一种基于节点负载状态受限路由方法、装置及系统

1.本发明涉及一种基于节点负载状态受限路由方法、装置及系统，属于无人机网络路由技术领域。


背景技术：

2.随着电子技术、传感器技术和通信技术的发展，无人机在很多领域发挥着更大的作用。通过建立无人机集群，可实现大量单无人机系统无法高效完成的任务。而无人机集群高效运转的基础是建立稳定可靠的通信网络，保证无人机节点间的高效通信。移动自组织网络具有无中心、组网高度灵活、拓扑动态可变、抗毁性强等特点，可有效满足无人机集群组网通信的需求。无人机集群采用移动自组网的通信架构，形成了无人机自组网。
3.无人机自组网是由无人机担当网络节点组成的具有任意性、临时性和自治性网络拓扑的动态自组织网络系统。作为网络节点，每架无人机都配备移动自组网络通信模块，既具有路由功能，又具有报文转发功能，可以通过无线连接构成任意的网络拓扑。每架无人机在该网络中兼具任务节点和中继节点两种功能：作为任务节点，可在地面控制站或其他无人机的指令控制下执行任务意图；作为中继节点，可根据网络的路由策略和路由表参与路由维护和分组转发工作。
4.目前，对于无人机自组网路由协议的研究主要在于：结合fanets网络的特性对传统自组网路由协议进行优化改进。考虑到无人机集群无约束移动的特点，al-emadi s a等人提出反应-贪婪-反应(reactive-greedy-reactive，rgr)路由协议，不需要专门的位置服务机制提供目的节点的位置信息，而用被动路由机制替代；相对纯粹的被动路由协议，rgr协议不需要专门的路由修复过程进行路径修复而可用贪婪转发机制替代。在路由发现阶段，rgr协议沿用aodv盲目洪泛rreq消息的方式，使网络开销大，甚至导致节点缓存溢出和网络拥塞的问题，li y等人使用了受限洪泛和移动预测机制，一定程度上增加了数据包发送的成功率、降低了端到端时延，但控制开销的降幅则不理想。kunz t等人提出了新路由延迟建立机制，一定程度上降低了控制开销，但数据包发送的成功率和端到端时延这两个指标则不尽如人意。本发明提出了基于节点负载状态并由地理位置信息辅助的受限洪泛机制，能够有效降低网络开销，同时提升了分组投递率、降低平均端到端时延。
5.同时，包括rgr协议在内的绝大多数无人机自组网协议都没有考虑到无人机能量有限的因素，单个无人机节点掉线很容易造成链路断开和设备损坏。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种基于节点负载状态受限路由方法、装置及系统，能够使网络尽可能达到负载均衡，降低网络开销和平均端到端时延，提升分组投递率，提高网络链路稳定性。为达到上述目的，本发明是采用下述技术方案实现的：
7.第一方面，本发明提供了一种基于节点负载状态受限路由方法，包括：
8.源节点和/或中间节点根据负载状态和剩余能量选择下一跳的备选中间节点，下一跳的备选中间节点接收路径请求包；
9.基于中间节点与目的节点之间的距离关系，从下一跳的备选中间节点中选择下一跳的中间节点，下一跳的中间节点广播路径请求包，直到路径请求包抵达目的节点；其中，所述源节点和各中间节点均掌握目的节点的地理位置信息。
10.结合第一方面，进一步地，所述选择下一跳的备选中间节点，包括：
11.判断中间节点的负载状态，若负载状态为正常，则计算负载状态正常的中间节点的剩余能量，若剩余能量大于预设的第一阈值，则该中间节点为下一跳的备选中间节点；否则中间节点不参与路由的建立。
12.结合第一方面，进一步地，所述判断中间节点的负载状态，包括：
13.根据mac层队列中的数据长度，计算缓存区的队列长度与最大队列长度的比值，得到负载状态函数li；
14.根据mac层队列中的数据长度，计算缓存区的队列长度与最大队列长度的比值，得到负载状态函数li；
15.计算节点链路层的归一化饱和吞吐量，并计算归一化饱和吞吐量的最大值，作为拥塞系数ρ；
16.根据负载状态函数li的数值与拥塞系数ρ，判断中间节点的负载状态，通过下式进行判定：
[0017][0018]
式(1)中，mi表示中间节点的负载状态，包括拥塞和正常。
[0019]
结合第一方面，优选地，所述负载状态函数li通过下式计算：
[0020][0021]
式(2)中，qi(t)表示节点i在t时刻mac层接口的队列长度，q
imax
