CN110691380A

CN110691380A - 一种降低软件定义无人机集群网络通信开销与时延的方法

Info

Publication number: CN110691380A
Application number: CN201911040966.7A
Authority: CN
Inventors: 黎海涛; 张昊
Original assignee: Beijing University of Technology
Current assignee: Beijing University of Technology
Priority date: 2019-10-30
Filing date: 2019-10-30
Publication date: 2020-01-14

Abstract

本发明公开了一种降低软件定义无人机集群网通信开销与时延方法。为降低缓存器合并处理时延，本发明设定中继节点缓存器时长阈值。若来自其他UAV节点的待转发数据包时长超过该阈值，则中继节点不进行数据包合并直接转发；否则，中继UAV节点把待转发数据包与本节点待发送数据包合并后发送到下一跳UAV节点。这样，通过UAV中继节点对数据包进行合并降低通信开销提高通信效率；同时设置缓存器时延降低时延，能够在数据包传输时延与报头开销之间获得合理折衷，提高了UAV节点和SDN控制器间的信息交互效率。

Description

一种降低软件定义无人机集群网络通信开销与时延的方法

技术领域

本发明涉及无人机网络领域，是一种提高软件定义无人机集群网络通信效率的方法。

背景技术

无人机(UAV)以其体积小、移动性强和成本低等优势在军事和民用方面得到了迅猛发展，军用方面包括侦查敌情、干扰敌方等，民用方面譬如森林火灾探测、交通监控、应急搜救等。然而，单无人机具有抗毁性弱和覆盖范围受限等缺点，这些因素都导致单无人机的通信可靠性不高。把多架无人机组成集群协同通信系统，共享网络资源、相互协作，共同完成相应的通信任务，可以有效解决这些问题。

无人机集群通信系统包含多个相互协同的无人机平台而具有数量优势，当无人机群中的部分无人机由于自身原因或者外部原因出现故障，其他无人机可以协助受损的无人机继续执行任务，这显著提高了无人机集群通信系统的可靠性。同时，借助于无人机集群的彼此协同，可以拓宽单人无机的覆盖范围，进而实现广域无线网络覆盖。

尽管无人机集群通信有着很大的发展潜力，但是也还存在一些尚未解决的关键性研究问题，譬如网络资源利用率较低、不同无人机间协同通信难、网络管控复杂等。具备灵活、开放、可编程等优势的软件定义网络(SDN)为解决上述问题提供了新思路。SDN是近年提出的一种全新的网络范式，网络架构由应用平面、控制平面、数据平面和管理平面构成。其基本特征包括：控制平面与数据平面分离；依靠逻辑集中的控制器进行网络配置；通过软件实现网络控制逻辑；具备标准化的编程接口。SDN受到ONF、IETF等标准化组织和众多互联网厂商的大力支持，且成功应用于数据中心网络(DCN)，其在5G、无线传感网(WSN)、车载自组织网(VANET)、以及物联网(IoT)等领域的应用也得到广泛研究。

把SDN应用于无人机集群网络将增强网络的灵活性和开放性，软件定义网络对网络设备进行集中控制，大大降低了控制UAV网络的难度。同时，控制平面能获得全网信息(譬如用户属性、网络需求变化和实时全网状态)，能够通过发送规则和修改网络设备的行为优化调度和调整资源分配、转发策略、无线配置等。且同一集群网络的所有UAV节点都相互协作完成共同任务，因此，集中控制的SDN是无人机集群网络的合理选择。

在软件定义UAV集群网络中，选取群首节点部署SDN控制器实现集中控制，在其他UAV节点部署SDN交换机完成数据转发功能，且这些UAV节点以多跳组网形式进行通信。每个UAV节点周期地把拓扑相关信息(例如邻居列表)传递给控制器，使得控制器具有网络的最新视图；若网络拓扑结构发生变化，则立即把相应拓扑信息上报至控制器，使得SDN控制器获知最新的网络拓扑。另一方面，SDN控制器可以向UAV节点查询链路容量等各种状态信息，而节点也需将查询到的信息反馈到SDN控制器节点。

可以看到，网内无人机节点与SDN控制器节点之间需要交互大量的数据信息，故SDN控制器与无人机之间的高效通信极其重要。特别是距离SDN控制器较远的UAV节点不能直接与控制器通信，需要通过中继UAV节点以多跳方式把数据包传输到SDN控制器，这导致较大的通信开销。因此，需要找到一种降低节点间数据传输开销的方法，达到提高软件定义UAV集群网络通信效率目的。

发明内容

本发明解决的技术问题是如何在一定缓存时延限制的条件下，降低软件定义无人机集群网络节点与SDN控制器之间通信开销，在中继节点时延—开销之间合理折衷。

本发明的基本原理为：UAV集群网络节点把数据包传送到SDN控制器过程中，中继节点先把接收到的待转发数据包与该节点发送数据包合并，减少数据包报头开销后再发送到目的UAV节点。中继UAV节点数据包报头合并策略可以显著地减少通信开销，但该节点需要设置缓存器来完成数据包合并操作而增大了时延。为了在开销和时延之间进行合理折衷，本发明设定中继节点缓存器时长阈值。若来自其他UAV节点的待转发数据包时长超过该阈值，则中继节点不进行数据包合并直接转发；否则，中继UAV节点把待转发数据包与本节点待发送数据包合并后发送到下一跳UAV节点。

