无人机集系统网络化低延时高速数据传输方法

1.本发明涉及一种无人机集系统网络化低延时高速数据传输方法，属于无人机集数据传输通信领域。

背景技术：

2.在无人机集实际任务过程中，伴随任务阶段的变化，不断有新节点加入、原节点退出，导致网络拓扑时刻处在动态变化中，如何在拓扑快速变化、节点急剧增加的情况下既能控制路由开销，又能减小延时，保证数据传输实时性、成功率和健壮性是面临的重要问题；同时各无人机节点承担任务角不同且根据任务进程实时调整，如何根据不同任务对数据传输能力的不同需求灵活分配信道资源，提高传输效率也是亟待解决的难题。

技术实现要素：

3.本发明针对现有技术中存在的上述问题，本发明主要目的是提供一种无人机集系统网络化低延时高速数据传输方法，根据无人机集多任务综合化特点，将无人机节点按照可见光监测、红外拍摄、雷达探测、物资投送等任务类型分簇，减小无人机集单网路由开销；分簇后簇间通过簇首衔接交互，簇内设计改进的自组网dsdv路由协议，采用吞吐量作为dsdv路由协议链路度量标准；并按照任务类型的信息传输需求以及信道环境感知结果来实时动态配比各簇网络带宽，从而通过分簇算法简化网络规模和拓扑结构，解决传统先验式路由算法在网络规模扩大时对节点处理能力要求增加以及处理时延增大的问题，既保证较小的传输延时，也避免网络资源的过度消耗。
4.为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
5.本发明公开的一种无人机集系统网络化低延时高速数据传输方法，依据无人机节点的任务类型或任务组合分簇，根据任务规划或同类增强，或异类互补，减小无人机集单网规模从而降低路由协议开销和延时，并根据可见光监测和雷达探测等信息量大、红外拍摄和物资运输等信息量小等载荷信息特点按需分配各簇网络带宽资源，提高网络化传输效率，同时采用以吞吐量作为路由的链路度量标准代替过于简单的bellman-ford最短距离路径算法，在复杂无线信道下抑制网络带宽波动，提升传输稳健性。
6.所述任务类型包括可见光监测、红外拍摄、雷达探测、物资运输。
7.本发明公开的一种无人机集系统网络化低延时高速数据传输方法，包括如下步骤：
8.步骤1：依据无人机集中节点任务类型确定分簇数目和规模，预置各簇网络带宽；
9.步骤2：设计分簇dsdv路由算法，根据任务类型需求为各簇分配网络带宽，减少每个节点路由表的信息维护数量，提高网络性能，同时增强网络的延展性；所述分簇dsdv路由算法具体包括：
①
邻居节点建立：在初步分簇规划范围内的节点向邻居节点发送hello包，收到hello包节点且反馈信道环境感知良好(满足预设要求)，将其节点纳入自己的邻居节
点表中；
②
簇首选择：到该首节点所有两跳之内的节点，然后查看这些节点的邻居节点表，当存在某一节点的邻居大于当前首节点的邻居数时，选取该节点作为簇首，设置该节点跳数h＝0，并确定簇号；
③
边界节点确定：到簇首的跳数h＝2的节点为该簇的边界节点，选取边界节点的未分簇邻居节点作为首节点，若边界节点的邻居节点都分簇成功则跳转至
⑤
；
④
散节点的确定：查看首节点的邻居节点列表，若该节点邻居列表非空，则跳转至
②
，继续建簇操作；否则设置该节点到簇首跳数h＝3，并将该簇首字段标记为邻居节点的簇首字段，表明本节点为该簇的“隐藏节点”，即散节点，跳转至
③
；
⑤
分簇算法完成，根据步骤
①
至
⑤
形成网络拓扑结构和分簇dsdv路由协议，所述网络拓扑结构中只在两跳之内选取簇首，分簇后簇间通过簇首衔接交互，降低网络传输延时。
