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無人飛機(jī)自組網(wǎng)的路由協(xié)議設(shè)計(jì)構(gòu)思及研究（一）

作者： 深方科技 時(shí)間：2019-08-16 來源：caowo.com.cn
摘要：無人機(jī)在現(xiàn)代社會(huì)中扮演著越來越重要的角色。在軍事應(yīng)用方面，賦予無人機(jī)的功能越來越復(fù)雜，單架無人機(jī)已很難滿足復(fù)雜任務(wù)的需要。機(jī)構(gòu)多架特性不...

無人機(jī)在現(xiàn)代社會(huì)中扮演著越來越重要的角色。在軍事應(yīng)用方面，賦予無人機(jī)的功能越來越復(fù)雜，單架無人機(jī)已很難滿足復(fù)雜任務(wù)的需要。機(jī)構(gòu)多架特性不一樣、作用各不相同的無人飛機(jī)協(xié)作實(shí)行炮兵、監(jiān)控、多總體目標(biāo)進(jìn)攻等每日任務(wù)，將是信息化戰(zhàn)爭中無人飛機(jī)戰(zhàn)斗的這種關(guān)鍵軍事行動(dòng)方法。此外，它在特殊領(lǐng)域里的應(yīng)用也是今非昔比。無人飛機(jī)相對(duì)性許多人機(jī)而言，具備構(gòu)造簡易、工程造價(jià)便宜、不用傳統(tǒng)上的航空員等很多優(yōu)勢(shì)，在高危險(xiǎn)因素的地區(qū)（微生物、有機(jī)化學(xué)乃至核自然環(huán)境下的運(yùn)用等），也是使許多人機(jī)自愧不如。

 

隨之無人飛機(jī)在各應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)展趨勢(shì)，在某些繁雜場(chǎng)所單機(jī)版運(yùn)用已不合適，必須有機(jī)群組隊(duì)和協(xié)作去進(jìn)行比較繁雜的每日任務(wù)。這就要求無人機(jī)系統(tǒng)要從目前的單飛單控變?yōu)槎囡w單控或者多飛多控，組成無人機(jī)自組網(wǎng)[1-2]。該互聯(lián)網(wǎng)必定是1個(gè)交叉性較強(qiáng)的互聯(lián)網(wǎng)，互聯(lián)網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)迅速轉(zhuǎn)變，持續(xù)會(huì)有連接點(diǎn)添加或離去互聯(lián)網(wǎng)。無線網(wǎng)絡(luò)自組織互聯(lián)網(wǎng)（通稱Ad Hoc互聯(lián)網(wǎng)）是適合創(chuàng)建無人飛機(jī)互聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)性。

 

1　無人機(jī)自組網(wǎng)原理及特點(diǎn)

無人飛機(jī)自組織互聯(lián)網(wǎng)也稱無人飛機(jī)互聯(lián)網(wǎng)，是由無人飛機(jī)當(dāng)擔(dān)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的具備任意性、暫時(shí)性和自治性網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞膭?dòng)態(tài)性自組織應(yīng)用系統(tǒng)。

 

無線網(wǎng)絡(luò)支持隨時(shí)隨地的通信。1個(gè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)就是“不在于任何基礎(chǔ)建設(shè)的移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的短時(shí)間互聯(lián)”，并允許持續(xù)性創(chuàng)建移動(dòng)互聯(lián)。

 

在無線網(wǎng)絡(luò)中，每一個(gè)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)都可以作為一個(gè)路由進(jìn)行工作。換句話說，中移動(dòng)連接點(diǎn)的作用不但是發(fā)射點(diǎn)和接受，也具備路由器挑選和存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)的作用。一起，由于無線網(wǎng)絡(luò)Ad Hoc互聯(lián)網(wǎng)不用基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，因此互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)的成本費(fèi)大幅度降低，布網(wǎng)也越來越快速，非常有益于應(yīng)收緊急事件和減輕網(wǎng)絡(luò)熱點(diǎn)地域的通訊工作壓力。

 

無線網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)多跳網(wǎng)絡(luò)，一次通信過程可能需要若干次中繼才能完成，而中繼節(jié)點(diǎn)可以靈活選擇路由，避開干擾嚴(yán)重的地區(qū)。另外，無線網(wǎng)絡(luò)可以更有效地利用無線資源。當(dāng)2個(gè)客戶間距較近時(shí)，能夠 立即通訊。而這樣的通信使用的發(fā)射功率很小，即使在多跳情況下，總的發(fā)射功率也比直接發(fā)射功率小。這由于電磁波的衰減系數(shù)是離散系統(tǒng)的，一起每一客戶的覆蓋面積越來越十分有限公司，頻率的重復(fù)使用加倍提升，進(jìn)而提升了容積。

 

因?yàn)闊o線網(wǎng)絡(luò)自組織互聯(lián)網(wǎng)沒有固定的網(wǎng)絡(luò)設(shè)施(例如通信基站)，所以它可以在任何時(shí)間和任何地址構(gòu)建和應(yīng)用。它的運(yùn)作方法沒受固定不動(dòng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞南薅?，因而容許全部連接點(diǎn)全是中移動(dòng)的。節(jié)點(diǎn)的增加和減少只有在其他節(jié)點(diǎn)的交互作用中才會(huì)發(fā)生。

 

無人機(jī)網(wǎng)絡(luò)是由移動(dòng)節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的自主系統(tǒng)。它的主要特點(diǎn)[3-4]包括：

