CN109548084A - 一种负载均衡的无人机自组网高效多跳tdma接入方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种负载均衡的无人机自组网高效多跳TDMA接入方法，它在运行时包括时隙分配——CMOP、数据——Data和时隙请求——SMOP三个时期的操作；它采用了“基于拓扑精简时隙分配消息”和“负载均衡的时隙请求信息高效上传”两种新机制，第一种新机制工作在CMOP时期，第二种新机制工作在SMOP时期；通过删除自身和梯度值不大于自己的节点以及非子孙节点的时隙分配信息、选择子孙节点少的节点转发时隙请求信息以及删除重复的时隙请求信息，能够精简时隙分配消息的内容并缩短其长度，同时减少节点时隙请求信息内容和转发次数，从而降低接入方法的控制开销，促进节点负载均衡。

Description

一种负载均衡的无人机自组网高效多跳TDMA接入方法
技术领域
本发明属于无人机自组网(Unmanned Aerial Vehicles Ad Hoc Networks,UAVAN)技术领域，尤其涉及在媒介接入控制(MediumAccess Control,MAC)层采用多跳TDMA(Time Division Multiple Access,时分多址接入)接入方法的无人机自组网场合。
背景技术
随着飞行控制和集成电路技术的发展，各种形状和功能的无人机(UnmannedAerial Vehicles，UAV)在设计和研发方面都取得了迅速的进展。无人机是一架无需承载任何人员的飞机，它的的飞行可以自主操作或远程机载计算机系统自动控制。与载人飞机相比，无人机具有灵活性、低成本和高机动性等特点，无人机被广泛应用在环境监测、中继网络、交通农业管理和灾害救援等领域，如附图1所示。随着无人机技术的快速发展，无人机正在从单一平台操作模式发展到群体网络化操作模式。与单架无人机相比，多架协同无人机可以极大地扩展覆盖范围，提供从远程到数据控制中心的实时数据传输，共同完成各种民用和军用任务。无人机自组网是一种新颖的移动自组织网络，其将移动自组网应用在空间组网中，为未来航空领域提供了更广阔的的发展，与传统的无线移动自组网相比，无人机自组网具有某些独特的特点，如节点的高速移动性、频繁的拓扑变化、低延迟要求和高可靠性等特点。如附图2所示。
与现有无线移动自组网一样，无人机自组网MAC协议作为协议体系中较低层的协议，为网络中每个节点提供了信道接入的方式，如何控制无人机实现接入信道成为无人机自组网最关键的问题之一，研究一种高效、可靠的MAC协议将极大地提高无人机自组网的网络性能。当前，国内外对于无人机自组网接入方法已经开展了一些研究，并且取得了一些进展。
Alshbatat AI等人对无人机自组网MAC协议进行了研究，他们提出了一种自适应定向无人机接入方法——AMUAV(Adaptive MAC protocol for UAV communicationnetworks using directional antennas，参见文献[1]:Alshbatat AI,Dong L.AdaptiveMAC protocol for UAV communication networks using directional antennas[C].2010IEEE International Conference on Networking,Sensing and Control,2010:598-603)。AMUAV方法针对每架无人机拥有四种天线，两种定向天线，两种全向天线，无人机的上下侧为定向天线。若无人机没有数据发送，使用全线天线接收其他无人机发送的信息。若无人机需要发送数据，可选择全向或定向天线对数据分组进行发送。无人机根据距离、误码率和重传计数器自适应选择定向天线或者全向天线。在发送数据包前，检查无人机间的距离，如果距离小于全向天线的通信范围，则使用全向天线发送数据，否则MAC将检查无人机的高度，如果无人机的高度小于或等于另一架无人机，无人机参数和数据一起通过主天线(定向天线)进行发送，若重传计数器值超过7之后，丢弃该数据包，为了尽量减少端到端的延迟，如果重传计数器值达到5，无人机将把定线天线传输切换到全向传输。AMUAV方法采用定线天线进行传输，可以使节点间传输距离更长、干扰较小，避免隐藏终端和暴露终端的问题，同时为空间复用提供了可能性。AMUAV方法的缺点是由于无人机高速移动，网路拓扑的频繁变化，各无人机很难获得其他节点的位置信息。
Jun Li等人研究了一种竞争类无人机接入方法(参见文献[2]：Jun Li，YifengZhou，Louise Lamont，Mylène Toulgoat，Camille A.Rabbath.Packet Delay in UAVWireless Networks Under Non-saturated Traffic and Channel Fading Conditions[J].Wireless PersonalCommunications,2013,72(2):1105-1123.)，该方法采用IEEE802.11DCF机制实现MAC层接入，假设所有的数据包长度都相同，任意两架无人机间都相邻，在共享的无线信道上以相同的数据速率进行通信。由于有损无线信道造成的传输错误，为了减少数据包的冲突概率，每架无人机采用DCF和RTS/CTS机制来访问无线信道。CWmin为竞争窗口大小CW的初始值，每次重新开始退避时CW需加倍，直到窗口最大值CWmax，一旦值为CWmax，它将保留该值，直到重置为止。节点发送失败后，每架无人机将其退避定时器设为均匀分布在区间[0,CW]中的新随机数，并在退避定时器到达时进行重传，当达到最大传输失败极限R时，数据包停止重传，CW重置为CWmin，将数据包丢弃。虽然该接入方法能够较好的避免节点间数据包的冲突，但在饱和或不饱和的业务条件下，平均分组延迟随着网络规模的增加而增加。
尽管竞争类协议具有高度的灵活性、可扩展性和健壮性，广泛的应用在各种无线网络中，由于其基于竞争的随机访问机制，当网络业务逐渐增加时，拥塞程度逐渐增加，信道利用率和可靠性较低。与竞争类接入方法不同，TDMA(Time Division Multiple Access,时分多址接入)是一种无冲突的接入方式，可避免节点对信道接入的竞争。为此，WeijunWang等人研究了一种混合的接入方法——CT-MAC(Design and Implementation ofAdaptive MAC Framework for UAV Ad Hoc Networks，参见文献[3]:Weijun Wang，ChaoDong，Hai Wang，Anzhou Jiang.Design and Implementation of Adaptive MACFramework for UAV Ad Hoc Networks[C]//2017IEEE International Conference onMobile Ad-Hoc and Sensor Networks.2017:195-201.)，该方法允许无人机通过自身GPS的位置信息在CSMA和TDMA协议之间切换。在飞行阶段，无人机之间的交互主要是安全信息，延时高，网络流量要求低。然而，在数据采集阶段，每架无人机需要向侦察基地发送侦察数据，网络负载非常高，无人机在这两个阶段选择适当的MAC协议来完成任务。由于电磁环境是复杂的，每架无人机都配备GPS，GPS信号可能并不准确，网络开销过大并且过度依赖GPS。
