DTN主動(dòng)路由技術(shù)在平流層網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用

楊悅

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北　石家莊　050081）

DTN主動(dòng)路由技術(shù)在平流層網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用

楊悅

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北石家莊050081）

DTN網(wǎng)絡(luò)即容時(shí)延容中斷網(wǎng)絡(luò)，主動(dòng)路由技術(shù)是DTN網(wǎng)絡(luò)中的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。根據(jù)平流層的實(shí)際環(huán)境特點(diǎn)，研究DTN主動(dòng)路由技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中存在的問(wèn)題，并提出了相應(yīng)的解決方案。最終，提出一種應(yīng)用于平流層的DTN主動(dòng)路由技術(shù)，即先聚類，后分層，再由無(wú)人機(jī)巡航的方式進(jìn)行主動(dòng)路由，為平流層用戶節(jié)點(diǎn)提供可靠數(shù)據(jù)傳輸。

DTN主動(dòng)路由層次路由

1　引言

容時(shí)延容中斷網(wǎng)絡(luò)（Delay/Disruption Tolerant Networks，DTN），是一種計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)方法，該方法旨在解決異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中缺乏可持續(xù)網(wǎng)絡(luò)連接或超長(zhǎng)傳輸時(shí)延情況下的可靠數(shù)據(jù)傳輸問(wèn)題［1,2］。

DTN網(wǎng)絡(luò)是一類沒(méi)有穩(wěn)定的端到端傳輸路徑的網(wǎng)絡(luò)形態(tài)，它由一組帶有無(wú)線接收裝置的移動(dòng)主機(jī)組成，并且不需要依賴基礎(chǔ)設(shè)施控制就可以相互通信。此類網(wǎng)絡(luò)其特質(zhì)計(jì)有：長(zhǎng)時(shí)延或可變時(shí)延，間歇性的連接，非對(duì)稱數(shù)據(jù)傳輸率和高數(shù)據(jù)鏈路差錯(cuò)率［3］。在這類應(yīng)用環(huán)境中，設(shè)備之間的通信信道不穩(wěn)定，有很大的延時(shí)及延時(shí)抖動(dòng)，并且長(zhǎng)時(shí)間處于斷開(kāi)的狀態(tài)，無(wú)法保證端到端連接的存在。

平流層網(wǎng)絡(luò)也是一類受限網(wǎng)絡(luò)，平流層網(wǎng)絡(luò)是空天信息網(wǎng)的一部分。空天信息網(wǎng)可分為天、空和地3個(gè)層次，天基以衛(wèi)星為主，空基主要是指無(wú)人機(jī)和飛艇這類飛行器，地基主要是地面站、信息中心和數(shù)據(jù)處理中心等應(yīng)用系統(tǒng)。在平流層網(wǎng)絡(luò)中，同樣需要DTN技術(shù)為其提供可靠的數(shù)據(jù)傳輸。但是與地面網(wǎng)絡(luò)和傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)不同，平流層網(wǎng)絡(luò)有其自身的環(huán)境特點(diǎn)與技術(shù)特點(diǎn)，這就需要針對(duì)平流層的特點(diǎn)對(duì)DTN路由技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)，本文就是針對(duì)平流層網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)研究DTN主動(dòng)路由技術(shù)的可行性。

2　DTN主動(dòng)路由技術(shù)

DTN路由協(xié)議一般包括3個(gè)部分：網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的建立、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞木S護(hù)和路由算法的設(shè)計(jì)。DTN路由不同于傳統(tǒng)路由，通常采用多份消息拷貝、先驗(yàn)知識(shí)、編碼和概率估計(jì)等機(jī)制；DTN路由的主要目的根據(jù)具體環(huán)境與傳統(tǒng)路由也有所區(qū)別，可能是最大化報(bào)文傳輸?shù)目赡堋⒆钚』瘋鬏斞舆t及最小化內(nèi)存能量消耗及最小化網(wǎng)絡(luò)帶寬使用等，即DTN路由的目標(biāo)就是減少消息傳輸?shù)难舆t以及網(wǎng)絡(luò)中的丟包率。

