一种优化链路状态预测的路由协议

一种优化链路状态预测的路由协议
刘伟;张可;张伟;李炜
【摘要】针对无人机自组织网络中节点运动快速且拓扑变化频繁的特点,提出一种优化链路状态预测的路由协议--OLSFR.OLSFR 通过对无人机节点运动链路状态进行预测,并定义计算MPR 集合的约束性参数以达到路由选路优化和提高性能的目的.仿真实验证明,相比OLSR、DSDV 等相关协议,OLSFR 能有效改善无人机自组织网络的数据包传递成功率和端到端延时.
【期刊名称】《计算机工程》
【年(卷),期】2010(036)022
【总页数】3页(P113-115)
【关键词】无人机自组织网络;多点中继;链路预测
【作者】刘伟;张可;张伟;李炜
【作者单位】电子科技大学,电子科学技术研究院,成都,610054;电子科技大学,综合电子技术教育部重点实验室,成都,610054;电子科技大学,电子科学技术研究院,成都,610054;电子科技大学,综合电子技术教育部重点实验室,成都,610054;电子科技大学,计算机科学与工程学院,成都,610054;电子科技大学,电子科学技术研究院,成都,610054;电子科技大学,综合电子技术教育部重点实验室,成都,610054;电子科技大学,电子科学技术研究院,成都,610054;电子科技大学,综合电子技术教育部重点实验室,成都,610054
【正文语种】中文
【中图分类】TP393
1 概述
无人机自组织网络[1]采用移动Ad hoc网络(MANET)方式组网，整个网络自创造、自组织和自管理并且不依赖中心节点和基础网络设备。

MANET拓扑变化的动态性以及连接多跳的特点，使得选择合适的路由协议成为MANET组网的重点和难点[2-4]。

本文针对无人机自组织网络中节点运动速度快、网络拓扑变化频繁的特点，通过对链路运动趋势的预测来估算节点间链路的生存时间，重新定义了一种 OLSR[5]协
议中多点中继(Multi Point Relay, MPR)算法的约束性参数，提出一种高速移动自组织网络环境下优化链路状态预测的路由协议——OLSFR(Optimized Link State Forecast Routing)。

2 链路预测生存时间及算法描述
2.1 链路预测生存时间
假设lij为某时刻网络节点Ni和Nj之间的链路。

通过运动矢量与节点通信半径相
关联，计算出节点Ni运动出节点Nj通信范围所需要的时间tij即为链路lij的预测生存时间。

通过无人机网络节点配置的GPS全球定位系统模块可以精确提供当前时刻节点坐
标位置信息。

当前运动节点Ni通过对其通信范围内的节点Nj发出的HELLO消息的接受和判断通过t1和t2时刻 HELLO消息中包含的位置信息，结合HELLO消
息的时间差，计算得到在该时间差内Ni、Nj的平均速度分别为Vi、Vj， Nj相对
于 Ni的运动速度矢量为Vi j = Vi -Vj 。

链路预测几何关系如图1所示。

图1 链路预测几何关系示意图
设节点最大传输半径为R，Q点为t2时刻移动节点Nj节点的位置，O点为t2时
刻移动节点Ni的位置。

可得在t2时刻的链路lij的运动预测生存时间tij为：
利用三角函数关系计算可得：
结合式(2)结果可得该链路预测生存时间tij为：
2.2 算法描述
在OLSFR路由协议中，无人机节点通过对相邻节点间链路状态信息进行预测，在计算MPR集合时将链路的预测生存时间作为约束性参数，选出与本节点间链路预测生存时间较大的相邻节点加入MPR集合，有效减少了网络控制信息的发送和节点MPR集合的计算量，降低了无线带宽的占用率和节点的计算负荷。

通过对MPR集合选取中存在的各种情况的综合分析，本文采用如下5步计算来实现链路预测生存时间作为约束性参数情况下对节点N的MPR集合的计算：(1)将集合 N1(节点 N的相邻节点子集)中，N_willing值为WILL_ALWAYS的节点加入MPR集。

(2)将集合 N1中可达集合 N2中的节点的唯一节点加入MPR集合，并且删除集合N2中的那些现在已经被MPR集合中的节点所覆盖的节点。

(3)如果集合N2中依然存在未被MPR集合中任何节点所覆盖的节点，对于集合N1中的每个节点，计算其可达性，即集合N2中依然未被MPR集合中任何节点所覆盖的但通过该一跳相邻节点可达的节点的数量。

(4)从该集合中选择一个节点作为MPR，该节点的愿意程度在N1中最高、而且可达性不为0。

如果存在多种选择时，则选择可达集合 N2中节点数量最多的那个节点；若存在多个节点提供相同数量的可达行，则比较这些节点与节点N的链路预测生存时间，选择链路预测生存时间数值最大的那个节点；如果链路预测生存时间
相同，则选择其中节点密度degree(n)最高的节点。

