西南交通大学硕士研究生学位论文 第 IV 页
3.2 节点移动速度对数据传输成功率的影响 ........................................... 22
3.2.1 无人驾驶机群的网络体系结构特点 ....................................... 22 3.2.2 节点移动速度其路由性能的影响 ............................................. 22 3.2.3 节点移动速度对数据传输延时的影响 ..................................... 23 3.2.4 节点移动速度对网络影响的解析 ............................................. 24 3.3以OLSR机制为基础的改进方案 ....................................................... 25
3.3.1 经典OLSR路由协议的改进方向 ............................................. 25 3.3.2 改进方案 .................................................................................... 26 3.3.3 实现路由协议改进的操作流程 ................................................. 26 3.4 对比实验 ............................................................................................... 28 3.4.1 实验条件 .................................................................................... 28 3.4.2 结果分析 .................................................................................... 28 3.5 基于重新定义MPR集的OLSR改进方案小结 ................................. 31 第四章 重定义MPR集的OLSR路由后备路由协议 ..................... 32
4.1 关于后备路径路由协议的研究动机 .................................................... 32
4.1.1 后备路径是减小数据传输延时，提高数据传输成功率的需要 .............................................................................................................. 32 4.1.2 后备路径是增强战场抗毁性的需要 ......................................... 33
4.2 SR-OLSR后备路径算法 ....................................................................... 33 4.2.1 SR-OLSR的由来 ..................................................................... 33 4.2.2 基于OLSR的多径路由算法 .................................................... 34 4.2.3 基于OLSR和多路径的后备路由协议 ..................................... 36 4.3 仿真试验：重定义MPR集的OLSR与SR-OLSR性能对比 .......... 37
4.3.1 仿真试验场景的设置 ................................................................. 37 4.3.2试验数据 ..................................................................................... 37 4.4 结论分析 ............................................................................................... 39 4.5 改进建议 ............................................................................................... 40 4.5.1链路层对多径路由的影响 .......................................................... 40
4.5.2选择后备路径路由协议带来的影响 .......................................... 40
第五章 工作总结与展望 .......................................... 42
5.1 关于使用OPNET进行OLSR协议仿真实验的体会 ......................... 42 5.2 OLSR协议研究工作的总结 ................................................................. 42 5.3 未来工作的展望 ................................................................................... 43
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致 谢 ....................................................... 44 参考文献 ....................................................... 45 攻读硕士学位期间公开发表的论文 ................................. 48
第一章 绪论
1.1 项目背景
1.1.1 高速移动自组网网络体系结构
现代战争越来越呈现出一体化的特征：战斗行动一体化、力量部署一体化、战斗保障一体化、情报信息搜集一体化、信息战网络一体化。而未来战争的一体化的核心是信息一体化。在信息一体化中，信息获取是基础，没有战场信息，信息一体化就成了无源之水、无本之木[1-3]。
