CN108600942A - 一种无人机自组网的路由方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种无人机自组网的路由方法。该方法包括：获取网络拓扑图；获取待发送的数据包及其目标节点，结合所述网络拓扑图和所述目标节点，获取所有连通所述目标节点的邻居节点；获取每一个邻居节点到达所述目标节点的最短路径；接收来自各邻居节点的广播信息，广播信息至少包括对应邻居节点的位置信息、缓存队列长度信息和剩余电量信息；综合每一个邻居节点的位置信息、缓存队列长度信息、剩余电量信息和最短路径，选取作为传送中继节点的邻居节点，并向所述中继节点传送数据包。以解决现有技术中存在的无法根据无人机节点的具体情况选择传输路径的技术问题。

Description

一种无人机自组网的路由方法

技术领域

本发明涉及驱动技术领域，尤其是涉及一种无人机自组网的路由方法。

背景技术

无人驾驶飞机简称“无人机”，是利用无线电遥控设备和自备的程序控制装置操纵的不载人飞机，或者由车载计算机完全地或间歇地自主地操作。与有人驾驶飞机相比，无人机往往更适合那些太“愚钝，肮脏或危险”的任务。

随着无人机相关技术的不断发展，无人机在通信领域得到了越来越广泛的应用。随着环境和业务复杂度的增加，单独的一架无人机已经难以满足任务要求，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确切的了解。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，其核心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条转发。

目前，无人机自组网大多采用移动自组网网络中的路由技术，主要包括主动式路由技术、被动式路由技术以及混合式路由技术等。但发明人发现，现有的路由技术在进行传输路径选择时无法根据网络中各无人机的具体情况进行选择，一旦其中的无人机节点处于低电量或是高负载的情况下，现有的路由技术无法规避这些节点，导致网络拥塞等不良后果的出现。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种无人机自组网的路由方法，以解决现有技术中存在的无法根据无人机节点的具体情况选择传输路径的技术问题。

本发明实施例提供了一种无人机自组网的路由方法，该方法包括：

获取网络拓扑图；

获取待发送的数据包及其目标节点，结合所述网络拓扑图和所述目标节点，获取所有连通所述目标节点的邻居节点；

获取每一个邻居节点到达所述目标节点的最短路径；

接收来自各邻居节点的广播信息，广播信息至少包括对应邻居节点的位置信息、缓存队列长度信息和剩余电量信息；

综合每一个邻居节点的位置信息、缓存队列长度信息、剩余电量信息和最短路径，选取作为传送中继节点的邻居节点，并向所述传送中继节点传送数据包。

进一步的，接收来自各邻居节点的广播信息之后，该方法还包括：

基于广播信息中的位置信息，确定各邻居节点的运动方向。

进一步的，该方法还包括：

综合各邻居节点的广播信息，确定所述无人机自组网的运行状态。

进一步的，综合每一个邻居节点的位置信息、缓存队列长度信息、剩余电量信息和最短路径，选取作为传送中继节点的邻居节点包括：

对每一个邻居节点，获取其最短路径、运动方向、缓存队列长度、剩余电量信息，得到依次对应最短路径、运动方向、缓存队列长度、剩余电量信息的第一数值、第二数值、第三数值和第四数值；

