一种基于链路稳定性的无人机自组网路由方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于链路稳定性的无人机自组网路由方法。本发明中的链路稳定性由无人机节点相对速度，单跳链路传输时延，单跳链路信号强度及链路活跃时间共同决定。本发明基于链路生命周期作为路由选择限制参数，可以很大程度降低无人机集群拓扑快速变化对路由带来的影响，减少路由失效频率，提高路由稳定性。同时，因为路由核心算法部署在集中式服务器中，运算性能比传统分布式路由运算高。集群控制器维护集群的全部链路状态，当路由失效事件发生可以迅速选择备份路径，满足路由快速响应的需求。
【专利说明】
-种基于链路稳定性的无人机自组网路由方法
技术领域
[0001] 本发明属于无人机组网技术领域，设及一种基于链路稳定性的无人机自组网路由 方法。
【背景技术】
[0002] 随着环境和业务复杂度的增加，单架无人机已经难W满足任务要求，而无人机集 群能够将每个无人机节点获取的信息进行整合和分析，通过多机协同达到对目标和环境更 加全面和准确的了解。因此大规模无人机集群协作是必然趋势。无人机集群协作主要依靠 无人机之间的高性能数据链系统，其核屯、是建立能够良好自适应集群拓扑变化的路由协 议，实现数据包在无人机之间的多跳转发。
[0003] 传统由移动节点组成的自组网（a化OC)如移动自组网（Mobile Ad化C化twork， MANET)和车载网（vehi州lar ad hoc network, VANET)为无人机集群分布式通信提供了理 论和技术依据。基于MANET或VANET网络拓扑，路由协议在无人机集群中进行分布式部署，即 每个节点对与相邻节点的连接状态进行分析，选择从源节点到达目标节点的最小距离路 径。
[0004] 然而MANET和VANET网络的路由协议性能受到很多因素影响包括节点移动性，计算 资源，能耗限制，无线信道质量等，对无人机节点组成的集群自组网带来新的挑战。例如，传 统MANET网络针对小型嵌入式系统无线节点，计算资源和电池能耗有限并且节点一般处于 低速运动(〇-2m/sec)。相比，VANET网络支持更高的节点移动速度(如20-30m/s汽车高速场 景），节点的数据处理由性能较高的车载计算平台完成，并且通常依靠车载供电系统。而无 人机节点组成的集群自组网的特点是，移动速度高(O-lOOm/s);小型无人机机载计算资源 有限，飞行控制系统占去主要的CPU和内存资源W保障飞行姿态稳定;续航时间有限。此外， 集群密度的变化，外界环境因素的影响（如风速，障碍物)也会带来额外的计算资源和电量 消耗。因此，传统MA肥T和VA肥T网络不能直接应用在无人机集群通信系统。
【发明内容】
[0005] 本发明针对现有技术的不足，提供了一种基于链路稳定性的无人机自组网路由方 法。
[0006] 本发明方法的具体是： 链路状态管理:每一个无人机节点将当前飞行速度矢量，与相邻节点通信的接收信号 强度，相邻节点间的单跳传输时延，相邻节点链路生命周期，周期性发送给集群控制器。
[0007] 链路状态表维护:集群控制器建立链路状态参数矩阵。在某一时刻，当无人机节点 i和j之间的信号强度和单跳数据包传输时延同时到达阔值时，即认为无人机i和j之间的链 路失效。
[000引路由建立:路由逻辑运算过程部署于集群控制器，基本思想是W节点间链路状态 的稳定性作为路由选择参数，建立从源节点到目标节点的数据包传输路径。链路稳定性由 链路的生命周期参数来表示，即链路生命周期最长的两个节点的连接将被选择为数据包下 一跳的路径。假设无人机间相对速度霜，节点间信号强度和传输时延与链路生命周期都属 于线性关系。无人机节点巧日j间距离减小，相对速度麵;的值为负数，鑽小于1;反之，瓣的 值大于1。采用多元线性回归算法对无人机间相对速度，节点间信号强度和传输时延Ξ个参 数进行分析，基于最小二乘法确定回归参数。
[0009] 本发明关键技术点包括:基于无线链路的稳定性设计无人机集群路由方法。链路 稳定性由无人机节点相对速度，单跳链路传输时延，单跳链路信号强度及链路活跃时间共 同决定。
[0010] 本发明基于链路生命周期作为路由选择限制参数，可W很大程度降低无人机集群 拓扑快速变化对路由带来的影响，减少路由失效频率，提高路由稳定性。同时，因为路由核 屯、算法部署在集中式服务器中，运算性能比传统分布式路由运算高。集群控制器维护集群 的全部链路状态，当路由失效事件发生可W迅速选择备份路径，满足路由快速响应的需求。
【附图说明】
[0011] 图1为本发明方法示意图。
【具体实施方式】
[0012] W下结合附图对本发明作进一步说明。
[0013] 本发明目的提高无人机集群路由稳定性。当路由失效事件发生时，集群自组网需 要重新启动路由运算过程，根据路径选择算法逐跳多播或广播路由发现请求，并在无人机 节点更新路由表信息。由于链路频繁失效会带来大量的计算开销和数据转发时延，严重影 响无人机集群通信性能，因此，设计高性能无人机集群自组网路由协议，关键是要考虑路由 的稳定性。