Chen Liang等人提出了一种完全分布式的TDMA接入方法(参见文献[4]:ChenLiang,Yu Zhang,Jian Song.A novel broadcasting MAC algorithm for ad hocnetworks[C]//20168th International Conference on Advances in InformationTechnology.2016:268-276.)该协议允许节点高效地访问网络，将时帧结构分为信标(Beacon)和数据传输(Data)两个时期，每个节点只选择信标阶段的一个主时隙广播该节点数据请求，通过每个周期信标时期的广播包，每个节点更新其邻居时隙请求信息，并生成BOV域记录主时隙和备用时隙的信息和两跳范围内的收敛情况。当有空闲时隙时，每个节点根据业务需求通过BOV信息尝试选择备用时隙，获得额外的主时隙，保证充分利用时隙，提高网络吞吐量。由于网络采用全分布式方式，节点预约信道会产生碰撞，不适宜网络可靠性要求较高的场景。
Tianyi Wang等人提出了一种适宜高动态场景的接入方法——HD-MAC(AThroughput Enhancing TDMA-based Protocol in High Dynamic Environments，参见文献[5]：Tianyi Wang,Xiong Wang,Xiaohua Tian,Xiaoying Gan.HD-MAC:A ThroughputEnhancing TDMA-Based Protocol in High Dynamic Environments[C]//2017IEEEInternational Conference on Mobile Ad-Hoc and Sensor Networks.2017:105-109.)。该接入方法将时帧分为多个时期，REQ(Request Phase)时期用于入网节点发送入网请求，INF(Information Collection Phase)时期用于网内各节点广播自身和其邻居节点的时隙动态占用情况，CON(Confirmation Phase)时隙用于入网节点预约控制时隙和数据时隙，TUNE时期用于网内节点对入网节点无时隙可分通告进行确认或对入网节点的时隙预约冲突进行报告。每一子帧中的INF微时隙和数据时隙个数相同，都为N个。网中每一个节点在一个时帧中占有一个INF时隙和至少一个数据时隙，保证了其在一个时帧中至少可以发送一次。网络中的最大节点数和每一时帧中的总INF微时隙的个数相同。但由于HD-MAC协议未考虑实际场景中，普遍存在同时有多个节点申请入网的情况，不能用于有多节点申请入网的场景，可扩展性较差。
Lei Lei等人提出了一种动态TDMA接入方法——DT-MAC(A dynamic TDMA-basedMAC protocol with QoS guarantees for fully connected ad hoc networks，参见文献[6]：Lei Lei，Shengsuo Cai，Cheng Luo，Weiling Cai，Jinhua Zhou.A dynamic TDMA-based MAC protocol with QoS guarantees for fully connected ad hoc networks[J].Telecommunication Systems,2015,60(1):43-53.)。该方法旨在提供无冲突的数据传输，同时为网络中的不同服务提供QoS保证。DT-MAC接入方法提出了一个由同步、请求、分配和数据时隙组成的新的时帧结构。该方法可以根据网络中的节点数量和它们业务量来自适应地调整时隙的数量和长度，节点间通过竞争，每个时间帧都会生成一个主节点，一旦生成主节点，网络中的其他节点通过很小的控制消息依次向主节点发送自身的时隙请求，主节点收集到所有节点的需求信息后，根据节点的QoS要求为节点广播分配不重叠的时隙。DT-MAC接入方法可以较好地避免节点间的冲突，且扩展性较好，但由于节点间局限于单跳传输，网络覆盖范围较小。
同样，肖楠等人根据无人机网络拓扑动态变化，提出了一种能够支持高动态的接入方法——DTDMA(Dynamic Time Division Multiple Access，参见文献[7]:肖楠,梁俊,赵尚弘，全海波.基于TDMA的无人机多址协议分析与仿真[J].电子技术应用,2011,37(12):106-109.)。DTDMA方法为网络中每个节点分配一组传输时隙前提下，通过本地调整优先级的动态时隙分配算法，保证优先处理原则，同时为避免“饿死”问题的产生，低优先级的请求失败k次后优先级提高一级。在业务量较小时，采用空闲时隙预留机制，将空闲时隙分配给网络中的各个节点，节点队列中有数据包存在即可发送。DTDMA接入方法采用优先级机制能够保证优先级高的数据包的端到端时延，采用空闲时隙预留机制能够减小节点端到端时延，提高网络吞吐量。但该方法与DT-MAC方法一样，局限于网络间一跳范围，网络覆盖范围较小。
为了解决无人机间数据传输距离受限问题，一种可能的技术方案是采用多跳的MAC接入方法，Dabin Kim等人提出了一种多跳的TDMA接入方法——BiPi-MAC(ABidirectional-Pipelined TDMA for Reliability and QoS Support in TacticalUnmanned Vehicle Systems，参见文献[8]：Dabin Kim，Jaebeom Kim，Young-Bae Ko.BiPi-TMAC:A Bidirectional-Pipelined TDMA for Reliability and QoS Support inTactical Unmanned Vehicle Systems[J].IEEE Access,2018(6):26469-26482.)。该方法提出了一种全新的多跳TDMA帧结构，可适用在无人机系统中，该帧结构包含三个时期：CMOP(Centralized-Map Offering Packet)时期、Data时期和SMOP(Slot-Map OrganizingPacket)时期，如附图3所示。
CMOP时段是帧的起始时段，主节点将时隙分配表广播给网络中一跳节点，接收到CMOP帧的节点更新本地梯度值(主节点梯度值为默认为0，与主节点相连的一跳节点梯度值为1)和新分配的时隙信息，然后节点根据时隙分配信息在对应的CMOP时期广播中继CMOP帧，CMOP帧格式如附图4所示。为了保证整个网络下行消息转发的及时性，网络中每个节点都有一个时隙用于CMOP帧的传输，CMOP时期的第一个时隙总是分配给主节点，网络中其他节点根据梯度值大小由主节点进行调度分配，梯度值越小的节点越先分配，梯度值越大的节点往后分配；