基于所述无人机自组网的运行状态，自适应调整并分配分别对应第一数值、第二数值、第三数值和第四数值的第一权重、第二权重、第三权重和第四权重；

针对每一个邻居节点，将权重和数值一一对应进行结合，得到各邻居节点的选取概率；

选取其中选取概率的数值最大的邻居节点，作为传送中继节点。

进一步的，所述第一权重、所述第二权重、所述第三权重和所述第四权重之和等于1。

进一步的，所述无人机自组网采用时分多址的通信模式。

进一步的，广播信息还包括用于标记广播信息的发出时间的时间戳。

进一步的，在所述获取网络拓扑图之前，还包括构建网络拓扑图，所述构建网络拓扑图包括：

接收当前节点之外的其他节点的位置信息和时间戳；

获取时间差阈值，基于所述时间差阈值与各位置信息的时间戳，过滤当前时间与时间戳的时间差大于所述时间差阈值的位置信息；以及

基于过滤后的位置信息，判断其他各节点之间的连接关系，并判断其他各节点与当前节点的连接关系，得到所述当前节点对应的连接关系；

基于所有节点之间的连接关系，构建网络拓扑图。

进一步的，所述接收其他节点的位置信息和时间戳包括：

接收来自可直接连接的节点的广播信息，从中获取可直接连接的节点的位置信息和时间戳，以及可直接连接的节点接收到的其他节点的位置信息和时间戳。

进一步的，判断其他各节点之间的连接关系，并判断其他各节点与当前节点的连接关系包括：

获取预设置的节点最大通信距离，根据各节点的位置信息确定任意两节点之间的距离；

若两节点之间的距离小于或等于所述节点最大通信距离，则判断该两节点相连；

若两节点之间的距离大于所述节点最大通信距离，则判断该两节点不相连。

综上，本发明提供了一种无人机自组网的路由方法，该方法综合利用无人机节点的缓存队列长度、剩余电量信息以及位置信息，实现具有较高效率和较高稳定性的路由，保障数据的高质量传播。

本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚的说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要的附图做简单的介绍：

图1为本发明实施例提供的一种无人机自组网的路由方法的流程示意图一；

图2为本发明实施例提供的无人机节点的位置分布示意图；

图3为本发明实施例提供的一种无人机自组网的路由方法的流程示意图二。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明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一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

目前，无人机自组网大多采用移动自组网网络中的路由技术，主要包括主动式路由技术、被动式路由技术以及混合式路由技术等。主动式路由协议通过网络中各节点周期性地与其附近的节点交换信息，从而更新各节点对整个网络的拓扑信息。每个节点通过收集到的拓扑信息计算到达网络所有节点的最优路径。在拓扑变化较快的网络中，主动式路由网络需频繁更新整个网络的拓扑信息，进一步增大了能量和带宽的消耗以及网络拥塞的可能性。典型的主动式路由协议有优化链路状态路由协议(Optimized Link StateRouting，简称OLSR)、目的节点序列距离矢量协议(Destination-Sequenced Distance-Vector Routing，简称DSDV)等。

被动式路由网络仅在有消息发送时才会通过路由寻找发送路径。在进行路由时，源节点向周围所有节点广播路由请求，收到请求的节点继续向周围所有节点广播源节点的路由请求，直到源节点的路由请求到达目标节点为止。由于该网络仅在有数据传输时维护路由信息，因此减小了网络的开销，但同时增加了数据传输的时延，降低了传输效率。典型的被动式路由协议有无线自组网按需平面距离向量路由协议(Ad hoc On-demandDistance Vector Routing，简称AODV)、动态源路由协议(Dynamic Source Routing，简称DSR)等。

混合式路由协议混合式协议结合了主动式路由协议和被动式路由协议的特点。典型的混合式路由协议(Zone Routing Protocol，简称ZRP)将网络划分成多个路由区域。区域半径由节点的跳数决定。每个节点在各自的区域内采用主动式路由，在区域外则采用被动式路由。当节点需要发送数据时，首先检查路由表，如果目标节点在该节点的区域内，则从路由表中直接获取路由信息，如果目标节点不在该节点区域内，则开始寻找目标节点。源节点向自己的外围节点广播寻找目标节点的信息，外围节点收到广播信息后开始检查目标节点是否在自己的区域内，如果不在则向自己的外围节点再广播查找信息，直到找到目标节点为止。

以上这些路由协议应用于无人机自组网均存在一定的不足之处。主动式路由协议有效降低了传输时延但增大了网络开销，被动式路由协议降低了网络开销但增大了传输时延，混合式路由协议综合了主动式路由和被动式路由的优点，但在拓扑变化较快的网络中，区域内的节点可能很快成为区域外的节点，而区域外的节点也可能成为区域内的节点，从而影响网络的传输效率。

针对无人机自组网高动态拓扑和可借助卫星导航信息，例如GPS、北斗定位等特点，人们又提出了一些新的基于地理位置的路由方法，如贪婪地理转发(GreedyGeographic Forwarding，简称GGF)协议，网络中每个节点均可通过各自地理位置信息的广播获知其余各节点所在的位置，当源节点有数据向发往目标节点时，源节点选择距离目标节点最近的邻居节点作为下一个的中继节点，并将数据转发至该节点。而响应式地理路由(RGR)协议则有效结合了GGF和AODV两种路由方式，通过在AODV协议中增加各节点的地理位置信息，使得网络在未发生链路中断的情况下采用AODV协议，在由无人机高速移动造成链路中断的情况下切换为GGF协议。

