一种船载无人机通信信道接入方法与流程

本发明涉及一种船载无人机通信信道接入方法，尤其涉及利用中继节点拓展无人机通信范围的快速可靠信道接入方法，和提高信道利用率、网络吞吐量的时隙分配方法。

背景技术：

随着无人机技术的发展，其应用范围越来越广泛。在海事应用方面，由于无人机具有起飞着陆场地需求低、飞行灵活、可悬停、小型化、更加经济等优势，能弥补现有船舶在海面搜救、科学观测等方面的不足，实现增加搜救和观测的面积，提供实时远端场景等目标，从而有效提高搜索和科学观测效率。

船载无人机通信，主要解决无人机-船、无人机-无人机之间的快速可靠实时数据传输问题，其关键在解决信道的资源分配。

通信信道接入的主要目的就是解决多个设备访问单一信道时信道竞争，分为固定信道接入技术和随机信道接入技术。其中固定信道接入技术指的是每个设备的通信都占用确定的信道资源，即使信道资源是动态分配的，在某个时刻设备占据的资源是固定的，包括频分多址接入(frequencydivisionmultipleaccess，fdma)、时分多址接入(timedivisionmultipleaccess，tdma)等。随机信道接入技术指的是设备通信并不占据固定的资源，为了安排不同设备之间对资源的使用，通常通过“竞争”的过程来完成。所有的随机信道接入技术都需解决信道冲突的问题。从船载无人机通信需求看，随机信道接入技术“竞争”可能导致关键信息丢失，固定信道接入技术针对每个设备分配的资源，实现更加可靠的传输。

技术实现要素：

本发明的目的是针对船载无人机的通信问题，提供一种信道接入方法，该方法可提供无人机群更大范围、可靠快速信道接入，实现船-机、机-机数据通信。

为了达到上述目的，本发明采用tdma方式进行信道接入，时隙分配过程分为组网、数据传输、新入网节点接入，具体技术方案如下：

(1)无人机组网：当船舶需要无人机进行搜索和观测时，放飞多架无人机，无人机群与船载基站快速建立网络，过程如下：

(1.1)同步：船载基站发送p个时隙的同步信号，停m个时隙等待节点调整；无人机节点1,2,…,n依次发送q个时隙的同步信号，并停等m个时隙，此时需要中继的边缘节点可以收到同步信号。无人机节点1,2,…,n按照编号依次回复，回复的内容为本机地址、选择的中继节点，停等m个时隙。被选中的中继节点转发回复包，停等m个时隙转广播阶段。

中继节点的选择原则：如能收到船载基站的同步信号，则不需要中继；如仅收到单个节点的同步信号，选择该节点；如收到多个同步信号，根据snr选择其中指标最高的节点。

(1.2)广播：船载基站发送广播包，停等m个时隙；所有节点转发广播包，停等m个时隙。广播包的内容为网内所有节点信息。

此时，所有网内节点获得自己的中继确认和全网拓扑关系，取得与船载基站通信的能力。

(2)无人机数据传输：无人机传输按如下假设进行，基站从接收一个用户的数据到给这个用户发送数据需要至少间隔一个时隙，用户从接收基站的数据到给基站发送数据需要至少间隔一个时隙。具体过程如下：

(2.1)时隙划分：设计每g个时隙为一个大帧，h(h<g)个时隙为一个子帧，一个大帧内包含g/h个子帧(g/h为整数)。进一步地，每个大帧需要提供x个随机接入时隙用于新节点入网。子帧设计s个下行时隙和d个上行时隙。下行时隙指的是船载基站向无人机节点发送数据或控制包的时隙，发送形式包括广播、组播和单播。上行时隙指的是无人机节点向船载基站发送申请时隙包、数据包、ack包等的时隙。

