CN110312295A - 基于分布式滑动窗口计数的无人机蜂窝通信基站选择方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于无人机通信技术领域，公开了一种基于分布式滑动窗口计数的无人机蜂窝通信基站选择方法，包括以下步骤：S1，搭建混合基站；S2，利用混合基站构建蜂窝通信网络；S3，无人机向通信范围内的混合基站发送遥测帧；S4，混合基站统计时间片内接收的遥测帧数；S5，各个混合基站泛洪发送遥测计数帧；S6，每个混合基站接收遥测计数帧进行滑动窗口计数，标记出无人机的活动基站；S7，各个混合基站与活动基站进行比较，如果二者是同一个混合基站，则该混合基站标记自己为当前活动基站；S8，进入下一个时间片进行下一轮滑动窗口计数。本发明通信范围广，使用成本低；利用滑动窗口计数的方式，解决了无人机对最合适基站的选择问题。

Description

基于分布式滑动窗口计数的无人机蜂窝通信基站选择方法
技术领域
本发明属于无人机通信技术领域，具体涉及一种基于分布式滑动窗口计数的无人机蜂窝通信基站选择方法。
背景技术
随着无人机技术的发展，无人机不再简单应用于影视拍摄、微型自拍等方面，在农业、物流、灾难救援、观察野生动物、监控传染病、测绘、新闻报道、电力巡检等领域均有应用，中远距离无人机测控问题也越发得到关注。
受制于通信体制的限制，地面通信网络(如4G、WiFi等)无法适用于无人机测控领域。目前用于无人机测控的信道模式有卫星通信模式和电台通信模式。市场上大多数无人机都采用电台通信模式，无人机通过无线电台与控制台连接，其缺点是通信距离受限，一般不超过50公里，不能满足中远距离无人机的测控。少部分无人机采用卫星通信模式，无人机携带卫星终端，通过卫星信道直接连接控制台，其缺点是需要无人机本身携带卫星终端，成本高昂。另外，大部分卫星终端体积大、重量大，需占用无人机的有限载荷量；极少数卫星终端虽然体积较小，但是其码速率低，不能满足图传需求。现阶段没有单位和个人对无人机使用混合基站蜂窝通信，与其相对应的利用滑动窗口计数方式选择基站的方式也没有出现过。
发明内容
为了解决现有技术存在的上述问题，本发明目的在于提供一种基于分布式滑动窗口计数的无人机蜂窝通信基站选择方法，利用混合基站蜂窝通信架构，解决了电台通信模式下无人机测控范围过小的问题，解决了卫星通信模式下卫星终端成本高昂的问题，同时使无人机在飞行过程中能够选择最合适的基站进行通信。
本发明所采用的技术方案为：基于分布式滑动窗口计数的无人机蜂窝通信基站选择方法，包括以下步骤：
S1，搭建混合基站；
S2，利用混合基站构建蜂窝通信网络；
S3，各个无人机向通信范围内的各个混合基站发送遥测帧，所述遥测帧包括无人机编号Num、时间戳t、遥测帧号No和无人机遥测数据；
S4，各个混合基站根据设置的时间片Δt，以时间戳t为开始时间点，以T为结束时间点，统计开始时间点至结束时间点内接收的遥测帧数C，其中T＝t+Δt；
S5，各个混合基站泛洪发送不同无人机的遥测计数帧，所述遥测计数帧包括无人机编号Num、基站编号num、结束时间点T和遥测帧数C；
S6，每个混合基站接收其他混合基站发送的遥测计数帧，针对同一无人机在不同混合基站的遥测帧数进行滑动窗口计数，标记出该无人机的活动基站；
S7，各个混合基站与S6中标记的活动基站进行比较，如果二者是同一个混合基站，则该混合基站标记自己为该无人机的当前活动基站；如果二者不是同一个混合基站，则该混合基站标记自己为该无人机的非活动基站；
S8，进入下一个时间片Δt，进行下一轮滑动窗口计数。
作为优选方式，在S6中，所述滑动窗口计数具体为：针对同一无人机，根据混合基站总数m设计m个滑动窗口单元格队列，每个混合基站对应一个滑动窗口单元格队列，每个滑动窗口单元格队列包括若干个滑动窗口单元格，每个滑动窗口单元格包括无人机编号Num、基站编号num、结束时间点T和遥测帧数C；每个混合基站根据结束时间点T的顺序构建滑动窗口单元格队列，每个混合基站每接收一遥测计数帧时，该混合基站的滑动窗口单元格队列中增加1个滑动窗口单元格，若存在有延迟信息则进行插入操作，使滑动窗口单元格按照结束时间点T排序；每个滑动窗口单元格队列中第i个滑动窗口单元格用xi表示，第i个滑动窗口单元格xi中的遥测帧数用Ci表示；定义时间窗口τ，其中，τ＝n*Δt,n为滑动窗口单元格的数量，n≥1；将第i-n+1个滑动窗口单元格xi-n+1至第i个滑动窗口单元格xi中的遥测帧数进行累加，计算累加值sumCi，累加值sumCi＝Ci-n+1+…+Ci；标记所有滑动窗口单元格队列中累加值sumCi最大的队列所对应的混合基站为活动基站，并保存该活动基站的基站编号num。
