一种无人机汇聚网络通信的方法、装置和系统与流程
本发明涉及无人机组网通信技术，具体涉及无人机组网的mac协议。
背景技术：
集中式网络是由中心节点和客户端节点所组成的网络，在集中式网络中，客户端节点与客户端节点不进行业务数据的交互，业务数据的交互仅发生于中心节点和客户端节点之间，中心节点负责客户端节点与客户端节点的业务数据协调。汇聚网络是集中式网络的一种特例，在汇聚网络中，中心节点为汇聚节点，客户端节点的业务的业务数据向中心节点单向汇聚，中心节点向客户端节点单向接收业务数据，客户端节点与客户端节点不存在业务数据的交互，中心节点也不向客户端节点发送业务数据。这种汇聚网络通常存在于传感器网络中，各个传感器是汇聚网络的客户端节点，各个传感器所检测到的数据单向传输至汇聚节点，该汇聚节点可能是网关，也可能是主机或服务器。无人机传感器网络也属于这种汇聚网络。在无人机汇聚网络中，中心无人机作为汇聚节点，其他无人机则是客户端节点，作为客户端节点的无人机携带有各种传感器，各种传感器所感知的业务数据单向传输并汇聚至中心无人机。传感器所感知的业务数据包括视频、图像或者其他感知数据。
现有技术中，业务数据的汇聚传输通常通过应用层实现。但在无人机网络中实现业务数据的汇聚传输具有独特的挑战。为保障无人机飞行的安全，每架无人机需要定期向邻近的无人机广播位置、速度、障碍等安全信息。并且在无人机网络中，对安全信息的时延和可靠性要求较高，而对业务数据的时延及可靠性允许有一定定容忍能力但要求更高的吞吐量，而且不同类型的业务数据的时延及可靠性各不相同。因此在无人机传感器网络中，通过应用层实现业务数据的汇聚传输很难达到上述通信目标。
技术实现要素：
本发明所要解决的问题：实现无人机传感器网络的业务数据的汇聚传输，以提高数据传输性能，适配无人机组网环境。
为解决上述问题，本发明采用的方案如下：
根据本发明的一种无人机汇聚网络通信的方法，该方法涉及由中心无人机和若干业务无人机组成的以所述中心无人机为汇聚节点的无人机汇聚网络；该方法包括以下步骤：
s1：在每个时帧开始时刻，所述中心无人机以天线全向模式向各业务无人机广播通告分组；所述通告分组包含：传输阶段的时隙数、传输阶段的时隙分配表以及竞争阶段的时隙数；
s2：各业务无人机接收到所述通告分组后，判断自己是否在所述传输阶段的时隙分配表中分配有相应的传输时隙；若所述传输阶段的时隙分配表中分配有相应的传输时隙，则该业务无人机在所述传输阶段的时隙分配表中所分配的传输时隙中以天线全向模式广播状态信息分组；若所述传输阶段的时隙分配表中未分配有相应的传输时隙，则该业务无人机在所述竞争阶段中随机选取并占用该竞争阶段的时隙以天线全向模式广播状态信息分组；所述中心无人机接收所述状态信息分组；所述状态信息分组包含业务信息；所述业务信息包括待发送业务的队列长度和相应的业务类型；
s3：待竞争阶段的各个时隙结束后，所述中心无人机根据其所接收的状态信息分组所包含的所述业务信息为各业务无人机分配信道资源，得到信道资源分配表，然后以天线全向模式对外广播资源分配分组；所述资源分配分组包含所述信道资源分配表；
s4：各业务无人机接收到所述资源分配分组后，根据所述资源分配分组所包含的信道资源分配表所分配的信道资源，以天线定向模式，向所述中心无人机发送相应的业务分组；
所述时帧是信道在时间上等时长的划分；所述时隙是时帧在时间上等时长的划分；所述传输阶段是所述中心无人机广播通告分组后由所述传输阶段的时隙数所确定的一段时间；所述竞争阶段是所述传输阶段接收后由所述竞争阶段的时隙数所确定的一段时间。