10.建立分簇dsdv路由规划，将节点的吞吐量作为链路的度量标准，不单纯以空间距离为路径选择依据，而是充分考虑多径、机体遮挡等因素对信号传输质量的影响，优化网络临时建立中继节点时消耗的网络资源。对于三种拓扑结构：(1)源节点到目的节点无中继转发节点、(2)源节点到目的节点有一个中继转发节点、(3)源节点到目的节点存在两个中继转发节点，所述吞吐量计算包括：
11.根据己知节点的发射功率ps，得到节点的信号接收功率pr为：
[0012][0013]
其中d
s-d
为发射节点到接收节点的距离，-a为路径衰减参数，s为单位功率的发射信号，n
s-d
为节点噪声，则无线信道中的自由损耗l的计算公式为：
[0014][0015]
无人机集实际飞行任务中不仅存在自由损耗，而且存在遮挡、多径，进一步得到在典型航空瑞利信道衰落模型链路正常工作的概率为：
[0016][0017]
n0为服从瑞利分布的复高斯随机变量方差。令：
[0018][0019]
拓扑结构(1)链路正常工作概率的计算公式为：
[0020][0021]
拓扑结构(2)链路正常工作概率的计算公式为：
[0022][0023]
其中，d
s-r
为发射节点s到中继转发节点r的距离，d
r-d
为中继转发节点r到接收节点d的距离。
[0024]
拓扑结构(3)链路正常工作概率的计算公式为：
[0025][0026]
其中，d
s-r1
为发射节点s到中继转发节点r1的距离，d
r1-d
为中继转发节点r1到接收节点d的距离，d
s-r2
为发射节点s到中继转发节点r2的距离，d
r2-d
为中继转发节点r2到接收节点d的距离。
[0027]
源节点的数据发送速率为ro，发射节点s直接到达接收节点d时链路的正常工作概率为该情况下拓扑结构(1)的网络吞吐量为：
[0028][0029]
当到达目的节点存在一个中间节点y的情况下，链路的正常工作概率为拓扑结构(2)网络吞吐量为：
[0030][0031]
若源节点到目的节点有两个中间节点y1、y2，链路的正常工作概率为拓扑结构(3)网络吞吐量为：
[0032][0033]
对于既定的源节点与目的节点，吞吐量定义为路径中每一节点发送接收的最小值，通过最大化链路中每一跳的吞吐量，以此提高网络总体的吞吐量，实现高速低延时网络传输：
[0034]
η
max
＝max{η
s,d
,η
s,y,d
,η
s,y1,y2,d
}
ꢀꢀꢀꢀ
公式11
[0035]
还包括步骤3：根据步骤2设计的自组网分簇dsdv路由协议，采用吞吐量作为dsdv路由协议链路度量标准；并按照任务类型的信息传输需求以及信道环境感知结果来实时动态配比各簇网络带宽，从而通过分簇算法简化网络规模和拓扑结构，减小无人机集单网规模从而降低路由协议开销和延时，并按需分配各簇网络带宽资源，提高网络化传输效率，同时能够在复杂无线信道下抑制网络带宽波动，提升传输稳健性。
[0036]
有益效果：
[0037]
1、本发明公开的一种无人机集系统网络化低延时高速数据传输方法，根据无人机集多任务综合化特点，将无人机节点按照可见光监测、红外拍摄、雷达探测、物资投送等任务类型分簇，通过分簇算法简化网络规模和拓扑结构，减小无人机集单网路由开销；分簇后簇间通过簇首衔接交互，簇内设计改进的自组网dsdv路由协议，采用吞吐量作为dsdv路由协议链路度量标准，提高无线网络传输稳定性；并按照任务类型的信息传输需求以及信道环境感知结果来实时动态配比各簇网络带宽，避免网络资源的无效占用和过度消耗，解决传统先验式路由算法在网络规模扩大时对节点处理能力要求增加以及处理时延增大的问题，保证较小的传输延时和较高的传输效率。
[0038]
