劉朝霞，楊少石*，張濤，董文宇，祝學(xué)軍*

（1.北京郵電大學(xué)信息與通信工程學(xué)院，北京 100876；2.泛網(wǎng)無線通信教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100876；3.中國運(yùn)載火箭技術(shù)研究院，北京 100076）

1 引言

在B5G和6G時(shí)代，依靠諸如無人機(jī)、氣球、低/中/高空平臺(tái)、低/中/高地球軌道衛(wèi)星等無人平臺(tái)（Unmanned Flying Platform,UFP）的非地面網(wǎng)絡(luò)［1］［2］，在各領(lǐng)域［3］［4］［5］引起了廣泛關(guān)注。為了充分利用UFP，研究人員提出了由多個(gè)協(xié)同UFP組成的飛行自組織網(wǎng)絡(luò)（Flying Ad hoc Network,FANET）的概念。隨著FANET傳輸業(yè)務(wù)的多樣性和復(fù)雜性逐漸增加，用戶對網(wǎng)絡(luò)帶寬、速率和時(shí)延等傳輸質(zhì)量的需求也越來越高。傳統(tǒng)的路由協(xié)議大多采用最小跳數(shù)作為路由度量［6］，不能實(shí)時(shí)反應(yīng)鏈路狀態(tài)，所以無法保障不同類型業(yè)務(wù)的服務(wù)質(zhì)量（Quality of Service,QoS）要求。

Alzenad M等人提出了一種更穩(wěn)定、更可靠的移動(dòng)自組網(wǎng)多路徑QoS組播路由協(xié)議（Stable and Reliable Multi-path QoS Multicast Routing,SR-MQMR）［7］。該協(xié)議利用節(jié)點(diǎn)的信號(hào)強(qiáng)度來選擇最穩(wěn)定的節(jié)點(diǎn)，然后根據(jù)路由過期時(shí)間和跳數(shù)選擇一條時(shí)延低、穩(wěn)定性高的路由。Wang Y L等人提出了一種改進(jìn)的基于蟻群的多約束QoS節(jié)能路由（Improved Ant colony-based Multi-constrained QoS Energy-saving Routing,IAMQER）算法［8］。該算法基于節(jié)點(diǎn)隊(duì)列長度、轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包數(shù)和節(jié)點(diǎn)剩余能量等本地節(jié)點(diǎn)信息進(jìn)行路徑選擇，提高了多約束QoS路由性能。Chen Z等人提出一種拓?fù)渥兓赃m應(yīng)的自組網(wǎng)按需多徑距離矢量（Topological change Adaptive Ad hoc On-demand Multipath Distance Vector,TA-AOMDV）路由協(xié)議［9］。該協(xié)議以節(jié)點(diǎn)資源為選路參數(shù)，并引入鏈路中斷預(yù)測機(jī)制，以適應(yīng)節(jié)點(diǎn)的高速移動(dòng)，并提供QoS支持。

總的來說，目前針對FANET路由協(xié)議的研究中，結(jié)合具體業(yè)務(wù)類型進(jìn)行路由優(yōu)化的工作相對較少。因此，為了保障FANET中多業(yè)務(wù)傳輸場景對于QoS的不同需求，需針對不同類型業(yè)務(wù)提出不同的路由選擇度量，構(gòu)建路由優(yōu)化模型。本文首先對任務(wù)場景進(jìn)行建模并建立移動(dòng)模型。其次，通過分析業(yè)務(wù)特點(diǎn)將業(yè)務(wù)劃分為時(shí)延敏感類、丟包敏感類和盡力而為類三種類型。然后結(jié)合移動(dòng)模型提出鏈路傳播時(shí)延和鏈路維持時(shí)間的計(jì)算模型，并根據(jù)這兩種模型設(shè)計(jì)路由度量。最后，本文利用ns-3網(wǎng)絡(luò)模擬器進(jìn)行仿真對比。結(jié)果顯示，本文所提路由協(xié)議在保證各業(yè)務(wù)QoS的同時(shí)提高了網(wǎng)絡(luò)性能。