作为优选方式，在S7中，标记出当前活动基站和非活动基站后，该无人机的前一活动基站在延迟一个时间片Δt后，自动切换为非活动基站。
本发明的有益效果为：
本发明提供了一种基于分布式滑动窗口计数的无人机蜂窝通信基站选择方法，通过混合基站蜂窝通信，解决了电台通信模式下无人机测控范围过小的问题，同时解决了卫星通信模式下卫星终端成本高昂的问题，由于无需携带卫星终端，相对增加了无人机可用载荷量。本发明利用混合基站泛洪发送遥测计数帧，同时利用分布式滑动窗口计数的方式，标记出无人机的活动基站和非活动基站，解决了无人机对最合适的混合基站的选择及切换问题，大大提高了无人机的测控质量；同时，为无人机选择一个活动基站可以防止混合基站向控制台重复传输大量无效信息，避免了卫星传输流量的浪费，避免了无效信息传输，提高卫星的合理利用率和无人机的信息传输效率。
附图说明
图1是本发明提供的一种基于分布式滑动窗口计数的无人机蜂窝通信基站选择方法的流程图；
图2是本发明提供的一种基于分布式滑动窗口计数的无人机蜂窝通信基站选择方法中混合基站蜂窝通信的拓扑图；
图3是本发明提供的一种基于分布式滑动窗口计数的无人机蜂窝通信基站选择方法中遥测计数帧的格式说明图；
图4是本发明提供的一种基于分布式滑动窗口计数的无人机蜂窝通信基站选择方法中滑动窗口单元格的具体说明图；
图5是本发明提供的一种基于分布式滑动窗口计数的无人机蜂窝通信基站选择方法中滑动窗口单元格队列的具体说明图。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步阐述。
如图1所示，本实施例提供了一种基于分布式滑动窗口计数的无人机蜂窝通信基站选择方法，包括以下步骤：
S1，搭建混合基站，实现混合基站与无人机之间的通信，同时实现混合基站与中继卫星之间的通信，进而解决无人机与控制台之间的通信。
S2，利用混合基站构建蜂窝通信网络。如图2所示，在蜂窝通信网络中，以单个混合基站为圆心，单个混合基站可覆盖半径为10～250公里的圆形区域，通过合理布局使多个混合基站覆盖更大的区域，为了防止某些区域未覆盖，混合基站之间的覆盖区域有交叉。利用混合基站蜂窝通信，其信号覆盖面积广，提高无人机的可测控范围。
S3，各个无人机向通信范围内的各个混合基站发送遥测帧，所述遥测帧包括无人机编号Num、时间戳t、遥测帧号No和无人机遥测数据。
S4，各个混合基站根据设置的时间片Δt，以时间戳t为开始时间点，以T为结束时间点，统计开始时间点至结束时间点内接收的遥测帧数C，其中T＝t+Δt。在一个时间片Δt内，各个混合基站统计接收的遥测帧数C。
S5，各个混合基站泛洪发送不同无人机的遥测计数帧，所述遥测计数帧包括无人机编号Num、基站编号num、结束时间点T和遥测帧数C。其中，遥测计数帧的具体格式如图3所示。
S6，每个混合基站接收其他混合基站发送的遥测计数帧，针对同一无人机在不同混合基站的遥测帧数进行滑动窗口计数，标记出该无人机的活动基站。由于无人机在飞行过程中途经多个混合基站，所以会存在最合适的混合基站的切换问题，通过使用滑动窗口计数的方式，能够解决无人机在飞行过程中对混合基站的选择问题，保证无人机能够顺利进行测控。
其中，所述滑动窗口计数具体为：如图4和图5所示，针对同一无人机，根据混合基站总数m设计m个滑动窗口单元格队列，每个混合基站对应一个滑动窗口单元格队列，每个滑动窗口单元格队列包括若干个滑动窗口单元格，第i个滑动窗口单元格用xi表示，每个滑动窗口单元格包括无人机编号Num、基站编号num、结束时间点T和遥测帧数C；每个混合基站根据结束时间点T的顺序构建滑动窗口单元格队列，每个混合基站每接收一遥测计数帧时，该混合基站的滑动窗口单元格队列中增加1个滑动窗口单元格，若存在有延迟信息则进行插入操作，使滑动窗口单元格按照结束时间点T排序；每个滑动窗口单元格队列中第i个滑动窗口单元格用xi表示，第i个滑动窗口单元格xi中的遥测帧数用Ci表示；定义时间窗口τ，其中，τ＝n*Δt,n为滑动窗口单元格的数量，n≥1；将第i-n+1个滑动窗口单元格xi-n+1至第i个滑动窗口单元格xi中的遥测帧数进行累加，计算累加值sumCi，累加值sumCi＝Ci-n+1+…+Ci；标记所有滑动窗口单元格队列中累加值sumCi最大的队列所对应的混合基站为活动基站，并保存该活动基站的基站编号num。