在Data时期，节点根据收到的CMOP帧中时隙分配信息，在相应的Data时隙发送上行侦测数据和下行控制命令数据。对于上行链路，梯度值越大且时隙请求参数越大的节点越先分配，对于下行链路，梯度值越小且时隙请求参数较大的节点越先分配，调度算法采用上行链路和下行链路在不干扰的情况下交替地进行并行传输，保证上行链路和下行链路数据传输的公平性。
在SMOP时期，每个节点广播申请数据时隙，广播发送SMOP帧，帧格式如附图5所示。与CMOP时期调度顺序相反，主节点将梯度值越大的节点越先分配，越小的节点往后分配，为了克服SMOP消息传输失败的情况，在SMOP时期有一小部分争用期，该时期用于节点入网和传输SMOP帧失败的节点进行重传。
BiPi-MAC接入方法较好地保障了各节点间发送数据的可靠性，同时，由于网络节点采用根据梯度的调度方法，较好地保证了节点的端到端时延，其多跳通信的方式也增加了网络规模的扩展性，使节点通信覆盖范围较大。但由于网络中各节点发送时隙分配消息和上行时隙请求消息采用广播的方式，在一定程度上也带来了冗余的控制开销。
综上所述，人们对无人机自组网接入方法的研究已经开展了一段时间，较好地保障了无人机间可靠传输，节点间端到端时延的性能。但深入研究发现，现有无人机自组网多跳TDMA接入方法存在如下问题：
1.在网络各节点进行数据传输之前，为了保障各节点都能收到网络的时隙分配信息，网络中的主节点会在下行控制链路时期广播时隙分配消息；梯度为1的节点收到时隙分配消息后，更新梯度值和拓扑信息，取出自己的时隙分配信息，然后在属于自己的时隙广播该时隙分配消息；然后是梯度大于1的节点进行类似的操作，直至网络中所有节点都收到和广播了该时隙分配消息。在上述广播过程中，时隙分配消息的时隙分配内容不会改变，而根据研究，当一个节点在广播该时隙分配消息时，如下三类节点的时隙分配信息是没有必要装在时隙分配消息里面广播的：
(1)梯度值小于该节点梯度值的节点；
(2)梯度值等于该节点梯度值的节点；
(3)梯度值大于该节点梯度值、但不是该节点子孙节点的节点。
因此，现有相关多跳TDMA接入方法广播的时隙分配消息在内容和长度方面存在冗余，影响了接入方法的效率，这个问题有待解决。
2.在网络中各节点进行数据传输之前，各节点需要向主节点发送时隙请求消息以申请时隙；每个节点在自己的时隙请求时隙广播其时隙请求消息；一个节点收到梯度比自己大的节点的时隙请求消息后，在自己的时隙中广播一个时隙请求消息，该消息包含自身和梯度更大的节点的时隙请求信息；当一个节点有多个梯度小于自己的邻居节点时，这些邻居节点都会转发自己的时隙请求信息，从而造成了同一个时隙请求信息经过多条路径的多次向上转发，而实际上只需要1条路径转发1次就能够达到同样的时隙请求上传效果；因此，现有相关多跳TDMA接入方法的时隙请求信息上传机制在信息转发次数方面存在冗余，增大了控制开销，该问题有待解决。
发明内容
为了解决上述两个问题，本发明提出一种负载均衡的无人机自组网高效多跳TDMA接入方法，该方法包含“基于拓扑精简时隙分配消息”和“负载均衡的时隙请求信息高效上传”两种新机制。在下行时隙分配时期，节点在广播时隙分配消息前，根据其已知的拓扑信息，通过删除时隙分配消息中梯度值小于、等于其梯度值节点以及梯度值大于其梯度值、但不是其子孙节点的时隙分配信息，减少不必要的时隙分配信息的广播，相较于现有无人机自组网信道接入方法，节点能够以广播更少的时隙分配消息内容和长度同样能达到时隙分配的效果，整体提高网络的接入效率。在上行时隙请求时期，节点在广播时隙请求消息前，判断梯度值小于其梯度值的邻居节点的数量，若存在多个比自己梯度值小的邻居节点——父节点，则只选择1个负载较小的邻居节点进行转发；若只存在1个父节点，则通过相互通信的父节点删除重复节点的时隙请求信息，防止其时隙请求信息经过多个条路径的多次向上转发，减少同一个节点的时隙请求信息的转发次数，同时保持网络负载均衡，降低网络控制开销。
本发明提出的一种负载均衡的无人机自组网高效多跳TDMA接入方法在无人机自组网多跳TDMA接入协议中使用。无人机自组网多跳TDMA接入协议将网络节点分为主节点和普通节点两类，其多跳TDMA接入协议的时帧结构如文献[8],由三个部分组成：CMOP(Centralized-Map Offering Packet，时隙分配)、Data和SMOP(Slot-Map OrganizingPacket，时隙请求)；其中CMOP时期用于节点广播时隙分配消息，主节点在CMOP时期的第1个时隙广播全网节点的时隙分配信息，普通节点收到该时隙分配消息后，均在自己的CMOP时隙采用广播的方式中继该时隙分配消息，直至网络中所有的节点都收到和广播了该时隙分配消息；根据时隙分配消息，各节点在Data时期占用相应Data时隙进行数据帧的传输；对于SMOP时期，各节点在自己的SMOP时隙广播时隙请求消息，该消息包含自身和其他节点的时隙请求消息。
(一)本发明提出的新机制的基本思路和主要操作
以下具体介绍本发明提出的“基于拓扑精简时隙分配消息”和“负载均衡的时隙请求信息高效上传”两种新机制的基本思路和主要操作。
1.基于拓扑精简时隙分配消息
根据现有无人机自组网多跳TDMA接入协议，在网络各节点进行数据传输之前，为了保障各节点都能收到网络的时隙分配信息，主节点会在下行时隙分配时期广播时隙分配消息，普通节点收到该时隙分配消息后，会在属于自己的时隙广播该时隙分配消息，直至网络中所有的节点都能收到和广播该时隙分配消息。由于在广播时隙分配消息时，时隙分配信息的内容不会改变，而在广播过程中，有些节点的时隙分配信息已不必要再进行广播。如某节点在广播时隙分配消息时，广播梯度值小于、等于其梯度值以及梯度值大于其梯度值、但不是其子孙节点的节点的时隙分配信息，这些节点的时隙分配信息是没必要封装在时隙分配消息里面继续广播的；若节点在广播时隙分配消息前，能够利用拓扑信息删除这些节点的时隙分配信息，就能缩短时隙分配消息的内容和长度，提高网络的接入效率，降低控制开销。
为了解决上述问题，本发明提出了“基于拓扑精简时隙分配消息”新机制。该新机制的基本思路是：首先，主节点根据节点的梯度值对已分配好的各节点时隙分配字段进行排序，梯度值越小的节点时隙分配信息字段在时隙分配信息中的位置越靠前；然后将生成的时隙分配信息封装在CMOP帧中，在第1个CMOP时隙广播CMOP帧；普通节点收到CMOP帧后，取出自己的时隙分配信息，在广播CMOP帧之前，根据时隙分配信息字段中自身时隙信息的位置，获知相应的拓扑信息(时隙分配信息中在自己位置之前的节点的梯度不大于自己的梯度，在自己位置之后的节点的梯度不小于自己的梯度)：节点首先找到其时隙分配信息的位置，若发现其位置前存在其他节点的时隙分配信息，则表明这些节点的梯度值不大于其梯度值，节点首先删除这些节点的时隙分配信息；然后节点进一步查看其时隙信息位置后的时隙信息，若发现其位置后存在其他节点的时隙分配信息，则表明这些节点的梯度值大于等于其梯度值，节点结合本地保存的上行时隙请求转发表(该转发表中记录了上行时期请求其转发时隙请求的节点id，这些节点是当前节点的子孙节点)，删除梯度值大于等于其梯度值、但非其子孙节点的节点的时隙分配信息，但不删除CMOP时隙和Data时隙索引号最大的时隙分配信息(这些信息用于确定数据传输节点和时隙请求阶段的起始时刻)，最后删除自身时隙分配信息。