2 系統(tǒng)模型

2.1 場景建模

在緊急事件或?yàn)?zāi)害救援情況下，僅僅依靠地面戰(zhàn)略部署往往不足以有效控制局勢，所以利用無人機(jī)進(jìn)行空中輔助救援對于執(zhí)行任務(wù)是必不可少的。因此，本文考慮無人機(jī)集群協(xié)同執(zhí)行任務(wù)的場景。多架無人機(jī)以不同的編隊(duì)從一個(gè)地方聚集飛行到任務(wù)地點(diǎn)，然后分散飛行執(zhí)行任務(wù)，聚集飛行場景如圖1所示，分散飛行場景如圖2所示，其中黑色箭頭代表無人機(jī)運(yùn)動(dòng)方向。

圖1 聚集飛行場景

圖2 分散飛行場景

2.2 移動(dòng)模型

本文所述場景中的所有無人機(jī)節(jié)點(diǎn)均分布在三維空間，同一編隊(duì)內(nèi)的無人機(jī)節(jié)點(diǎn)都具有相同的確定性移動(dòng)模型——按給定的方向和速度移動(dòng)，且各節(jié)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)相互獨(dú)立，互不干擾。在較短的時(shí)間周期內(nèi)，節(jié)點(diǎn)的高速運(yùn)動(dòng)可近似認(rèn)為是勻變速運(yùn)動(dòng)或勻速運(yùn)動(dòng)，即加速度保持不變；節(jié)點(diǎn)的平均運(yùn)動(dòng)速度大小變化范圍是[vmin,vmax]，節(jié)點(diǎn)飛行分為兩個(gè)階段：聚集飛行與分散飛行。

本文采用地球中心坐標(biāo)系［10］來描述無人機(jī)節(jié)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)，如圖3所示。地球中心坐標(biāo)系的坐標(biāo)原點(diǎn)位于地心，x軸穿過格林尼治線和赤道線的交點(diǎn)，向東為正，z軸經(jīng)過原點(diǎn)指向北極，y軸與x、z軸構(gòu)成右手坐標(biāo)系。任意一點(diǎn)A在地球中心坐標(biāo)系上的坐標(biāo)(φ,λ,H)均可表示為：

圖3 地球中心坐標(biāo)系

其中，R為曲率半徑，e為第一偏心率。為了方便表示，將其轉(zhuǎn)換為空間直角坐標(biāo)系，轉(zhuǎn)換公式如下：

3 面向多業(yè)務(wù)的路由協(xié)議設(shè)計(jì)

3.1 數(shù)據(jù)報(bào)頭格式

本文所提出的路由協(xié)議借鑒了動(dòng)態(tài)源路由（Dynamic Source Routing,DSR）協(xié)議［11］將路由信息存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)分組頭部內(nèi)的機(jī)制，數(shù)據(jù)報(bào)文頭格式如圖4所示。報(bào)文分為數(shù)據(jù)報(bào)文和控制報(bào)文，控制報(bào)文包括路由回復(fù)（Route Reply,RREP）報(bào)文和路由錯(cuò)誤（Route Error,RERR）報(bào)文。在數(shù)據(jù)報(bào)文頭中，使用Type字段表示報(bào)文的類型，長度為8位。Type的值為0表示該報(bào)文為數(shù)據(jù)報(bào)文；值為1表示該報(bào)文為RREP報(bào)文；值為2表示當(dāng)前報(bào)文為RERR報(bào)文。Hop字段也是8位，表示從源節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)所經(jīng)歷的節(jié)點(diǎn)總跳數(shù)。在發(fā)送數(shù)據(jù)包時(shí)，為每個(gè)數(shù)據(jù)包分配一個(gè)序列號(hào)，即Seq字段，占8位。剩余8位分配給Reserved字段，為保留字段。然后，利用32位來表示每一跳節(jié)點(diǎn)的地址，地址Address[0]-Address[n]表示每個(gè)數(shù)據(jù)報(bào)文從源節(jié)點(diǎn)發(fā)送到目的節(jié)點(diǎn)所經(jīng)過的各個(gè)節(jié)點(diǎn)的地址，這些節(jié)點(diǎn)共同構(gòu)成數(shù)據(jù)傳輸?shù)穆酚伞?/p>