表示节点i最大mac层接口最大队列长度。
[0022]
结合第一方面，优选地，所述负载状态函数li会随时间变化，能够通过采样获得观测值的时间序列li(k)。
[0023]
结合第一方面，优选地，采用rts/ct机制，所述节点链路层的归一化饱和吞吐量，通过下式计算：
[0024][0025]
式(3)中，e[p]表示节点链路层平均分组负荷的大小，ts和tc分别表示处于饱和状态网络中的节点成功发送数据所引起的信道忙碌的平均时间和信道冲突所占用的平均时间；σ表示一个时隙所占用的时间；τ表示在任一时隙中一个节点发送数据的概率。
[0026]
结合第一方面，优选地，通过求导计算得到，当时，归一化吞吐量s取最大值，通过下式表示：
[0027][0028]
式(4)中，拥塞系数ρ的大小取值为网络的归一化吞吐量的最大值s
max
。
[0029]
结合第一方面，优选地，拥塞系数ρ代表当前节点的最大归一化吞吐量，表明了节点的最大吞吐能力，反映了节点链路层传输数据的能力，其值越大，表明链路层传输数据的能力越强，在相同的网络负荷下，节点出现拥塞的可能性越小。
[0030]
结合第一方面，进一步地，所述从下一跳的备选中间节点中选择下一跳的中间节点，包括：
[0031]
获取路径请求包中的距离值；
[0032]
接受到路径请求包的下一跳的备选中间节点，计算其与目的节点之间的距离；
[0033]
若获取到的距离值为0，使用计算得到的距离替换路径请求包中的距离值，将该节点作为下一跳的中间节点，重新广播路径请求包；
[0034]
若获取到的距离值不为0，比较计算得到的距离与获取到的距离值：当计算得到的比较计算得到的距离小于获取到的距离值，则使用计算得到的距离替换路径请求包中的距离值，将该节点作为下一跳的中间节点，重新广播路径请求包；当计算得到的比较计算得到的距离大于等于获取到的距离值，则该中间节点不参与路由的建立。
[0035]
结合第一方面，进一步地，所述路径请求包中的距离值，在网络首次进行路由发现时，源节点与目的节点之间的距离值为0。
[0036]
结合第一方面，进一步地，还包括：相邻节点间在进行路由维护时，通过在hello消息中携带的地理位置信息，周期性更新相邻节点的相关信息。
[0037]
结合第一方面，优选地，当下一跳的备选中间节点接收到路径请求包时，检查路径请求包中是否有关于节点目的节点的地理位置信息，若没有，则该节点将接受到的路径请求包进行广播；若有，则获取路径请求包中的距离值，进行选择下一跳的中间节点。
[0038]
结合第一方面，优选地，当网络中所有节点均不掌握目的节点的地理位置信息时，采用传统rgr协议建立路由。
[0039]
结合第一方面，优选地，当源节点使用不精确的地理位置信息进行寻路时，会在经过一段不必要的时间浪费后重新广播路径请求数据包。
[0040]
第二方面，本发明提供了一种基于节点负载状态受限路由装置，包括：源节点和/或中间节点，源节点和/或中间节点根据负载状态和剩余能量选择下一跳的备选中间节点，下一跳的备选中间节点接收路径请求包；基于中间节点与目的节点之间的距离关系，从下一跳的备选中间节点中选择下一跳的中间节点，下一跳的中间节点广播路径请求包，直到路径请求包抵达目的节点；其中，所述源节点和各中间节点均掌握目的节点的地理位置信息。
[0041]
第三方面，本发明提供了一种基于节点负载状态受限路由系统，包括处理器及存储介质；
[0042]
所述存储介质用于存储指令；
[0043]
所述处理器用于根据所述指令进行操作以执行第一方面所述方法的步骤。
[0044]
第四方面，本发明提供了计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在
于，该程序被处理器执行时实现第一方面所述方法的步骤。
[0045]
与现有技术相比，本发明实施例所提供的基于节点负载状态受限路由方法、装置及系统所达到的有益效果包括：
[0046]
本发明源节点和/或中间节点根据负载状态和剩余能量选择下一跳的备选中间节点，下一跳的备选中间节点接收路径请求包；本发明本发明通过设计节点负载状态的判断方法，使网络尽可能达到负载均衡，大大降低了网络开销和平均端到端时延；本发明考虑到了节点剩余能量这一因素，大大提高了网络链路稳定性；
[0047]