2、本发明公开的一种无人机集系统网络化低延时高速数据传输方法，针对无人
机集具有多功能集成化、多任务综合化特点，依据无人机节点的任务类型或任务组合分簇，根据任务规划或同类增强，或异类互补，减小无人机集单网规模从而降低路由协议开销和延时，并根据可见光监测和雷达探测等信息量大、红外拍摄和物资运输等信息量小等载荷信息特点按需分配各簇网络带宽资源，提高网络化传输效率。
[0039]
3、本发明公开的一种无人机集系统网络化低延时高速数据传输方法，在有益效果2基础上，采用以吞吐量作为路由的链路度量标准代替过于简单的bellman-ford最短距离路径算法，在遮挡、多径等复杂无线信道下抑制网络带宽波动，提升传输稳健性。
[0040]
4、本发明公开的一种无人机集系统网络化低延时高速数据传输方法，在有益效果1、2基础上，依据任务类型和任务阶段对集进行分簇管理，能够简化网络拓扑、减小传输延时、提升控制实时性、改善飞机安全性；同时联合考虑传输质量和节点距离，采用吞吐量作为dsdv路由协议链路度量标准，更加适合无人机集复杂的无线信道环境，提升网络的稳健性；并按照各簇任务类型的信息传输需求动态配比各簇间、各簇内网络带宽，从而通过分簇算法简化局域网络规模的分层混合拓扑结构，解决传统先验式路由算法在网络规模扩大时对节点处理能力要求增加，处理时延增大的问题，既保证较小的传输延时，也避免网络资源的过度消耗。
附图说明
[0041]
图1为本发明的分簇算法流程图；
[0042]
图2为本发明分簇完成后形成的网络拓扑结构；
[0043]
图3为本发明不同情况下源节点到目节点的路径传输；
[0044]
图4为本发明路由协议的网络吞吐量对比图；
[0045]
图5为本发明10节点至290节点网络环境下网络延时对比图；
[0046]
图6为本发明10节点至290节点网络路由协议开销对比图。
具体实施方式
[0047]
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
[0048]
实施例1
[0049]
如图1所示，本实施例公开的一种无人机集系统网络化低延时高速数据传输方法，具体实现步骤如下：
[0050]
步骤1：根据无人机集多任务综合化特点，将无人机节点按照任务类型分簇，并确定分簇数目和规模，预置各簇网络带宽；
[0051]
步骤2：设计分簇dsdv路由算法，根据任务类型需求为各簇分配网络带宽，减少每个节点路由表的信息维护数量，提高网络性能，同时增强网络的延展性；所述分簇dsdv路由算法具体包括：
①
邻居节点建立：在初步分簇规划范围内的节点向邻居节点发送hello包，收到hello包节点且反馈信道环境感知良好(满足预设要求)，将其节点纳入自己的邻居节点表中；
②
簇首选择：到该首节点所有两跳之内的节点，然后查看这些节点的邻居节点
表，当存在某一节点的邻居大于当前首节点的邻居数时，选取该节点作为簇首，设置该节点跳数h＝0，并确定簇号；
③
边界节点确定：到簇首的跳数h＝2的节点为该簇的边界节点，选取边界节点的未分簇邻居节点作为首节点，若边界节点的邻居节点都分簇成功则跳转至
⑤
；
④
散节点的确定：查看首节点的邻居节点列表，若该节点邻居列表非空，则跳转至
②
，继续建簇操作；否则设置该节点到簇首跳数h＝3，并将该簇首字段标记为邻居节点的簇首字段，表明本节点为该簇的“隐藏节点”，即散节点，跳转至
③
；
⑤
分簇算法完成，根据步骤
①
至
⑤
形成网络拓扑结构和分簇dsdv路由协议，所述网络拓扑结构中只在两跳之内选取簇首，分簇后簇间通过簇首衔接交互，降低网络传输延时。
[0052]
实施例2
[0053]