DTN路由技術(shù)體制可以分為主動(dòng)路由和被動(dòng)路由。被動(dòng)路由是消息產(chǎn)生節(jié)點(diǎn)依靠其自身的隨機(jī)或有意識(shí)的運(yùn)動(dòng)，將所需要轉(zhuǎn)發(fā)的信息轉(zhuǎn)交給可能遇到目的節(jié)點(diǎn)的其他節(jié)點(diǎn)。這種路由技術(shù)存在著一些不可避免的問(wèn)題。首先，由于節(jié)點(diǎn)的能量和存儲(chǔ)空間有限，采用傳統(tǒng)路由算法會(huì)使得能量和存儲(chǔ)空間迅速耗盡，使得網(wǎng)絡(luò)很快癱瘓。其次，網(wǎng)絡(luò)中很可能存在一些孤立的目的節(jié)點(diǎn)，使得信息不可達(dá)，延時(shí)不可控。為了解決上述問(wèn)題，人們考慮將額外的可控節(jié)點(diǎn)部署于網(wǎng)絡(luò)中，如數(shù)據(jù)騾（Data Mule）或擺渡節(jié)點(diǎn)（Message Ferry），通過(guò)這些額外的節(jié)點(diǎn)在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)空間范圍內(nèi)進(jìn)行可控的移動(dòng)來(lái)傳遞消息，這就是DTN主動(dòng)路由技術(shù)。

圖1　無(wú)人機(jī)巡航示意圖

3　平流層的環(huán)境特點(diǎn)

平流層路由主要解決的是地面用戶和平流層用戶之間通過(guò)平流層飛行器實(shí)現(xiàn)可靠數(shù)據(jù)交付的問(wèn)題。由于地面用戶的移動(dòng)范圍很有限，而飛艇和高空氣球的機(jī)動(dòng)性不佳，為了更好地解決數(shù)據(jù)有效傳輸問(wèn)題，本文采用DTN主動(dòng)路由技術(shù)，以機(jī)動(dòng)性能良好的無(wú)人機(jī)作為擺渡節(jié)點(diǎn)，為用戶節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)。

將DTN主動(dòng)路由技術(shù)應(yīng)用到平流層中，需要解決以下2個(gè)問(wèn)題：

①DTN路由策略中的節(jié)點(diǎn)間最短路徑的查找方法，無(wú)法適應(yīng)平流層的空間范圍大和節(jié)點(diǎn)數(shù)量多的特點(diǎn)，因此，需要針對(duì)平流層的環(huán)境特點(diǎn)，從新設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的分域方案。DTN路由技術(shù)中，一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)是網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的分域，節(jié)點(diǎn)區(qū)域的劃分直接影響網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)男阅埽?］。文獻(xiàn)［5］和文獻(xiàn)［6］的研究也指出，節(jié)點(diǎn)區(qū)域的有效劃分能夠提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴Ｔ诿鎸?duì)大規(guī)模高空節(jié)點(diǎn)的平流層環(huán)境時(shí)，需要采取合理的節(jié)點(diǎn)聚類方案，進(jìn)行節(jié)點(diǎn)區(qū)域的劃分；