进一步，根据本发明的无人机汇聚网络通信的方法，竞争阶段结束后，所述中心无人机为下一个时帧广播通告分组计算传输阶段的时隙数和竞争阶段的时隙数：
下一个时帧的传输阶段的时隙数采用如下公式计算：
下一个时帧的竞争阶段的时隙数采用如下公式计算：
其中，
ntp是当前时帧的传输阶段的时隙数；
ncps是当前时帧竞争阶段竞争成功的时隙数；
nnew是当前时帧新加入网络的业务无人机数量；
nleave是下一个时帧将离开网络的业务无人机数量，是为预测值，通过以下公式计算得到：
其中，
ncurrent是当前业务无人机的数量；
xi表示第i台业务无人机是否在下一个时帧将离开中心无人机的通信范围，当第i台业务无人机在下一个时帧将离开中心无人机的通信范围取值为1，否则取值为0；第i台业务无人机在下一个时帧将离开中心无人机的通信范围的判断条件为：
其中，
ro是全向天线的通信距离；
pc是中心无人机的位置向量；
pi是第i台业务无人机的位置向量；
tsi是当前时帧竞争阶段结束后剩余时间。
进一步，根据本发明的无人机汇聚网络通信的方法，所述状态信息分组还包括业务无人机的位置信息和移动速度信息。
根据本发明的一种无人机汇聚网络通信的装置，该装置涉及由中心无人机和若干业务无人机组成的以所述中心无人机为汇聚节点的无人机汇聚网络；该装置被配置于所述中心无人机，包括以下模块：
mc1，用于：在每个时帧开始时刻，所述中心无人机以天线全向模式向各业务无人机广播通告分组；所述通告分组包含：传输阶段的时隙数、传输阶段的时隙分配表以及竞争阶段的时隙数；
mc2，用于：在传输阶段和竞争阶段接收各业务无人机所发送的状态信息分组；所述状态信息分组包含业务信息；所述业务信息包括待发送业务的队列长度和相应的业务类型；
mc3，用于：待竞争阶段的各个时隙结束后，根据其所接收的状态信息分组所包含的所述业务信息为各业务无人机分配信道资源，得到信道资源分配表，然后以天线全向模式对外广播资源分配分组；所述资源分配分组包含所述信道资源分配表；
mc4，用于：接收各业务无人机所发送的业务分组；
所述状态信息分组由所述业务无人机通过以下方式发送：
各业务无人机接收到所述通告分组后，判断自己是否在所述传输阶段的时隙分配表中分配有相应的传输时隙；若所述传输阶段的时隙分配表中分配有相应的传输时隙，则该业务无人机在所述传输阶段的时隙分配表中所分配的传输时隙中以天线全向模式广播状态信息分组；若所述传输阶段的时隙分配表中未分配有相应的传输时隙，则该业务无人机在所述竞争阶段中随机选取并占用该竞争阶段的时隙以天线全向模式广播状态信息分组；
所述业务分组由所述业务无人机通过以下方式发送：
各业务无人机接收到所述资源分配分组后，根据所述资源分配分组所包含的信道资源分配表所分配的信道资源，以天线定向模式，向所述中心无人机发送相应的业务分组；
所述时帧是信道在时间上等时长的划分；所述时隙是时帧在时间上等时长的划分；所述传输阶段是所述中心无人机广播通告分组后由所述传输阶段的时隙数所确定的一段时间；所述竞争阶段是所述传输阶段接收后由所述竞争阶段的时隙数所确定的一段时间。
进一步，根据本发明的无人机汇聚网络通信的装置，该装置还包括模块mc5；所述模块mc5用于竞争阶段结束后，为下一个时帧广播通告分组计算传输阶段的时隙数和竞争阶段的时隙数：
下一个时帧的传输阶段的时隙数采用如下公式计算：
下一个时帧的竞争阶段的时隙数采用如下公式计算：
其中，
ntp是当前时帧的传输阶段的时隙数；
ncps是当前时帧竞争阶段竞争成功的时隙数；
nnew是当前时帧新加入网络的业务无人机数量；