圖4 數(shù)據(jù)報(bào)文頭格式

3.2 業(yè)務(wù)類型分析

為了便于研究，考慮FANET中傳輸?shù)木唧w業(yè)務(wù)類型，包括語音、圖片、視頻、數(shù)據(jù)等。通過分析各業(yè)務(wù)的特點(diǎn)進(jìn)行業(yè)務(wù)類型劃分。端到端時(shí)延是進(jìn)行業(yè)務(wù)區(qū)分時(shí)最常用的一種指標(biāo)［12］，未來網(wǎng)絡(luò)中的許多應(yīng)用場景也對網(wǎng)絡(luò)時(shí)延性能提出了新的要求。其次，丟包率作為一種衡量業(yè)務(wù)傳輸可靠性的性能指標(biāo)，也是一種區(qū)分業(yè)務(wù)類型的重要依據(jù)。因此，從時(shí)延和丟包率兩個(gè)方面進(jìn)行考慮，將網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)臉I(yè)務(wù)分為以下三類：

時(shí)延敏感類業(yè)務(wù)：此類業(yè)務(wù)對于時(shí)延的敏感度較高，要求比較小的端到端時(shí)延，同時(shí)對丟包率具有一定的容忍度，如語音業(yè)務(wù)；

丟包敏感類業(yè)務(wù)：此類業(yè)務(wù)對數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃砸筝^高，但對時(shí)延并沒有很高的敏感度，如圖像及非直播類視頻業(yè)務(wù)。相對來說，可以選擇傳輸時(shí)延較長的路由進(jìn)行傳輸，但要求較低的丟包率；

盡力而為業(yè)務(wù)：該類業(yè)務(wù)對于時(shí)延沒有特殊的要求，只需網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳送到目的地址即可，同時(shí)對丟包率也較不敏感。

針對以上三種業(yè)務(wù)類型分別提出不同的路由度量，以達(dá)到每種業(yè)務(wù)的服務(wù)要求。

3.3 路由優(yōu)化模型

考慮視距傳播條件，且所有無人機(jī)節(jié)點(diǎn)間的鏈路具有相同的信道條件，F(xiàn)ANET可被模型化為一個(gè)加權(quán)有向圖G(V,E,W)。其中，V表示無人機(jī)節(jié)點(diǎn)集合；E是各節(jié)點(diǎn)對組成的邊的集合，表示相鄰節(jié)點(diǎn)間存在的鏈路集合；W是邊的權(quán)重值的集合，代表鏈路上各種有用的狀態(tài)信息。設(shè)網(wǎng)絡(luò)中源節(jié)點(diǎn)為S，目的節(jié)點(diǎn)為D，d(S,D)表示從源節(jié)點(diǎn)通往目的節(jié)點(diǎn)的一條路徑。

其中，LSD表示從源節(jié)點(diǎn)S到目的節(jié)點(diǎn)D的路徑長度，c表示信號(hào)在信道上的傳播速度。由于采用的確定性移動(dòng)模型可利用坐標(biāo)系來描述節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)，所以任意時(shí)刻t節(jié)點(diǎn)的位置信息可得，則時(shí)刻t任意兩相鄰節(jié)點(diǎn)間鏈路長度dis(Vi,Vj)為：

將公式（4）代入上述公式得：

將公式（6）代入公式（3）可得從源節(jié)點(diǎn)S到目的節(jié)點(diǎn)D的傳播時(shí)延。

經(jīng)以上分析，時(shí)延敏感類業(yè)務(wù)的代價(jià)函數(shù)為：

優(yōu)化問題為：

圖5 鏈路維持時(shí)間計(jì)算模型

設(shè)節(jié)點(diǎn)的傳輸范圍為r，那么當(dāng)

時(shí)，兩節(jié)點(diǎn)間鏈路斷開。在本文的場景中，無人機(jī)節(jié)點(diǎn)做勻變速運(yùn)動(dòng)，即加速度為常數(shù)，因此相對位移公式（9）可以簡化為：