②已有的航跡規(guī)劃方案無(wú)法適應(yīng)平流層的特點(diǎn)，因此，需要針對(duì)平流層的特點(diǎn)，如飛行高度和大氣環(huán)境等進(jìn)行航跡規(guī)劃算法的設(shè)計(jì)。航跡規(guī)劃是指無(wú)人機(jī)等飛行器為了完成特定的飛行任務(wù)，在綜合考慮飛行器的機(jī)動(dòng)性能約束、飛行環(huán)境和油耗因素等一系列特定約束條件的基礎(chǔ)上，自動(dòng)規(guī)劃從飛行器起始點(diǎn)到目標(biāo)點(diǎn)的最優(yōu)化航空軌跡或者其他滿足一定要求的航空軌跡，無(wú)人機(jī)巡航示意圖如圖1所示。在無(wú)人機(jī)的航跡規(guī)劃過(guò)程中，不僅要考慮無(wú)人機(jī)的起飛區(qū)、目標(biāo)區(qū)的各種信息，對(duì)于飛行途中飛過(guò)的區(qū)域也要滿足一定的條件限制，這些限制包括飛行器自身的各種飛行限制性條件，比如匹配區(qū)、導(dǎo)航點(diǎn)、最小轉(zhuǎn)彎半徑和最低飛行高度等。在不同的環(huán)境中，限制條件也有所不同，需要根據(jù)平流層的實(shí)際環(huán)境，選擇必要的限制條件，既要保證航跡規(guī)劃的有效性，又要盡量降低算法的復(fù)雜度。

4　改進(jìn)的技術(shù)方案

為了解決平流層中存在的問(wèn)題，本文采用的是一種層次路由方案。層次路由方案首先采用聚類算法［7］，依據(jù)地理位置將全部用戶節(jié)點(diǎn)劃分為若干個(gè)互不相交的小區(qū)，并在小區(qū)中選擇一個(gè)匯聚節(jié)點(diǎn)，如圖2所示。若小區(qū)內(nèi)的節(jié)點(diǎn)希望向小區(qū)外的用戶發(fā)送消息，則通過(guò)小區(qū)內(nèi)無(wú)人機(jī)先將消息發(fā)送至匯聚節(jié)點(diǎn)。在全網(wǎng)范圍內(nèi)專門有一架無(wú)人機(jī)負(fù)責(zé)在各個(gè)匯聚節(jié)點(diǎn)之間的巡航。當(dāng)全網(wǎng)無(wú)人機(jī)經(jīng)過(guò)匯聚節(jié)點(diǎn)的時(shí)候，匯聚節(jié)點(diǎn)將目的地不屬于本小區(qū)的消息上傳至無(wú)人機(jī)，由全網(wǎng)無(wú)人機(jī)負(fù)責(zé)將消息轉(zhuǎn)發(fā)給目的小區(qū)的匯聚節(jié)點(diǎn)，再由目的匯聚節(jié)點(diǎn)的無(wú)人機(jī)負(fù)責(zé)將信息轉(zhuǎn)發(fā)給目的節(jié)點(diǎn)。

圖2　平流層層次路由方案

無(wú)人機(jī)巡航的航跡規(guī)劃過(guò)程如下：①獲取網(wǎng)絡(luò)中的連接關(guān)系，包括無(wú)人機(jī)個(gè)數(shù)m，節(jié)點(diǎn)數(shù)量n，節(jié)點(diǎn)之間的距離矩陣，最大迭代次數(shù)NC；

②m個(gè)無(wú)人機(jī)放到n個(gè)節(jié)點(diǎn)上，每個(gè)無(wú)人機(jī)按照概率函數(shù)選擇下一個(gè)城市，完成各自的周游，并記錄最佳路線；

③選擇代價(jià)最小的路徑作為巡航路線。計(jì)算無(wú)人機(jī)巡航綜合代價(jià)的公式如下［8］：

Study of Active Routing Technique of DTN in Stratosphere

YANG Yue
（The 54th Research Institute of CETC,Shijiazhuang Hebei 050081,China）

DTN is short of Delay/Disruption Tolerant Network.The active routing is a key network technique in the DTN. According to the actual environment characteristics of stratosphere,the active routing technique of DTN is studied in this paper.A corresponding solution to existent problems is proposed.Finally,an active routing mechanism is presented.It can overcome the limitation of traditional routing mechanism,and support the stratospheric environment.It provides the reliable data transmission for the nodes in stratosphere with clustering,layering and cruising by the unmanned aerial vehicle.

DTN；active routing；layered routing

TP393

A

1008-1739（2015）13-56-3

定稿日期：2015-06-12