一种基于无人机飞行轨迹的分布式传输模式选择方法与流程

本发明属于无线通信技术领域，特别是一种基于无人机飞行轨迹的分布式传输模式选择方法。

背景技术：

无人机网络对未来的网络多维度扩展有重要作用，随着技术发展与应用需求，无人机群呈大规模的趋势发展，为了自主完成空中任务，无人机内部需要进行信息交互与数据传输。由于无人机群内的无人机分布较广，这与无人机发射功率受限相互矛盾，如何保障无人机群内部通信成为重要的问题。

与地面相对静态的通信策略不同的是，在任务的驱动下，无人机群具有快速调整和轨迹可控特性。基于此，现有很多研究聚焦于单个无人机的轨迹优化，或者多无人机的联合拓扑调整。他们利用轨迹的可控特性，在地面辅助型网络有效提升了地面的通信质量。然而，轨迹的额外调整需要耗费比传输功率大得多的能量损耗，频繁的无人机额外运载不利于无人机群的续航。

综上所述，无人机的推进能量相比较与传输能量来说，消耗的能量将是百倍数量级的增长，若单单是为了提升传输速率而耗费额外的推进能量将是得不偿失的。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种基于无人机飞行轨迹的分布式传输模式选择方法，能够机动地利用无人机的动态特性，在不额外损耗飞行资源的情况下，提升传输总数据量。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于无人机飞行轨迹的分布式传输模式选择方法，包括以下步骤：

步骤1，建立多无人机组成的机群通信网络，网络中没有数据需要发送的无人机为空闲无人机，其集合用表示；有数据需要发送的无人机为活跃无人机，其集合表示为机群编队内每个无人机有自身的相对位置，且在飞行过程中根据任务相对运动；在一次编队调整时间k内，空闲无人机协助活跃无人机使用中继传输cr(s,r,d,k)或者运载传输进行数据传输，其中运载传输包括数据装载cdt(s,r,k)和数据卸载cdt(r,d,k)过程；如果不使用其他无人机的协助，无人机将选择直传传输模式cdt(s,d,k)进行数据传输；其中cr(s,r,d,k)、cdt(s,r,k)、cdt(r,d,k)和cdt(s,d,k)分别表示中继传输、数据装载、数据卸载和直传传输模式的传输速率，d表示无人机数据传输的目的节点，0＜k＜k表示编队调整阶段的一个时刻；

步骤2，活跃无人机在k时刻根据相对位置下传输速率估计空闲无人机传输效果，对中继节点和传输模式进行优先序列排序，并向优先级最高的空闲无人机发送数据传输请求，得到被接受或者被拒绝两种答复，若被接受，则进行数据传输；若被拒绝，则对次优先级的中继无人机进行申请，直到得到被接收的答复；若被所有空闲无人机拒绝，将选择直传传输模式；

步骤3，空闲无人机接收到传输请求，对向自己提出申请的活跃无人机的传输请求，通过传输效率进行优先级排序，并选择最优传输效率的活跃无人机和传输模式进行接收，拒绝其他的活跃无人机的数据传输请求；

步骤4，在调整阶段内进行步骤2和步骤3的迭代，直到时间结束。

进一步地，步骤1中数据传输模式，包括直传传输模式、运载传输模式和中继传输模式；

设定活跃无人机s在k时刻发送数据给目的节点d，其中直传模式传输速率为cdt(s,d,k)：

cdt(s,d,k)＝b·log2(1+γ(s,d))(1)

其中b为带宽，γ(s,d)为s到d的传输信噪比；

设定活跃无人机s在k时刻通过空闲无人机r中继传输发送数据给目的节点d，属于中继传输模式，传输速率为cr(s,r,d,k)：

因为无人机具有移动特性，活跃无人机s在k时刻选择一个即将飞往目的节点d的空闲无人机r，先将数据发送给r，称为数据装载cdt(s,r,k)；空闲无人机r在接收了数据之后，在k1时刻，将运载的数据发送给目的节点d，称为数据卸载cdt(r,d,k1)。