节点查看删除完满足条件的时隙分配信息后，若发现除了最大CMOP时隙索引号和Data时隙索引号信息以外，无其他节点的时隙分配信息，则去掉帧总时隙数字段，广播采用新的CMOP帧，便于其他节点维护邻居关系和新节点入网计算入网时刻。
根据上述思路，节点在不影响各节点正常获知时隙分配信息的前提下，通过删除自身、梯度值小于、等于其梯度值以及梯度值大于其梯度值、但不是其子孙节点的节点的时隙分配信息，减少不必要的时隙分配信息的广播，缩短了CMOP帧的长度和内容，整体提高网络的接入效率，降低控制开销。
本发明提出的“基于拓扑精简时隙分配消息”新机制的基本操作流程如附图6所示，其主要操作如下：
(1)在下行时隙分配时期(CMOP时期)，如果一个节点为主节点，首先将网络中各节点的时隙请求消息进行整理，主节点根据各节点的id、梯度值、邻居关系和时隙请求大小的值，运行调度算法为各节点分配无冲突的时隙，该调度算法在上下行控制时期调度顺序原则为：对于CMOP时期各节点的CMOP时隙，梯度值越小的节点其CMOP时隙越靠前，而对于SMOP时期各节点的SMOP时隙，梯度值越大的节点其SMOP时隙越靠前。在存储节点id号、上下行控制时隙和数据时隙(以下简称为时隙分配信息)字段前，主节点将已为各节点分配好的时隙分配信息按照节点梯度值由小到大的顺序进行排列，对于梯度值越小的节点，其时隙分配信息在时隙分配表中存储位置越靠前，最后将生成的时隙分配信息封装在CMOP帧中的SlotAllocation Map字段(“时隙分配信息”字段)。主节点在第一个CMOP时隙广播CMOP帧，CMOP帧中携带了主节点的Hop Count字段(“梯度值”字段)、Sequence Number字段(“帧序列号”字段)、节点的Slot Allocation Map字段(“时隙分配信息”字段)、Total Frame Slots字段(“总时隙数”字段)以及Frame Start Time字段(“帧起始时间”字段)。
(2)如果一个节点为普通节点，在本帧第一次收到其他节点广播发送的CMOP帧时，则提取CMOP帧中Frame Control字段(“控制类型”字段)的值，确认该帧是否为CMOP帧，如果是，则取出CMOP帧中Hop Count字段(“梯度值”字段)的值，将梯度值加1后作为本节点的梯度值，同时记录Hop Count字段(“梯度值”字段)和Sender Id字段(“发送节点id”字段)的值，用于建立一跳邻居列表，然后取出Slot Allocation Map字段(“时隙分配信息”字段)，统计其中节点ID的数量；如果节点没有ID，可将节点地址视为ID；然后，将该数量值填入预先建立的“节点—子孙节点数”表中；同时查看该字段中是否存在自己的时隙分配信息，若存在，则根据Total Frame Slots字段(“总时隙数”字段)以及Frame Start Time字段(帧起始时间)字段，计算自身CMOP、Data和SMOP时隙的位置，否则，仅更新梯度值和建立一跳邻居表。
(3)如果一个节点为普通节点，在本帧再次收到其他节点广播发送的CMOP帧时，则提取CMOP帧中Frame Control字段(“控制类型”字段)的值，确认该帧是否为CMOP帧，如果是，则统计Slot Allocation Map字段(“时隙分配信息”字段)中节点ID的数量；如果节点没有ID，可将节点地址视为ID；然后，将该数量值填入预先建立的“节点—子孙节点数”表中；同时判断自身是否已有时隙分配信息，若是，则仅取出CMOP帧中Hop Count字段(“梯度值”字段)和Sender Id字段(“发送节点id”字段)的值，用于建立一跳邻居列表；否则，取出SlotAllocation Map字段(“时隙分配信息”字段)，获取自身时隙。
(4)如果一个节点为普通节点，在广播CMOP帧之前，对收到的Slot AllocationMap字段(“时隙分配信息”字段)进行如下操作：节点查看自身节点id和时隙分配信息在Slot Allocation Map字段(“时隙分配信息”字段)中存储的位置，若自身节点id位置前存在其他节点的id和时隙分配信息，则表明这些节点的梯度值不大于自身节点的梯度值，则删除这些节点的id和时隙分配信息；若自身节点时隙分配信息存储位置后存在其他节点的id和时隙分配信息，则进一步查看本地保存的上行时隙请求转发表，若时隙请求转发表中存在某节点的id，表明该节点是其子孙节点，若不存在，表明该节点不是其子孙节点，节点删除非子孙节点但梯度值大于等于自身节点梯度值的节点id和时隙分配信息字段，但要保留CMOP控制时隙和Data数据时隙索引号信息最大的字段，便于子孙节点根据Total FrameSlots字段(“总时隙数”字段)以及Frame Start Time字段(帧起始时间)字段计算自身时隙位置；最后，节点删除Slot Allocation Map字段(“时隙分配信息”字段)中自身的id和时隙分配信息。
(5)如果一个节点为普通节点，查看删除完本节点、同梯度值以及梯度值大于其梯度值、但非子孙节点时隙分配信息后的Slot Allocation Map字段(“时隙分配信息”字段)后，若发现除了最大CMOP时隙索引号和Data时隙索引号字段以外，无其他节点的时隙分配信息，则在广播CMOP帧时，其采用新的CMOP帧，只保留Slot Allocation Map字段(“时隙分配信息”字段)中最大CMOP时隙和Data时隙索引号字段的值，删除Total Frame Slots字段(“总时隙数”字段)的值，用于一跳邻居节点更新邻居关系和新节点计算入网时刻，新CMOP帧格式如附图7所示。
2.负载均衡的时隙请求信息高效上传
在现有相关无人机自组网多跳TDMA接入协议中，网络各节点在进行数据传输之前，各节点需要向主节点广播时隙请求消息以申请时隙，该时隙请求消息包含自身和梯度值比自己大的节点的时隙请求消息；当一个节点有多个梯度值小于自己梯度值的邻居节点(父节点)时，一旦节点广播其时隙请求消息，这些父节点都能收到其广播的时隙请求信息且都会转发其时隙请求消息，由于其时隙请求消息只需一条路径转发一次就可以达到时隙请求上传的效果，若其他节点再转发其时隙请求消息，则将造成同一个时隙请求消息经过多条路径的多次向上转发，增加不必要的控制开销。如果一个节点在知道其有多个父节点的数量前提下，通过父节点的负载大小只选择其中一个负载较小的节点进行转发，就能减少同一个时隙请求信息的转发次数，同时保持网络负载均衡，减少网络控制开销。
为了解决上述问题，本发明提出了“负载均衡的时隙请求信息高效上传”新机制，该新机制的基本思路是：一个节点在广播时隙请求消息前，若其发现有多个梯度值小于自己的邻居节点(父节点)，则只选择其中一个节点进行转发自身的时隙请求消息，通过对时隙请求帧(SMOP帧)添加一个1字节的地址字段来进行标记；同时，对于中继转发节点的选择原则，若某个节点的负载较小，则选择其作为中继转发节点；若节点只有一个父节点，则仍采用原时隙请求帧，若此时由于节点的移动性(其移动到多个父节点的通信范围或梯度值比自己小的非邻居节点移动到自己的通信范围)造成有多个父节点都能收到其SMOP帧，导致多个父节点都广播其时隙请求信息，若父节点之间能相互通信，则可删除重复节点的时隙请求信息。父节点收到子节点广播的SMOP帧后，根据SMOP帧中中继地址字段选择是否广播该节点的时隙请求信息。在保证节点的时隙请求信息能上传至主节点的前提下，节点通过只选择一个负载较小的父节点转发其时隙请求信息以及相互通信的父节点删除重复节点的时隙请求信息，防止多个父节点广播同一个节点的时隙请求信息，减少节点的时隙请求消息的转发次数，降低控制开销。