(2.2)自适应时隙分配算法：基站在所有下行时隙捎带信息，内容为本子帧内上行时隙的分配。

为了增加覆盖面积，网络内存在需要中继的边缘节点，分配边缘节点时，需要同时分配中继的上行时隙。

考虑网络吞吐量、时延和节点公平性，首先根据上行时隙无人机节点的发送业务内容，安排不同优先级。从高到低依次是：新申请、紧急ack、重发、前一子帧申请但未分配的数据、半紧急ack、当前子帧申请但未分配的数据、临时额外新申请、普通ack。其中新申请指的是基站周期性地分配上行时隙给每个节点，用于轮询所有节点是否有数据需要发送；如需要发送数据则在申请包中附带信息，说明需要申请的时隙数量；ack指的是基站分配给节点用于发送ack确认之前收到的包；重发指的是经过ack反馈发现存在错误或没收到，节点提出的重发申请；已处理申请未发完指的是前一个子帧中未满足的无人机节点申请要求；未处理申请指的是在本子帧内无人机提出的申请要求，基站暂时未分配。下行时隙保证每次分配满足要求的最少上行时隙，利于优先级更高的内容进入队列时及时更新分配。

分配过程以子帧为循环。单个子帧内，首先判断本次下行时隙分配几个时隙(单个时隙只能分给一个节点的一个业务)，其后将可分配的上行时隙依次分给最高优先级业务。进一步地，针对需要中继的边缘节点业务，需要同时分配中继节点和边缘节点的时隙，因此仅在子帧内首个下行时隙进行，避免跨子帧分配。

(2.3)随机接入算法：设计大帧的最后一个子帧中x个u时隙作随机接入时隙。新节点入网过程如下：

当新入网节点收到含随机接入时隙信息的包时，立刻进行入网同步。

对收到多个随机接入时隙包的情况，按照以下原则选择中继节点、并以基站为目的节点发送申请入网包：如能收到船载基站的下行控制包，则不需要中继；如仅收到单个节点转发的下行控制包，选择该节点；如收到多个节点转发的下行控制包，根据snr选择其中指标最高的节点。

基站选择先到的包进行预入网操作，并按照顺序给予新入网节点申请时隙。

新入网节点收到预入网回复后，放弃再次申请入网，并等待申请时隙进行入网确认；若未收到预入网回复，从x个时隙中随机选择一个值作为退避时隙，等待一个大帧后，在随机接入时隙时再次进行新入网申请发送。以上过程持续到新入网节点接入到网内为止。

基站在收到任何一个入网信息后，下一个下行时隙(b)中对全网广播网内所有节点信息。

本发明具有的有益效果是：通过中继节点连接基站和边缘节点，设计实现二跳可达的网络，拓展无人机的可通信范围。充分考虑船载无人机的工作要求，设计特定的固定信道接入方案，避免发生由于竞争导致的数据丢失，兼顾信道资源的充分利用和节点公平性；由于基站的处理能力强于无人机节点，在基站采用自适应时隙分配算法，优先保证每个节点的申请时隙，实现节点间的公平问询，其次根据ack、重发包、数据申请、再申请等队列的排队情况，考虑信道的负载能力和当前负载程度，自适应调整，实现资源的充分利用。

附图说明

图1是船载无人机信道接入时隙分配示意图；

图2是子帧结构和基站对时隙的分配示意图；

图3是自适应时隙分配算法业务优先级示意图；

图4是自适应时隙分配算法流程示意图；

图5是节点加入已有组网示意图。

具体实施方式

为了使本发明的技术方案和优点变得更加清晰，接下来将结合附图对技术方案的具体实施方式作更加详细地说明：

设计一个船载无人机工作场景，船舶携带无人机20架，当需要无人机进行对外搜索时，短时间任意放飞其中15架。

(1)无人机组网：

(1.1)同步发送：船载基站发送4*8个时隙的同步信号，停2个时隙等待节点调整；无人机节点1,2,…,15依次发送8个时隙的同步信号，节点16，17，…,20的同步信号发送时隙保留，并停等2个时隙转同步回复阶段。