进一步地，步骤2中所述的活跃无人机在k时刻根据相对位置下传输速率估计空闲无人机传输效果，对中继节点和传输模式进行优先序列排序，具体为：

将步骤2中的cdt(s,d,k)和cr(s,r,d,k)统一表示成c(s,r,d,k,ai)；

其中，a表示传输模式的选择，a＝a1表示选择了cdt模式，a＝a2表示选择了cr模式；μ(sn,rp,ai)表示sn和rp的在传输模式ai下的匹配，其中，表示活跃无人机，表示空闲无人机，ai,aj表示选择的传输模式，表示sn的偏好关系，即sn更加偏好左侧项，此项关系为在和中具有传递特性和反射性的二元关系。

进一步地，步骤3中所述的空闲无人机接收到传输请求，对向自己提出申请的活跃无人机的传输请求，通过传输效率进行优先级排序，具体如下：

其中：

其中表示活跃无人机，表示空闲无人机，ai,aj表示选择的传输模式，表示rm的偏好关系，即rm更加偏好左侧项；k′为k时刻之后剩余的时刻；

当空闲无人机r接受了运载模式之后，将之后需要的卸载数据的时间预留并冻结为并在时间内将数据发送给目的无人机。

本发明与现有技术相比，其显著优点在于：(1)基于无人机的既定轨迹，机动地利用无人机的动态特性，在不损耗无人机的推进能量情况下，提升了无人机之间的传输数据总量；(2)利用分布式的传输决策方案，广泛适用于各种无人机群自组织网络。

附图说明

图1是本发明基于无人机飞行轨迹的分布式传输模式选择方法的示意图。

图2是本发明实施例中模型方法性能示意图。

具体实施方式

本发明基于无人机飞行轨迹的分布式传输模式选择方法，对任务驱动下的无人机群编队调整中的数据传输进行优化。

结合图1，在由多无人机组成的自组织无人机编队网络中，无人机群在编队调整过程中，可以利用无人机的相对位置变化，智能地选择多种传输模式，以提升传输的数据总量。

本发明以不损耗无人机额外推进能量下利用无人机既定轨迹提升传输性能为目标，利用分布式算法优化传输性能。

本发明提出的一种基于无人机飞行轨迹的分布式传输模式选择算法，包括以下步骤：

步骤1，建立多无人机组成的机群通信网络，网络中没有数据需要发送的无人机为空闲无人机，其集合用表示；有数据需要发送的无人机为活跃无人机，其集合表示为机群编队内每个无人机有自身的相对位置，且在飞行过程中根据任务相对运动；在一次编队调整时间k内，空闲无人机协助活跃无人机使用中继传输cr(s,r,d,k)或者运载传输进行数据传输，其中运载传输包括数据装载cdt(s,r,k)和数据卸载cdt(r,d,k)过程；如果不使用其他无人机的协助，无人机将选择直传传输模式cdt(s,d,k)进行数据传输；其中cr(s,r,d,k)、cdt(s,r,k)、cdt(r,d,k)和cdt(s,d,k)分别表示中继传输、数据装载、数据卸载和直传传输模式的传输速率，d表示无人机数据传输的目的节点，0＜k＜k表示编队调整阶段的一个时刻；

步骤2，活跃无人机在k时刻根据相对位置下传输速率估计空闲无人机传输效果，对中继节点和传输模式进行优先序列排序，并向优先级最高的空闲无人机发送数据传输请求，得到被接受或者被拒绝两种答复，若被接受，则进行数据传输；若被拒绝，则对次优先级的中继无人机进行申请，直到得到被接收的答复；若被所有空闲无人机拒绝，将选择直传传输模式；

步骤3，空闲无人机接收到传输请求，对向自己提出申请的活跃无人机的传输请求，通过传输效率进行优先级排序，并选择最优传输效率的活跃无人机和传输模式进行接收，拒绝其他的活跃无人机的数据传输请求；

