面向高动态环境的无人机自组网单播/组播路由协议研究

来源 :南京航空航天大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:zxms008
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无人机(Unmanned Aerial Vehicle,UAV)自组网具有高可靠、抗损毁、组网灵活等特点,特别适用于需要摆脱地面基础设施依赖的无人机集群环境。路由协议决定了网络中的数据转发规则,直接影响着无人机自组网的通信效率,是构建无人机自组网的关键技术支撑。然而,无人机自组网中节点运动迅速、拓扑变化频繁、网络资源相对匮乏等特点,给路由协议的设计带来了诸多挑战。传统路由协议难以适应无人机自组网高动态的特点,直接应用时容易出现数据递交率低、路由开销大、时延高等问题,因此结合无人机自组网的具体应用场景设计合理的路由协议具有重要意义。论文针对高动态场景下的无人机自组网路由协议展开研究,主要研究内容与创新点如下:(1)针对无人机节点可通过定位系统确定自身位置且目的节点固定的场景,提出一种基于强化学习的地理位置分簇单播路由协议。该协议首先根据地理位置对无人机集群进行分簇,节点可通过自身所处位置快速确定所属分簇。然后,综合节点所处位置、簇内保持时间及剩余能量选举簇首节点。分簇机制有效地减小了中继节点集的规模,加快后续强化学习过程的收敛速度,同时还可以降低节点定期广播信标消息带来的开销。接着,综合考虑簇首节点稳定性、负载情况及节点密度三个因素,设计了一个Q-learning奖励函数,簇首节点通过与环境交互的过程进行在线学习,动态适应多变的自组网环境,同时避免了对全局信息的获取必要。最后,对所提出协议进行了仿真对比,仿真结果证明该协议可以有效提高数据递交率,降低路由开销。(2)针对无人机节点无法进行准确定位的场景,提出一种基于链路生存时间预测的组播路由协议。首先,该协议在路由建立阶段根据邻居节点间的距离变化情况对剩余链路生存时间进行预测,无需定位设备的支持。接着,结合路由跳数与剩余能量对路由质量进行评估,选择综合状态最稳定的邻居节点作为转发节点,在集群中按需建立较为可靠的组播路由。然后,在数据传输过程引入局部路由修复与全局路由刷新相结合的路由维护策略,使得节点在无需数据确认的情况下自主检测到链路断开问题,并对断开链路进行修复,减少服务中断时间。最后,使用EXata网络仿真器对所提出协议进行了仿真。仿真结果表明该协议在不同场景下的数据递交率、吞吐量及路由开销均优于经典组播路由协议。
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