一种可适应不同运动场景的改进的AODV路由协议

技术领域

本发明属于属于Ad Hoc网络领域，具体是指一种可适应不同运动场景的改进的AODV路由协议。

背景技术

无人机是执行枯燥、恶劣或危险任务的最佳选择。无人机经过了几十年的发展历程，从技术角度看已经比较成熟。其优点是成本低，易操纵，具有高度灵活性，能够携带一些重要的设备从空中完成特殊任务，比如空中监测、空中监视、空中转信、空中喊话、紧急救援等。在执行特殊任务时，一般不会造成人员伤亡，生存能力强，机动性能好，使用方便。

由于传感器视线遮挡、飞行空域限制等因素的影响,单架无人机通常不足以实现对大范围区域的持续监视,需要多架无人机协作以执行任务。相比单架无人机来说，多无人机协同执行任务将具备如下的优势：1)可以通过相互之间的配合提高任务完成的质量；2)可以通过资源和信息的共享扩展执行任务的能力；3)可以通过任务的并行执行缩短任务完成的时间、提高任务执行的效率；4)当某一架无人机出现故障时，可以通过任务重分配增加任务成功的概率。因此，多无人机协同技术是无人机发展的必然趋势。

Ad Hoc网络，即移动自组网，是一种具有高度动态拓扑结构、节点任意移动的自组织网络，其独立于固定的基础设施，通过移动节点自由组网实现通信，并且采用分布式管理，即自动创建、自动组织和自我管理。Ad Hoc网络具有多跳、自组织、无中心等特点。在多无人机协同中，将单个无人机看做移动自组网的节点，因此多无人机协同技术中的通信是Ad Hoc网络。

AODV路由协议是一种按需平面距离矢量路由协议，建立在DSDV(目的序号距离矢量算法)之上。实质上,AODV是DSR和DSDV的综合，它借用了DSR协议的基于按需路由发现和按需路由维护机制的基础程序，以及DSDV的逐跳(hop-by-hop)路由、顺序编号和路由维护阶段的周期更新机制。AODV协议每个节点都维护路由表，保存着下一跳节点的信息，因而数据分组头部不再需要携带完整的路由，能适合于大规模较大的移动自组网，在此协议中，节点并不需要周期性地维持一张路由表，而是在有通信需求时才启动路由发现过程，而且路由信息有一定的生命期(TTL)，若某条路由已不需要，则会被删除。AODV协议由RREQ包、RREP包和RERR包来完成路由发现和路由维护过程。当源节点接收到最新的RREP包时，源节点通过MACT报文激活唯一的跳数最少的一条到目的节点的路由。AODV通过Hello消息为网络节点提供关 于链路连接状态的信息。

稳定度是衡量路径或链路稳定性大小的度量值。一条路径由一系列链路组成，路径的稳定度取决于各条链路的稳定度。常用的链路稳定度的定义主要有：基于“链路越老越稳定”，基于剩余生命时间，基于信号强度，基于全球定位系统，基于移动预测模型等。假设路径中各链路之间相互独立，则路径的稳定度为各链路的乘积。通过各无人机的GPS装置，可以获得固定时间内相邻节点的位置变化量，求得无人机的平均相对运动速度。同时利用相对位置信息可以求得链路稳定因子。如图1所示，有两无人机节点i,j，两节点的传输半径相等，即R_i＝R_j。节点i在时刻t_k的位置向量为：

pos(i,t_k)＝(x_i,k,y_i,k,z_i,k)

节点j在时刻t_k的位置向量为：

pos(j,t_k)＝(x_j,k,y_j,k,z_j,k)

在T＝t_k-t_k-1时间内，相邻节点i和j的相对位置变化量为：

ΔS_ij＝pos(i,j,T)＝||pos(i,j,t_k)||-||pos(i,j,t_k-1)||

稳定因子S_link_ij越大，表示节点i相对j的局部拓扑越稳定。S_link_ij值越小，表示节点i相对j的局部拓扑变化激烈，稳定性低。因此从源节点到目的节点路径的稳定因子为：

