节点密集型无人机自组网路由协议研究∗

李 操 杨余旺 肖高权 谢勇盛 汤小芳 赵启超

（1.南京理工大学计算机科学与工程学院 南京 210094）（2.兵装云箭集团有限公司 怀化 419503）

1 引言

无人机（Unmanned Aerial Vehicle，UAV）最早产生于20世纪初期应用于军事领域。无人机拥有很多优势，例如：机动性强［1］，成本较低，战场敏感性高［2］等，是现代信息化战场中必不可少的武器装备。随着无人机技术的进步，无人机被广泛应用于多个领域，在民用领域用于抢险救灾，地质勘探［3］等。然而，近年来随着无线通信技术的进步［4］以及战场环境的日益复杂，无人机“蜂群”作战备受世界各国关注，无人机“蜂群”集渗透侦察、诱骗干扰、察打一体、协同作战、集群攻击［5］的功能于一身，它的特点是节点移动速度快，拓扑变化频繁，节点密度大，因此，构建一个可靠的通信网络至关重要。移动自组网（Mobile Ad Hoc Network，MANET）具备多跳中继、无中心、分布式、临时性的特点，适合应用于无人机“蜂群”通信，形成节点密集型无人机自组网（Flying Ad-Hoc Network，FANET）。

近年来，国内外很多院校和研究机构针对无人机自组网开展了大量的工作研究。Amartya Mukherjee等针对节点稀疏型无人机自组网，提出了基于延迟容忍网络（Delay Tolerant Network，DTN）协议的无人机自组网模型，该模型利用了DTN的路由与移动性特点［6］。Hua Yang等人在DSR路由协议的基础上，应用霍普菲尔德神经网络（Hopfield Neural Network，HNN）对节点高速移动的无人机自组网进行优化［7］。洪洁等针对高动态无人机自组网，提出了一种适用于高动态场景的FANET协议栈的设计，该设计重点满足QoS需求适合高动态应用场景［8］。

由于节点密集型无人机自组网相较于传统无人机自组网具有无人机节点分布密集，节点密度大的特点，然而当节点密集型FANET中传送的分组的数目过多，由于无人机节点的资源有限容易造成网络拥塞。本文先构建节点密集型无人机自组网仿真场景以模拟无人机节点分布情况，采用NS-2网络仿真器，对几种常见的自组网路由协议进行了路由仿真，分析丢包率、吞吐量和平均时延等性能指标，为后续研究节点密集型无人机自组网路由协议的适用性奠定基础。

2 无人机自组网路由协议

FANET路由协议根据路由触发的时机可以划分为表驱动路由协议、按需驱动路由协议、混合型路由协议。在表驱动路由协议中为了维护路由表，每个节点都要周期性的交换路由信息，而在按需驱动路由协议中节点仅在需要发送报文至目的节点又没有到目的节点的路由时才会进行路由发现，因此能够节省网络资源但是会带来一定的路由发现延迟。根据网络拓扑结构FANET路由协议可以划分为平面结构路由协议和层次结构路由协议。在平面结构路由协议中所有节点的地位是平等的，没有层次的概念，然而当自组网的规模变很大时，每个节点要维护很多路由信息，路由信息报文充满整个网络，层次结构路由的分簇能够有效解决上述问题。根据以上分析，为了全面分析在节点密集型FANET中各种协议的性能，本文选取了常见的AODV、DSDV、OLSR和MP-OLSR协议进行仿真实验。

DSDV（Destination-Sequenced Distance-Vector Routing）协议是表驱动路由协议，是基于Bell⁃man-Ford算法的RIP协议的改进。由目标节点产生对应的序列号并且加入到路由信息，当节点从广播报文中接收到目标节点的路由信息时，将自身路由表对应表项与其比较，若接收到的序列号比自身路由表对应表项序列号大，则更新路由表。

AODV（Ad hoc On demand Distance Vector Routing）［9］协议是按需驱动路由协议，是基于DSDV协议结合按需驱动的思想而提出的。当没有到达目的节点的路由时，源节点会将源节点和目的节点的网络层地址记录在RREQ（路由请求）报文中，并且以多播的形式发出RREQ报文，邻居节点接收到RREQ报文先判断自身是否为目的节点，若是，则向源节点发送RREP（路由回应）报文，若不是，且路由表中有到达目的节点的路由则向源节点发送RREP，否则继续转发RREQ。

OLSR（Optimized Link State Routing）［10］协议，又称优化链路状态路由协议，是表驱动的路由协议。OLSR协议的核心是MPR（Multi Point Relay）机制，优化了泛洪算法，使用MPR节点广播链路状态信息降低了协议的开销。由于OLSR协议是主动型路由协议，相比于按需型路由协议查找路由延时小。OLSR协议的主要工作流程包括链路感知、邻居发现、MPR选择、TC分组泛洪、拓扑表建立、路由表计算、路由表维护。

MP-OLSR（Multiple-Path Optimized Link State Routing）协议［11］，又称多路OLSR协议，是在OLSR协议的基础上改进而来。与OLSR协议相比主要有三个变化：支持多路发送，协议能够计算多条从源节点到目的节点的路径，从而使路径的生存和恢复能力增强；按需计算路由，只有当源节点需要发送数据时，源节点才会计算传输路径，其他节点只是根据数据包里携带的路径信息转发数据包，从而有效的减少了节点的路由计算带来的能量消耗；路由恢复，路由恢复机制能够在传输路径失效时让中间节点重新计算路由。

3 节点密集型无人机自组网场景构建

节点密集型FANET要求在一定目标区域内投放的无人机节点数量足够多，满足无人机“蜂群”作战的条件，实现FANET协同交互，因此对于无人机节点的分布情况有要求，本文将构建节点密集型无人机自组网场景再进行仿真实验。

