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

楊悅

（中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北　石家莊　050081）

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

楊悅

（中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北石家莊050081）

DTN網(wǎng)絡(luò)即容時延容中斷網(wǎng)絡(luò)，主動路由技術(shù)是DTN網(wǎng)絡(luò)中的一項關(guān)鍵技術(shù)。根據(jù)平流層的實際環(huán)境特點，研究DTN主動路由技術(shù)在實際應(yīng)用中存在的問題，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主動路由技術(shù)，即先聚類，后分層，再由無人機巡航的方式進行主動路由，為平流層用戶節(jié)點提供可靠數(shù)據(jù)傳輸。

DTN主動路由層次路由

1　引言

容時延容中斷網(wǎng)絡(luò)（Delay/Disruption Tolerant Networks，DTN），是一種計算機網(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)連接或超長傳輸時延情況下的可靠數(shù)據(jù)傳輸問題［1,2］。

DTN網(wǎng)絡(luò)是一類沒有穩(wěn)定的端到端傳輸路徑的網(wǎng)絡(luò)形態(tài)，它由一組帶有無線接收裝置的移動主機組成，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)計有：長時延或可變時延，間歇性的連接，非對稱數(shù)據(jù)傳輸率和高數(shù)據(jù)鏈路差錯率［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，有很大的延時及延時抖動，并且長時間處于斷開的狀態(tài)，無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?？仗煨畔⒕W(wǎng)可分為天、空和地3個層次，天基以衛(wèi)星為主，空基主要是指無人機和飛艇這類飛行器，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)境特點與技術(shù)特點，這就需要針對平流層的特點對DTN路由技術(shù)進行改進，本文就是針對平流層網(wǎng)絡(luò)的特點研究DTN主動路由技術(shù)的可行性。

2　DTN主動路由技術(shù)

DTN路由協(xié)議一般包括3個部分：網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)的建立、網(wǎng)絡(luò)拓撲的維護和路由算法的設(shè)計。DTN路由不同于傳統(tǒng)路由，通常采用多份消息拷貝、先驗知識、編碼和概率估計等機制；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，可能是最大化報文傳輸?shù)目赡?、最小化傳輸延遲及最小化內(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)體制可以分為主動路由和被動路由。被動路由是消息產(chǎn)生節(jié)點依靠其自身的隨機或有意識的運動，將所需要轉(zhuǎn)發(fā)的信息轉(zhuǎn)交給可能遇到目的節(jié)點的其他節(jié)點。這種路由技術(shù)存在著一些不可避免的問題。首先，由于節(jié)點的能量和存儲空間有限，采用傳統(tǒng)路由算法會使得能量和存儲空間迅速耗盡，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，使得信息不可達，延時不可控。為了解決上述問題，人們考慮將額外的可控節(jié)點部署于網(wǎng)絡(luò)中，如數(shù)據(jù)騾（Data Mule）或擺渡節(jié)點（Message Ferry），通過這些額外的節(jié)點在整個網(wǎng)絡(luò)空間范圍內(nèi)進行可控的移動來傳遞消息，這就是DTN主動路由技術(shù)。

圖1　無人機巡航示意圖

3　平流層的環(huán)境特點

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平流層飛行器實現(xiàn)可靠數(shù)據(jù)交付的問題。由于地面用戶的移動范圍很有限，而飛艇和高空氣球的機動性不佳，為了更好地解決數(shù)據(jù)有效傳輸問題，本文采用DTN主動路由技術(shù)，以機動性能良好的無人機作為擺渡節(jié)點，為用戶節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)。

將DTN主動路由技術(shù)應(yīng)用到平流層中，需要解決以下2個問題：

①DTN路由策略中的節(jié)點間最短路徑的查找方法，無法適應(yīng)平流層的空間范圍大和節(jié)點數(shù)量多的特點，因此，需要針對平流層的環(huán)境特點，從新設(shè)計網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的分域方案。DTN路由技術(shù)中，一項關(guān)鍵技術(shù)是網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的分域，節(jié)點區(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［5］和文獻［6］的研究也指出，節(jié)點區(qū)域的有效劃分能夠提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?。在面對大?guī)模高空節(jié)點的平流層環(huán)境時，需要采取合理的節(jié)點聚類方案，進行節(jié)點區(qū)域的劃分；

②已有的航跡規(guī)劃方案無法適應(yīng)平流層的特點，因此，需要針對平流層的特點，如飛行高度和大氣環(huán)境等進行航跡規(guī)劃算法的設(shè)計。航跡規(guī)劃是指無人機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動性能約束、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，自動規(guī)劃從飛行器起始點到目標(biāo)點的最優(yōu)化航空軌跡或者其他滿足一定要求的航空軌跡，無人機巡航示意圖如圖1所示。在無人機的航跡規(guī)劃過程中，不僅要考慮無人機的起飛區(qū)、目標(biāo)區(qū)的各種信息，對于飛行途中飛過的區(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、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　改進的技術(shù)方案

為了解決平流層中存在的問題，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)點劃分為若干個互不相交的小區(qū)，并在小區(qū)中選擇一個匯聚節(jié)點，如圖2所示。若小區(qū)內(nèi)的節(jié)點希望向小區(qū)外的用戶發(fā)送消息，則通過小區(qū)內(nèi)無人機先將消息發(fā)送至匯聚節(jié)點。在全網(wǎng)范圍內(nèi)專門有一架無人機負責(zé)在各個匯聚節(jié)點之間的巡航。當(dāng)全網(wǎng)無人機經(jīng)過匯聚節(jié)點的時候，匯聚節(jié)點將目的地不屬于本小區(qū)的消息上傳至無人機，由全網(wǎng)無人機負責(zé)將消息轉(zhuǎn)發(fā)給目的小區(qū)的匯聚節(jié)點，再由目的匯聚節(jié)點的無人機負責(zé)將信息轉(zhuǎn)發(fā)給目的節(jié)點。

圖2　平流層層次路由方案

無人機巡航的航跡規(guī)劃過程如下：①獲取網(wǎng)絡(luò)中的連接關(guān)系，包括無人機個數(shù)m，節(jié)點數(shù)量n，節(jié)點之間的距離矩陣，最大迭代次數(shù)NC；

②m個無人機放到n個節(jié)點上，每個無人機按照概率函數(shù)選擇下一個城市，完成各自的周游，并記錄最佳路線；

③選擇代價最小的路徑作為巡航路線。計算無人機巡航綜合代價的公式如下［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