然而，上述各种协议在进行路由选择时均未考虑各无人机节点的负载和能量状态以及运动信息，在数据量突增或部分节点能量不足的情况下难以进行高效的数据传输，因此本发明提供了一种无人机自组网的路由方法，综合利用无人机节点的负载、能量信息以及由机载卫星信号接收机(GPS、北斗模块等)获取的位置信息，实现具有较高效率和较高稳定性的路由，保障数据的高质量传播。

本发明中的无人机自组网采用时分多址模式进行通信。时分多址(Time DivisionMultiple Access，简称TDMA)把时间分割成互不重叠的时段(帧)，再将每一帧分割成互不重叠的时隙(信道)。时隙与无人机自组网中的节点一一对应，依据时隙区分来自不同无人机节点的信号，从而完成多址连接。

在时分多址的通信模式中，每个无人机节点在各自预分配的时隙到来时发送各自的数据。具体的，时分多址模式中的时隙包括控制时隙和数据时隙，控制时隙和数据时隙交替出现。在控制时隙，各无人机节点向邻居节点广播自己的广播信息。每一条广播信息包括节点的位置信息、缓存队列长度、剩余电量信息、时间戳以及接收到的其余节点的最近时间点的位置信息和时间戳，同时侦听各邻居节点的广播信息并收集。经过一轮广播后，每个节点均可获得其所有邻居节点最近时间点的位置信息、缓存队列长度和剩余电量信息。经过多轮广播后，每个节点均可获得网络中各节点在过去几个时间点所处的位置信息。

因此，可以通过上述获得的信息来构建网络拓扑图，具体如图1所示：

步骤S101、接收当前节点之外的其他节点的位置信息和时间戳。

步骤S102、获取时间差阈值，基于时间差阈值与各位置信息的时间戳，过滤当前时间与时间戳的时间差大于时间差阈值的位置信息。

不同于传统网络，无人机自组网属于拓扑变化较快的网络，这体现在区域内的节点可能很快成为区域外的节点，而区域外的节点也可能成为区域内的节点。无人机节点的位置是时刻在变动的，如果对每一个无人机节点的位置信息都不加分析地全部接受，很有可能导致构建出的网络拓扑图与当前时刻的不符。因此，在构建网络拓扑图之前，基于预设置的时间差阈值，对各无人机节点的位置信息进行筛选，筛除时间戳距离当前时刻较远的位置信息，提高构建得到的网络拓扑图的准确程度。

步骤S103、基于过滤后的位置信息，判断其他各节点之间的连接关系，并判断其他各节点与当前节点的连接关系，得到当前节点对应的连接关系。

步骤S104、基于所有节点之间的连接关系，构建网络拓扑图。

如图2所示，在本发明实施例中，假设网络中的节点最大通信距离为R，而两个无人机节点之间的距离表示为r。对任一无人机节点而言，基于其控制时隙获得的全网各节点位置信息，来判断任意两个无人机节点之间是否相连。以位于o点的无人机节点为当前节点，当另一无人机节点与其的距离r≤R，则判断两无人机节点之间相连，可相互通信，通过一条长度为1的边连接两节点；而当两节点间距离r>R，则判断两节点间不相连。由此得到所需的网络拓扑图。

由于无人机节点的通信距离有限，因此只能接收到位于节点最大通信距离内的邻近的节点的广播信息，即可直接连接的节点的广播信息。而对于无法直接连接的节点的位置信息，就需要通过其他节点的一次甚至是多次转发才能接收到。为了保证接收到的位置信息的时效性，因此需要参考位置信息的时间戳。

需要说明的是，对于每一个无人机节点而言，当控制时隙到来时，都需要根据获取到的广播信息，来检验网络拓扑图的是否准确，若是其中的节点位置有变化，则需要及时更新网络拓扑图，保证基于网络拓扑图的数据传输质量。

