无人机组网协议性能分析开题报告

目    录

1 课题背景及研究意义1

1.1 课题背景1

1.2 研究意义1

2 文献综述2

2.1 国内研究现状2

2.2 国外研究现状3

3 研究内容、预期目标和研究方法5

3.1 研究内容5

3.2 预期目标5

3.3 研究方法5

4 研究进度安排6

参考文献7

1 课题背景及研究意义

1.1 课题背景

无人机自诞生以来，在军事，民用等方面有着诸多应用，并且有着巨大的发展前景。但是由于无人机受其自身软，硬件的限制，仍有某些局限性。对单架无人机而言，由于其自身的燃料，质量和体积的限制，无法进行持续长期的工作；受自身传感器以及通信设备的限制，单架无人机也无法对指定区域进行大规模的覆盖。为弥补单架无人机的局限性，提出了由一定数量的无人飞行器组成的无人机集群。而目前，无人机之间缺少直接通信，协调，合作的能力，所有行动均需要通过指挥中心来实现。当无人机集群规模过大时，通过指挥中心实现信息传递的方式无法满足时延等指标，为此采取无人机组网是必要的，对无人机组网协议的研究成为无人机集群的重要课题。

1.2 研究意义

为应对单无人机的缺陷提出了无人机集群的概念。无人机集群中各无人机运动无规律且变化快，由于这种分布式和快速灵活的组网需求，无人机集群网络采用Ad Hoc网络。但是对于现有的基础Ad Hoc网络的协议，并不能满足无人机集群网络的安全性，节点速度快等方面的特殊需求。通过对现有的Ad Hoc协议进行改进或者提出全新的路由协议，使其在某些性能上得到优化，满足特定场景的需要，从而得到适用于无人机集群的组网协议。

2 文献综述

2.1 国内研究现状

自Ad Hoc网络提出后，提出了各种路由协议，有由定期检测并保持全网完整路由信息的主动式路由协议，典型的有DSDV；有仅按需进行路由发现和维护的被动式路由协议，典型的有DSR；以及主动和被动式路由协议结合的混合式路由协议。近年来，在这些基础的路由协议的基础上，不断地对现有协议进行改进或针对特定指标提出新型的路由协议。张菡对现有AODV协议中的路由请求消息设置时限提出了一种改进的AODV协议，提高了分组交换率，降低了网络开销，延长了网络生存时间[1]。陈少华针对安全性能提出了一种基于信任评估的Ad Hoc安全路由协议TEAR，通过链路信任值和路径信任值计算可信度，同时引入间接信任评估和可变时间窗机制保证信任值的有效性，对路由信息的格式进行修改实现了安全路径的快速选择，提高了网络的安全性能[2]。周盛针对服务质量保障提出了一种Ad Hoc网络QoS多径按需路由算法QMRA，通过移动预测计算链路的生存时间，通过能量模型计算链路的剩余能量，利用生存时间和剩余能量作为服务质量指标，选择质量大的链路进行转发，提高了网络的生命周期和数据发送成功率，降低了网络的平均端对端延迟[3]。刘欣从能耗的角度出发，在节点理性自私的前提下，运用博弈论的方法见了转发节点选择的重复博弈模型，设计了节点信任度评价函数，并引入惩戒机制，从而均衡了网络的能量消耗，延长了网络的生存时间[4]。徐二飞针对节点高速移动且能量受限的特殊场景对基于拓扑和基于地理位置的路由协议进行改进，对基于拓扑的路由协议结合蚁群算法，并通过设置动态门限和引入随机数的方法加快收敛速度，将节点剩余能量和剩余时间结合设计信息素生成；对基于地理位置的路由协议，将链路剩余生命时间和节点剩余生命时间加入到路由选择的指标中。改进后的协议在节点高速移动场景下的时延和丢包率更低；同时延长了网络生存时间，提高了传输效率[5]。陆伟针对Ad Hoc中的能耗问题，从节能的角度提出了一种节能路由协议ESRPMM，对节点信号进行建模，基于链路质量和能耗计算出路由成本，以此来作为路由指标，以此来实现最小消耗的路由，相对于传统的路由协议，该协议实现了更忧的传输效能和能耗[6]。刘芬通过多径按需路由协议的路由寻找过程加入Q学习进行改进，利用传统的Q学习算法根据网络状态来对路由周期寿命进行调整，提高路由对动态变换的业务分布的自适应性[7]。白晓荫对先用的GPRS路由协议进行改进，提出了IGPRS，协议考虑了源节点，目的节点，备选中继节点的速度和方向，根据节点速度，计算之后某时刻的节点位置，从而确定最佳中继节点，解决了GPRS当节点相对速度过快时通信性能不稳定的缺陷[8]。