无人机“蜂群”协同的搜索一块目标区域并且执行任务是常见的FANET应用场景，因此要求无人机自组网能够覆盖目标区域［12］，为了有效地实现目标区域覆盖，无人机自组网场景应该满足两个条件［13］：1）通信范围完全覆盖目标区域；2）保证自组网的连通性，即任意两个无人机节点之间存在通信路径。NS-2的双径地面反射模型的节点通信半径计算公式为

其中Pt是发射功率，Gt是发射天线增益，Gr是接收天线增益，ht是发射天线高度，hr是接收天线高度，Pr是接收功率。

在二维平面R2上，节点的通信范围是一个以节点为圆心，半径为d的圆形区域，设p，q为R2上的任意一点，D(p，q)表示p和q的距离，则节点Ni的通信区域为

自组网的通信区域Aall是所有n个节点通信区域的并集：

因此自组网的通信范围完全覆盖目标区域需要满足R2是Aall的子集，即：

如果节点Ni、节点Nj是互为一跳邻居，即D(Ni，Nj)≤d，则称（Ni，Nj）是自组网G的一条边。因此整个自组网可以表示为

通过上述分析，只要满足式（4）、（6），FANET的通信范围就能完全覆盖目标区域并且任意两个无人机节点之间存在通信路径。仿真投放500个无人机节点在2km×2km区域的场景如图1所示。

图1 节点密集型FANET仿真场景

4 仿真

4.1 仿真实验环境

本文实验环境是CentOS 6.0，在ns 2.29平台进行仿真。实验模拟了无人机集群在目标区域内执行侦查任务的场景，无人机集群在飞行过程中通过组成FANET进行通信。仿真实验采用IEEE 802.11MAC协议。仿真区域大小为1km×1km，节点通信范围为250m，仿真时间为100s，节点采用固定传输速率CBR（Constant Bit Rate）应用以1个/s的速率发送数据包，数据包大小为512B，CBR连接数量20个。为了仿真更加精确，除了要考虑传送端到接收端直线距离的路径损耗，还要考虑地面反射，因此实验采用双径地面反射（Two Ray Ground）传输模型。

4.2 实验结果

本实验采用的性能指标有丢包率、吞吐量和平均时延。丢包率是指目的节点接收数据包的个数与源节点发送数据包的个数的比值。吞吐量是单位时间内成功传输数据的比特数。平均时延是指数据包从源节点到目的节点所花费时间的平均值，由于存在丢包的情况，所以只计算成功接收的数据包的时延，包括处理时延、排队时延和传输时延。

在保持其他参数不变的情况下，分别改变节点数量和节点移动速度。在每个场景下分别使用AODV、DSDV、OLSR和MP-OLSR协议，实验结束对使用各种路由协议的节点密集型FANET的丢包率，吞吐量和平均时延等性能指标与节点数量和节点移动速度的关系进行分析。网络性能与节点数量和节点移动速度的关系分别如图2和图3所示。

首先分析图2展示的网络性能随节点数量的变化，仿真场景的初始节点数为50，此后每次实验增加10，直至150个，节点最大移动速度为10m/s。显然DSDV协议的丢包率最高，随着节点数量的增加其丢包率有下降的趋势，AODV协议的丢包率受节点数量影响较小，一直稳定在10%以下，在四个协议中表现最好。OLSR协议的丢包率比MP-OLSR协议低，两个协议变化趋势基本吻合。观察吞吐量曲线发现其与丢包率曲线变化相反，这是由于丢包率会影响吞吐量，因此结果是AODV协议的吞吐量最高，DSDV协议的吞吐量最低符合预期，OLSR协议和MP-OLSR协议的吞吐量比较接近且位于AODV协议与DSDV协议之间。再分析各个协议的时延表现，DSDV协议的时延在节点数量增加时比较稳定且在四个协议中表现最好，其他三个协议的时延都呈现增加的趋势，其中OLSR协议的时延增加比较明显，AODV协议的时延比较接近MP-OLSR协议。

图2 网络性能与节点数量关系

图3展示的是网络性能随节点移动速度的变化情况。仿真场景的网络节点数为100，节点初始最大移动速度为11m/s，此后每次实验增加1m/s，直至20m/s。AODV协议的丢包率最低并且随节点移动速度变化比较小，DSDV协议的丢包率最高，随着节点移动速度增大其丢包率有增加的趋势，OLSR协议与MP-OLSR协议的丢包率比较接近位于AODV协议和DSDV协议之间并且丢包率同样随着节点移动速度增大而增加。和前面分析相同，吞吐量受丢包率影响，因此协议的吞吐量曲线与丢包率曲线呈现相反的趋势，AODV协议的吞吐量最高且相对稳定，DSDV协议的吞吐量最低并且随节点移动速度增大而降低，OLSR协议的吞吐量比MP-OLSR协议的吞吐量大但差距较小。DSDV协议的时延表现最好，AODV协议的时延次之但比较稳定，MP-OLSR协议的时延表现最差并且随着节点移动速度增大有明显增加的趋势。

图3 网络性能与节点移动速度关系

5 结语

本文针对节点密集型FANET构建仿真场景，比较了AODV、DSDV、OLSR和MP-OLSR路由协议在仿真场景下随节点数量和节点移动速度变化的性能，包括丢包率、吞吐量和平均时延，实验结果表明，AODV协议无论在节点数量增加还是节点移动速度变大的情况下，其丢包率和吞吐量的表现皆最优，但由于按需驱动路由协议的先天限制，AODV协议的平均时延表现稍差于DSDV协议，然而OL⁃SR协议和MP-OLSR协议在节点密集型FANET的表现对比AODV协议并无优势，如果网络对报文发送的实时性要求不高，则应优先考虑AODV协议。