本发明提出的“负载均衡的时隙请求信息高效上传”新机制的基本操作流程如附图8所示，主要操作如下：
(1)在上行时隙请求时期(SMOP时期)，如果一个节点为普通节点，则计算自身队列缓存的数据包所需时隙数，将自身节点id、梯度值、一跳邻居信息和时隙请求大小封装在SMOP帧中的Egocentric Connectivity graph字段(“ECG聚合信息”字段)，节点根据下行控制链路时期(CMOP时期)收到的CMOP帧计算其时隙请求时隙(SMOP时隙)的位置。
(2)由于节点在CMOP时期广播时隙分配消息，每个节点可根据收到的CMOP帧建立一跳邻居表，在广播SMOP帧前，根据本地维护的一跳邻居表信息，计算自身父节点(上一跳节点或梯度值比该节点小1的节点)的数量：
若父节点的数量为1，则仍采用原SMOP帧，直接广播SMOP帧。
若其有多个父节点，则需要选择一个合适的父节点进行中继转发。节点查询“节点—子孙节点数”表，获得自己相邻的、梯度小于自己的、子孙节点数最少的节点的ID，节点选择连接子孙节点数量最少(即同等条件下负载最小)的父节点ID作为中继转发节点。
(3)如果一个节点选择携带子节点数量较少的父节点作为中继转发节点，则需要在SMOP帧中指定该节点id，由于SMOP帧中无中继转发字段，节点需要采用新的SMOP帧，通过在原SMOP帧中增加1字节Relay Id字段(“中继节点id”字段)，标记需要中继转发的节点，新SMOP帧格式如附图9所示。虽然某个节点采用新的SMOP帧增加了1字节大小，但是由于其采用新的SMOP帧可使除中继父节点以外的其它父节点不转发其节点的时隙请求信息(至少能少转发一次时隙请求消息，其中的时隙请求信息包括其id号、梯度值、时隙请求大小和一跳邻居关系，其值大于1字节；除了边缘节点，节点可能携带其子孙节点的时隙信息，从全网来看，其字节值远远大于1字节)，因此，总的开销是减小的。
(4)如果一个节点收到其他节点广播发送的SMOP帧，则取出Frame Control字段(“控制类型”字段)的值，确认该帧是否为SMOP帧，如果是，则取出Sender Id字段(“发送节点id”字段)和Hop Count字段(“梯度值”字段)的值，用于更新一跳邻居列表，并对HopCount字段(“梯度值”字段)的值进行判断，转步骤(5)，否则，丢弃该帧。
(5)如果一个收到SMOP帧的节点其梯度值大于广播SMOP帧节点的梯度值，则取出Egocentric Connectivity graph字段(“ECG聚合信息”字段)的值，判断自己的时隙申请信息是否存在ECG中，若是，则说明节其时隙请求消息已成功发送，自己的父节点(上一跳节点或梯度值比该节点小1的节点)已经收到其广播发送的SMOP帧；若否，则说明节点发送SMOP帧失败，则在SMOP时期的争用时段重传SMOP帧。
(6)如果一个收到SMOP帧的节点其梯度值小于广播SMOP帧节点的梯度值，则判断SMOP帧中是否存在Relay Id字段(“中继节点id”字段)，若存在，表明该发送节点存在多个父节点，其发送SMOP帧时采用了新的SMOP帧格式，然后取出Relay Id字段(“中继节点id”字段)的值，判断该字段的值是否等于本节点id的值，若相等，则表明子节点指定的中继转发节点是自己，需要对该子节点的时隙请求消息进行广播，然后节点取出SMOP帧中Egocentric Connectivity graph字段(“ECG聚合消息”字段)的值，将自身的时隙请求信息和子节点的ECG信息聚合，形成新的ECG信息，然后在属于自己的SMOP时隙广播包含聚合后的SMOP帧；若节点取出SMOP帧中Relay Id字段(“中继节点id”字段)的值不等于本节点id的值，表明子节点指定的中继转发节点不是自己，其时隙请求消息无需自己进行广播，节点丢弃该子节点时隙请求信息；若SMOP帧中不存在Relay Id字段(“中继节点id”字段)，表明发送SMOP帧的节点只存在一个父节点，自己是子节点的唯一父节点，该帧是原SMOP帧，则对该子节点的时隙请求消息进行广播。
(7)如果一个收到SMOP帧的节点其梯度值等于广播SMOP帧节点的梯度值，节点取出SMOP帧中Egocentric Connectivity graph字段(“ECG聚合信息”字段)的值，判断该ECG聚合消息中是否有与自身ECG聚合消息中重复节点的时隙请求信息，若存在，待本节点广播SMOP帧之前，删除重复时隙请求消息的节点时隙请求信息；若不存在，则仅更新一跳邻居关系。(采取本步骤的原因是：若节点在CMOP时期建立了一跳邻居表，节点在广播时根据邻居关系计算出其只存在一个父节点，其广播时仍采用原SMOP帧，而由于节点的移动性，其移动到多个父节点的通信范围或梯度值比自己小的非邻居节点移动到自己的通信范围，导致其在SMOP时期时的父节点数量不止一个，节点广播其时隙请求消息时，多个父节点都会收到其时隙请求消息，都会广播该时隙请求信息，若父节点之间能够相互通信，则可以删除同一个节点的时隙请求信息，减少其时隙请求信息的转发次数。)
(二)本发明提出的一种负载均衡的无人机自组网高效多跳TDMA接入方法的主要操作
本发明提出的一种负载均衡的无人机自组网高效多跳TDMA接入方法在运行时包括在下行时隙分配——CMOP和上行时隙请求——SMOP两个时期内的操作，采用了“基于拓扑精简时隙分配消息”和“负载均衡的时隙请求信息高效上传”两种新机制；其中，“基于拓扑精简时隙分配消息”新机制工作在CMOP时期，“负载均衡的时隙请求信息高效上传”新机制工作在SMOP时期，如附图10所示。下面具体说明各时期内的主要操作。
1.CMOP时期
本发明提出的一种负载均衡的无人机自组网高效多跳TDMA接入方法在CMOP时期的核心操作是节点广播及接收处理CMOP帧，主要步骤如下：
S1:在CMOP时期，如果一个节点为主节点，首先将网络中各节点的时隙请求消息进行整理，将已为各节点分配好的时隙分配信息按照节点梯度值由小到大的顺序进行排列，对于梯度值越小的节点，其时隙分配信息在时隙分配表中存储位置越靠前，最后将生成的时隙分配信息封装在CMOP帧中的Slot Allocation Map字段(“时隙分配信息”字段)，主节点在第一个CMOP时隙广播CMOP帧。
S2:如果一个节点为普通节点，在本帧第一次收到其他节点广播发送的CMOP帧时，则提取CMOP帧中Frame Control字段(“控制类型”字段)的值，确认该帧是否为CMOP帧，如果是，则取出CMOP帧中Hop Count字段(“梯度值”字段)的值，将梯度值加1后作为本节点的梯度值，同时记录Hop Count字段(“梯度值”字段)和Sender Id字段(“发送节点id”字段)的值，用于建立一跳邻居列表，然后取出Slot Allocation Map字段(“时隙分配信息”字段)，统计其中节点ID的数量；如果节点没有ID，可将节点地址视为ID；然后，将该数量值填入预先建立的“节点—子孙节点数”表中；进一步查看该字段中是否存在自己的时隙分配信息，若存在，则根据Total Frame Slots字段(“总时隙数”字段)以及Frame Start Time字段(帧起始时间)字段，计算自身CMOP、Data和SMOP时隙的位置，否则，仅更新梯度值和建立一跳邻居表。