將相對距離矢量、速度矢量和加速度矢量的計(jì)算式代入公式（11)，可以得到鏈路斷開時(shí)刻td的求解表達(dá)式：

卡夫卡在這里展示了這樣的一種生存悖論，饑餓藝術(shù)家的生存意義來自于他所謂的“饑餓藝術(shù)”，而一旦深深迷戀上這種“藝術(shù)”而“找不到可以吃的東西”，最終結(jié)果無外乎就是死亡?！娥囸I藝術(shù)家》就像是一個(gè)矛盾的綜合體，卡夫卡是在贊頌饑餓藝術(shù)家的執(zhí)著呢，還是在諷刺饑餓藝術(shù)家的荒唐？卡夫卡的那句“我雖然可以活下去，但我無法生存”可以倒著來解析《饑餓藝術(shù)家》——“我存在著，卻活不下去”。饑餓藝術(shù)家的困境也就是卡夫卡的困境，他內(nèi)心深處隱藏著生存的絕望感和對無意義的焦慮。

對于丟包敏感類業(yè)務(wù)，設(shè)采用d(S,D)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸所獲得的效用為P(d(S,D))。取鏈路維持時(shí)間td為計(jì)算結(jié)果的最小正實(shí)數(shù)解。則丟包敏感類業(yè)務(wù)的效用函數(shù)為

優(yōu)化問題為：

盡力而為類業(yè)務(wù)是三種業(yè)務(wù)中最為簡單的業(yè)務(wù)模型，因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)只是盡最大努力來發(fā)送報(bào)文，但在整個(gè)傳輸過程中并不保證低時(shí)延和高可靠。雖然它不需對時(shí)延和丟包做特殊要求，但應(yīng)盡量根據(jù)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境與信道條件為其選擇更為適合的路由度量。由于盡力而為類業(yè)務(wù)對于時(shí)延和丟包率沒有明顯的偏向性要求，因此對時(shí)延和丟包率進(jìn)行綜合考慮。設(shè)盡力而為類業(yè)務(wù)的代價(jià)函數(shù)為：

其中，α是區(qū)間[0,1]的常數(shù)，其值由具體網(wǎng)絡(luò)條件決定。

優(yōu)化問題為：

3.4 路由建立流程

由上述小節(jié)可知本文為時(shí)延敏感類業(yè)務(wù)選擇各鏈路傳播時(shí)延之和值最小的路徑，為丟包敏感類業(yè)務(wù)選擇各鏈路維持時(shí)間之和值最大的路徑，為盡力而為業(yè)務(wù)綜合考慮時(shí)延與鏈路維持時(shí)間選擇路徑。

首先，對于時(shí)延敏感類業(yè)務(wù)，將各鏈路的傳播時(shí)延作為鏈路的權(quán)值，構(gòu)建鏈路權(quán)值矩陣如下：

其中，第i行j列元素（i≠j）表示節(jié)點(diǎn)i到節(jié)點(diǎn)j的鏈路上相對節(jié)點(diǎn)i而言的后繼節(jié)點(diǎn)。初始時(shí)將網(wǎng)絡(luò)中所有的節(jié)點(diǎn)加入未確定節(jié)點(diǎn)集U，依次對未確定節(jié)點(diǎn)集U中的所有節(jié)點(diǎn)進(jìn)行遍歷，將U中節(jié)點(diǎn)按特定的順序依次加入到M中，同時(shí)保證從源節(jié)點(diǎn)S到M中其他各節(jié)點(diǎn)的鏈路傳播時(shí)延都不大于從源節(jié)點(diǎn)S到U中任何節(jié)點(diǎn)的鏈路傳播時(shí)延。

算法1：具體的路由建立算法步驟如下：

算法輸入?yún)?shù)：S，D，U，W1，M

算法輸出結(jié)果：Route

步驟1：初始化，確定源節(jié)點(diǎn)S與目的節(jié)點(diǎn)D；初始化W1矩陣，其每個(gè)元素都代表鏈路的傳播時(shí)延；初始化中間節(jié)點(diǎn)信息矩陣M與未確定節(jié)點(diǎn)集U；