nleave是下一个时帧将离开网络的业务无人机数量，是为预测值，通过以下公式计算得到：
其中，
ncurrent是当前业务无人机的数量；
xi表示第i台业务无人机是否在下一个时帧将离开中心无人机的通信范围，当第i台业务无人机在下一个时帧将离开中心无人机的通信范围取值为1，否则取值为0；第i台业务无人机在下一个时帧将离开中心无人机的通信范围的判断条件为：
其中，
ro是全向天线的通信距离；
pc是中心无人机的位置向量；
pi是第i台业务无人机的位置向量；
tsi是当前时帧竞争阶段结束后剩余时间。
进一步，根据本发明的无人机汇聚网络通信的装置，所述状态信息分组还包括业务无人机的位置信息和移动速度信息。
一种无人机汇聚网络通信的系统，其特征在于，该系统包括中心无人机和若干业务无人机；所述中心无人机和业务无人机组成以所述中心无人机为汇聚节点的无人机汇聚网络；
所述中心无人机包括以下模块：
mc1，用于：在每个时帧开始时刻，所述中心无人机以天线全向模式向各业务无人机广播通告分组；所述通告分组包含：传输阶段的时隙数、传输阶段的时隙分配表以及竞争阶段的时隙数；
mc2，用于：在传输阶段和竞争阶段接收各业务无人机所发送的状态信息分组；所述状态信息分组包含业务信息；所述业务信息包括待发送业务的队列长度和相应的业务类型；
mc3，用于：待竞争阶段的各个时隙结束后，根据其所接收的状态信息分组所包含的所述业务信息为各业务无人机分配信道资源，得到信道资源分配表，然后以天线全向模式对外广播资源分配分组；所述资源分配分组包含所述信道资源分配表；
mc4，用于：接收各业务无人机所发送的业务分组；
所述业务无人机包括以下模块：
mb1，用于：接收到所述通告分组后，判断自己是否在所述传输阶段的时隙分配表中分配有相应的传输时隙；若所述传输阶段的时隙分配表中分配有相应的传输时隙，则该业务无人机在所述传输阶段的时隙分配表中所分配的传输时隙中以天线全向模式广播状态信息分组；若所述传输阶段的时隙分配表中未分配有相应的传输时隙，则该业务无人机在所述竞争阶段中随机选取并占用该竞争阶段的时隙以天线全向模式广播状态信息分组；
mb2，用于：接收到所述资源分配分组后，根据所述资源分配分组所包含的信道资源分配表所分配的信道资源，以天线定向模式，向所述中心无人机发送相应的业务分组；
所述时帧是信道在时间上等时长的划分；所述时隙是时帧在时间上等时长的划分；所述传输阶段是所述中心无人机广播通告分组后由所述传输阶段的时隙数所确定的一段时间；所述竞争阶段是所述传输阶段接收后由所述竞争阶段的时隙数所确定的一段时间。
进一步，根据本发明的无人机汇聚网络通信的系统，所述中心无人机还包括模块mc5；所述模块mc5用于竞争阶段结束后，为下一个时帧广播通告分组计算传输阶段的时隙数和竞争阶段的时隙数：
下一个时帧的传输阶段的时隙数采用如下公式计算：
下一个时帧的竞争阶段的时隙数采用如下公式计算：
其中，
ntp是当前时帧的传输阶段的时隙数；
ncps是当前时帧竞争阶段竞争成功的时隙数；
nnew是当前时帧新加入网络的业务无人机数量；
nleave是下一个时帧将离开网络的业务无人机数量，是为预测值，通过以下公式计算得到：
其中，
ncurrent是当前业务无人机的数量；
xi表示第i台业务无人机是否在下一个时帧将离开中心无人机的通信范围，当第i台业务无人机在下一个时帧将离开中心无人机的通信范围取值为1，否则取值为0；第i台业务无人机在下一个时帧将离开中心无人机的通信范围的判断条件为：
其中，
ro是全向天线的通信距离；
pc是中心无人机的位置向量；
pi是第i台业务无人机的位置向量；