节点密度定义为该节点对称相邻节点的数量，但不包括结合 N1中所有成员节点，以及正在执行该MPR计算的那个节点。

删除结合N2中的那些现在已经被MPR集合中的一个节点所覆盖的节点。

将以上 4步计算得到的 MPR取并集，则建立该节点的MPR集合。

该计算方法在一定程度上增加了MPR集合的冗余度，但综合分析来看，具有良好的整体性能。

3 仿真分析
3.1 仿真环境
本文在NS2平台上进行仿真实验。

通过对OLSFR路由协议、OLSR路由协议、DSDV路由协议进行对比来考察OLSFR的优化效果。

仿真实验的网络环境和相关参数的设置如下：每个节点选择IEEE802.11作为MAC层协议，最大传输半径为250 m，无线信道带宽为2 Mb/s，节点通信半径为250 m。

仿真实验中所有节点采用 Random Waypoint[6]运动模型并且随机分布在800 m×800 m的范围内。

Random Waypoint运动模型相关参数如下：
(1)节点数：15，20，25，30(默认值)，35，40；
(2)节点最大速度：10 m/s、15 m/s、20 m/s、25 m/s、30 m/s(默认值)、35 m/s；
(3)节点最小速度：0；
(4)仿真范围：800×800 m2；
(5)仿真时间：100 s；
(6)节点暂停时间：0。

在数据通信方面，仿真采用CBR包来模拟网络生成数据包。

具体的数据通信参数如下：
(1)节点通信半径：250 m；
(2)信道容量：2 MB/s；
(3)传递类型：CBR；
(4)CBR包大小：512 Byte；
(5)CBR包间隔：1 s。

为了验证OLSFR路由协议的良好性能，仿真实验将从发送成功率、端到端延时2个方面对协议的性能进行比较。

3.2 仿真结果
本次仿真实验研究在节点最大运动速度变化情况下OLSFR路由协议的性能表现。

在取不同运动速度情况下，仿真实验中3个不同协议在发送成功率、端到端时延2个方面的对比情况如图2所示。

在图2(a)中，随着节点运动速度的增加，OLSFR 比其他2种路由协议在发送成功率方面有明显的提高。

较高的发送成功率可以保证数据在网络中更准确地传递到目的节点。

图 2(b)体现了随着节点运动速度的增加，OLSFR可以提供较小的端到端时延值。

图2整体说明当节点速度增大时，OLSFR路由协议对比OLSR、DSDV路由协议，有着发送成功率、端到端延时2个方面的明显优势。

图2 节点运动速度对协议性能的影响
本次仿真实验考察了不同节点密度场景下实验选取的3个路由协议的性能比较。

节点密度逐渐增加的场景中OLSFR、OLSR、DSDV 3种路由协议的性能比较如图3所示。

图3(a)说明随着节点密度的增加，OLSFR路由协议比OLSR和 DSDV2种路由协议在发送成功率方面有着稳定的提高。

在无人机网络中，较高的发送成功率代表无人机节点数据的采集和传递方面有更高的可靠性。

图3(b)表示OLSFR路由协议在节点密度增加的情况下相对于OLSR和DSDV路由协议保持了较为稳定的端到端时延值。

较低和稳定的端到端时延可以保证在无人机网络应用的情况下，
信息的传递有较好的时效性。

图3 不同节点密度对各协议性能的影响
图3说明了在节点密度逐步加大的情况下，OLFSR的性能衰减小于参加对比的其他2种路由协议，可以较为有效地满足无人机自组织网络规模扩大的需要。

4 结束语
仿真实验证明，OLSFR路由协议有效地提高了网络中数据传递的准确率并且减小了平均传输延时。

与其他研究工作相比，本文的贡献主要体现在以下2个方面：(1)提出了一种基于位置信息的链路预测生存时间概念，将节点之间的相对运动情况与节点间链路状况相联系。

(2)通过在 OLSFR路由协议中引入链路预测生存时间作为 MPR集计算的约束性参数，有效减少了节点快速移动情况下，TC分组的泛洪和MPR集的计算频度对无线带宽节点能量的消耗。

在未来对无人机自组织网络的研究中，将继续对OLSFR路由协议进行深入分析，对现有优势技术进行吸纳，有效提高无人机自组织网络的综合性能。

参考文献
[1]Zhang Ke, Zhang Wei, Zeng Jiazhi. Preliminary Study of Routing and Date Integrity in Mobile Ad hoc UAV Network[C]//Proc. of IEEE International Conference on Apperceiving Computing and Intelligent Analysis. Chengdu, China: [s. n.], 2008.
[2]陈磊, 王永生, 刘真. 无人机通信网络路由协议研究[J].计算机工程, 2007,
33(13): 141-143.
[3]周贤伟, 吴启武. 基于可信度的 MANET路由协议综合评估[J].计算机工程, 2009, 35(6): 20-22.
[4]许重球, 李腊元. MANET典型路由协议的性能分析与仿真[J].计算机工程, 2008, 34(12): 97-99.
[5]Clausen T, Jacquet P. Optimized Link State Routing Protocol(OLSR)[S]. RFC 3626, 2003.
[6]石丛军, 任清华, 郑博, 等. MANET节点移动模型仿真研究[J].计算机工程, 2009, 35(14): 101-103.。