面向FANET的N-UCDS虚拟骨干网构建方法_王聪.pdf

第2卷 第1期V o l.2 N o.1 2 0 2 3年2月 J o u r n a l o f A r m y E n g i n e e r i n g U n i v e r s i t y o f P L A F e b.2 0 2 3面向F A N E T的N-U C D S虚拟骨干网构建方法王 聪1,赵几航2,吴 霞3,马文峰1,田 辉1,于 琼1(1.陆军工程大学 野战工程学院,江苏 南京 2 1 0 0 0 7;2.3 1 6 0 3部队,江苏 徐州 2 2 1 0 0 0;3.3 1 1 3 1部队,江苏 南京 2 1 0 0 0 7)摘要:大规模小型无人机通信网络会出现频繁的链路失效,因此有效的拓扑控制是当前飞行自组网的研究热点。为了符合大规模无人机任务多样性的场景,提出一种随机路径点-飞行信息预测移动模型,无人机节点可以通过邻居节点的飞行信息对链路持续时间进行预测。在此基础上,提出一种新的统一连通支配集(n e w u n i f y i n g c o n n e c t e d d o m i n a t i n g s e t,N-U C D S)算法,与U C D S算法相比,N-U C D S算法改进了连通支配集成员的选取方式、虚拟骨干网的构建和维护机制、支配因子的计算方法和HE L L O报文发送间隔。仿真结果表明,该方法的算法鲁棒性有较大提升,网络构建和维护时间均减少了一个周期,网络生存时间提升了5%,H E L L O报文开销随节点最大通信半径的增大而减小。关键词:飞行自组网;连通支配集;虚拟骨干网;N-U C D S算法 中图分类号:T P 3 9 3;V 2 7 9D O I:1 0.1 2 0 1 8/j.i s s n.2 0 9 7-0 7 3 0.2 0 2 2 0 1 1 7 0 0 1F A N E T-O r i e n t e d C o n s t r u c t i o n M e t h o d o f N-U C D S V i r t u a l B a c k b o n e N e t w o r k WANG C o n g1,Z HAO J i h a n g2,WU X i a3,MA W e n f e n g1,T I AN H u i1,YU Q i o n g1(1.C o l l e g e o f F i e l d E n g i n e e r i n g,A r m y E n g i n e e r i n g U n i v e r s i t y o f P L A,N a n j i n g 2 1 0 0 0 7,C h i n a;2.U n i t 3 1 6 0 3 o f P L A,X u z h o u 2 2 1 0 0 0,C h i n a;3.U n i t 3 1 1 3 1 o f P L A,N a n j i n g 2 1 0 0 0 7,C h i n a)A b s t r a c t:A s t h e c o mm u n i c a t i o n s n e t w o r k o f l a r g e-s c a l e s m a l l UAV s h a s f r e q u e n t l i n k f a i l u r e s,e f f e c-t i v e t o p o l o g y c o n t r o l i s t h e c u r r e n t r e s e a r c h f o c u s o f f l y i n g a d-h o c n e t w o r k s(F AN E T).T o m e e t t h e d i-v e r s e s c e n a r i o s o f l a r g e-s c a l e UAV m i s s i o n s,a r a n d o m w a y p o i n t-f l i g h t i n f o r m a t i o n p r e d i c t i o n m o b i l i t y m o d e l i s p r o p o s e d i n t h i s p a p e r,b y w h i c h UAV n o d e s c a n p r e d i c t t h e l i n k d u r a t i o n t h r o u g h t h e f l i g h t i n-f o r m a t i o n o f n e i g h b o r i n g n o d e s.O n t h i s b a s i s,a n N-U C D S a l g o r i t h m i s p r o p o s e d.C o m p a r e d w i t h t h e U C D S a l g o r i t h m,t h e N-U C D S a l g o r i t h m i m p r o v e s t h e s e l e c t i o n m e t h o d o f m e m b e r s o f c o n n e c t e d d o m i n a-t i n g s e t s,t h e c o n s t r u c t i o n a n d m a i n t e n a n c e m e c h a n i s m o f v i r t u a l b a c k b o n e n e t w o r k s,t h e c a l c u l a t i o n m e t h o d o f d o m i n a n t f a c t o r s a n d t h e