对于接入层协议，根据信道资源获取方式，分为固定接入，随机接入和预约接入协议：固定接入协议有TDMA，CSMA，FDMA和SDMA；随机接入的代表协议有ALOHA，CSMA和CSMA/CA三大类；预约接入协议中典型协议为统一时隙分配协议USAP。近年来，针对能耗控制和业务负载等不同的需求和现有协议的缺陷，陆续提出了各种新型接入层协议。李楠将网络编码技术和协同机制相结合应用到MAC协议中，提出了一种基于网络编码的协同MAC协议，利用网络编码技术解决协同传输中中继效率低的问题，提高了网络的吞吐量 [9]。赵龙对现有协议的时隙竞争阶段进行改进，采用静态分配和动态分配相结合的方式，在对节点固定分配的基础上，将不共享信道的节点时隙进行动态分配，这样提高了系统的分组投递率，提高了接入效率[10]。高晓琳针对航空Ad Hoc网络的MAC协议出现的信道资源分配不公平的现象，提出了优先级权重速率算法，在MAC层上采用加权队列模型，实现了在保证高优先级业务的服务质量的同时提高了信道资源利用的公平性[11]。柳永波将新型的无线调制技术LoRa与基于竞争方式的MAC协议相结合，提出了LoRaMAC协议，他提出自适应速率算法，以及针对信道冲突和数据碰撞问题对退避算法进行改进，实现了时延，丢包率等性能上的优化[12]。金瑞针对抗毁性这一指标，提出了一种基于全网时隙改变的时隙分配协议，通过研究全网时帧改变的收敛时间设计帧结构，采用先集中分配再补充分配的方式来控制时隙，使得全网时帧结构能够跟随接入节点数目而变化，不仅提高了抗毁性能，而且在端到端时延，吞吐量方面均优于现有的USAP和GASAP协议[13]。任智针对现有的基于统计优先级的多址接入协议SPMA中出现的阈值设置造成的负载控制失效，从而使统计出的负载不具有参考价值的问题，提出了一种多优先级但阈值接入控制协议MSAC，利用单阈值信道接入和信道负载统计时间校正机制，使得信道承受能力与实际信道负载最大程度匹配从而提高信道利用率[14]。

2.2 国外研究现状

Yi Zheng针对传统的OLSR协议中会选择高速无人机作为终极节点的问题，提出了ML-OLSR路由协议，在这个协议中同时考虑节点间的地理位置和速度，分别用稳定度和可达度两个指标来衡量，避免了链路因中继节点速度而出现故障，减小了链路重建的开销[15]。Jean针对安全性能提出了一种专用于无人机的基于安全的路由协议SUANET，该协议使用密钥管理策略，在无人机之间部署多个密钥，来实现一致性，身份验证和完整性这些通信安全服务，在路由过程中，所有涉及的无人机都要经过身份验证；同时在安全无人机之间维护了多个安全参数，以抵抗任何攻击和对链路的恶意修改[16]。近年来，很多人开始将仿生的思路引入到路由协议设计中，提出了很多仿生协议：Yulong Yu针对传统路由协议时延较长，开销较大等缺点，引入了蚁群优化算法对DSR路由协议进行改进，提出了APAR路由协议，以路由过程中得到的信息素水平作为路由的选的标准，信息素由路由距离，拥塞程度和稳定性计算得到，同时在协议中对无人机编队的方差进行约束，防止网络性能的下降[17]; Alexey受到蜜蜂蜂巢原理的启发，提出了用于无人机网络路由的蜂群协议，该协议在建立路由时，考虑每个过渡无人机的剩余能量和跳数，通过网络进行前向侦查广播，一个后向侦察兵通过多条发现的路线别送回。选择的路径由负责传输数据的觅食蜂组成，这一仿生算法提高了路由的效率[18]。Yang Xu将安全性能和服务质量相结合，提出了一种路由协议，该协议中针对放大传送和解码传送两种方式中，均使用安全中断概率SOP和连接中断概率COP作为安全和QoS的指标，将二者综合考虑作为最终路由选择的指标，在性能侧重程度不同的情况下能够得到不同的路由选择[19]。Aqeel Taha针对传统的AOMDV路由协议进行优化，提出了带fifitness功能的AOMDV，使用fitness函数确定源节点到目的节点的最佳路由，以此来减少多径路由中的能量消耗，该协议在能量消耗，吞吐量等网络指标方面，大多数情况都优于原协议[20]。Zheng Chen针对节点移动性对QoS的影响，提出了一种拓扑变化自适应的路由协议，协议能适应高速节点移动，路由选择时将链路稳定概率作为选择参数之一；同时还引入链路中断预测机制，根据链路稳定性周期性的概率估计对路由策略进行更新，该协议在节点高速运动时的QoS指标有很好的提升[21]。

