支持无人机蜂群的移动自组网跨层联合优化技术研究

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近年来,无人机广泛应用于侦察、搜救、巡线、测绘等领域。在无人机蜂群(UAV swarm)系统中,网络路由技术是其通信子系统中的关键技术。业界已有大量应用于传统移动自组织网络(MANET)场景中的路由协议和算法。然而,上述协议及算法可能并不适用于拓扑高动态变化的无人机蜂群移动自组织网络,因此,针对无人机蜂群的网络路由技术研究近年来已逐渐成为研究热点。论文关注无人机蜂群移动自组网路由算法的改进和优化,以提升其关键性能指标。论文提出基于功率感知的最优链路状态路由改进协议(Power-Aware-OLSR,PA-OLSR),对传统的OLSR路由协议进行了两方面的改进和优化:第一,传统OLSR协议中中继节点(MPRs)的选择只考虑了邻居节点的数量,并未将链路的稳定性考虑在内,论文基于无人机节点移动速度与物理层功率感知进行移动状态预测,通过节点的移动状态计算节点间的链路持久性,以链路持久性与节点的可达性作为选择MPR节点的原则,每个节点的发射功率依据预测的节点移动状态进行自适应调整,减少与相邻节点信道冲突的发生,提升网络资源利用率及服务质量(Qo S),从而实现了物理层与网络层的跨层联合优化。第二,传统的OLSR协议仅依据路由转发跳数计算节点间最短路径,论文提出一种综合考虑路由跳数和链路持久性的路由选择策略,并提出依据链路的维持时间进行路由的动态维护的策略。论文基于开源的NS-3网络仿真框架开发了针对无人机蜂群自组网的仿真系统,并在其上实现了论文所提出的算法PA-OLSR,对其性能进行了评估。具体地,论文在不同节点数目与节点移动速度条件下,对提出的PA-OLSR路由协议与COLSR和传统的OLSR路由协议进行性能对比测试评估,通过对分组投递成功率、数据传输平均时延、吞吐量以及路由开销四个关键网络性能指标测试结果的分析比较,实验结果显示,在UDP报文传输场景下PA-OLSR协议相比于传统的OLSR协议在吞吐量、分组投递成功率两方面分别提升了25%、15%,数据传输时延最大降低了50%,但路由开销最大大于后者25%。PA-OLSR在时延、吞吐量、投递率等方面整体优于C-OLSR,前者的路由开销比例整体大于后者。在图像传输场景下,PA-OLSR传输时间整体小于OLSR与C-OLSR。
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