基于动态拓扑和网络开销的海洋FANETs路由协议改进研究

发布时间：2020-11-18 20:28

　　 随着我国对于海洋事业的大力支持,海上作业对于无线通信技术的需求逐渐增加,但是对于海洋互联网的研究仍处于初级阶段。由于海洋环境的复杂性和区域的辽阔性使得传统的自组织网络(Ad Hoc Network)无法在海洋场景下得到较好的使用,为了解决这个问题,多个小型无人机组成的自组织网络FANETs(Flying Ad Hoc Networks)以其极佳的经济前景、较高的灵活性和完成任务时的迅捷性在海洋巡逻和海洋搜救等应用中获得了极大的优势。其中,路由协议作为一个关键的技术,通过不同的节点分布情况确定不同的数据传输路径,然而由于FANETs中UAV(Unmanned Aerial Vehicle)节点的高移动性与短连接性导致网络拓扑变化更加频繁,使得传统自组织网中的路由协议无法在FANETs中很好的应用。因此,本文依据FANETs自身的网络特点对传统的路由协议进行优化,以其能更好地应用于海洋环境,具体工作如下:首先,通过对海洋FANETs的网络特征和传统路由协议的分析,选择OLSR(Optimized Link State Routing Protocol)协议进行改进研究。针对FANETs网络在海洋场景下的特点使用最优链路质量指标ETX(Expected Transmission Count)进行度量,即OLSR-ETX协议。然后,提出了基于节点链路到期时间和剩余能量的最优MPR(Multi Point Relay)集选择算法。一方面,由于传统的OLSR协议根据节点的连接度选择MPR,而FANETs中节点动态变化快、链路连接时间短的特点可能会导致连接度较高的节点运动出通信范围。因而本文考虑通过UAV的速度和相对位置来预测节点的链路到期时间(Link Expiration Time),以此重新计算ETX指标。另一方面,由于小型无人机有效载荷的局限性使其需要足够的电池容量,因而通过引入一个能量阈值来避免选择能量不足的节点为MPR。使用NS-3(Network Simulator 3)完成的网络仿真结果表明,新算法较原算法有一定的性能优化。最后,提出了基于遗传算法的HELLO信息传输。针对标准OLSR协议在海洋FANETs中发送HELLO数据包时所设定的固定时间间隔值,有可能导致不必要的网络开销问题,提出使用遗传算法优化HELLO消息的传输间隔。随着网络拓扑结构的变化,每个节点都能够为HELLO消息的发送时间间隔选择最佳的参数,以此希望在不降低数据包的成功接收率的情况下进一步的减少端到端的延迟和网络路由的开销。NS-3仿真结果表明,经由遗传算法优化后的OLSR-ETX协议能够节省约百分之十的开销。
【学位单位】：北京邮电大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TN929.5;P756.6
【部分图文】：

ＦＡＮＥＴｓ，它的网络节点是无人机、地面基站或者卫星，多个小型ＵＡＶ组成??的自组织网络，并只通过其中的一个子集与地面基站或者卫星通信。一个简单的??ＦＡＮＥＴｓ模型如图２－１所示。对于ＦＡＮＥＴｓ的研宄虽然才刚刚有一定的头绪，但??关于无线移动自组织网络的研宄己经得到了极大的发展，飞行自组织网络是移动??自组织网络在无人机方面的应用，作为其中的一员，它有着移动自组织网络的基??本特征，同时也有着自身的一些的特性。因此，对于ＦＡＮＥＴｓ中路由协议的改进??研究，不仅要依据ＦＡＮＥＴｓ自身独特的特点，还要借鉴ＭＡＮＥＴｓ中相关路由协??议的己有的研究成果。本章主要是关于海洋ＦＡＮＥＴｓ相关的技术研究，主要从移??动自组织网络、海面传播模型和无人机ＵＡＶ的特性等３方面介绍ＦＡＮＥＴｓ的特??点，然后概括总结了一些常见的自组织网络的路由协议，并深入了解了?ＯＬＳＲ协??议，从而分析了选择ＯＬＳＲ－ＥＴＸ协议的理由，对后面的研究工作提供一定的理??论基础。??

字助手等等。它们可以充当运行各种用户类应用程序并收发业务数据的主机的角??色；也可以充当通过运行相应的路由协议［１６］进行数据的分组转发的路由器的角??色。一个简单的ＭＡＮＥＴｓ的模型图如图２－２所示。??ｍｍｍｍ??＾?Ｐ〇Ａ?□??ＣｅＵ?Ｐｈｏｎｅ?參??图２－２简单的ＭＡＮＥＴｓ模型图??因此，概括说来，ＭＡＮＥＴｓ主要包括以下特点：??１．自组织无中心。它没有类似基站或卫星控制站等控制中心，节点可以自发??６??

采用相应的路由协议确定更优的传输路径，路径选择的好坏会对整个网络通信的??效率产生一定的影响。就目前而言，无线路由协议［２３］根据不同的分类原则数量众??多，并且还有新的路由协议在不断的被研究。如图２－４所示，无线移动自组织网??络的路由协议主要分为以下三类［２４］：??Ａｄ?Ｈｏｃ路由协议???；；???｜???基于地理位置路由?基于广播路由?基于拓扑路由???ｆ??????ｙ?ｆ??ＧＰＳＲ、ＧＳＲ、ＧＰＣＲ、Ａ－ＳＴＡＲ?ＣＡＩＤ、ＭＨＶＢ、ＲＥＡＰ?先应式?混合式?反应式??—?——?ＩＩＩ??ＯＬＳＲ、ＤＳＤＶ?ＺＲＰ、ＣＢＲＰ?ＡＯＤＶ、ＤＳＲ??图２－４无线自组织网络路由协议分类??１．基于地理位置的路由协议。在这类路由协议中节点是通过定位系统如全??球定位系统来知晓地理位置信息从而确定下一跳节点以此进行通信。这种方式使??得每个节点不用去专门的存储路由表，也不用进行路由维护来实现路由信息的更??新。一般条件下，节点要么通过节点自身将位置信息向全网范围内广播的方式，??要么通过向位置服务器查询存储的位置信息的方式，以此来获得其他节点地理位??置。它主要适合在网络拓扑结构变化的不稳定的场景下，但同时由于定位系统可??能会存在一定的时延，会有定位信息不够及时精确的问题存在。它主要包括??ＧＰＳ
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本文编号：2889169