如图2所示，本实施例公开的一种无人机集系统网络化低延时高速数据传输方法，其针对物资投送、红外拍摄、可见光监测、雷达探测四种任务应用，采用分簇的dsdv路由算法，形成的网络拓扑连接。根据步骤1，将无人机节点按照任务类型分为4簇，分别为物资投送簇、红外拍摄簇、可见光监测簇和雷达探测簇，物资投送簇有12个节点、红外拍摄簇有8个节点、可见光监测簇有10个节点、雷达探测簇有7个节点，与单网37个节点相比，通过混合分簇组网架构降低了单簇规模，除散节点外控制在2跳以内，减小了路由开销和传输延时。
[0054]
实施例3
[0055]
本实施例公开的一种无人机集系统网络化低延时高速数据传输方法，建立分簇dsdv路由规划时将节点的吞吐量作为链路的度量标准，不单纯以空间距离为路径选择依据，而是充分考虑多径、机体遮挡等因素对信号传输质量的影响，优化网络临时建立中继节点时消耗的网络资源。如图3所示，对于三种拓扑结构：(1)源节点到目的节点无中继转发节点、(2)源节点到目的节点有一个中继转发节点、(3)源节点到目的节点存在两个中继转发节点，所述吞吐量计算包括：
[0056]
根据己知节点的发射功率ps，得到节点的信号接收功率pr为：
[0057][0058]
其中d
s-d
为发射节点到接收节点的距离，-a为路径衰减参数，s为单位功率的发射信号，n
s-d
为节点噪声，则无线信道中的自由损耗l的计算公式为：
[0059][0060]
无人机集实际飞行任务中不仅存在自由损耗，而且存在遮挡、多径，进一步得到在典型航空瑞利信道衰落模型链路正常工作的概率为：
[0061][0062]
n0为服从瑞利分布的复高斯随机变量方差。令：
[0063][0064]
拓扑结构(1)链路正常工作概率的计算公式为：
[0065][0066]
拓扑结构(2)链路正常工作概率的计算公式为：
[0067][0068]
其中，d
s-r
为发射节点s到中继转发节点r的距离，d
r-d
为中继转发节点r到接收节点d的距离。
[0069]
拓扑结构(3)链路正常工作概率的计算公式为：
[0070][0071]
其中，d
s-r1
为发射节点s到中继转发节点r1的距离，d
r1-d
为中继转发节点r1到接收节点d的距离，d
s-r2
为发射节点s到中继转发节点r2的距离，d
r2-d
为中继转发节点r2到接收节点d的距离。
[0072]
源节点的数据发送速率为ro，发射节点s直接到达接收节点d时链路的正常工作概率为该情况下拓扑结构(1)的网络吞吐量为：
[0073][0074]
当到达目的节点存在一个中间节点y的情况下，链路的正常工作概率为拓扑结构(2)网络吞吐量为：
[0075][0076]
若源节点到目的节点有两个中间节点y1、y2，链路的正常工作概率为拓扑结构(3)网络吞吐量为：
[0077][0078]
对于既定的源节点与目的节点，吞吐量定义为路径中每一节点发送接收的最小值，通过最大化链路中每一跳的吞吐量，以此提高网络总体的吞吐量，实现高速低延时网络传输：
[0079]
η
max
＝max{η
s,d
,η
s,y,d
,η
s,y1,y2,d
}
ꢀꢀꢀꢀ
公式11
[0080]
实施例4
[0081]
本实施例公开的一种无人机集系统网络化低延时高速数据传输方法，步骤3：根据步骤2设计的自组网分簇dsdv路由协议，采用吞吐量作为dsdv路由协议链路度量标准；并按照任务类型的信息传输需求以及信道环境感知结果来动态配比各簇网络带宽，在复杂无线信道下抑制网络带宽波动，提高网络化传输效率，最大化网络吞吐量，如图4所示。在多径信道系数0.1～0.8动态变化下，以udp组播方式，设置包长1024byte，网络节点数量10～290逐步增加，仿真结果显示：簇间通过引进中继节点辅助信息传输，采用以吞吐量作为路由的链路度量标准，在无人机集节点数128时与mdsdv协议相比，网络吞吐量大约提高了40％。