[0014] 图1所示为无人机集群拓扑结构，其中远程控制中屯、管理和部署集群实际业务，如 路由逻辑运算，无人机负责数据转发和链路状态与飞行姿态监测。集群通信系统用户面负 责分发数据业务，如飞行姿态信息，传感器和多媒体信息等；控制面负责集群组网逻辑运 算，如路由协议部署。集群系统控制面(con化〇1 plane)信息交互分别选择WiFi和LTE链路 作为通信载体，而无人机节点之间的用户面(user plane)信息交互选择WiFi链路作为通信 载体。无人机双模接口（WiFi, LTE)方案一方面提高了控制面数据通信吞吐量;另一方面减 少了用户面数据在无人机间传输的干扰，提高了无线信道利用率。
[0015] 对于无人机集群密度较高的场景，无人机之间相对距离较小(如0-0.1公里），相邻 无人机节点之间通过WiFi点对点通信(ad hoc模式)可W获取单跳链路状态参数(如RSSI， delay)。本方案的核屯、思想是通过对单跳链路状态的分析（link status analysis, LSA) 为路由选择算法提供限制参数。
[0016] 表 1 链路状态表（i，j=l，2，···Ν)
表1列出了链路状态表管理的参数，i和j代表无人机节点，N代表无人机节点总数。在 任意时刻t，相邻两个无人机节点间的链路状态参数矩阵（link sta化S ma化ix, LSM)，包 括相对速度矢量拓，接收信号强度(received si即al strength index, RSSIij)，单跳传输 时延(DELAYij)和链路生命周期（Δ化Tij)。馬是节点巧日j的相对速度，无人机节点速度由机 载空速传感器获得并经LTE链路发送至集群控制器。RSSIij和DELAYij由节点巧日j经ad hoc 点对点链路获取再经LTE链路发送至集群控制器。RSSI依赖于节点间距离，发射接收功率， 信道干扰等因素影响而Delay依赖无人机节点队列等待策略，MAC层信道接入机制和无线传 输速率等因素。Δ化Τυ值由集群SDN控制器维护，记录节点i和j链路有效(Beacon数据包可 达)的时间。当链路失效时，Δ化Τυ值归零。链路失效定义为当无线信号不可达或信号强度 衰减不足W满足上层业务Q〇S(quality of service)要求。路由算法的具体步骤： 链路状态管理:每一个无人机节点将当前飞行速度矢量梦，与相邻节点通信的接收信 号强度RSSI，相邻节点间的单跳传输时延(delay),相邻节点链路生命周期Δ化T，周期性发 送给集群控制器。距离链路状态表的大小与集群节点数量η的关系如公式(1)，
链路状态表维护:集群控制器建立链路状态参数矩阵(公式(2))。在时刻tk，当无人机 节点i和j之间的信号强度和单跳数据包传输时延同时到达阔值，RSSI化和DELAYth，即认为 无人机巧日j之间的链路失效。阔值RSSIth和DELAY化随具体业务应用取值不同，W满足不同 的QoS要求。
[0017]
(2) 路由建立:路由逻辑运算过程部署于集群控制器，基本思想是W节点间链路状态的稳 定性作为路由选择参数，建立从源节点到目标节点的数据包传输路径。链路稳定性由链路 的生命周期参数来表示，即链路生命周期最长的两个节点的连接将被选择为数据包下一跳 的路径。假设无人机间相对速度1，节点间信号强度RSSI和传输时延delay与链路生命周期 都属于线性关系。无人机节点i和j间距离减小，相对速度ζ的值为负数，;Μ小于1;反之， 的值大于1。采用多元线性回归算法对琴，RSSI和delays个参数进行分析，基于最小二 乘法(Ordinary Least Square)确定回归参数0日，01，防，如公式（3)。
[001 引
【主权项】
1. 一种基于链路稳定性的无人机自组网路由方法，其特征在于： 链路状态管理:每一个无人机节点将当前飞行速度矢量，与相邻节点通信的接收信号 强度，相邻节点间的单跳链路传输时延，相邻节点链路生命周期，周期性发送给集群控制 器； 链路状态表维护:集群控制器建立链路状态参数矩阵;在某一时刻，当无人机节点i和j 之间的信号强度和单跳链路传输时延同时到达阈值时，即认为无人机i和j之间的链路失 效； 路由建立：路由逻辑运算过程部署于集群控制器，基本思想是以节点间链路状态的稳 定性作为路由选择参数，建立从源节点到目标节点的数据包传输路径;链路稳定性由链路 的生命周期参数来表示，即链路生命周期最长的两个节点的连接将被选择为数据包下一跳 的路径;假设无人机间相对速度f:，节点间信号强度和单跳链路传输时延与链路生命周期 都属于线性关系；无人机节点i和j间距离减小，相对速度?ζ的值为负数，?小于1;反之， 的值大于1;采用多元线性回归算法对无人机间相对速度，节点间信号强度和单跳链路 传输时延三个参数进行分析，基于最小二乘法确定回归参数。
【文档编号】H04L12/727GK105871717SQ201610362555
【公开日】2016年8月17日
【申请日】2016年5月30日
【发明人】袁振珲, 孙玲玲
【申请人】杭州电子科技大学