步骤4，在调整阶段内进行步骤2和步骤3的迭代，直到时间结束。

本发明的具体实施如下：

一、步骤1中所述的传输模式，包括直传传输模式、运载传输模式和中继传输模式；

设定活跃无人机s在k时刻发送数据给目的节点d，其中直传模式传输速率为cdt(s,d,k)：

cdt(s,d,k)＝b·log2(1+γ(s,d))(1)

其中b为带宽，γ(s,d)为s到d的传输信噪比；

设定活跃无人机s在k时刻通过空闲无人机r中继传输发送数据给目的节点d，属于中继传输模式，传输速率为cr(s,r,d,k)：

因为无人机具有移动特性，活跃无人机s可以在k时刻选择一个即将飞往目的节点d附近的空闲无人机r，先将数据发送给r，称为数据装载cdt(s,r,k)；空闲无人机r在接收了数据之后，在k1时刻，将运载的数据发送给目的节点d，称为数据卸载cdt(r,d,k1)。

二、步骤2中所述的活跃无人机优先序列排序，具体为：

为方便表示，将步骤2中的cdt(s,d,k)和cr(s,r,d,k)统一表示成c(s,r,d,k,ai)。

其中，a表示传输模式的选择，a＝a1表示选择了cdt模式，a＝a2表示选择了cr模式。μ(sn,rp,ai)表示sn和rp的在传输模式ai下的匹配，其中，表示活跃无人机，表示空闲无人机，ai,aj表示选择的传输模式，表示sn的偏好关系，即sn更加偏好左侧项，此项关系为在和中具有传递特性和反射性的二元关系。

三、步骤3中所述的空闲无人机对活跃无人机的优先序列排序，具体如下：

其中：

其中表示活跃无人机，表示空闲无人机，ai,aj表示选择的传输模式，表示rm的偏好关系，即rm更加偏好左侧项，与3中的类似。k′为k时刻之后剩余的时刻；

当空闲无人机r接受了运载模式之后，将之后需要的卸载数据的时间预留并冻结为并在时间内将数据发送给目的无人机。

本发明基于无人机飞行轨迹的分布式传输模式选择方法，利用无人机的动态调整特性和任务驱动的传输特性，研究多无人机基于快速变化网络的动态传输优化方案，使用分布式的机会接入算法；所设计的传输模式选择算法主动应对了无人机群的动态特性，在不额外损耗无人机设备能耗的情况下，无人机选择相对运动的无人机进行中继传输或者运载数据，以提升传输的效率，节约了推进能量开销；无人机之间根据任务规划指导当前的传输策略，而不是受限于通信现有环境的被动应对，根据无人机的相对位置变化，在预知无人机的飞行轨迹情况下，选择对整体传输结果有利的传输方式。

实施例1

本实施例如下描述，系统仿真采用matlab软件，参数设定不影响一般性。在一个2×2×2立方千米的拓扑结构中，无人机的最大传输功率设置为0.1w。设置系统信道带宽为b＝1mhz，系统的噪声功率是-110dbm。为了区分移动性利用的效果，假设具有数据发送的无人机和目的无人机都处于相对静止状态，而空闲无人机中有一部分会在任务驱动下发生位置的调整。假设每一架相对移动的无人机的目的节点和轨迹是拟定好的，相对速度v＝10m/s。

图2示出移动性利用下传输模式选择的性能图。横坐标为网络中的无人机数量，纵坐标为网络总的传输数据量，δ表示在无人机群调整阶段，相对位置发生改变的无人机所占比例。仿真结果表明，在不同的网络规模中，所设计的基于轨迹利用的无人机传输算法都优于被动应对通信环境的传统算法，证实了对无人机群动态性的有效机会利用将使得网络的传输性能大幅度提升。

综上，本发明提出的基于无人机飞行轨迹的分布式传输模式选择方法，优化了传输模式的选择，无人机在决策过程中不需要集中式的控制中心以及额外的推进能量损耗，便可提升全网的传输总数据量，能够广泛适用于各种无人机群自组织网络。