因此，信息一体化首先是建立多维空间侦察监视体系，大量获取战场信息；其次是实现各维空间传感器网一体化。传感器网一体化是将各维空间战场的传感器联为一体，实现传感器相互间的查询。由于单个传感器的侦察监视能力有限，只能在一定的时间内对一定的区域实时侦察监视，若将各个传感器联为一体，建立全方位、全频谱、全时段的多维侦察监视预警体系，就能弥补单个传感器的侦察监视能力的不足，对敌实施实时的全时空侦察监视。
1997年美军提出了网络中心战的概念，并认为它是二百年来军事领域最重要的革命，“从平台中心战法转变为网络中心战法，是个根本性转变”，网络中心战正成为美国及全球新军事战略中的核心。其中，无人飞机的运用是网络中心战中至关重要的一环。无人机在军事中的应用主要可包括以下几个方面：军事测绘、侦察探测、电子干扰、精确打击、信息战，以及与其它空中平台协同作战的战场进行评估等等，这些应用需求对无人机的作战水平提出很高的要求。然而迄今为止，无人飞机的操作还大都保留着由后方中心遥控多架无人机的模式，各个无人机之间没有相互的通信、协调、合作的能力，这使无人机群在信息获取、反应速度、作战范围以及机动灵活性等方面都受到很大的限制。因此，需要增强无人机之间的通信能力和动态组网能力，将单机与基地间的星形拓扑结构改变为星形与网状相结合的灵活结构，提高对无人机群实时态势感知能力、生存能力和作战能力。同时，无人驾驶飞机由于其机动灵活性以及能够减少人员伤亡，在敌情侦察、干扰敌方通信设施甚至发动战术攻击等方面正在发挥越来越重要的作用。
研究高速移动自组网网络的必要性可以从以下几个方面来认识：
① 高速移动自组网网络是未来军队作战网络的重要组成部分，因此，需要研究高速移动自组网网络与军队作战网络之间独立性和互通性之间的关系。
② 无人机应用模式开始从单机工作模式向单机与机群工作相结合的模式发展，因此，传统的单机与基地的单线通信方式应当逐步被机群局域/区域性网络与远程通信相结合的模式转化。
③ 无人机的多种工作模式（单机、多机群组协同工作和空间立体多层结构
[1-9]
联合工作模式）以及机群与基地间通信要求使用多种通信技术（近、中距离和远程无线通信技术）。
④ 无人机是多兵种作战的重要手段，无人机与其它移动装备共同组成联合作战系统，因此，美国2005年已经将无人机（UAV – Unmanned Aerial Vehicle）改称为“无人驾驶系统”（US – Unmanned System），使其涵盖包括所有航天、航空、地面和海下的无人驾驶的设备。
⑤ 目前国际国内网络过分依赖Internet技术，而Internet本身存在用户数据传输效率低、数据传输服务质量得不到保障以及严重的安全问题，需要人们重新审视相关技术。
⑥ 出于我国国防安全的需要，我国的作战网络和无人驾驶飞机作战网络必须坚持独立的“专用网”和“内部网”的设计与建设路线，从网络体系结构到使用的技术应尽量与国外使用的技术不兼容，防止窃听和网络攻击。
西南交通大学四川省网络通信技术重点实验室关于“无人机群作战网络体系结构”UAS-TN研究项目[10]的主要研究目标为：以我军作战网络的需求为背景，分析国外的相关技术和发展趋势，以高速移动自组网网络为具体对象，研究能够适应未来作战需要的、具有中国特色的、安全高效的无人机群协同作战的网络的体系结构和相关技术。
UAS-TN项目的具体研究内容包括：
① 全面考察现有国际国内的主要无人机技术现状、功能（执行任务能力、通信能力和现在使用的网络与通信技术）和工作模式，分析各种技术的利弊和改进方法。这部份工作已经开展，并为本项目的立项的背景研究奠定了基础；
② 全面考察无线通信技术：高频（HF）、甚高频（VHF）、超高频（UHF）、红外（IR）、自由空间光纤（FSO）通信、卫星通信技术，分析对比相关技术在无人机群作战网络的可用性和利弊；
③ 研究适合高速移动自组网网络的“自组网络”技术，并进行相关模拟试验。其中，重点考察两个极端的无人机（战略型远程无人机和战术型局部战场无人机）自组网络的差异。对前一类无人机的自组网络技术的研究与模拟，关键是高移动性（近音速）环境下的自组网络的技术；
④ 提出能够适合多种无人机和多种应用模式的无人机群作战网体系结构和技术的建议，并进行相关的模拟/仿真试验，获取相关数据，最终形成体系结构建议文本和研究总结报告；
⑤ 为该体系结构中定义关键协议，并进行相关的模拟试验；
⑥ 根据在上述工作进展，在经费许可范围内搭建无人机群自组网络节点试验平台，为今后的研究开发工作做准备。
1.1.2 UAS-TN中的路由协议
从网络体系结构的观点来看，路由协议应该属于控制平面的范畴。网络节点通过路由协议，完成相应的路径选择，从而为用户平面的数据的端到端传输提供
基础和支持。因而路由协议性能的好坏在很大程度上会影响到用户平面内数据传出的质量，进而影响到整个上层应用的服务质量。
尽管国际上对移动自组网络（MANET – Mobile Ad hoc NET）技术的研究已经开展多年，但是通常涉及的MANET中继节点移动速率较慢，每秒移动速率为每秒数米、或者十几米。例如，步兵运兵车或机械化部队的移动速度为每小时几十公里，以美国最先进的M1A2坦克为例， 最大时速为42英里/小时（约18.8米/秒）；而美国无人机新宠“全球鹰”飞机的时速为644公里/小时（约178.9米/秒），二者间在移动速度上有一个数量级的差别。因此，无人机群的MANET又有其自身的技术特点，必须有针对性地进行相关研究。
另一方面，无人飞机的网络迄今为止还大都保留着由后方中心遥控总台或前方地面站对多架无人机进行控制的单点（控制中心）－多点（多架无人机）模式，或者说采用星形拓扑结构。换言之，各个无人机之间没有直接通信、协调、合作的能力，而所有的行动只能通过指挥中心来完成，使无人机群在信息获取、反应速度、作战范围都受到很大的制约。如果将现有的一点（中心）对多（无人机/机群）的单一模式，扩展为灵活的对对多的网络模式，则可以提高对无人机群实时态势感知能力和无人机群间的协同作战能力，从而极大地增强无人机群的作战能力和生存能力，以及不同军种间无人机群间的互联互通和信息共享的能力。这是提出UAS-TN路由协议研究的另一个原因。
最后，由于UAS-TN所处的特殊的工作环境，即处于敌对的空间，网络节点（无人机）生存受到威胁，通信信道容易受到干扰，网络易受到入侵的威胁。因此，如何在这种恶劣的敌对环境中求生存以完成既定的作战任务就成为研究包括高效、适应能力强的路由协议在内的UAS-TN相关技术的主要原因。相应地，研究能够适应无人机作战网络应用环境的需要和能够有效地完成相关任务的MANET的路由协议，就具有十分重要的意义。
1.2 笔者的工作与贡献
笔者所从事的工作是以四川省网络通信技术重点实验室与××研究院的合作预研项目——“高速移动自组网网络体系结构研究”为背景，并在其中具体从事路由协议研究。这些具体的工作和贡献包括：
? 充分研究了OLSR路由协议，提出以最近访问时间代替原有的连接度来重新
定义MPR集的选择方案，并在此基础上进行仿真实验。 ? 利用现有的链路状态和MPR冗余度信息，提出基于多径的后备路由协议改进
方案，避免了因多径而造成的信道冲突和链路缠绕，并通过仿真实验实现了该选择算法和改进结果。
? 通过仿真（OPNET）平台，分别实现重新定义适合高速移动自组网网络体系
结构的基于OLSR的MPR集和后备路由算法，实验数据证明，改进后的OLSR路由协议对数据传输成功率的提高和时延的降低都是很明显的。