同步现象，导致链路可用时长的损耗，从而降低链路可用带宽；用事件CE1表示发送节点S能够发送数据，而接收节点R不能接收；事件CE2表示发送节点S不能够发送数据，而接收节点R能够接收，事件CE1和CE2的概率可近似计算为：通过去除因发送节点和接收节点可用时长不同步情况导致的可用时长损耗，得到链路可用时长TL(S，R)为：TL(S，R)＝min{[1-P(CE1)]·Ts(S)，[1-P(CE2)]·Tr(R)}(6)在每个预测周期T内，根据链路的最大吞吐量ABmax，链路L(S，R)的可用带宽初步估计值ABpre计算为：(4)链路可用带宽的修正在基于DCF协议的无人机自组织网络中，当目标链路进行通信时，处在发送节点无线信号覆盖范围外接收节点无线信号覆盖范围内的节点，即接收节点的隐藏节点，只能通过物理载波检测机制判断信道变忙，不能通过虚拟载波检测机制获知信道忙碌的持续时间，隐藏节点会以一定的概率发起数据传输，从而导致目标链路接收数据冲突，降低实际的链路可用带宽，因而需要考虑隐藏节点发送数据对链路可用带宽的影响，对可用带宽初步估计值进行修正；定义传输距离为Rtx，物理载波检测距离为Rcs，冲突距离为Rco，根据双线地面反射传播模型，接收节点R的接收功率Pr为(ptht2hr2GtGr)/dSR4，其中Pt为发送功率，Gt和Gr是发送节点和接收节点的天线增益，ht代表发送节点的天线高度，hr代表接收节点的天线高度，d...

【专利技术属性】
技术研发人员：严磊，袁东，晏少杰，雷磊，蔡圣所，
申请(专利权)人：南京华讯方舟通信设备有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏,32