基于改进OLSR协议的多无人机自组织网络MPR节点选择方法与流程

本发明属于无人机自组网通讯领域，具体涉及基于改进olsr路由协议的无人机自组织网络mpr节点选择方法。

背景技术：

随着无人机集群作战需求越来越多，多无人机动态自组织网络已成为国内通信业内的研究热点，相关研究主要集中于无人机自组网的体系结构和基于manet的分层模型，探讨了无人机自组网的路由协议、网络拓扑控制、网络管理和数据链路层等方面的一些技术问题，利用系统仿真方法对无人机自组网的性能分别进行了验证。

集群自主协同作战的无人机通过通信网络不仅要传输数据，还需要传输构建的三维环境、探测到的目标图像视频等信息，因而集群作战无人机的动态自组织通信网对网络的负载、带宽及延时都具有较高的要求，需要选择合适的无线多跳网络(wirelessmulti-hopnetwork，wmn)路由协议来构建wmn网络，从而为高质量视频流的传输提供更好的保障。

wmn网络的主动式和反应式路由协议中的三种典型路由协议为：按需平面距离向量路由协议(ahhocon-demanddistancevectorrouting，aodv)、动态源路由协议(dynamicsourcerouting，dsr)、优化链路状态路由协议(optimizedlinkstatetouting，olsr)。在不同网络密度的条件下，利用opnetmodeler平台对aodv、dsr和olsr路由协议在网络负载、网络吞吐量及网络延时等性能进行仿真试验，通过分析可知，在网络吞吐量方面，aodv协议要优于dsr和olsr协议，而olsr协议在网络负载和网络延时方面则要优于aodv和dsr协议，尤其是在节点密度高的大规模网络中，olsr协议具有更好的适应性。

olsr协议是一种基于最优化链路状态的标准表驱动式路由协议。它采用多点中继(multipointrelay，mpr)机制对广播消息进行转发，减少了广播消息的转发数量，节省了路由协议的开销，非常适合应用在网络规模大、节点密度高的wmn网络中。但是标准的mpr选择方法得到的mpr集存在两个重要的问题：1)olsr协议选择得到的mpr集存在较大的冗余，控制分组的洪泛规模较大，路由开销较大；2)在mpr集选择中没有考虑节点的负载均衡情况，如果某个节点同时被多个邻节点选作mpr集，可能会发生网络过载现象，这样会严重影响网络服务质量。

技术实现要素：

本发明针对现有技术中的不足，提供一种基于改进olsr路由协议的无人机自组织网络mpr节点选择方法。改进后的mpr节点选择方法和标准mpr选择方法在理想情况下具有相同的时间复杂度，但是改进后的olsr协议有效避免了节点的负载过重，实现了整个网络的节点负载均衡，又降低了mpr集的冗余，节约了路由协议的开销。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

基于改进olsr协议的多无人机自组织网络mpr节点选择方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤s1：确定网络中源节点的mpr集、一跳相邻节点集n(s)和两跳相邻节点集n2(s)；将源节点的mpr集置空，设定一跳相邻节点集n(s)中的节点意愿程度，设定用于实时记录各一跳相邻节点负载的变量n_times，使其初值为0；

步骤s2：计算n(s)中各节点的深度d(y)；

步骤s3：判断n(s)中是否存在达到某个两跳相邻节点的唯一通路的节点，如果存在就进入步骤s5，如果不存在，就进入步骤s4；

步骤s4：统计n_times的值，选择n(s)中n_times值最大的节点，如果有一个则删除掉对应的节点，如果有多个，删除其中可达性最小的，然后跳到步骤s3中继续进行；