本发明基于中间节点与目的节点之间的距离关系，从下一跳的备选中间节点中选择下一跳的中间节点，下一跳的中间节点广播路径请求包，直到路径请求包抵达目的节点；其中，所述源节点和各中间节点均掌握目的节点的地理位置信息；本发明考虑了无人机集群具有高机动性的特点，将地理位置信息作为受限，能够大幅度减小分组转发的地理范围，提升分组投递率。
附图说明
[0048]
图1是本发明提供的一种基于节点负载状态受限路由方法的流程图。
具体实施方式
[0049]
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
[0050]
实施例一：
[0051]
如图1所示，rreq分组为路径请求包，本实施例提供一种基于节点负载状态受限路由方法，包括：
[0052]
源节点和/或中间节点根据负载状态和剩余能量选择下一跳的备选中间节点，下一跳的备选中间节点接收路径请求包；
[0053]
基于中间节点与目的节点之间的距离关系，从下一跳的备选中间节点中选择下一跳的中间节点，下一跳的中间节点广播路径请求包，直到路径请求包抵达目的节点；其中，所述源节点和各中间节点均掌握目的节点的地理位置信息。
[0054]
具体步骤包括：
[0055]
步骤1：当网络首次进行路由发现时，源节点将其与目的节点之间的距离值设为0并将其封装在路径请求数据包中。
[0056]
步骤2：判断中间节点的负载状态。
[0057]
步骤2.1：根据mac层队列中的数据长度，计算缓存区的队列长度与最大队列长度的比值，得到负载状态函数li，通过下式计算：
[0058][0059]
式(1)中，qi(t)表示节点i在t时刻mac层接口的队列长度，q
imax
表示节点i最大mac层接口最大队列长度。
[0060]
负载状态函数li会随时间变化，能够通过采样获得观测值的时间序列li(k)。
[0061]
步骤2.2：计算节点链路层的归一化饱和吞吐量。
[0062]
采用rts/ct机制，节点链路层的归一化饱和吞吐量，通过下式计算：
[0063][0064]
式(2)中，e[p]表示节点链路层平均分组负荷的大小，ts和tc分别表示处于饱和状态网络中的节点成功发送数据所引起的信道忙碌的平均时间和信道冲突所占用的平均时间；σ表示一个时隙所占用的时间；τ表示在任一时隙中一个节点发送数据的概率。
[0065]
步骤2.3：计算归一化饱和吞吐量的最大值，作为拥塞系数ρ。
[0066]
通过求导计算得到，当时，归一化吞吐量s取最大值，通过下式表示：
[0067][0068]
式(3)中，拥塞系数ρ的大小取值为网络的归一化吞吐量的最大值s
max
。
[0069]
拥塞系数ρ代表当前节点的最大归一化吞吐量，表明了节点的最大吞吐能力，反映了节点链路层传输数据的能力，其值越大，表明链路层传输数据的能力越强，在相同的网络负荷下，节点出现拥塞的可能性越小。
[0070]
步骤2.4：根据负载状态函数li的数值与拥塞系数ρ，判断中间节点的负载状态。
[0071]
通过下式进行判定：
[0072][0073]
式(4)中，mi表示中间节点的负载状态，包括拥塞和正常。
[0074]
若负载状态为正常，则继续后续步骤；若负载状态为拥塞，则该中间节点，不参与转发，不参与路由的建立。
[0075]
本发明通过设计节点负载状态的判断方法，使网络尽可能达到负载均衡，大大降低了网络开销和平均端到端时延。
[0076]
步骤3：计算中间节点的剩余能量。
[0077]
若剩余能量大于预设的第一阈值，则该中间节点为下一跳的备选中间节点；否则中间节点不参与路由的建立。
[0078]
在本实施例中，预设的第一阈值为30％。
[0079]
无人机本身具有能量有限的特点，本发明考虑到了节点剩余能量这一因素，大大提高了网络链路稳定性。
[0080]
步骤4：下一跳的备选中间节点接收路径请求包。
[0081]
当下一跳的备选中间节点接收到路径请求包时，检查路径请求包中是否有关于节点目的节点的地理位置信息，若没有，则该节点将接受到的路径请求包进行广播；若有，则进入下一步骤。
[0082]
步骤5：基于中间节点与目的节点之间的距离关系，从下一跳的备选中间节点中选择下一跳的中间节点，下一跳的中间节点广播路径请求包，直到路径请求包抵达目的节点。
[0083]
步骤5.1：获取路径请求包中的距离值。
[0084]