[0082]
实施例5
[0083]
本实施例公开的一种无人机集系统网络化低延时高速数据传输方法，通过集分簇管理简化网络规模和拓扑结构，控制多跳转发跳数，有效降低网络传输延时和延时波动，如图5所示。在多径信道系数0.1～0.8动态变化下，以udp组播方式，设置包长1024byte，网络节点数量10～290逐步增加，仿真结果显示：在无人机集网络节点数目较少时，分簇dsdv协议的优势不明显，甚至略逊于mdsdv。但随着网络规模的增大，协议的优势逐渐凸显，在无人机集网络规模达到128时，分簇dsdv路由协议比dsdv协议网络延时低约12ms，比mdsdv协议网络延时低约4ms，并且随着网络规模的增大，网络延时增长趋缓，较为稳定，网络延时明显小于dsdv与mdsdv，平均时延≤30ms，满足常规无人机测控传输延时≤50ms的要求，更有利于无人机的操控安全。
[0084]
实施例6
[0085]
本实施例公开的一种无人机集系统网络化低延时高速数据传输方法，通过集分簇管理简化网络规模和拓扑结构，控制单簇节点数量，减小簇内路径状态，避免单簇维护路由表过于庞大，降低路由协议开销，如图6所示。在多径信道系数0.1～0.8动态变化下，以udp组播方式，设置包长1024byte，分簇数量≤10，网络节点数量10～290逐步增加，仿真结果显示，dsdv路由协议随着网络节点数目的增多，每个节点维护的路由表数量逐步增大，网络路由开销迅速增大；mdsdv协议路由开销同样随着节点数目的增多急剧增大，当节点数目超过130时，路由开销超过40％，此时的网络利用率过低，网络资源都用于每个节点维护庞大的路由表；相比之下分簇dsdv协议采用簇首解决每个节点路由表任务繁重的负担，每个簇内的路由成员维护的路由表不会随着节点数目的増加受到明显影响，节点的路由开销相对稳定，在无人机集节点数128时与dsdv、mdsdv协议相比，路由开销减小了大约40％，提高了传输效率，便于无人机集规模化扩展。
[0086]
以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：

1.一种无人机集系统网络化低延时高速数据传输方法，其特征在于：包括如下步骤，步骤1：依据无人机集中节点任务类型确定分簇数目和规模，预置各簇网络带宽；步骤2：设计分簇dsdv路由算法，根据任务类型需求为各簇分配网络带宽，减少每个节点路由表的信息维护数量，提高网络性能，同时增强网络的延展性；所述分簇dsdv路由算法具体包括：
①
邻居节点建立：在初步分簇规划范围内的节点向邻居节点发送hello包，收到hello包节点且反馈信道环境感知良好，将其节点纳入自己的邻居节点表中；
②
簇首选择：到该首节点所有两跳之内的节点，然后查看这些节点的邻居节点表，当存在某一节点的邻居大于当前首节点的邻居数时，选取该节点作为簇首，设置该节点跳数h＝0，并确定簇号；
③
边界节点确定：到簇首的跳数h＝2的节点为该簇的边界节点，选取边界节点的未分簇邻居节点作为首节点，若边界节点的邻居节点都分簇成功则跳转至
⑤
；
④
散节点的确定：查看首节点的邻居节点列表，若该节点邻居列表非空，则跳转至
②
，继续建簇操作；否则设置该节点到簇首跳数h＝3，并将该簇首字段标记为邻居节点的簇首字段，表明本节点为该簇的“隐藏节点”，即散节点，跳转至
③
；
⑤