S3:如果一个节点为普通节点，在本帧再次收到其他节点广播发送的CMOP帧时，则提取CMOP帧中Frame Control字段(“控制类型”字段)的值，确认该帧是否为CMOP帧，如果是，则取出时隙分配信息字段的内容，统计其中节点ID的数量；如果节点没有ID，可将节点地址视为ID；然后，将该数量值填入预先建立的“节点—子孙节点数”表中；进一步判断自身是否已有时隙分配信息，若是，则仅取出CMOP帧中Hop Count字段(“梯度值”字段)和SenderId字段(“发送节点id”字段)的值，用于建立一跳邻居列表；否则，取出Slot AllocationMap字段(“时隙分配信息”字段)，获取自身时隙。
S4:如果一个节点为普通节点，在广播CMOP帧之前，对收到的Slot AllocationMap字段(“时隙分配信息”字段)进行如下操作：节点查看自身节点id和时隙分配信息在Slot Allocation Map字段(“时隙分配信息”字段)中的位置，删除不大于自身梯度的节点的id和时隙分配信息，删除非子孙节点但梯度值大于等于自身节点梯度值的节点id和时隙分配信息字段，但要保留CMOP控制时隙和Data数据时隙索引号信息最大的字段，最后，节点删除Slot Allocation Map字段(“时隙分配信息”字段)中自身的id和时隙分配信息。
S5:如果一个节点为普通节点，查看删除完本节点、同梯度值以及梯度值大于其梯度值、但非子孙节点时隙分配信息后的Slot Allocation Map字段(“时隙分配信息”字段)后，若发现除了最大CMOP时隙索引号和Data时隙索引号信息字段以外，无其他节点的时隙分配信息则只保留Slot Allocation Map字段(“时隙分配信息”字段)字段中最大CMOP时隙和Data时隙索引号字段的值，删除Total Frame Slots字段(“总时隙数”字段)的值，用于一跳邻居节点更新邻居关系和新节点计算入网时刻。
本发明提出的新机制1——“基于拓扑精简时隙分配消息”主要运行在上述步骤中的S1、S4和S5。
2.Data时期
全网节点在分配给自己的时隙里发送数据帧，目的节点接收数据帧。
3.SMOP时期
本发明提出的一种负载均衡的无人机自组网高效多跳TDMA接入方法在SMOP时期的主要操作是节点申请时隙请求并广播中继SMOP帧，主要步骤如下：
S1:在SMOP时期，如果一个节点为普通节点，则计算自身队列缓存的数据包所需时隙数，将自身节点id、梯度值、一跳邻居信息和时隙请求大小封装在SMOP帧中的EgocentricConnectivity graph字段(“ECG聚合信息”字段)，节点根据CMOP时期收到的CMOP帧计算其SMOP时隙的位置。
S2:由于节点在CMOP时期广播时隙分配消息，每个节点可根据收到的CMOP帧建立一跳邻居表，在广播SMOP帧前，节点查询“节点—子孙节点数”表，获得自己相邻的、梯度小于自己的、子孙节点数最少的节点的ID，计算自身父节点(上一跳节点或梯度值比该节点小1的节点)的数量：若父节点的数量为1，则仍采用原SMOP帧，直接广播SMOP帧；若其有多个父节点，则选择携带子节点数量较少(即负载较小)的父节点作为广播中继节点。
S3:如果一个节点选择负载较小的父节点作为中继转发节点，则需要在SMOP帧中指定该节点id，由于SMOP帧中无中继转发字段，节点采用新的SMOP帧，通过在原SMOP帧中增加1字节Relay Id字段(“中继节点id”字段)。
S4:如果一个节点收到其他节点广播发送的SMOP帧，则取出Frame Control字段(“控制类型”字段)的值，确认该帧是否为SMOP帧，如果是，则取出Sender Id字段(“发送节点id”字段)和Hop Count字段(“梯度值”字段)的值，用于更新一跳邻居列表，并对HopCount字段(“梯度值”字段)的值进行判断，转步骤5，否则，丢弃该帧。
S5:如果一个收到SMOP帧的节点其梯度值大于广播SMOP帧节点的梯度值，则取出Egocentric Connectivity graph字段(“ECG聚合信息”字段)的值，判断自己的时隙申请信息是否存在ECG中，若是，则说明节其时隙请求消息已成功发送，自己的父节点(上一跳节点或梯度值比该节点小1的节点)已经收到其广播发送的SMOP帧；若否，则说明节点发送SMOP帧失败，则在SMOP时期的争用时段重传SMOP帧。
S6:如果一个收到SMOP帧的节点其梯度值小于广播SMOP帧节点的梯度值，则判断SMOP帧中是否存在Relay Id字段(“中继节点id”字段)，若存在，表明该发送节点存在多个父节点，其发送SMOP帧时采用了新的SMOP帧格式，然后取出Relay Id字段(“中继节点id”字段)的值，判断该字段的值是否等于本节点id的值，若相等，则对该子节点的时隙请求消息进行广播，然后节点取出SMOP帧中Egocentric Connectivity graph字段(“ECG聚合消息”字段)的值，将自身的时隙请求信息和子节点的ECG信息聚合，形成新的ECG信息，在属于自己的SMOP时隙广播包含聚合后的SMOP帧；若节点取出SMOP帧中Relay Id字段(“中继节点id”字段)的值不等于本节点id的值，则丢弃该子节点时隙请求信息；若SMOP帧中不存在Relay Id字段(“中继节点id”字段)，则该帧是原SMOP帧，对该子节点的时隙请求消息进行广播。
S7:如果一个收到SMOP帧的节点其梯度值等于广播SMOP帧节点的梯度值，节点取出SMOP帧中Egocentric Connectivity graph字段(“ECG聚合信息”字段)的值，判断该ECG聚合消息中是否有与自身ECG聚合消息中重复节点的时隙请求信息，若存在，则删除重复时隙请求消息的节点时隙请求信息；若不存在，则仅更新一跳邻居关系。
本发明提出的新机制2——“负载均衡的时隙请求信息高效上传”主要运行在上述步骤中的S2、S3、S6和S7。
(三)本发明的有益效果
本发明提出的“一种负载均衡的无人机自组网高效多跳TDMA接入方法”能够在保障节点获的其时隙分配信息和上传其时隙请求信息的前提下，缩短了广播时隙分配消息的内容和长度，减少了时隙请求信息的转发次数，提高网络接入的效率，降低控制开销，同时维持网络的负载均衡。
本发明缩短广播时隙分配消息的内容和长度、减少时隙请求信息的转发次数的有益效果主要来自以下两个方面：
(1)采用“基于拓扑精简时隙分配消息”新机制后，在下行时隙分配时期，每个节点在广播主节点发送的时隙分配消息时，节点只广播其子孙节点的时隙分配消息，无需广播全网节点的时隙分配消息。与现有相关无人机自组网多跳TDMA接入方法相比，该机制在保障全网节点能收到各自时隙分配信息的前提下，通过删除不必要的信息字段，缩短了时隙分配消息的内容和长度，提高了接入效率，降低了网络控制开销。