（1）網(wǎng)絡(luò)的自主性。和基本的無線通信網(wǎng)絡(luò)對(duì)比，無線網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)網(wǎng)較大的不一樣是能夠 在無論如何、一切地址不用依靠目前的基本網(wǎng)絡(luò)設(shè)施就能夠 保持通訊。

（2）無嚴(yán)格的控制中心。無線網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)網(wǎng)沒有嚴(yán)苛的監(jiān)測(cè)中心，全部連接點(diǎn)的影響力是公平的，且每一連接點(diǎn)都具有單獨(dú)的服務(wù)器和路由器作用。

（3）動(dòng)態(tài)拓?fù)?。從傳輸層看來，在無線網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)網(wǎng)中，中移動(dòng)連接點(diǎn)能夠 以隨意速率和方法在網(wǎng)移動(dòng)，再加無線網(wǎng)絡(luò)上傳設(shè)備上傳輸出功率的轉(zhuǎn)變、無線信道間的互相干撓、地貌要素的危害，連接點(diǎn)間根據(jù)無線信道產(chǎn)生的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)隨時(shí)隨地會(huì)變化很大。

（4）多跳通信。因?yàn)闊o線電話數(shù)據(jù)信號(hào)散播范疇有限公司，無線網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)網(wǎng)規(guī)定多跳通訊。

 

2　路由協(xié)議設(shè)計(jì)

2.1　設(shè)計(jì)概述

開發(fā)良好的路由協(xié)議是建立無人機(jī)網(wǎng)絡(luò)的首要問題，也是研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)問題。依據(jù)無人飛機(jī)特性，設(shè)計(jì)構(gòu)思迅速、精確、高效率、可擴(kuò)展性好、自適應(yīng)力強(qiáng)的路由器計(jì)算方法，變成無人飛機(jī)自組網(wǎng)尤為重要的課題研究。

無線自組網(wǎng)的特點(diǎn)是網(wǎng)絡(luò)自組織、動(dòng)態(tài)變化的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?、有限的傳輸帶寬、移?dòng)終端的局限性、單向信道的存在和分布式控制等。設(shè)計(jì)構(gòu)思高效率、動(dòng)態(tài)性的路由協(xié)議變成整體規(guī)劃無線網(wǎng)絡(luò)自組網(wǎng)的1個(gè)挑戰(zhàn)，路由協(xié)議務(wù)必可以跟上連接點(diǎn)中移動(dòng)所產(chǎn)生的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)快速轉(zhuǎn)變[5]。

目前，常規(guī)的無線自組網(wǎng)路由協(xié)議根據(jù)路由建立時(shí)機(jī)與數(shù)據(jù)發(fā)送的關(guān)系，可分為主動(dòng)路由算法和按需路由算法。主動(dòng)路由建立、維護(hù)路由的開銷大，資源要求高，主要有目的排序的距離矢量路由（DSDV）、簇頭網(wǎng)關(guān)交換路由（CGSR）、無線路由協(xié)議（WRP）等；按需路由在傳輸前需計(jì)算路由，時(shí)延大，主要有動(dòng)態(tài)源路由（DSR）、需距離矢量路由（AODV）、基于聯(lián)系的路由（ABR）、暫時(shí)排序路由算法（TORA）等。

目前，無線自組網(wǎng)的各類路由協(xié)議還不成熟，沒有形成相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)。特別是網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、通訊需求差別很大，單純采用上述的某種路由協(xié)議都不能完全解決路由問題[6]。因此，移動(dòng)Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中的路由算法仍是當(dāng)前研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)問題。

本文所設(shè)計(jì)的路由協(xié)議是一種表驅(qū)動(dòng)單播路由協(xié)議（TDFP）（Table Drive FHR Protocol），每個(gè)節(jié)點(diǎn)分別在本地維護(hù)一個(gè)完整的路由轉(zhuǎn)發(fā)表。當(dāng)有統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)必須上傳時(shí)，立即依據(jù)目地連接點(diǎn)詳細(xì)地址查表得到下一個(gè)跳必須發(fā)到的連接點(diǎn)詳細(xì)地址，并在每個(gè)正中間連接點(diǎn)多次搜索，最后以最少的相對(duì)路徑到達(dá)目地連接點(diǎn)。

路由協(xié)議運(yùn)行時(shí)，預(yù)先設(shè)置的定時(shí)器會(huì)激勵(lì)進(jìn)程每隔一段固定的時(shí)間發(fā)送一次廣播ribp（route information broadcast packet）數(shù)據(jù)包，內(nèi)容包括鄰節(jié)點(diǎn)表和本地路由轉(zhuǎn)發(fā)表的所有主要信息，而其他節(jié)點(diǎn)則根據(jù)此信息來維護(hù)本地路由表和確定鄰居節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)。定時(shí)器超時(shí)后會(huì)啟動(dòng)ribp報(bào)文組裝流程，通過填充頭部信息、讀取鄰節(jié)點(diǎn)表和路由表信息生成報(bào)文。報(bào)文格式拼裝定時(shí)器請(qǐng)求超時(shí)后，啟用ribp報(bào)文格式拼裝涵數(shù)，最先添充ribp報(bào)文格式頭信息內(nèi)容，隨后先后載入系統(tǒng)軟件中儲(chǔ)存的鄰連接點(diǎn)表信息內(nèi)容，事件先后載入系統(tǒng)軟件中儲(chǔ)存的路由表信息內(nèi)容。完成上述信息獲取后，生成ribp報(bào)文并將報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)。


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