对于接入控制协议， Duc Ngoc Minh Dang根据IEEE 802.11psm协议提出了H-MMAC协议，该协议中，节点在默认信道上交换控制信息，在ATIM窗口期协商数据信道，改进之处在于可以根据网络流量负载在数据信道上传输数据包，可以更加有效地利用信道资源[17]。Su Yan为解决当终端数目增加时，TDMA协议会出现严重的网络冲突现象，网络性能大大下降的问题，设计了一种使用率多重网络服务的多无线信道的MAC调度协议，这种MAC协议，可以将无线信道资源合理分配给各个移动终端，减少网络冲突，从而保障网络性能，提高无线信道的利用率[18]。Bo Zheng针对DCF和TDMA协议的不足，提出了基于多信道负载感知的无人机MAC协议，加入了多优先级排队调度机制和基于多通道负载的退避机制，能根据实时信道状态区分不同优先级的服务，为各种信息提供有效的服务质量保证，有效利用带宽[19]。

Qian Ye提出了一种全连接移动自组网的自适应媒体访问控制方案，基于对当前网络负载状况的检测，当网络流量负载达到阈值时，节点可以在DCF和D-TDMA之间做出切换决策，通过适应不断变化的网络流量负载，获得了一致的高网络性能[20]。

3 研究内容、预期目标和研究方法

3.1 研究内容

对Security/QoS Aware路由协议和FF-AOMDV路由协议以及适用于全连接移动自组织网络的自适应负载均衡的多址接入控制方案进行仿真实现，分析三种协议的可行性并对其进行性能分析。

3.2 预期目标

对Security/QoS Aware路由协议进行理论推导，得出安全中断与连接中断两个性能指标，使用MATLAB仿真并进行路由模拟。利用NS2对FF-AOMDV路由协议进行仿真，并与AOMDV协议进行性能指标的比较。对全连接移动自组织网络的自适应负载均衡的多址接入控制方案实现理论推导，得出IEEE 802.11dcf与TDMA之间的MAC性能交换点，进行OMNeT++的仿真实现。

3.3 研究方法

查找相关文献，对三种协议的原理和相关知识进行学习。

使用Matlab对Security/QoS Aware路由协议路由协议进行仿真，难点在于性能指标的推导，得到其在性能要求不同时的不同路由策略；使用NS2对FF-AOMDV路由协议进行仿真，难点在于适应度函数在AOMDV协议中的使用；使用OMNeT++对全连接移动自组织网络的自适应负载均衡的多址接入控制方案进行仿真，难点在于两种候选MAC协议的MAC性能指标关于节点数的关系推导。

4 研究进度安排

2019年12月30日-2020年1月12日，确定毕业论文内容，学习无人机组网的相关知识；

2020年1月13日-2020年2月23日，查阅国内外相关文献资料，对无人机组网协议进行研究，根据要求撰写选题报告；

2020年2月24日-2020年4月19日，对两种路由协议实现仿真复现，翻译一篇英文文献，撰写并提交中期检查表；

2020年4月20日-2020年5月10日，对全连接移动自组织网络的自适应负载均衡的多址接入控制方案进行复现；

2020年5月11日-2020年6月5日，按照毕业论文撰写规范撰写毕业论文，准备答辩。

参考文献

[1]  张菡.Ad Hoc网络中一种改进的AODV路由协议[J].无线互联科技,2014,000(004):54-54,258.

[2]  陈少华,樊晓光,禚真福.基于优化信任评估的Ad Hoc安全路由协议[J].北京航空航天大学学报,2016,042(011):2524-2531.

[3]  周盛,赵焕义,赵文婷.Ad Hoc网络Qos路由算法仿真研究[J].教练机,2016(2):20-24.

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