tsi是当前时帧竞争阶段结束后剩余时间。
进一步，根据本发明的无人机汇聚网络通信的系统，所述状态信息分组还包括业务无人机的位置信息和移动速度信息。
本发明的技术效果如下：本发明将无人机传感器的业务数据的汇聚传输在mac层实现优化，在保证无人机安全信息传输的时延和可靠性的，同时尽可能提高无人机业务数据汇聚传输的时延和可靠性，并最大程度的保证业务数据的吞吐量。
附图说明
图1是本发明无人机汇聚网络的示例图。其中，100是中心无人机，200是业务无人机。
图2是本发明时帧结构示意图。其中，p1是资源调度阶段，p11是通告阶段，p12是传输阶段，p13是竞争阶段，p14是配发阶段，p2是业务传输阶段。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细说明。
如图1所示，一种无人机汇聚网络系统，包括中心无人机100和若干业务无人机200。中心无人机100和业务无人机200组成以中心无人机100为汇聚节点的无人机汇聚网络。各业务无人机200则作为该无人机汇聚网络中的客户端节点。作为客户端节点的业务无人机200向作为汇聚节点的中心无人机100单向传输业务数据。业务无人机200之间无业务数据传输往来。为实现上述业务无人机200向中心无人机100汇聚传输业务数据，本发明将信道在时间上划分成时间长度相同的时帧，也就是，时帧是信道在时间上等时长的划分。每个时帧在时间上进一步划分成时间长度相同的时隙，也就是，时隙是时帧在时间上等时长的划分。本实施例中，每个时帧的时长为100ms，每个时隙的时长为0.5ms，也就是每个时帧包含200个时隙。本领域技术人员理解，时帧和时隙的时长可以根据需要确定。如图2所示，每个时帧的各个时隙根据其分组所传输的信息的不同，又按时间顺序依次分成资源调度阶段p1和业务传输阶段p2。资源调度阶段p1是中心无人机100与各业务无人机200进行交互以确定业务传输阶段p2中信道资源分配的阶段。业务传输阶段p2是各业务无人机200根据所确定的信道资源分配进行业务传输的阶段。资源调度阶段p1进一步按时间顺序依次划分成通告阶段p11、传输阶段p12、竞争阶段p13和配发阶段p14。该无人机汇聚网络系统中，业务无人机200向中心无人机100汇聚传输业务数据的方法具体如下：
首先，步骤s1，在每个时帧开始时刻，中心无人机100以天线全向模式向各业务无人机200广播通告分组。通告分组包含安全信息、传输阶段的时隙数、传输阶段的时隙分配表以及竞争阶段的时隙数。安全信息包括中心无人机的位置信息和移动速度。传输阶段的时隙数和竞争阶段的时隙数用于确定传输阶段p12和竞争阶段p13的所处的时隙。也就是，图2中的传输阶段p12和竞争阶段p13由中心无人机100动态确定。中心无人机100向各业务无人机200广播通告分组，各业务无人机200接收通告分组并对通告分组作出相应的处理，该过程需要耗费一定的时间，该时间由通告阶段p11所在的时隙数所预留。本实施例中通告阶段p11的时隙数为2，也就是，本实施例中给予1ms的时间用于中心无人机100向各业务无人机200广播通告分组，各业务无人机200接收通告分组并对通告分组作出相应的处理。本领域技术人员理解，通告阶段p11的时隙数依赖于时隙本身的时长，因此，通告阶段p11的时隙数也可以为1或3。