一种降低软件定义无人机集群网络通信开销与时延方法，如图1，包括以下实现步骤：

步骤(1)：在无人机集群网络的群首节点部署SDN控制器，并在每个UAV设置定时器，周期地向控制器发送数据包。

步骤(2)：给定UAV集群网络第i跳中继节点的缓存器时间长度T_B的取值范围，测定不同缓存器时长值所对应的数据包传输时延T_d。

步骤(3)：给定第i跳中继节点的不同缓存器时长T_B，计算数据包合并后报头开销所占百分比。

步骤(4)：根据缓存时长—数据包时延和缓存时长—数据包开销关系的性能曲线，设定能在第i跳无人机中继节点数据包传输时延和开销合理折衷的最优时长T_opt(i)为缓存时长阈值T_th(i)。

步骤(5)：中继UAV节点接收相邻节点的转发数据包，将与缓存时长阈值进行比较。

步骤(6)：若待转发数据包时长大于缓存时长阈值，则直接将其转发到下一跳UAV节点。

步骤(7)：若待转发数据包时长小于缓存时长阈值，则将其与中继节点本地数据包合并，并把合并后的数据包转发到下一跳UAV节点。

步骤(8)：根据定时器重复执行步骤(5)～(7)，直到所有数据包被传递到SDN控制器节点。

有益效果

本发明提出的软件定义无人机集群网通信开销与时延设计方法，通过UAV中继节点对数据包进行合并降低通信开销，提高通信效率；同时设置缓存器时延宽度，解决数据包合并引入的时延问题，能够在数据包传输时延——报头开销之间获得合理折衷，有利于UAV节点和SDN控制器间的信息交互。

附图说明

图1为实施步骤。

图2为软件定义无人机集群网络示意图。

图3为数据包时长。

图4为报头开销——缓存时延性能曲线示意图。

具体实施方式

考虑如图2所示的软件定义的无人机集群网络架构，UAV节点a发送数据包通过中继节点b到达SDN控制器节点，UAV节点c发送数据包通过中继节点d到达SDN控制器节点。中继节点发送数据包和转发的数据包如图3(a)，由数据净荷和报头开销组成。在中继节点端合并前的数据包如图3(b)，合并后的数据包如图3(c)，可以看到合并数据包的报头开销减小，数据包持续时间缩短。

本发明的具体实现步骤为：

步骤(1)：在无人机集群网络的群首节点e部署SDN控制器，在每个UAV设置定时器，每隔1s地向控制器发送更新数据包。

步骤(2)：在UAV集群网络的a—>b—>e传输链路，设定第1跳中继节点b的缓存器时间长T_B的取值范围为{T,1.1T,…,3T},T＝10ms，测得对应的数据包传输时延T_d＝{10.5ms,12ms,…,22ms}。

步骤(3)：在UAV集群网络的a—>b—>e传输链路，设定第1跳中继节点b的缓存器时间长T_B的取值范围为{T,1.1T,…,3T},T＝10ms，根据数据包合并后报头减小的开销，计算出对应的合并数据包报头开销时长与整个数据包时长之比值分别为{0.2,0.18,…,0.1}。可以看到，数据包报头开销所占百分比值递减，这是因为，随着缓存器时长增大，容纳的转发数据包越多，则数据包报头被合并越多，报头开销在数据包中所占比例逐渐降低而提高了传输效率。

步骤(4)：根据缓存时长—数据包时延和缓存时长—数据包开销关系的性能曲线，选择二曲线相交处的缓存时长作为最优时长，如图4。当T_B＝2.6T＝26ms作为无人机中继节点i最优缓存时长T_opt(i)，该值能够在节点数据包传输时延和开销方面获得合理折衷。

步骤(5)：中继UAV节点接收相邻节点的待转发数据包，其时长15ms，与缓存时长阈值26ms进行比较。

步骤(6)：若待转发数据包时长大于缓存时长阈值，则直接将其转发到下一跳UAV节点。(本次条件不成立，故不执行)

步骤(7)：因转发数据包时长小于缓存时长阈值，则将其与中继节点在对应时长15ms内要发送的数据包进行合并，并把合并后时长为22ms数据包转发到下一跳UAV节点。

步骤(8)：重复步骤(5)～(7)，直到数据包被传递到SDN控制器节点。

Claims

1.一种降低软件定义无人机集群网络通信开销与时延的方法，其特征在于，包括以下实现步骤：

步骤(1)：在无人机集群网络的群首节点部署SDN控制器，并在每个UAV节点设置定时器，周期地向控制器发送数据包；

步骤(2)：给定UAV集群网络第i跳中继节点的缓存器时间长度T_B的取值范围，测定不同缓存器时长值所对应的数据包传输时延T_d；

步骤(3)：给定第i跳中继节点的不同缓存器时长T_B，计算待转发与本地数据包合并后报头开销所占百分比；

步骤(4)：根据缓存时长—数据包时延和缓存时长—数据包开销关系的性能曲线，设定UAV节点数据包传输时延和开销合理折衷的最优缓存时长T_opt为阈值T_th；

步骤(5)：中继UAV节点接收相邻节点转发的数据包，将其时长与缓存时长阈值进行比较；

步骤(6)：若待转发数据包时长大于缓存时长阈值，则直接将其转发到下一跳UAV节点；

步骤(7)：若待转发数据包时长小于缓存时长阈值，则将其与中继节点本地数据包合并，并把合并后的数据包转发到下一跳UAV节点；

2.根据权利要求1所述的一种降低软件定义无人机集群网络通信开销与时延的方法，其特征在于，所述的最优缓存时长T_opt即为缓存时长—数据包时延性能曲线和缓存时长—数据包开销关系性能曲线的交点对应的时长。