步驟2：遍歷未確定節(jié)點(diǎn)集U中的節(jié)點(diǎn)，如果加入節(jié)點(diǎn)K作為中間節(jié)點(diǎn)后，W1矩陣中的鏈路傳播時(shí)延減小，則更新W1矩陣中對應(yīng)鏈路的傳播時(shí)延為最新值；

步驟3：從未確定節(jié)點(diǎn)集U中移除節(jié)點(diǎn)K；矩陣M中對應(yīng)鏈路處的后繼節(jié)點(diǎn)更新為節(jié)點(diǎn)K；

步驟4：重復(fù)上述步驟2、步驟3，直到遍歷完所有節(jié)點(diǎn)。

步驟5：從源節(jié)點(diǎn)S開始，在矩陣M中依次找尋到目的節(jié)點(diǎn)D的中間節(jié)點(diǎn)。

步驟6：路由建立完成，輸出Route。

對于丟包敏感類業(yè)務(wù)，將計(jì)算所得的鏈路維持時(shí)間td作為鏈路權(quán)值，構(gòu)建鏈路權(quán)值矩陣

與之前所述相似，td,in表示由節(jié)點(diǎn)i和節(jié)點(diǎn)n連接而成的鏈路維持時(shí)間。由于時(shí)延敏感類業(yè)務(wù)的優(yōu)化問題為最小化,而丟包敏感類業(yè)務(wù)的優(yōu)化問題為最大化，參考算法1的流程，為了便于計(jì)算，這里在進(jìn)行算法輸入時(shí)，對矩陣W2取負(fù)，即將-W2作為輸入。在矩陣-W2中，若節(jié)點(diǎn)i與節(jié)點(diǎn)n之間沒有鏈路，置鏈路維持時(shí)間為無窮；若i等于n，則對應(yīng)位置的元素值置零。依然用公式（19）所述的節(jié)點(diǎn)信息矩陣M來保存中間節(jié)點(diǎn)信息。

算法2：具體的路由建立算法步驟如下：

算法輸入?yún)?shù)：S，D，U，-W2，M

算法輸出結(jié)果：Route

步驟1：初始化，確定源節(jié)點(diǎn)S與目的節(jié)點(diǎn)D；初始化-W2矩陣，其每個(gè)元素都代表鏈路維持時(shí)間的負(fù)值；初始化中間節(jié)點(diǎn)信息矩陣M與未確定節(jié)點(diǎn)集U；

步驟2：遍歷未確定節(jié)點(diǎn)集U中的節(jié)點(diǎn)，如果加入節(jié)點(diǎn)K作為中間節(jié)點(diǎn)后，-W2矩陣中的鏈路維持時(shí)間的負(fù)值減小，則更新-W2矩陣中對應(yīng)元素的值為最新值；

步驟3：從未確定節(jié)點(diǎn)集U中移除節(jié)點(diǎn)K；矩陣M中對應(yīng)鏈路處的后繼節(jié)點(diǎn)更新為節(jié)點(diǎn)K；

步驟4：重復(fù)上述步驟2、步驟3，直到遍歷完所有節(jié)點(diǎn)。

步驟5：從源節(jié)點(diǎn)S開始，在矩陣M中依次找尋到目的節(jié)點(diǎn)D的中間節(jié)點(diǎn)。

步驟6：路由建立完成，輸出Route。

算法3：對于盡力而為類業(yè)務(wù)，按照公式（16）計(jì)算其代價(jià)函數(shù)B(d(S,D))的值，并參照（18）以類似方式構(gòu)建權(quán)重矩陣，將其作為輸入，并根據(jù)時(shí)延敏感類業(yè)務(wù)計(jì)算路由的步驟計(jì)算Route，這里不再重復(fù)敘述。

3.5 路由恢復(fù)策略

圖6 路由恢復(fù)

4 仿真結(jié)果分析

4.1 性能指標(biāo)