(2)采用“负载均衡的时隙请求信息高效上传”新机制后，在上行时隙请求时期，每个节点在广播节点时隙请求信息时，节点的时隙请求信息只会经过1条路径转发1次，不会经过多条路径的多次转发。与现有相关无人机自组网多跳TDMA接入方法相比，该机制在保证节点时隙请求信息能上传至主节点的前提下，节点通过只选择一个负载较小的节点转发其时隙请求信息以及相互通信的父节点删除重复节点的时隙请求信息，减少节点的时隙请求信息的转发次数，促进负载均衡，降低网络控制开销。
附图说明
附图1为无人机应用场景示意图。
无人机应用在环境监测、中继网络、交通农业管理和灾害救援等领域。
附图2为无人机自组网多跳场景示意图。
网络中有一个主节点，其余为普通节点，网络跳数为多跳。
附图3为BiPi-MAC方法时帧结构示意图。
BiPi-MAC方法包含三个时期：CMOP(Centralized-Map Offering Packet)时期、Data时期和SMOP(Slot-Map Organizing Packet)时期。
附图4为BiPi-MAC方法中CMOP帧结构示意图。
CMOP帧包括Frame Control、Hop Count、Slot Allocation Map等字段。CMOP帧的收发位于下行时隙分配控制链路时期(CMOP时期)。
附图5为BiPi-MAC方法中SMOP帧结构示意图。
SMOP帧包括Frame Control、Hop Count等字段。SMOP帧的收发位于上行时隙请求控制链路时期(SMOP时期)。
附图6为“基于拓扑精简时隙分配消息”新机制的基本操作流程图。
“基于拓扑精简时隙分配消息”新机制的基本思路是节点删除非子孙节点的时隙分配信息、梯度值不大于自身的节点的时隙分配信息和自身节点的时隙分配信息，减少时隙分配信息字段的广播。
附图7为新的CMOP帧结构示意图。
新的CMOP帧中不含有Slot Allocation Map、Total Frame Slots和Frame StartTime字段。
附图8为“负载均衡的时隙请求信息高效上传”新机制基本操作流程图。
“负载均衡的时隙请求信息高效上传”新机制的主要思路是根据父节点数量自适应选择广播中继的SMOP帧，减少节点时隙请求消息的重复广播申请。
附图9为新的SMOP帧结构示意图。
新的SMOP帧中添加了Relay Id字段。
附图10为本发明提出的一种负载均衡的无人机自组网高效多跳TDMA接入方法的组成示意图。
本发明提出一种负载均衡的无人机自组网高效多跳TDMA接入方法运行时包括在下行时隙分配时期和上行时隙请求时期两个时期内的操作，采用了“基于拓扑精简时隙分配消息”和“负载均衡的时隙请求信息高效上传”两种新机制。
具体实施方式
在无人机自组网网络场景中，无人机节点数不超过30个，其中有1个节点为主节点，各节点处于随机移动状态，每个节点是数据业务的源节点，主节点是侦测数据的目的节点，控制命令数据的目的是各节点；每个节点配备有GPS，节点id号唯一；每个节点在信道的通信方式为半双工通信，采用全向天线；网络中每个节点都运行本发明提出的负载均衡的无人机自组网高效多跳TDMA接入方法。
一种具体的设置如下：
·CMOP时期一个CMOP时隙长度＝1ms。
·SMOP时期和Data时期一个时隙长度＝800us。
·每个节点移动速度为20m/s-100m/s。
·每个节点通信范围为500m。
本发明提出一种负载均衡的无人机自组网高效多跳TDMA接入新方法，其运行时主要在CMOP时期和SMOP时期两个时期的操作，具体实施方式如下：
1.CMOP时期实施方式
(1)主节点的主要操作
ES1:主节点首先删除自身的时隙分配信息，然后按照申请时隙的节点梯度值大小，将节点时隙分配信息由小到大进行排序，生成Slot Allocation Map字段(“时隙分配信息”字段)，接着将Slot Allocation Map字段(“时隙分配信息”字段)封装在CMOP帧中。
ES2:主节点在第一个CMOP时隙广播CMOP帧，CMOP帧中携带了主节点的Hop Count字段(“梯度值”字段)、Sequence Number字段(“帧序列号”字段)、节点的Slot AllocationMap字段(“时隙分配信息”字段)、Total Frame Slots字段(“总时隙数”字段)以及FrameStart Time字段(“帧起始时间”字段)。
ES3:若主节点收到其他节点广播发送的CMOP帧时，则提取CMOP帧中FrameControl字段(“控制类型”字段)的值，确认该帧是否为CMOP帧，如果是，取出并记录HopCount字段(“梯度值”字段)和Sender Id字段(“发送节点id”字段)的值，用于建立一跳邻居列表。
(2)普通节点的主要操作
ES1:如果一个节点在本帧第一次收到其他节点广播发送的CMOP帧时，则提取CMOP帧中Frame Control字段(“控制类型”字段)的值，确认该帧是否为CMOP帧，如果是，则取出CMOP帧中Hop Count字段(“梯度值”字段)的值，将梯度值加1后作为本节点的梯度值，同时记录Hop Count字段(“梯度值”字段)和Sender Id字段(“发送节点id”字段)的值，用于建立一跳邻居列表，然后取出时隙分配信息字段的内容，统计其中节点ID的数量；如果节点没有ID，可将节点地址视为ID；然后，将该数量值填入预先建立的“节点—子孙节点数”表中；进一步查看该字段中是否存在自身时隙分配信息，若存在，则提取自身时隙分配信息，否则，丢弃。
ES2:如果一个节点为普通节点，在本帧再次收到其他节点广播发送的CMOP帧时，则提取CMOP帧中Frame Control字段(“控制类型”字段)的值，确认该帧是否为CMOP帧，如果是，则取出CMOP帧中Hop Count字段(“梯度值”字段)和Sender Id字段(“发送节点id”字段)的值，用于建立一跳邻居列表，同时建立“节点—子孙节点数”表。节点进一步查看自身是否已知时隙分配信息，若已知，则丢弃该帧，否则，提取自身时隙分配信息。
ES3:如果一个节点为普通节点，在广播CMOP帧之前，对收到的CMOP帧中SlotAllocation Map字段(“时隙分配信息”字段)进行删除操作，删除帧中同梯度、非子孙节点但梯度值大于等于自身节点梯度值的节点时隙分配信息；最后，节点删除自身的时隙分配信息。
ES4:如果一个节点为普通节点，查看删除完本节点、同梯度值和非子孙节点、但梯度值大于等于自身节点梯度值的节点时隙分配信息后，若Slot Allocation Map字段(“时隙分配信息”字段)中还存在子孙节点的时隙分配信息，则在对应的CMOP时隙广播精简后的CMOP帧；若字段中此时已不存在任何节点的时隙分配信息，则删除帧总时隙数字段的值。
2.Data时期实施方式
全网节点在分配给自己的时隙里发送数据帧和目的节点接收数据帧。
3.SMOP时期实施方式
(1)主节点的主要操作
ES1:如果主节点收到其他节点广播发送的SMOP帧，则取出Frame Control字段(“控制类型”字段)的值，确认该帧是否为SMOP帧，如果是，则取出EgocentricConnectivity graph字段(“ECG聚合信息”字段)的值；否则，丢弃该帧。
ES2:主节点根据SMOP帧中Egocentric Connectivity graph字段(“ECG聚合信息”字段)的值，统计各节点的id、梯度值、一跳邻居信息和时隙分配信息，生成全网拓扑图，根据调度算法生成时隙分配信息。