在Ad Hoc网络中，节点的频繁移动导致网络拓扑的频繁变化，原本建立的从源节点到目的节点的AODV路由随时面临着断裂的危险。链路的断裂将导致采用初始的AODV路由协议的情况下路由维护阶段有大量的Hello消息，和大量的路由重建的过程，在路由重建完成期间，网络拓扑的变化将可能导致新建的路由中某条链路断裂，无法使用，将大大增加了端到端时延，增加了分组丢失率，同时容易引起网络拥塞。

因此，在网络拓扑的变化时，减轻网络的带宽，减少端到端时延，减少分组 丢失率，避免非链路断裂而发起错误的路由重建，避免造成不必要的带宽负担造成网络拥堵一直是本领域技术人员待解决的技术难题。

发明内容

本发明针对现有技术中存在的问题，提出了一种可适应不同运动场景的改进的AODV路由协议，根据无人机平均相对运动速度选择不同的改进的AODV路由协议，通过判断网络拓扑结构变化的快慢选择不同的路由协议，可以适应变换的无人机拓扑结构，减轻网络的带宽，减少端到端时延，减少分组丢失率。

本发明是这样实现的，一种可适应不同运动场景的改进的AODV路由协议，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，路由发现阶段；

步骤2，路由选择；

步骤3，路由激活；

步骤4，路由维护。

进一步，所述的步骤1包括以下步骤：

1.1，源节点路由表有到达目的节点的有效路由，则直接发送数据分组；如果没有，则将数据分组存入源节点的数据发送缓存区中，执行路由发现过程；

1.2，源节点广播RREQ包；

如果接受RREQ包的节点不是目的节点且此中间节点没有到目的节点的有效路由，则广播RREQ包至下一跳节点，同时建立到源节点的反向路由，直到目的节点或有到目的节点路由的中间节点；

如果接收RREQ包的节点不是目的节点，但是中间节点有到目的节点的有效路由，则生成RREP包会送给上一跳节点，直到源节点，同时建立从目的节点到中间节点的正向路由；

1.3，如果接收RREQ包的节点是目的节点，则目的节点生成RREP包给上一跳节点，直到目的节点；源节点向目的节点发送RREQ包时，将相邻节点的位置变化量传递给目的节点，目的节点计算节点的相对运动速度V_i，以及平均相对运动速度设速度常量为V；

当时，目的节点发送RREP包的同时计算链路稳定因子；

当时，此时不计算链路稳定因子。

进一步，所述的步骤2包括以下步骤：

2.1，当时，选取最大路径稳定因子和最大目的节点序列号的路由；按比例减少AODV协议中Hello消息的Allowed_Hello_Loss和Hello_Interval；

2.2，当时，选择路由跳数小和目的节点序列号最大的路由；按比例增加AODV协议中Hello消息的Allowed_Hello_Loss和Hello_Interval。

进一步，所述的步骤3具体为：建立了源节点到目的节点的路由时，

当V_i＞V时，源节点发送MACT激活从源节点到目的节点的最大序列号和最大路径稳定因子的有效路径；

当V_i≤V时，源节点发送MACT激活从源节点到目的节点的最大序列号和最小跳数的有效路径。

进一步，所述的步骤4具体为：一个节点通过确认是否在规定的时间内接收到来自其邻居节点的Hello消息，来判断到达该邻居节点的链路是否有效；如果链路有效，节点增加该路由的生存时间，增加时间至少为Allowed_Hello_Loss×Hello_Interval。

本发明相对于现有技术的有益效果在于：本发明通过各无人机携带的GPS信号可获得各无人机与临近无人机的平均相对运动速度，进而判断网络拓扑结构变化快慢；通过判断网络拓扑结构变化的快慢选择不同的路由协议，即根据无人机平均相对运动速度选择不同的改进的AODV路由协议，可以适应变换的无人机拓扑结构，减轻网络的带宽，减少端到端时延，减少分组丢失率。

附图说明

图1为本发明背景技术中两无人机节点位置变化；

图2本发明中AODV路由发现过程；

图3本发明中改进的AODV路由协议中节点对控制信息的响应。

具体实施方式

本发明提供一种可适应不同运动场景的改进的AODV路由协议，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚，明确，以及参照附图并举实例对本发明进一步详细说明。应当指出此处所描述的具体实施仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