进一步的，如图3所示，为无人机自组网中任意无人机节点传送数据包的流程示意图：

步骤S201、获取网络拓扑图。

首先获取根据上文所属的内容构建好的网络拓扑图。

步骤S202、获取待发送的数据包及其目标节点，结合网络拓扑图和目标节点，获取所有连通目标节点的邻居节点。

假设当前节点为源节点S。当某一源节点S向目标节点D发送数据包时，源节点首先根据已知的网络拓扑图，找出所有可以连通目标节点D的邻居节点。连通目标节点D的邻居节点的集合可表示为W＝{w₁，w₂，...，w_n}。

步骤S203、获取每一个邻居节点到达目标节点的最短路径。

本实施例中，集合内各邻居节点到达目标节点D的最短路径(即到达目标节点D的最少跳数)分别为s₁，s₂，...，s_n。

步骤S204、接收来自各邻居节点的广播信息。

如前文所述，每一条广播信息包括节点的位置信息、缓存队列长度、剩余电量信息、时间戳以及接收到的其余节点的最近时间点的位置信息和时间戳。

步骤S205、综合每一个邻居节点的位置信息、缓存队列长度信息、剩余电量信息和最短路径，选取作为传送中继节点的邻居节点，并向传送中继节点传送数据包。

邻居节点集合W中各邻居节点最近时刻的缓存队列长度依次为l₁，l₂，...，l_n，与源节点S的距离依次为r₁，r₂，...，r_n。如图2所示，可通过各邻居节点的最近两个控制时隙发来的位置信息，计算出各邻居节点的运动方向向量θ。各邻居节点的运动方向向量与各邻居节点到源节点S的空间距离向量所成夹角依次为θ₁，θ₂，...，θ_n，各邻居节点的剩余电量依次为E₁，E₂，...，E_n。

为了从集合W的各邻居节点中找出最适合的邻居节点作为中继节点，根据下列四式分别计算p_k1，p_k2，p_k3，p_k4(k＝1，2，...，n)：

假设存在一邻居节点k：

对于该邻居节点k的最短路径有第一数值p_k1：

对于该邻居节点k的夹角有第二数值p_k2：

对于该邻居节点k的缓存队列长度有第三数值p_k3：

对于该邻居节点k的剩余电量信息有第四数值p_k4：

p_k4＝E_k (4)

综合得到选取标识选取邻居节点k为中继节点的选取概率：

p_k＝α₁p_k1+α₂p_k2+α₃p_k3+α₄p_k4 (5)

其中α₁、α₂、α₃和α₄分别为第一权重、第二权重、第三权重和第四权重，具体的α₁+α₂+α₃+α₄＝1，α₁，α₂，α₃，α₄≥0。

根据式(1)可知，邻居节点到达目标节点D的跳数越小，则p_k1越大，p_k越大，即邻居节点到达目标节点的跳数越少，选择该邻居节点的概率越大。

根据式(2)，θ_k一定时，邻居节点与源节点S的距离r_k越小时，p_k2越大，p_k越大；r_k一定时，邻居节点的运动方向越靠近S，也就是θ_k越小时，p_k2越大，p_k越大。即邻居节点距离源节点越近或运动方向越靠近源节点，则选择该邻居节点的概率越大。

根据式(3)，邻居节点的缓存队列长度越短，则p_k3越大，p_k越大，即邻居节点的负载越小，选择该邻居节点的概率越大。

根据式(4)，邻居节点的剩余电量越多，则p_k4越大，p_k越大，选择该邻居节点的概率越大。

根据式(5)，源节点S在邻居节点中选择中继节点的概率p_k为p_k1，p_k2，p_k3，p_k4的加权平均数。当无人机自组网中各无人机节点能量充足，运行时间较长，且传输的数据量不大时，增大p_k1的权重可以降低转发数据的平均次数，从而降低传输时延，提高网络吞吐量；当无人机自组网中需要传输大量数据时，增大p_k2的权重可提高网络中各无人机节点间的负载均衡，从而降低网络拥塞的可能性。当无人机自组网中各无人机节点的能量有限，部分节点因电量不足无法工作导致网络中部分数据无法转发甚至丢失时，增大p_k4的权重可以提高各节点间的能量均衡，从而延长整个网络的工作时长。在实际场景中，p_k1，p_k2，p_k3，p_k4的权重α₁，α₂，α₃，α₄可通过检测网络中的拥塞情况和各节点运行时长进行自适应调整。