步骤s5：将符合步骤s3条件的节点加入mpr集，并将其n_times的值加1；

步骤s6：在n2(s)中，删除步骤5中节点相连通的两跳相邻节点；

步骤s7：判断n2(s)是否为空，如果为空，结束步骤，得到源节点的mpr集，选择mpr集的节点作为转发节点；如果不为空，进入步骤s3中继续进行。

为优化上述技术方案，采取的具体措施还包括：

进一步地，步骤s1中，将n(s)中的节点意愿程度设为will_always。

进一步地，步骤s1中，变量n_times表示一跳相邻节点被其它节点选作mpr节点的次数。

进一步地，步骤s4中，如果有多个n_times值最大的节点，存在不止一个可达性最小的节点，删除深度d(y)最小的节点。

本发明的有益效果是：首先，考虑mpr集的冗余度问题，若不存在唯一到达二跳邻节点的相邻节点，则通过删除相邻节点中可到达性最小的节点来创造这类节点的出现，然后再进行mpr的选择；其次，再考虑节点的负载均衡问题，为了避免意愿程度高(will_always)的节点多次被其它节点选作mpr集，而意愿程度低(will_never)的节点一直处于空闲状态，将所有的相邻节点的意愿程度设为will_always，同时在hello消息中设置一个times字段用于记录该节点被其它节点选作mpr集的次数，这样就可以动态地加入节点的负载信息。本发明既考虑到了减少mpr集的冗余度，节约了路由协议的开销；也充分考虑到了网络中每个节点的负载情况，实现了整个网络的节点负载均衡。

附图说明

图1是本发明具体实施例改进的olsr协议的mpr选择方法流程图。

图2是本发明具体实施例改进的olsr协议对mpr集选择过程示意图。

图3是本发明具体实施例改进前后olsr协议的mpr节点数对比图。

图4是本发明具体实施例改进前后olsr协议的tc分组发送速率对比图。

图5是本发明具体实施例改进前后olsr协议的tc分组接收速率对比图。

图6是本发明具体实施例改进前后olsr协议的网络延时对比图。

图7是本发明具体实施例改进前后olsr协议的网络吞吐量对比图。

具体实施方式

现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。

基于改进olsr协议的mpr节点选择方法流程如图1所示，包括如下步骤：

步骤s1，将节点的mpr集置空，将一个节点的所有一跳相邻节点集n(s)中的节点意愿程度设为will_always即意愿程度高，初始化一跳邻节点被其他节点选作mpr节点次数的变量n_times，使其字段初值为0；

步骤s2，计算n(s)中节点的一跳邻节点的深度d(y)；

步骤s3，判断n(s)中是否存在达到某个两跳相邻节点的唯一通路的邻节点，如果存在就进入步骤s5，如果不存在，就进入步骤s4；

步骤s4，统计n_times的值，选择n(s)中的n_times值最大的，如果有一个则删除掉对应的节点，如果有多个，删除其中可达性最小的，然后跳到步骤s3中继续进行

步骤s5，将符合步骤s3条件存在的节点加入mpr集，并将n_times的值加1；

步骤s6，在n2(s)中，删除步骤5中节点相连通的两跳相邻节点；

步骤s7，判断n2(s)是否为空(即原n2(s)中节点是否都被mpr集合覆盖)，如果为空，结束步骤，得到源节点的mpr集，选择mpr集的节点作为转发节点；如果不为空，进入步骤s3中继续进行。

基于改进olsr协议对mpr集选择过程如图2所示。wmn网络中节点s的mpr集进行选择，具体的实现步骤如下：

1)在n(s)集合中存在覆盖n2(s)集中节点a的唯一节点1，所以将节点1选入mpr集，将该节点从n(s)中删除并且删除n2(s)集中被覆盖的节点a，b。得到s＝{1}，n(s)＝{2，3，4，5，6}，n2(s)＝{c，d，e，f}。此时节点1的n_times值为1，而其余节点的n_times值不变均为0。

2)因为n(s)集中不存在达到n2(s)集的唯一节点并且所有节点的n_times值相等，故删除n(s)集中可到性最小的节点6，此时n(s)＝{2，3，4，5}。在n(s)中存在覆盖n2(s)集中节点f的唯一节点4，故选择节点4加入到mpr集，同时删除该节点覆盖的两跳邻节点d和f，得到s＝{1，4}，n(s)＝{2，3，5}，n2(s)＝{c，e}。此时节点4的n_times值为1，其余节点该值仍保持为0。

3)在n(s)集合剩余的一跳邻节点中，节点2和5具有相同的可达到性1，而d(5)较小，故删除节点5，此时n(s)＝{2，3}。

4)n(s)集中存在到达n2(s)集中节点e的唯一节点3，故将节点3加入到mpr集，同时将节点3覆盖的两跳邻节点c和e删除，得到s＝{1，3，4}，节点3的n_times值变为1，至此n2(s)集中所有的两跳邻节点都被mpr集中节点所覆盖，方法结束，最终得到的mpr集合为{1，3，4}。