步骤1)路由发现阶段：

如图2所示，当源节点发送RREQ包寻找有效路由时，生成了目的节点到源节点的反向路由，当目的节点发送RREP包到源节点时，生成了源节点到目的节点的正向路由。

源节点有通信需求时，首先检查源节点路由表是否有到达目的节点的有效路由，如果有则直接发送数据分组。如果没有，则将数据分组存入源节点的数据发送缓存区中，执行路由发现过程。源节点广播RREQ包，邻居节点接受RREQ包。如图3所示，节点判断接受的包，当判断结果是RREQ时，通过比较本节点的ID号和RREQ包中的Did是否相等，进而判断此节点是否是目的节点。如果该节点为目的节点，则此节点向源节点回送RREP包。当该邻居节点不是目的节点，并且根据Sid，Request id判断是否已经接收过该RREQ包。如果已经接收，则丢弃该RREQ包。反之，缓存RREQ包信息，建立反向路由。若此中间节点没有到目的节点的有效路由时，广播该RREQ包至其邻居节点，同时建立到源节点的反向路由，直到目的节点或有到目的节点路由的中间节点。如果该节点不是目的节点，但是中间节点有到目的节点的有效路由，则生成RREP包会送给上一跳节点，直到源节点，同时建立从目的节点到中间节点的正向路由。

每个节点通过GPS获取自己的地理位置信息，并定时向自己的邻居节点广播自己最新的地理位置信息。源节点向目的节点发送RREQ包时，将相邻节点的位置变化量传递给目的节点，目的节点计算所有节点的相对运动速度

当目的节点接收到RREQ包，时，表明网络拓扑变化快，此时目的节点发送RREP包至源节点，同时计算链路稳定因子，最终获得路径稳定因子。当 时，表明网络拓扑变化慢，此时目的节点只发送RREP包至源节点，不计算链路稳定因子。

步骤2)路由选择；如图3所示，当接受RREP包的节点为目的节点，时，选取最大路径稳定因子和最大目的节点序列号路由；当时，选择最小路由跳数和最大目的节点序列号的路由。当接收RREP包的节点不是源节点， 时，单播RREP至路由的下一跳，建立到目的节点的前向路由，计算链路稳定因子。当接收RREP包的节点不是源节点，时，单播RREP至下一跳节点，建立到目的节点的前向路由。

步骤3)路由激活；当建立了源节点到目的节点的路由时，当时，源节点发送MACT激活从源节点到目的节点的最大序列号和最大路径稳定因子的唯一一条有效路径。当时，源节点发送MACT激活从源节点到目的节点的最大序列号和最小跳数的唯一一条有效路径。

步骤4)路由维护。在路由表建立后，路由中节点需要执行路由维护、路由管理的任务，实现逐跳转发。在维护路由表的过程中，除了删除不再被需要的路由外，当发现有链路中断时，上游节点会发送RRER包通知更上游的节点。如图3所示，在RRER包中，指明了由于链路中断而无法到达的目的节点的IP地址，每个节点保留了一个前驱列表来帮助完成RRER包顺利到达源节点的过程。节点接受到RRER包时，将受到影响的路径删除，判断此节点是否为源节点，如果是源节点则结束，否则，转发RRER至前驱节点。当Hello消息能够为网络节点提供关于链路连接状态的信息。如果一个节点是一条活动路由的组成部分，那么它只能使用Hello信息来确认网络链路的连接状态。节点每隔一个Hello消息的周期时间(Hello_Interval，Hello_Interval变为原来的倍),节点检查是否广播消息。Hello消息允许丢失的次数的Allowed_Hello_Loss变为倍，Lifetime域值设为Allowed_Hello_Loss×Hello_Interval。如果路由中某节点在Allowed_Hello_Loss×Hello_Interval时间内没有接收到来自邻居节点的任何消息，那么该节点就认为到达该邻居节点的链路已经中断，如果没有其他到目的节点的有效路由，则此节点发起路由重建。即一个节点通过确认是否在规定的时 间内接收到来自其邻居节点的Hello消息，来判断到达该邻居节点的链路是否有效。如果链路有效，节点增加该路由的生存时间，增加时间至少为Allowed_Hello_Loss×Hello_Interval。