(1.2)同步回复：20个无人机节点中被放飞的15个节点按照编号依次回复同步包，内容包括本机地址和选择的中继节点。

停等2个时隙，被选中的中继节点，转发回复包，内容为需要中继的节点信息，停等2个时隙转广播阶段。

(1.3)广播阶段：船载基站发送网内节点信息包，停等2个时隙；所有节点转发广播的网内节点信息，停等2个时隙。

此时，所有网内节点获得自己的中继和全网拓扑关系，并取得与船载基站通信的能力。

(2)无人机数据传输：

优选1个时隙为1ms，每1000个时隙为一个大帧，10个时隙为一个子帧。大帧需要提供3个随机接入时隙用于新节点入网。具体过程如下：

(2.1)时隙划分：子帧共10个时隙，优选4个下行时隙和6个上行时隙。如图2所示，基站具有自适应分配上行时隙的能力，b时隙最大分配颗粒为完整的一个子帧包含的6个上行时隙。当b时隙发送控制包时没有足够任务时，可暂时分配最近的2个时隙，其后的上行时隙可由d时隙进行分配和安排。最小分配颗粒参考图2(c)。在分配边缘节点(需要中继)上行时隙时，需要同时安排中继的上行时隙，见图2(d)。

(2.2)自适应时隙分配算法：基站在所有下行时隙捎带分配信息，内容包括本子帧内的某些上行时隙由某个无人机节点使用。每次最多分配6个上行时隙。

为了增加覆盖面积，网络内存在需要中继的边缘节点。当分配边缘节点时，需要同时分配中继的上行时隙。

考虑网络吞吐量、时延和节点公平性，首先根据上行时隙无人机节点的发送业务内容，安排不同优先级。从高到低依次是：新申请、紧急ack、重发、前一子帧申请但未分配的数据、半紧急ack、当前子帧申请但未分配的数据、临时额外新申请、普通ack。进一步地，如图3所示，优选紧急ack为无人机节点收到大于5个基站下行业务包后，未回ack；半紧急ack为无人机节点收到大于2个基站下行业务包后，未回ack；普通ack为无人机节点收到小于等于2个基站下行业务包后，未回ack。

分配过程如图4。单个子帧内，首先判断本次下行时隙分配几个时隙(单个时隙只能分给一个节点的一个业务)，最小分配颗粒参考图2(c)。进一步地，针对需要中继的边缘节点业务，需要同时分配中继节点和边缘节点的时隙，因此仅在子帧内首个下行时隙进行，避免分配范围跨子帧。

(2.3)当需要放飞剩下5架无人机中的1架或多架时，这些无人机入网随机接入过程：基站优选一个大帧的最后一个子帧的序号分别为0、1、6的u时隙作为随机接入时隙。入网过程参考图4。

基站和不需要中继的节点通过广播方式发送随机接入信息。当新入网节点收到含有随机接入时隙的包时，进行入网同步；对收到多个随机接入时隙包的情况，新入网节点选择中继节点，以基站作为目的地址，发送申请入网包。基站选择先到的包进行预入网操作(将节点id\地址\等添加到基站的入网结构体中)，并按照顺序给予新入网节点申请时隙(目的地址为该新入网节点地址)。新入网节点收到预入网回复后，放弃再次申请入网，并等待申请时隙进行入网确认；若未收到预入网回复，从0、1、6中随机选择一个值作为退避时隙，等待1个大帧后，在随机接入时隙时再次进行新入网申请发送。以上过程持续到新入网节点接入到网内为止。基站在收到任何1个入网信息后，下1个b时隙中对全网进行广播网内所有节点信息(包含新入网节点)。

根据本发明的方法和实施方式的场景，通过opnet仿真工具建立20个节点的接入网系统，迟入网时延均值为1.2s，下行传输时延均值为1.5ms，上行ack时延1跳均值为1.3ms，2跳均值为6ms。网络二跳可达，满足无人机通信范围扩展需求，从信道接入方案上避免竞争导致的数据丢失，节点间传输数据差距较小，符合公平性原则，迟入网时延满足新入网节点接入需求，网内传输时延较短，二跳时延可接受。

本发明是一种应用于船载无人机通信信道接入方法。针对船载无人机通信的特点和需求设计信道接入方法，我们要求将作为发明进行保护。以上所述仅为特定应用场合的具体实施方式，但本发明的真实精神和范围不局限于此，任何熟悉本领域的技术人员可以修改、等同替换、改进等，实现不同应用场合的信道估计方法。本发明由权利要求书及其等效技术方案来限定。