因此，改进后的方法和标准mpr选择方法在理想情况下具有相同的时间复杂度o(nlogn)。但是改进后的olsr协议在mpr选择时根据一跳邻节点中的n_times字段来实时记录该节点的负载，避免该节点被过多的选作mpr集合，这样有效避免了节点的负载过重，实现了整个网络的节点负载均衡。又通过删除集合n中n_times值最大的节点，降低了mpr集的冗余，节约了路由协议的开销。

利用opnetmodeler仿真平台开展高密度网络环境(100节点)下改进前后olsr协议的网络性能验证。改进前后olsr协议仿真性能评估指标包括：mpr节点数、网络吞吐量、网络延时及tc分组发送和接收速率。仿真结果图中标识olsr的曲线代表标准olsr协议仿真结果，标识n_olsr的曲线代表改进后olsr协议仿真结果。

改进前后olsr协议的mpr节点数对比图如图3所示。在高密度网络环境下，改进后olsr协议得到的mpr节点数相比于标准olsr路由协议减少了29.4％。验证了改进后olsr协议实现了节点的mpr集冗余优化，对高密度网络的mpr集具有更好的优化效果。

改进前后olsr协议的tc分组发送速率对比如图4所示。tc分组消息的发送速率体现了wmn网络中tc分组的洪泛初始规模，数值越小说明mpr节点数越小，则mpr集冗余性越小。使用改进后olsr协议的wmn网络中tc分组发送速率始终低于标准olsr协议下的tc分组发送速率，在高密度网络环境下，改进后olsr协议下的tc分组发送速率相比于标准olsr路由协议减少了39.3％。验证了改进后olsr路由协议优化了mpr集的选择，通过减少整个网络的mpr节点数来降低tc消息的洪泛规模。

改进前后olsr协议的tc分组接收速率对比如图5所示。tc分组消息的接收速率可以反映出mpr集对tc分组洪泛的影响，网络节点接收到的tc分组越少，则中间mpr节点转发tc分组的数量就越少。使用改进后olsr协议的wmn网络中tc分组接收速率始终低于标准olsr协议下的tc分组接收速率，并且随着网络密度规模增加，改进后olsr协议下的tc分组接收速率相比于标准olsr协议下降的程度越大。验证了高密度网络中改进后olsr协议删除了mpr集中更多的冗余节点，相比于标准olsr协议，网络中有更少的mpr节点来转发tc分组，因此减少了tc分组的洪泛次数，节约网络路由的开销。

改进前后olsr协议的网络延时对比如图6所示。端对端网络延时可以反映出wmn网络的健康状态，影响网络延时的因素是多方面的，包括节点的路由发现和建立时间，目的节点接收和处理分组的时间，节点间的距离和链路状况等。高密度网络中，网络的负载加重，导致节点发生拥塞的可能性也随之提高，改进后olsr协议和标准olsr协议的端对端网络延时快速增加，相比于标准olsr协议，改进后olsr协议较大程度地降低了wmn网络的延时。验证了改进后的olsr协议考虑了网络的均衡负载，能在一定程度上缓解网络密度增加带来的拥塞，从而减轻了网络传输过程中产生的端对端时延。

改进前后olsr协议的网络吞吐量对比如图7所示。网络吞吐量能够反映出wmn网络所能传递数据的最大能力。高密度网络中，网络中的mpr节点的负载加重，成为限制网络吞吐量提高的“瓶颈”节点。验证了改进后的olsr协议有效地解决了标准olsr协议在网络负载加重时存在的问题，通过优先选择被其他节点选作mpr节点次数较少的节点作为本节点的mpr节点，使网络负载均衡地分配到各个节点，因此，在网络负载较高的情况下，可以有效地降低数据分组的碰撞和丢包的概率，从而提高了网络吞吐量。

仿真结果表明：改进的olsr路由协议通过优化mpr选择方法有效地降低了mpr集的冗余性，实现了网络中节点的均衡负载，网络的传输延时、吞吐量等网络性能得到了提升，因此，基于改进后olsr路由协议的wmn网络能够更好地为无人机视频监控提供视频流传输。

需要注意的是，发明中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。