步骤s2，各业务无人机接收到通告分组后，判断自己是否在传输阶段的时隙分配表中分配有相应的传输时隙。传输阶段的时隙分配表是通告分组所包含的信息，由中心无人机100所确定，用于定义哪架业务无人机在传输阶段p12使用哪个时隙广播状态信息分组。若传输阶段的时隙分配表中分配有相应的传输时隙，则该业务无人机在传输阶段的时隙分配表中所分配的传输时隙中以天线全向模式广播状态信息分组。若传输阶段的时隙分配表中未分配有相应的传输时隙，则该业务无人机在竞争阶段中随机选取并占用该竞争阶段的时隙以天线全向模式广播状态信息分组。众所周知，无人机在高速移动过程中，无人机肯定脱离无线通信的距离范围，此时，无人机脱离网络，也可能在脱离无线通信的范围后又回到无线通信距离范围后回到网络中。比如在图1示例的无人机汇聚网络中，7架业务无人机，某一时刻中，有一台业务无人机脱离网络，此时，中心无人机100以天线全向模式向各业务无人机200广播通告分组时，通告分组中的传输阶段的时隙分配表只能针对当前网络中6架业务无人机，此时，传输阶段的时隙数为6，每个传输阶段的时隙对应某台业务无人机。该脱离网络的业务无人机可能接收到通告分组，也可能接收不到通告分组。显而易见地，中心无人机100在其所广播的通告分组的传输阶段的时隙分配表未为该脱离网络的业务无人机分配传输阶段的时隙。假设该脱离网络的业务无人机虽然脱离网络，但能够接收到通告分组，由于未分配传输阶段的时隙，无法在传输阶段的时隙中广播状态信息分组，此时该业务无人机可以在竞争阶段的时隙中广播状态信息分组。也就是说，竞争阶段的时隙是为未加入网络的无人机进行状态信息分组广播的预留。此外，在上述的无人机汇聚网络中，除了因脱离网络，而后又待加入网络的无人机之外，可能还存在待加入的新的无人机，比如，假设接收到通告分组的业务无人机有8架，其中，6架业务无人机分配了传输阶段的时隙，还有3架业务无人机未分配有传输阶段的时隙，而中心无人机100所分配的竞争阶段的时隙数为1，此时，这3架业务无人机存在相互的竞争。
步骤s2中，“业务无人机接收到通告分组后，判断自己是否在传输阶段的时隙分配表中分配有相应的传输时隙”过程的处理在通告阶段p11进行，而业务无人机200广播状态信息分组则在相应的传输阶段p12的时隙中或竞争阶段p13的时隙中进行。因此，传输阶段p12和竞争阶段p13是业务无人机200广播状态信息分组的时间段。状态信息分组包括安全信息和业务信息。状态信息分组中的安全信息包括业务无人机的位置信息和移动速度。业务信息包括待发送业务数据的队列长度和相应的业务类型。业务无人机200所广播状态信息分组被其他业务无人机200和中心无人机100所接收。业务无人机200接收到状态信息分组后仅处理状态信息分组中的安全信息，有关业务信息的数据则不做处理，而中心无人机100接收到状态信息分组后，不仅对状态信息分组中的安全信息进行处理，还对相关的业务信息做相应的处理。业务无人机200和中心无人机100接收到其他业务无人机的安全信息后，根据安全信息中的位置信息和移动速度，对无人机飞行姿态进行实施调整。业务无人机200和中心无人机100接收到安全信息后所进行的无人机飞行姿态调整不是本发明所讨论的范畴，本说明书不再赘述。中心无人机100在每个传输阶段p12或竞争阶段p13的时隙中仅接受一个状态信息分组。竞争阶段p13存在多架业务无人机竞争时，中心无人机100仅接受在该时隙所收到的第一个状态信息分组。