t r a n s m i s s i o n i n t e r v a l o f HE L L O p a c k e t s.T h e s i m u l a t i o n r e s u l t s s h o w t h a t t h e r o b u s t n e s s o f t h e a l g o r i t h m i n t h e p r o p o s e d m e t h o d i s g r e a t l y i m p r o v e d,t h e t i m e t o c o n s t r u c t a n d m a i n t a i n t h e n e t w o r k i s r e d u c e d b y o n e c y c l e r e s p e c t i v e l y,t h e n e t w o r k s u r v i v a l t i m e i s i n c r e a s e d b y 5%,a n d t h e H E L L O p a c k e t o v e r h e a d s d e c r e a s e w i t h t h e i n c r e a s e o f t h e m a x i m u m c o mm u n i c a t i o n r a d i u s o f n o d e s.K e y w o r d s:f l y i n g a d-h o c n e t w o r k(F AN E T);c o n n e c t e d d o m i n a t i n g s e t;v i r t u a l b a c k b o n e n e t w o r k;N-U C D S a l g o r i t h m 收稿日期:2 0 2 2-0 1-1 7基金项目:国家自然科学基金(6 1 7 7 1 4 8 6,6 2 0 0 1 5 1 5,6 2 1 0 3 4 4 1);江苏省博士后科研流动站计划项目(2 0 1 9 K 0 9 0)。第一作者:王 聪,博士,副教授,主要研究计算机网络,l g d_d o l p h i n1 3 9.c o m。通信作者:赵几航,硕士研究生,主要研究计算机网络,l g d_z h a o j i h a n g 1 6 3.c o m。近年来,无人机系统由于其作战效能显著、成本低廉、人员伤亡小和易于大批量装备等特点,成为影响作战进程的重要因素。特别是无人机集群系统,具有可扩展性好、抗毁性强、效率高等优点,可以在战场侦察、边境巡逻、通信中继、精确打击等多种军事行动中发挥重要作用。而无人机间的可靠通信是集群 系 统 任 务 协 同 的 基 础 和 前 提。飞 行 自 组 网(f l y i n g a d-h o c n e t w o r k,F AN E T)1-2是构建无人机通信网络的核心技术。它不依赖于预先构建的通信基础设施,可以通过无线信道在无人机之间传输多种信息,从而形成多跳、自组织、分布式网络。无人机通信网络具有以下特点3:(1)节点高速移动。节点的移动速度可以达到3 04 6 0 k m/h;(2)大规模稀疏分布。无人机在三维空间独立运行,分布范围广;(3)多种通信服务共存。无人机在执行多功能任务时通常需要传输多种类型的服务,不同类型的服务具有不同的Q o S要求,如延迟、传输速率、吞吐量等。由于上述特点,尤其是高速移动和稀疏分布的特性,导致无人机网络链路频繁失效,网络鲁棒性差,给网络拓扑控制带来严峻挑战。因此,有效的拓扑控制是F AN E T亟需解决的关键性问题之一。拓扑控制主要解决的是无人机节点连通性和路由维护问题,主流的拓扑控制算法可分为节点功率控制算法和层次性拓扑控制算法。由于无人机节点在调节发射功率方面受诸多因素限制,因此层次性拓扑控制算法更加适用于大规模无人机集群网络。一种有效的手段是在无人机集群系统中基于连通支配集(c o n n e c t e d d o m i n a n t s e t,C D S)的方法构建虚拟骨干网,虚拟骨干网是指在无人机节点中选取部分无人机节点作为骨干节点,构成骨干网,维护拓扑结构。所有节点只需将消息发送给骨干网中的任意节点,就可以被转发到目的节点,构建虚拟骨干网可以减少路由开销和消息转发量。由于无人机集群具有高动态性,在F AN E T中骨干节点需要不断地更换,因此选取的骨干节点只能作为临时的支配节点,负责对其他节点消息的转发。目前,基于C D S的方法构建虚拟骨干网广泛地应用 于 移 动 自 组 网(m o b i l e a d-h o c n e t w o r k,MA-N E T)、车 载 自 组 网(v e h i c u l a r a d-h o c n e t w o r k,V A-N E T)、F A N E T等自组织网络中,文献4,5 总结了MA N E T、V A N E T、F A N E T三种不同的自组织网络类别的差异。一般的研究思路是首先构造极大独立集(m a x i m a l i n d e p e n d e n t s e t,M I S),再添加非独立点来连通极大独立集得到C D S,这样所有的节点都能在M I S中找到至少一个与之相连接的节点,但找到最小连通集已被证明是N P-h a r d问题6。基于此思路,文献7 提出了优先选择I D和L e v e l的两种C D S构建算法,文献8 提出了逐层扩散消息的E E C D S算法。同时部分学者提出基于生成树的分布式算法构建完整C D S,文献9 先构造一个全网密集连接的粗糙C D S,而后通过剔除冗余连接点形成较小的C D S;文献1 0 提出了一种基于连通支配集的能量高效分布式路由算法,可以有效地缓解移动自组织网络中的广播风暴问题。文献1 1 提出了d-