分簇算法完成，根据步骤
①
至
⑤
形成网络拓扑结构和分簇dsdv路由协议，所述网络拓扑结构中只在两跳之内选取簇首，分簇后簇间通过簇首衔接交互，降低网络传输延时。建立分簇dsdv路由规划，将节点的吞吐量作为链路的度量标准，不单纯以空间距离为路径选择依据，而是充分考虑多径、机体遮挡等因素对信号传输质量的影响，优化网络临时建立中继节点时消耗的网络资源；对于三种拓扑结构：(1)源节点到目的节点无中继转发节点、(2)源节点到目的节点有一个中继转发节点、(3)源节点到目的节点存在两个中继转发节点，所述吞吐量计算包括：根据己知节点的发射功率p
s
，得到节点的信号接收功率p
r
为：其中d
s-d
为发射节点到接收节点的距离，-a为路径衰减参数，s为单位功率的发射信号，n
s-d
为节点噪声，则无线信道中的自由损耗l的计算公式为：无人机集实际飞行任务中不仅存在自由损耗，而且存在遮挡、多径，进一步得到在典型航空瑞利信道衰落模型链路正常工作的概率为：n0为服从瑞利分布的复高斯随机变量方差；令：拓扑结构(1)链路正常工作概率的计算公式为：
拓扑结构(2)链路正常工作概率的计算公式为：其中，d
s-r
为发射节点s到中继转发节点r的距离，d
r-d
为中继转发节点r到接收节点d的距离；拓扑结构(3)链路正常工作概率的计算公式为：其中，d
s-r1
为发射节点s到中继转发节点r1的距离，d
r1-d
为中继转发节点r1到接收节点d的距离，d
s-r2
为发射节点s到中继转发节点r2的距离，d
r2-d
为中继转发节点r2到接收节点d的距离；源节点的数据发送速率为r
o
，发射节点s直接到达接收节点d时链路的正常工作概率为该情况下拓扑结构(1)的网络吞吐量为：当到达目的节点存在一个中间节点y的情况下，链路的正常工作概率为拓扑结构(2)网络吞吐量为：若源节点到目的节点有两个中间节点y1、y2，链路的正常工作概率为拓扑结构(3)网络吞吐量为：对于既定的源节点与目的节点，吞吐量定义为路径中每一节点发送接收的最小值，通过最大化链路中每一跳的吞吐量，以此提高网络总体的吞吐量，实现高速低延时网络传输：η
max
＝max{η
s,d
,η
s,y,d
,η
s,y1,y2,d
}
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
公式11 。2.如权利要求1所述的一种无人机集系统网络化低延时高速数据传输方法，其特征在于：还包括步骤3，根据步骤2设计的自组网分簇dsdv路由协议，采用吞吐量作为dsdv 路由协议链路度量标准；并按照任务类型的信息传输需求以及信道环境感知结果来实时动态配比各簇网络带宽，从而通过分簇算法简化网络规模和拓扑结构，减小无人机集单网规模从而降低路由协议开销和延时，并按需分配各簇网络带宽资源，提高网络化传输效率，同时能够在复杂无线信道下抑制网络带宽波动，提升传输稳健性。

技术总结

本发明公开的一种无人机集系统网络化低延时高速数据传输方法，属于无人机集数据传输通信领域。本发明实现方法为：根据无人机集多任务综合化特点，将无人机节点按照可见光监测、红外拍摄、雷达探测、物资投送等任务类型分簇，减小无人机集单网路由开销；分簇后簇间通过簇首衔接交互，簇内设计改进的自组网DSDV路由协议，采用吞吐量作为DSDV路由协议链路度量标准；并按照任务类型的信息传输需求以及信道环境感知结果来动态配比各簇网络带宽，从而通过分簇算法简化网络规模和拓扑结构，解决传统先验式路由算法在网络规模扩大时对节点处理能力要求增加以及处理时延增大的问题，既保证较小的传输延时，也避免网络资源的过度消耗。消耗。消耗。