再然后，步骤s3，待竞争阶段的各个时隙结束后，中心无人机100根据其所接收的状态信息分组所包含的业务信息为各业务无人机200分配信道资源，得到信道资源分配表，然后以天线全向模式对外广播资源分配分组。资源分配分组包含信道资源分配表。中心无人机100生成信道资源分配表，向各业务无人机200广播资源分配分组，各业务无人机200接收资源分配分组并根据资源分配分组确定在业务传输阶段p2发送业务分组时所占用的时隙，该时间由配发阶段p14所在的时隙数所预留。本实施例中配发阶段p14的时隙数为2，也就是，本实施例中给予1ms的时间用于中心无人机100生成信道资源分配表，向各业务无人机200广播资源分配分组，各业务无人机200接收资源分配分组并根据资源分配分组确定在业务传输阶段p2发送业务分组时所占用的时隙。本领域技术人员理解，配发阶段p14的时隙数依赖于时隙本身的时长，因此，配发阶段p14的时隙数也可以为1或3。
信道资源分配表是对时帧中业务传输阶段p2的时隙的分配，比如前述的示例中，若通告阶段p11占用2个时隙，传输阶段p12占用7个时隙，竞争阶段13占用1个时隙，配发阶段p14占用2个时隙，则整个资源调度阶段p1所占用的时隙数为12个，而每个时帧总共200个时隙数，由此，留给业务传输阶段p2的时隙数为188个。信道资源分配表定义了业务传输阶段p2这188个时隙的分配。由此，步骤s4中，各业务无人机接收到资源分配分组后，根据资源分配分组所包含的信道资源分配表所分配的信道资源，以天线定向模式，向中心无人机发送相应的业务分组。这里的信道资源也就是业务传输阶段p2的时隙。
上述过程中，传输阶段的时隙数和竞争阶段的时隙数的确定，简单点的地，传输阶段的时隙数为当前网络中业务无人机的数量，竞争阶段的时隙数则为曾经出现在网络中业务无人机的总数统计减去传输阶段的时隙数；复杂点的地，可以根据业务无人机的位置和移动速度，预测业务无人机离开网络的数量和业务无人机加入网络的数量，从而确定传输阶段的时隙数和竞争阶段的时隙数。本实施例优先采用后一种实施方式，具体来说，传输阶段的时隙数和竞争阶段的时隙数在竞争阶段p13结束后由中心无人机计算得到，所计算得到的传输阶段的时隙数和竞争阶段的时隙数为下一个时帧的传输阶段的时隙数和竞争阶段的时隙数，具体技术方法如下：
下一个时帧的传输阶段的时隙数采用如下公式计算：
下一个时帧的竞争阶段的时隙数采用如下公式计算：
其中，
ntp是当前时帧的传输阶段的时隙数；
ncps是当前时帧竞争阶段竞争成功的时隙数；
nnew是当前时帧新加入网络的业务无人机数量；
nleave是下一个时帧将离开网络的业务无人机数量，是为预测值，通过以下公式计算得到：
其中，
ncurrent是当前业务无人机的数量；
xi表示第i台业务无人机是否在下一个时帧将离开中心无人机的通信范围，当第i台业务无人机在下一个时帧将离开中心无人机的通信范围取值为1，否则取值为0；第i台业务无人机在下一个时帧将离开中心无人机的通信范围的判断条件为：
其中，
ro是全向天线的通信距离；
pc是中心无人机的位置向量；
pi是第i台业务无人机的位置向量；
tsi是当前时帧竞争阶段结束后剩余时间。
业务无人机的位置向量pi和业务无人机的速度向量
上述过程中，中心无人机100分配信道资源依据实际应用的分配策略。简单的地，可以根据各业务无人机待发送业务的队列长度按比例进行分配；复杂点地，可以根据各业务无人机待发送业务的类型所确定的优先级进行分配。上述信道资源分配方法为本领域技术人员所熟悉，本说明书不再赘述。
需要指出的是，本实施例中，通告分组、状态信息分组、资源分配分组、业务分组为mac帧格式的报文。本领域技术人员理解，分组也可以采用其他帧格式的报文，比如，特别是对业务分组，业务分组可以单独采用ip帧格式的报文，而通告分组、状态信息分组、资源分配分组则采用mac帧格式的报文。
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