(2)普通节点的主要操作
ES1:如果节点为普通节点，则计算自身队列缓存的数据包所需时隙数，将自身节点id、梯度值、一跳邻居信息和时隙请求大小封装在Egocentric Connectivity graph字段(“ECG聚合信息”字段)中。
ES2:节点在广播SMOP帧前，查看本地维护的“节点—子孙节点数”表，计算自身父节点的数量，若父节点的数量为1，则仍采用原SMOP帧，直接广播SMOP帧；若有多个父节点，则选择负载较小的父节点进行广播，并在SMOP帧中指定该节点，通过在原SMOP帧中增加1字节Relay Id字段(“中继节点id”字段)来标记需要中继转发的节点，采用新的SMOP帧。
ES3:节点收到其他节点广播发送的SMOP帧，则取出Frame Control字段(“控制类型”字段)的值，确认该帧是否为SMOP帧，如果是，则取出Sender Id字段(“发送节点id”字段)和Hop Count字段(“梯度值”字段)的值，用于更新一跳邻居列表，并对Hop Count字段(“梯度值”字段)的值进行判断。
ES4:如果节点的梯度值大于广播SMOP帧节点的梯度值，则取出EgocentricConnectivity graph字段(“ECG聚合信息”字段)的值，判断自己的时隙申请信息是否存在ECG中，若是，则说明节点成功发送SMOP帧，自己的父节点(上一跳节点或梯度值比该节点小1的节点)已经收到其广播发送的时隙请求消息；若否，则说明节点发送SMOP帧失败，则在SMOP时期的争用时段重传SMOP帧。
ES5:如果节点的梯度值小于广播SMOP帧节点的梯度值，则判断SMOP帧中是否存在Relay Id字段(“中继节点id”字段)，若存在，则判断Relay Id字段(“中继节点id”字段)的值是否等于本节点id的值，若相等，则需要对该子节点的时隙请求消息进行广播中继。节点取出SMOP帧中Egocentric Connectivity graph字段(“ECG聚合消息”字段)的值，将自身的时隙请求信息和子节点的ECG信息聚合，形成新的ECG信息，然后在属于自己的SMOP时隙广播包含聚合后的SMOP帧；若节点取出SMOP帧中Relay Id字段(“中继节点id”字段)的值不等于本节点id的值，则其丢弃该子节点的时隙请求信息。若SMOP帧中不存在Relay Id字段(“中继节点id”字段)，则对该子节点的时隙请求消息进行广播。
ES6:如果节点的其梯度值等于广播SMOP帧节点的梯度值，则取出SMOP帧中Egocentric Connectivity graph字段(“ECG聚合信息”字段)的值，判断该ECG聚合消息中是否有与自身ECG聚合消息中重复节点的时隙请求信息，若存在，删除重复时隙请求消息的节点时隙请求信息；若不存在，则仅更新一跳邻居关系。

Claims (1)

1.一种负载均衡的无人机自组网高效多跳TDMA接入方法，其特征是：包括在逻辑有先后关系的下行时隙分配——CMOP、数据——Data和上行时隙请求——SMOP三个时期的操作，具体如下：
S1：所述CMOP时期，用于全网节点广播时隙分配消息，本时期运行“基于拓扑精简时隙分配消息”新机制，本时期运行过程和新机制具体实现过程如下：
S11：主节点运行“基于拓扑精简时隙分配消息”新机制，根据节点的梯度值对已分配好的各节点时隙分配结果进行排序，节点梯度值越小，其时隙分配信息结果在时隙分配表中的位置越靠前，然后将时隙分配信息装入CMOP帧的时隙分配字段中，在第1个CMOP时隙广播CMOP帧；
S12：普通节点收到一个CMOP帧后，执行下述操作：
S121：取出时隙分配信息字段的内容，统计其中节点ID的数量；如果节点没有ID，可将节点地址视为ID；然后，将该数量值填入预先建立的“节点—子孙节点数”表中；
S122：根据时隙分配信息字段中自身时隙信息的位置，获知相应的拓扑信息；若当前节点发现其位置前存在其它节点的时隙分配信息，此情况表明这些节点的梯度值不大于其梯度值，则运行“基于拓扑精简时隙分配消息”新机制，从时隙分配字段的内容中删除这些节点的时隙分配信息；
S123：进一步查看其位置后的时隙信息，若发现其位置后存在其它节点的时隙分配信息，此情况表明这些节点的梯度值大于等于其梯度值，则运行“基于拓扑精简时隙分配消息”新机制，从自己保存的上行时隙请求转发表中查询得到子孙节点，然后删除梯度值大于等于其梯度值、但非其子孙节点的节点的时隙分配信息，同时保留最大的CMOP时隙索引号、最大的Data时隙索引号，这些索引号将用于确定数据传输节点和时隙请求阶段的起始时刻；
S124：从时隙分配字段的内容中删除自身的时隙分配信息；
S125：从时隙分配字段的内容中删除上述3类时隙分配信息后，若发现除了最大CMOP时隙索引号和Data时隙索引号信息以外，无其他节点的时隙分配信息，则采用一种新的CMOP帧，该帧不包含总时隙数字段；
S126：广播上述精简了内容的CMOP帧；
S2：所述Data时期，用于全网节点在分配给自己的时隙里发送数据帧和目的节点接收数据帧；
S3：所述的SMOP时期，用于普通节点向主节点发送时隙请求消息以便申请时隙，本时期运行“负载均衡的时隙请求信息高效上传”新机制，本时期运行过程和新机制具体实现过程如下：
S31：普通节点如果需要请求时隙，执行下述操作：
S311：运行“负载均衡的时隙请求信息高效上传”新机制，根据下行时期维护的一跳邻居表，判断梯度值比自己小的节点的个数，若为1，则生成一个现有相关技术定义的时隙请求帧——SMOP帧并填入相应内容，然后广播该SMOP帧；如果大于1，则执行下一步；
S312：节点生成一种新的SMOP帧，该帧在现有SMOP帧上增加了一个“中继节点ID”字段，用于装载中继节点的ID；接着，在SMOP帧中填入除“中继节点ID”字段外的其它字段的内容；然后执行下一步；
S313：节点查询“节点—子孙节点数”表，获得自己相邻的、梯度小于自己的、子孙节点数最少的节点的ID，接着，将该ID填入SMOP帧的“中继节点ID”字段；然后，广播该SMOP帧；
S32：普通节点如果收到一个SMOP帧，执行下述操作：
S321：判断SMOP帧的类型；如果是加了“中继节点ID”字段的新类型，则执行步骤S222；否则，执行步骤S224；
S322：取出“中继节点ID”字段的内容并判断其是否等于自己的ID，如果不是，则删除该SMOP帧；如果是，执行下一步；
S323：查询“节点—子孙节点数”表，获得自己相邻的、梯度小于自己的、子孙节点数最少的节点的ID，将该ID填入SMOP帧的“中继节点ID”字段；接着，如果自己有时隙请求信息，则将其加入该SMOP帧，如果没有则不加；接下来，判断时隙请求字段里的内容是否已经被同梯度节点发送过，如果有则将已发送过的内容删除；然后，判断时隙请求字段里是否有内容，如果有则广播该SMOP帧，如果没有则删除该SMOP帧；
S324：判断自己有无时隙请求信息，如果有则将其加入该SMOP帧；接下来，判断时隙请求字段里的内容是否已经被同梯度节点发送过，如果有则将已发送过的内容删除；然后，判断时隙请求字段里是否有内容，如果有则广播该SMOP帧，如果没有则删除该SMOP帧。
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