其中，ti,S和ti,R分別表示從源節(jié)點(diǎn)發(fā)送報(bào)文i的時(shí)刻和在目的節(jié)點(diǎn)接收報(bào)文i的時(shí)刻，NR表示從這些目的節(jié)點(diǎn)接收報(bào)文的總數(shù)。這個(gè)時(shí)間既包括建立路由所花費(fèi)的時(shí)間，也包括數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)所花費(fèi)的時(shí)間。此指標(biāo)用于衡量網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)难舆t性能。

定義丟包率（Packet Loss Rate,PLR）如下：

其中，∑Ni,R和∑Nj,S分別為接收到的報(bào)文總數(shù)和發(fā)送的報(bào)文總數(shù)。它反映了使用特定路由協(xié)議進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

4.2 結(jié)果分析

仿真參數(shù)如表1所示，考慮了4×9=36的網(wǎng)絡(luò)規(guī)模，即4個(gè)無人機(jī)編隊(duì)，每個(gè)編隊(duì)9個(gè)節(jié)點(diǎn)。

表1 仿真參數(shù)

圖7比較了不同路由協(xié)議的平均端到端時(shí)延性能。從圖中可以看出，在36節(jié)點(diǎn)場景下，隨著節(jié)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)速度由200 m/s增加至400 m/s時(shí)，各路由協(xié)議的時(shí)延逐漸增加。其中，DSDV的時(shí)延最高，這是因?yàn)橹挥蠨SDV需要所有節(jié)點(diǎn)定期發(fā)送控制報(bào)文；平均而言，DSDV中每個(gè)節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生的控制報(bào)文數(shù)量比其他任何協(xié)議都要多，導(dǎo)致了更高的報(bào)文排隊(duì)延遲和報(bào)文處理延遲。OLSR路由協(xié)議由中繼節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)中所有控制消息的轉(zhuǎn)發(fā)，所以中繼節(jié)點(diǎn)處的業(yè)務(wù)負(fù)載量較大，發(fā)生擁塞的概率較高，因此平均端到端時(shí)延也比較大。隨著速度的增加，鏈路穩(wěn)定性降低，平均時(shí)延繼續(xù)增大。AODV路由協(xié)議在路由發(fā)現(xiàn)時(shí)，目的節(jié)點(diǎn)只回復(fù)最先到達(dá)的路由請求，因此其自動(dòng)選擇擁塞情況最好的路由，再加之其表驅(qū)動(dòng)的特性在一定程度上可適應(yīng)因速度增大導(dǎo)致的鏈路變化，因此平均端到端時(shí)延較小。DSR采用的路由緩存技術(shù)在鏈路比較穩(wěn)定的情況下會(huì)大大降低時(shí)延。然而，隨著節(jié)點(diǎn)速度的增加，其時(shí)延有明顯的增加，這是因?yàn)殒溌窢顟B(tài)大幅變化的情況下，DSR會(huì)過度依靠緩存路由，容易選擇已經(jīng)失效的路由，導(dǎo)致重新啟動(dòng)路由發(fā)現(xiàn)過程。本文提出的路由協(xié)議首先考慮了鏈路的傳播時(shí)延，會(huì)優(yōu)先選擇傳播時(shí)延低的鏈路。其次，通過分析節(jié)點(diǎn)間相對位移、相對速度及相對加速度的大小和方向?qū)S持時(shí)間的影響，選擇鏈路維持時(shí)間長的路徑，能夠更好的適應(yīng)鏈路頻繁變化，因此具有最好的時(shí)延性能。

