无人机自组网中基于能量权重的DSR协议

梁 青，林 天，张 凡

(西安邮电大学 电子工程学院，陕西 西安 710121)

无人机自组网(Unmanned Aerial Vehicle Ad-Hoc Network,UAVANET)[1]是应用于无人机的特殊移动自组网，其无需借助卫星或者基站就可以实现无人机之间的通信与信息共享。在无人机飞行速度较高的情况下，UAVANET网络的拓扑结构变化剧烈，链路也会变得不稳定，严重影响UAVANET的通信质量。

为了建立稳定可靠的UAVANET通信网络，选择合适的UAVANET路由协议十分必要[2]。动态源路由(Dynamic Source Routing,DSR)协议由于具有反应迅速、开销低等优点，成为最常用的UAVANET路由协议之一[3]，但是，DSR协议在高动态网络中存在链路易断裂且传输效率低的问题，会导致通信状态处于不稳定的状态从而降低通信质量[4]。

众多研究者针对DSR协议提出了改进方法。文献[5]提出一种基于身份的顺序聚合签名的DSR(Improving DSR with ID-based Sequential Aggregate Signatures,ISDSR+)协议，该协议使用了新的签名方案，在通信时需要对各个节点进行密钥认证，提升了路由协议的安全性。文献[6]等人提出了使用跨层方法在无线传感器网络中检测遭到黑洞攻击的有效DSR路由协议。文献[7]提出了一种基于DSR路由协议的快速识别洪泛攻击的方法，防止恶意节点对自组网的攻击。文献[8]提出了一种基于多路径DSR路由协议的高速缓存更新方法，用来处理路由信息中过期失效路径，提高缓存空间的利用率。文献[9]提出了一种信任管理系统来提高DSR路由协议的服务质量。文献[10]提出了利用模糊推理系统(Adaptive Fuzzy Inference System,ANFIS)改进的DSR路由协议，用来选择最优的路由信息。上述协议均是针对DSR协议的安全性和服务质量进行的优化，并未考虑协议的通信链路能量问题以及高动态网络状态下的通信稳定性。

文献[11]提出了一种基于连续Hopfield神经网络DSR(Continuous Hopfield Neural Network-DSR,CHNN-DSR)的路由协议，该协议使用连续的Hopfield神经网络对DSR协议进行优化，获取最稳定的路由信息，以适应网络节点的高速运动。但是，CHNN-DSR协议仿真的最大速度为50 m·s-1，而无人机的速度远高于这个速度，该路由协议对于较高速度(如100 m·s-1)飞行的无人机网络并不适用。

为了提升UAVANET通信链路的稳定性和持续性，本文拟提出一种基于能量权重的DSR(DSR-Energy Weights,DSR-EW)协议。在路由寻找过程中计算路径的能量权重，选择路径能量权重最高的路径进行数据传输，以防止路径在传输过程中因为链路能量低而中断数据传输，造成通信中断。

1 DSR协议

DSR路由协议是一种支持多路径、多跳的按需路由协议，主要包括路由发现和路由维护两个过程[12]。

1.1 路由发现

当源节点有数据分组需要传输到目的节点时，首先会在本地的路由存储器中查找是否有到达目的节点的有效路由。如果没找到有效的路由，会重启路由发现过程，在整个网络中寻找到达目的节点的可用路由。在源节点收到路由应答包之后，选择最短的路径进行数据分组的传输。

1.2 路由维护

在进行数据分组传输时，传输该数据分组的各个中间节点要负责验证该数据分组是否可以通过本节点到达下一跳节点。DSR路由协议维护的所有状态都是“软状态”，即任何状态的丢失均不会影响协议正确操作，所有状态在丢失之后，如果仍然需要该状态，也能够很容易恢复，不会对协议本身产生太大的影响[11]。该协议只使用软状态来维护路由，对于分组丢失、节点失效等问题具有很强的处理能力，在某个失效节点重新启动之后也能够快速恢复其分组转发功能，很少甚至不会中断协议操作。

2 DSR-EW协议

DSR路由协议采用的是最短路径传输，在节点高速移动、网络拓扑结构快速变化的场景下，易发生通信链路断裂，造成通信链路失效[13]。为此，提出DSR-EW路由协议，在路由发现过程中，采用能量权重模型筛选链路，选择整体能量较高的路径进行数据传输。

2.1 能量权重模型

在无线传输信号在传输的过程中，伴随传输距离的增大，其信号强度逐渐减小。设在自由空间中，以发送节点为中心，以功率PT发送信号，发送节点与接收节点的距离为d。发送距离为的所有节点构成了一个球面，该球面的面积为4πd2。由于总发送功率是平均分布在该球面上任意一个点的，因此，在该球面任意一点的功率密度[14]为

由此可以出计算出发送节点到接收节点之间传输的链路衰减为

根据波长λ和频率f的关系，可以得到

其中，c表示光速。

最终的接收功率为

PR=PT-PL

路由协议的数据模型可以用有效节点和路径来描述为G=(V,E)，其中，V表示存有有效路由信息的节点集合，E表示到达目的节点的路径集合。

把接收数据分组节点处的能量和发送数据分组节点处的能量比值定义为该链路的能量权重[15]，记为

通过计算每条链路的能量权重可以得到每条路径的能量权重。第条路径的能量权重计算表达式为

其中：n表示路径i的链路总数；wi表示路径i中链路k(k=1,2,…,n)的能量权重。能量权重值越高，该条路径的整体能量也就越高，意味着该链路能够维持的时间也就越长[16]。

