DTN主动路由技术在平流层网络中的应用

杨悦

（中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北　石家庄　050081）

DTN主动路由技术在平流层网络中的应用

杨悦

（中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北石家庄050081）

DTN网络即容时延容中断网络，主动路由技术是DTN网络中的一项关键技术。根据平流层的实际环境特点，研究DTN主动路由技术在实际应用中存在的问题，并提出了相应的解决方案。最终，提出一种应用于平流层的DTN主动路由技术，即先聚类，后分层，再由无人机巡航的方式进行主动路由，为平流层用户节点提供可靠数据传输。

DTN主动路由层次路由

1　引言

容时延容中断网络（Delay/Disruption Tolerant Networks，DTN），是一种计算机网络体系结构方法，该方法旨在解决异构网络中缺乏可持续网络连接或超长传输时延情况下的可靠数据传输问题［1,2］。

DTN网络是一类没有稳定的端到端传输路径的网络形态，它由一组带有无线接收装置的移动主机组成，并且不需要依赖基础设施控制就可以相互通信。此类网络其特质计有：长时延或可变时延，间歇性的连接，非对称数据传输率和高数据链路差错率［3］。在这类应用环境中，设备之间的通信信道不稳定，有很大的延时及延时抖动，并且长时间处于断开的状态，无法保证端到端连接的存在。

平流层网络也是一类受限网络，平流层网络是空天信息网的一部分。空天信息网可分为天、空和地3个层次，天基以卫星为主，空基主要是指无人机和飞艇这类飞行器，地基主要是地面站、信息中心和数据处理中心等应用系统。在平流层网络中，同样需要DTN技术为其提供可靠的数据传输。但是与地面网络和传统网络不同，平流层网络有其自身的环境特点与技术特点，这就需要针对平流层的特点对DTN路由技术进行改进，本文就是针对平流层网络的特点研究DTN主动路由技术的可行性。

2　DTN主动路由技术

DTN路由协议一般包括3个部分：网络拓扑结构的建立、网络拓扑的维护和路由算法的设计。DTN路由不同于传统路由，通常采用多份消息拷贝、先验知识、编码和概率估计等机制；DTN路由的主要目的根据具体环境与传统路由也有所区别，可能是最大化报文传输的可能、最小化传输延迟及最小化内存能量消耗及最小化网络带宽使用等，即DTN路由的目标就是减少消息传输的延迟以及网络中的丢包率。

DTN路由技术体制可以分为主动路由和被动路由。被动路由是消息产生节点依靠其自身的随机或有意识的运动，将所需要转发的信息转交给可能遇到目的节点的其他节点。这种路由技术存在着一些不可避免的问题。首先，由于节点的能量和存储空间有限，采用传统路由算法会使得能量和存储空间迅速耗尽，使得网络很快瘫痪。其次，网络中很可能存在一些孤立的目的节点，使得信息不可达，延时不可控。为了解决上述问题，人们考虑将额外的可控节点部署于网络中，如数据骡（Data Mule）或摆渡节点（Message Ferry），通过这些额外的节点在整个网络空间范围内进行可控的移动来传递消息，这就是DTN主动路由技术。

图1　无人机巡航示意图

3　平流层的环境特点

平流层路由主要解决的是地面用户和平流层用户之间通过平流层飞行器实现可靠数据交付的问题。由于地面用户的移动范围很有限，而飞艇和高空气球的机动性不佳，为了更好地解决数据有效传输问题，本文采用DTN主动路由技术，以机动性能良好的无人机作为摆渡节点，为用户节点转发数据。

将DTN主动路由技术应用到平流层中，需要解决以下2个问题：

①DTN路由策略中的节点间最短路径的查找方法，无法适应平流层的空间范围大和节点数量多的特点，因此，需要针对平流层的环境特点，从新设计网络节点的分域方案。DTN路由技术中，一项关键技术是网络节点的分域，节点区域的划分直接影响网络数据传输的性能［4］。文献［5］和文献［6］的研究也指出，节点区域的有效划分能够提高数据传输的可靠性。在面对大规模高空节点的平流层环境时，需要采取合理的节点聚类方案，进行节点区域的划分；

②已有的航迹规划方案无法适应平流层的特点，因此，需要针对平流层的特点，如飞行高度和大气环境等进行航迹规划算法的设计。航迹规划是指无人机等飞行器为了完成特定的飞行任务，在综合考虑飞行器的机动性能约束、飞行环境和油耗因素等一系列特定约束条件的基础上，自动规划从飞行器起始点到目标点的最优化航空轨迹或者其他满足一定要求的航空轨迹，无人机巡航示意图如图1所示。在无人机的航迹规划过程中，不仅要考虑无人机的起飞区、目标区的各种信息，对于飞行途中飞过的区域也要满足一定的条件限制，这些限制包括飞行器自身的各种飞行限制性条件，比如匹配区、导航点、最小转弯半径和最低飞行高度等。在不同的环境中，限制条件也有所不同，需要根据平流层的实际环境，选择必要的限制条件，既要保证航迹规划的有效性，又要尽量降低算法的复杂度。

4　改进的技术方案

为了解决平流层中存在的问题，本文采用的是一种层次路由方案。层次路由方案首先采用聚类算法［7］，依据地理位置将全部用户节点划分为若干个互不相交的小区，并在小区中选择一个汇聚节点，如图2所示。若小区内的节点希望向小区外的用户发送消息，则通过小区内无人机先将消息发送至汇聚节点。在全网范围内专门有一架无人机负责在各个汇聚节点之间的巡航。当全网无人机经过汇聚节点的时候，汇聚节点将目的地不属于本小区的消息上传至无人机，由全网无人机负责将消息转发给目的小区的汇聚节点，再由目的汇聚节点的无人机负责将信息转发给目的节点。

图2　平流层层次路由方案

无人机巡航的航迹规划过程如下：①获取网络中的连接关系，包括无人机个数m，节点数量n，节点之间的距离矩阵，最大迭代次数NC；

②m个无人机放到n个节点上，每个无人机按照概率函数选择下一个城市，完成各自的周游，并记录最佳路线；

③选择代价最小的路径作为巡航路线。计算无人机巡航综合代价的公式如下［8］：

Study of Active Routing Technique of DTN in Stratosphere

YANG Yue
（The 54th Research Institute of CETC,Shijiazhuang Hebei 050081,China）

DTN is short of Delay/Disruption Tolerant Network.The active routing is a key network technique in the DTN. According to the actual environment characteristics of stratosphere,the active routing technique of DTN is studied in this paper.A corresponding solution to existent problems is proposed.Finally,an active routing mechanism is presented.It can overcome the limitation of traditional routing mechanism,and support the stratospheric environment.It provides the reliable data transmission for the nodes in stratosphere with clustering,layering and cruising by the unmanned aerial vehicle.

DTN；active routing；layered routing

TP393

A

1008-1739（2015）13-56-3

定稿日期：2015-06-12