圖7 平均端到端時(shí)延性能比較

圖8比較了不同路由協(xié)議的丟包率。整體上看，各路由協(xié)議丟包率隨著網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)動(dòng)態(tài)性的增加而增大。DSDV的丟包率在開始時(shí)很小，但隨著節(jié)點(diǎn)速度增大，DSDV的丟包率明顯增加，到300 m/s時(shí)，已增至所有協(xié)議中最大。這是因?yàn)镈SDV只為一個(gè)目的節(jié)點(diǎn)維護(hù)一條路由，且路由消息更新周期時(shí)間較長，隨著節(jié)點(diǎn)的速度增大，網(wǎng)絡(luò)連通性尤其是在分散飛行時(shí)會(huì)大幅降低，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓觿?，由于不能及時(shí)的更新路由信息，路由頻繁中斷導(dǎo)致丟包率上升。OLSR路由協(xié)議中定期廣播HELLO消息等控制信息的時(shí)間比較折中，對鏈路變化信息的獲取較為平穩(wěn)，因此丟包率會(huì)隨速度增大平穩(wěn)增大。AODV路由協(xié)議為按需路由協(xié)議，在沒有數(shù)據(jù)傳輸需求時(shí)，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓瘜ζ溆绊懖淮?，所以丟包率也穩(wěn)定增加。網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓瘒?yán)重情況下，DSR過分依賴路由緩存，無法很好的適應(yīng)頻繁的鏈路變化，導(dǎo)致丟包率逐漸上升。本文所提路由協(xié)議在考慮鏈路穩(wěn)定性的基礎(chǔ)上，根據(jù)鏈路維持時(shí)間選擇路由，能夠選擇維持時(shí)間最長且最穩(wěn)定的鏈路，降低了因鏈路中斷而導(dǎo)致的丟包，因此丟包率較低。

圖8 丟包率比較

圖9和圖10比較了本文提出的路由協(xié)議中三種業(yè)務(wù)的平均時(shí)延和丟包率，其中A類業(yè)務(wù)表示時(shí)延敏感類業(yè)務(wù)，B類業(yè)務(wù)表示丟包敏感類業(yè)務(wù)，C類業(yè)務(wù)表示盡力而為業(yè)務(wù)。因?yàn)檫x擇了傳播時(shí)延最低的鏈路進(jìn)行傳輸，A類業(yè)務(wù)表現(xiàn)出了最好的時(shí)延性能。對于C類業(yè)務(wù)的傳輸，也將傳播時(shí)延納入其路由選擇時(shí)的考慮因素，所以其時(shí)延性能優(yōu)于B類業(yè)務(wù)。B類業(yè)務(wù)的丟包率最低，這是因?yàn)閭鬏擝類業(yè)務(wù)時(shí)，會(huì)優(yōu)先選擇鏈路維持時(shí)間最長的鏈路，其鏈路穩(wěn)定性最高，丟包率最小。而C類業(yè)務(wù)同樣考慮了鏈路穩(wěn)定性的因素，所以其丟包率會(huì)低于A類業(yè)務(wù)。

圖9 各業(yè)務(wù)平均端到端時(shí)延

圖10 各業(yè)務(wù)丟包率

根據(jù)以上分析，本章所提路由協(xié)議在保障不同類型業(yè)務(wù)QoS的基礎(chǔ)上，在時(shí)延和丟包率方面實(shí)現(xiàn)了較為明顯的性能提升。

5 結(jié)論

本文針對FANET中無人機(jī)執(zhí)行任務(wù)時(shí)的多業(yè)務(wù)場景展開分析，提出了一種面向多業(yè)務(wù)的路由協(xié)議。首先對無人機(jī)編隊(duì)先聚集再分散飛行的場景進(jìn)行建模，并利用大地中心坐標(biāo)系構(gòu)建移動(dòng)模型。然后根據(jù)各業(yè)務(wù)對QoS的要求不同劃分業(yè)務(wù)類型并針對每種業(yè)務(wù)提出路由優(yōu)化模型。本文利用鏈路傳播時(shí)延和鏈路維持時(shí)間構(gòu)建路由選擇的度量，在保證可靠性傳輸?shù)幕A(chǔ)上提高網(wǎng)絡(luò)性能。最后，本文利用ns-3網(wǎng)絡(luò)模擬器對所提路由協(xié)議以及四種經(jīng)典路由協(xié)議進(jìn)行仿真，比較了平均端到端時(shí)延和丟包率兩種網(wǎng)絡(luò)性能。結(jié)果表明，本文提出的路由協(xié)議在保證各業(yè)務(wù)QoS的同時(shí)降低了時(shí)延和丟包率。