经过控制时隙，如果目标节点D即为待发送数据的源节点S的邻居节点，则直接将数据发送至该邻居节点。否则源节点选择出待发送数据的中继节点，并在预分配的数据时隙将数据发送到选定的中继节点。在下一个控制时隙，该中继节点按照上述的、同样的方式选择其的邻居节点作为中继节点或目标节点转发数据包，直到该数据包被目的节点接收为止。

通过上述无人机自组网路由方法，可以在一定程度上提高无人机自组网在运行过程中的稳定性和吞吐量。当网络处于低负载时，提高最短路径策略的权重可有效降低数据传输时延；当网络处于高负载时，提高负载均衡策略的权重可降低网络拥塞的概率，从而降低数据的平均传输时延；当网络中部分节点处于低电量时，提高能量均衡策略权重可有效提延长网络的有效工作时长和减少数据的丢失。

综上，本发明提供了一种无人机自组网的路由方法，该路由方法综合利用无人机节点的负载、能量信息以及由机载卫星信号接收机(GPS、北斗模块等)获取的位置信息，实现具有较高效率和较高稳定性的路由，保障数据的高质量传播。

最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种无人机自组网的路由方法，其特征在于，包括：

获取网络拓扑图；

获取待发送的数据包及其目标节点，结合所述网络拓扑图和所述目标节点，获取所有连通所述目标节点的邻居节点；

获取每一个邻居节点到达所述目标节点的最短路径；

接收来自各邻居节点的广播信息，广播信息至少包括对应邻居节点的位置信息、缓存队列长度信息和剩余电量信息；

综合每一个邻居节点的位置信息、缓存队列长度信息、剩余电量信息和最短路径，选取作为传送中继节点的邻居节点，并向所述传送中继节点传送数据包。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，接收来自各邻居节点的广播信息之后，还包括：

基于广播信息中的位置信息，确定各邻居节点的运动方向。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，还包括：

综合各邻居节点的广播信息，确定所述无人机自组网的运行状态。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，综合每一个邻居节点的位置信息、缓存队列长度信息、剩余电量信息和最短路径，选取作为传送中继节点的邻居节点包括：

对每一个邻居节点，获取其最短路径、运动方向、缓存队列长度和剩余电量信息，得到依次对应最短路径、运动方向、缓存队列长度和剩余电量信息的第一数值、第二数值、第三数值和第四数值；

基于所述无人机自组网的运行状态，自适应调整并分配分别对应第一数值、第二数值、第三数值和第四数值的第一权重、第二权重、第三权重和第四权重；

针对每一个邻居节点，将权重和数值一一对应进行结合，得到各邻居节点的选取概率；

选取其中选取概率的数值最大的邻居节点，作为传送中继节点。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述第一权重、所述第二权重、所述第三权重和所述第四权重之和等于1。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述无人机自组网采用时分多址的通信模式。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，广播信息还包括用于标记广播信息的发出时间的时间戳。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，在所述获取网络拓扑图之前，还包括构建网络拓扑图，所述构建网络拓扑图包括：

接收当前节点之外的其他节点的位置信息和时间戳；

获取时间差阈值，基于所述时间差阈值与各位置信息的时间戳，过滤当前时间与时间戳的时间差大于所述时间差阈值的位置信息；以及

基于过滤后的位置信息，判断其他各节点之间的连接关系，并判断其他各节点与当前节点的连接关系，得到所述当前节点对应的连接关系；

基于所有节点之间的连接关系，构建网络拓扑图。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述接收当前节点之外的其他节点的位置信息和时间戳包括：

接收来自可直接连接的节点的广播信息，从中获取可直接连接的节点的位置信息和时间戳，以及可直接连接的节点接收到的其他节点的位置信息和时间戳。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，判断其他各节点之间的连接关系，并判断其他各节点与当前节点的连接关系包括：

获取预设置的节点最大通信距离，根据各节点的位置信息确定任意两节点之间的距离；

若两节点之间的距离小于或等于所述节点最大通信距离，则判断该两节点相连；

若两节点之间的距离大于所述节点最大通信距离，则判断该两节点不相连。