S7，各个混合基站与S6中标记的活动基站进行比较，如果二者是同一个混合基站，则该混合基站标记自己为该无人机的当前活动基站；如果二者不是同一个混合基站，则该混合基站标记自己为该无人机的非活动基站。具体地，各个混合基站根据基站编号num与S6中标记的活动基站的基站编号num进行比较。优选地，为了避免遥测数据的丢失，标记出当前活动基站和非活动基站后，该无人机的前一活动基站在延迟一个时间片Δt后，自动切换为非活动基站。
对于不同的无人机编号Num，重复步骤S6-S7，直至找到所有无人机的当前活动基站。
S8，进入下一个时间片Δt，滑动窗口向前移动一个滑动窗口单元格，进行下一轮滑动窗口计数，使无人机在飞行过程中能够选择最合适的混合基站进行通信。
本发明通过混合基站蜂窝通信，解决了电台通信模式下无人机测控范围过小的问题，同时解决了卫星通信模式下卫星终端成本高昂的问题，由于无需携带卫星终端，相对增加了无人机可用载荷量。本发明利用混合基站泛洪发送遥测计数帧，同时应用滑动窗口计数的方式，标记出无人机的活动基站和非活动基站，解决了无人机对最合适的混合基站的选择及切换问题，大大提高了无人机的测控质量；同时，为无人机选择一个活动基站可以防止混合基站向控制台重复传输大量无效信息，避免了卫星传输流量的浪费，避免了无效信息传输，提高卫星的合理利用率和无人机的信息传输效率。
本发明不局限于上述可选的实施方式，任何人在本发明的启示下都可得出其他各种形式的产品。上述具体实施方式不应理解成对本发明的保护范围的限制，本发明的保护范围应当以权利要求书中界定的为准，并且说明书可以用于解释权利要求书。

Claims (3)

1.基于分布式滑动窗口计数的无人机蜂窝通信基站选择方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1，搭建混合基站；
S2，利用混合基站构建蜂窝通信网络；
S3，各个无人机向通信范围内的各个混合基站发送遥测帧，所述遥测帧包括无人机编号Num、时间戳t、遥测帧号No和无人机遥测数据；
S4，各个混合基站根据设置的时间片Δt，以时间戳t为开始时间点，以T为结束时间点，统计开始时间点至结束时间点内接收的遥测帧数C，其中T＝t+Δt；
S5，各个混合基站泛洪发送不同无人机的遥测计数帧，所述遥测计数帧包括无人机编号Num、基站编号num、结束时间点T和遥测帧数C；
S6，每个混合基站接收其他混合基站发送的遥测计数帧，针对同一无人机在不同混合基站的遥测帧数进行滑动窗口计数，标记出该无人机的活动基站；
S7，各个混合基站与S6中标记的活动基站进行比较，如果二者是同一个混合基站，则该混合基站标记自己为该无人机的当前活动基站；如果二者不是同一个混合基站，则该混合基站标记自己为该无人机的非活动基站；
S8，进入下一个时间片Δt，进行下一轮滑动窗口计数。
2.根据权利要求1所述的基于分布式滑动窗口计数的无人机蜂窝通信基站选择方法，其特征在于，在S6中，所述滑动窗口计数具体为：针对同一无人机，根据混合基站总数m设计m个滑动窗口单元格队列，每个混合基站对应一个滑动窗口单元格队列，每个滑动窗口单元格队列包括若干个滑动窗口单元格，每个滑动窗口单元格包括无人机编号Num、基站编号num、结束时间点T和遥测帧数C；每个混合基站根据结束时间点T的顺序构建滑动窗口单元格队列，每个混合基站每接收一遥测计数帧时，该混合基站的滑动窗口单元格队列中增加1个滑动窗口单元格，若存在有延迟信息则进行插入操作，使滑动窗口单元格按照结束时间点T排序；每个滑动窗口单元格队列中第i个滑动窗口单元格用xi表示，第i个滑动窗口单元格xi中的遥测帧数用Ci表示；定义时间窗口τ，其中，τ＝n*Δt,n为滑动窗口单元格的数量，n≥1；将第i-n+1个滑动窗口单元格xi-n+1至第i个滑动窗口单元格xi中的遥测帧数进行累加，计算累加值sumCi，累加值sumCi＝Ci-n+1+…+Ci；标记所有滑动窗口单元格队列中累加值sumCi最大的队列所对应的混合基站为活动基站，并保存该活动基站的基站编号num。
3.根据权利要求2所述的基于分布式滑动窗口计数的无人机蜂窝通信基站选择方法，其特征在于，在S7中，标记出当前活动基站和非活动基站后，该无人机的前一活动基站在延迟一个时间片Δt后，自动切换为非活动基站。
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