步骤5.2：接受到路径请求包的下一跳的备选中间节点，计算其与目的节点之间的距离。
[0085]
步骤5.3：若获取到的距离值为0，使用计算得到的距离替换路径请求包中的距离值，将该节点作为下一跳的中间节点，重新广播路径请求包；
[0086]
若获取到的距离值不为0，比较计算得到的距离与获取到的距离值：当计算得到的比较计算得到的距离小于获取到的距离值，则使用计算得到的距离替换路径请求包中的距离值，将该节点作为下一跳的中间节点，重新广播路径请求包；当计算得到的比较计算得到的距离大于等于获取到的距离值，则该中间节点不参与路由的建立。
[0087]
无人机集群具有高机动性的特点，地理位置信息的辅助能够大幅度减小分组转发的地理范围，提升分组投递率。
[0088]
步骤6：重复步骤2-5，直到路径请求包抵达目的节点。
[0089]
还包括维护步骤：相邻节点间在进行路由维护时，通过在hello消息中携带的地理位置信息，周期性更新相邻节点的相关信息。
[0090]
需要说明的是，当网络中所有节点均不掌握目的节点的地理位置信息时，采用传统rgr协议建立路由。当源节点使用不精确的地理位置信息进行寻路时，会在经过一段不必要的时间浪费后重新广播路径请求数据包。
[0091]
实施例二：
[0092]
本发明实施例采用实施例一所述的方法，进行仿真运行。
[0093]
仿真网络区域为100km
×
100km
×
20km，由100个无人机节点组成，在区域内随机分布，各节点参数设置相同，节点的通信半径为20km。节点运动模型为rwp模型(暂停时间为0)，通信模型采用cbr数据源，数据包大小为512b，mac协议采用ieee802.11，信道传输速率为2mbit/s，信号传播损失模型为friis模型，mac层队列缓存区最大长度为50，仿真运行时间为20min。
[0094]
仿真结果表明，节点速度为50m/s时，本发明相对于传统rgr路由协议，路由开销减少了12％，且随着速度增加，路由开销减少效果越明显。网络节点的最大运动速度保持在50m/s不变的条件下，本发明相对于传统rgr路由协议，当数据包产生速率为20packet/s时，分组投递率提升了28％、平均端到端时延降低了35％、路由开销降低了15％，且随着数据包产生速率增加，性能提升效果越明显。
[0095]
实施例三：
[0096]
本方面实施例提供了一种基于节点负载状态受限路由装置，包括：源节点和/或中间节点。源节点和/或中间节点根据负载状态和剩余能量选择下一跳的备选中间节点，下一跳的备选中间节点接收路径请求包；基于中间节点与目的节点之间的距离关系，从下一跳的备选中间节点中选择下一跳的中间节点，下一跳的中间节点广播路径请求包，直到路径请求包抵达目的节点；其中，所述源节点和各中间节点均掌握目的节点的地理位置信息。
[0097]
实施例四：
[0098]
本发明实施例提供一种基于节点负载状态受限路由系统，包括处理器及存储介质；
[0099]
所述存储介质用于存储指令；
[0100]
所述处理器用于根据所述指令进行操作以执行实施例一所述方法的步骤。
[0101]
实施例无：
[0102]
本发明实施例还提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现实施例一所述方法的步骤。
[0103]
本领域内的技术人员应明白，本技术的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本技术可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本技术可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
[0104]
本技术是参照根据本技术实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
[0105]
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
[0106]
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
[0107]
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。