2.2 路由数据包信息

路由请求包主要包含以下信息[17-18]。

1)源节点地址，即发起节点IP地址。

2)目的节点地址，即目的节点IP地址。

3)跳数限制，设置跳数取值范围为[1,255]。

4)选项类型，设置长度为8 bit。

5)选项数据长度，设置长度为8 bit。

6)识别码，表示路由请求发起节点的唯一识别码，设置长度为16 bit。

7)地址列表，记录路由寻找过程中的相关节点的节点信息。

8)能量权重，记录路径的能量权重值。

路由应答包主要包含以下信息[17-18]。

1)源节点地址，即发起节点IP地址。

2)目的节点地址，即目的节点IP地址。

3)选项类型，设置长度为8 bit。

4)选项数据长度，设置长度为8 bit。

5)标志位，设置长度为1 bit。

6)保留位，设置长度为1 bit。

7)地址列表，记录路由请求过程中的路由信息。

2.3 协议描述

DSR-EW协议可以描述为3个步骤。在路由发现过程中，首先，通过全球定位系统(Global Positioning System,GPS)获得节点的位置信息，计算出相邻两个节点的距离。其次，根据能量权重模型计算出每条链路的能量权重，从而得出每条路径的能量权重。最后，从这些路径中选择能量权重最高的那条路径进行数据传输，以此减少传输过程中链路因能量不足而导致通信中断的次数，为数据的成功传输提供了最可靠的路径，确保数据可以及时到达目的节点。

3 仿真与结果分析

3.1 仿真环境

为了验证DSR-EW路由协议的性能，采用网络仿真软件NS 2.35对EW-DSR路由协议进行仿真，并且与DSR和CHNN-DSR协议进行对比。

仿真使用的介质访问控制(Media Access Control,MAC)层类型为无线局域网通用标准电气与电子工程师协会(Institute of Electrical and Electronics Engineers,IEEE)802.11，分组类型为固定码率(Constant Bit Rate,CBR)，天线类型为全向天线(Omni Antenna)，无线传播模型为双径地面反射(Two Ray Ground)，信道类型为无线信道(Wireless Channel)。其他仿真参数设置如表1所示。

表1 仿真参数设置

3.2 结果分析

DSR、CHNN-DSR和DSR-EW等3种协议的丢包率仿真结果如图1所示。在无人机节点速度为10～100 m·s-1时，DSR-EW协议的丢包率相比DSR和CHNN-DSR协议分别平均降低了35.4%和31.2%。这是因为，DSR-EW协议筛选的路径为能量权重最高的路径，其路径的整体能量权重较高，能够维持的传输时间较长，减少了链路因能量不足而导致断裂的次数，在提高数据传输效率的同时，降低了丢包率。

图1 丢包率仿真结果

DSR、CHNN-DSR和DSR-EW等3种协议的端到端时延仿真结果如图2所示。在无人机节点速度为10～100 m·s-1时，DSR-EW协议的端到端时延相比DSR和CHNN-DSR协议分别平均降低了45.2%和41.6%。这是因为，DSR-EW协议采用能量权重模型选取的路径稳定性较高，减少了路由的发起次数，使数据包可以更快的到达目的节点，进而降低了端到端时延。

图2 端到端时延仿真结果

DSR、CHNN-DSR和DSR-EW等3种协议的路由开销仿真结果如图3所示。在无人机节点速度为10～100 m·s-1时，DSR-EW协议的路由开销相比DSR和CHNN-DSR协议分别平均降低了34.4%和32.1%。这是因为，DSR-EW协议在路由寻找时采用能量权重模型筛选到达目的节点的路径，为数据成功传输提供了能量支持，有效避免了由于链路断裂引起不必要的重新搜寻开销。

DSR、CHNN-DSR和DSR-EW协议的吞吐量仿真结果如图4所示。在无人机速度为10～100 m·s-1时，DSR-EW协议的吞吐量相比DSR和CHNN-DSR协议分别平均提高了42.9%和32.8%。当无人机节点处于高速运动的状态时，其网络拓扑变化非常剧烈，链路也处于极其不稳定的状态，导致数据传输的中断。但是，由于DSR-EW协议通过筛选并选择能量权重高的路径传输信息，在同样的传输时间内，可以传输更多的数据，从而数据吞吐量较高。

图4 吞吐量仿真结果

4 结语

针对DSR路由协议在高速时存在链路易断裂和信息传输效率低等问题，提出了一种改进的DSR-EW协议。在路由寻找过程中，选择能量权重值高的路径进行数据传输，为数据传输提供稳定可靠的数据传输通道。仿真结果表明，在无人机节点速度较高时，相比于DSR和CHNN-DSR协议，DSR-EW协议的丢包率和路由开销较低，数据吞吐量较高，路由的数据传输效率和通信性能较好。