CN111510933A - 一种多定向天线的自组网分簇方法 - Google Patents

一种多定向天线的自组网分簇方法 Download PDF

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CN111510933A CN202010301424.7A CN202010301424A CN111510933A CN 111510933 A CN111510933 A CN 111510933A CN 202010301424 A CN202010301424 A CN 202010301424A CN 111510933 A CN111510933 A CN 111510933A
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Abstract

本发明公开了一种多定向天线的自组网分簇方法，包括：对多无人平台组网急性初始化，多无人平台组网的节点开机后，为每一个节点装订关键信息；每一所述节点根据各自的所述关键信息判断是否侦听到现有网络信息；若是，则发送入网请求信息申请加入；若否，则该节点升为簇头节点，且广播入网邀请信息帧；所述簇头节点判决入网；网络业务维持：每一所述节点组网完成后，进入业务流程；在每个通信周期末，进行本簇内所述簇头节点自适应更新及添加备份簇头节点；每一个通信周期末，所述簇头节点依次与本簇内各节点进行交互，完成时间校准和位置校准，维持网络进入下一通信周期。本发明保证链路持续可用同时提高了自组织网络的网络利用率。

Description

一种多定向天线的自组网分簇方法
技术领域
本发明涉及无线通信技术领域，特别是涉及一种多定向天线的自组网分簇方法。
背景技术
自组织网络技术在无线环境下的星间组网、弹间组网、无人船间组网及无人机间组网等多无人平台间组网领域广泛应用。传统的，多无人平台间组网一般采用全向天线进行点对点的业务传输，这会带来两方面的风险：一是，作战环境下位置信息容易被敌方发现，存在潜在危险；二是，对周边其它无人平台造成通信干扰。由于定向天线可以在空间上指向目标期望的无人平台，在保障信息安全、降低能量要求及避免节点间干扰等方面具有技术优势。同时，采用多个定向天线可以实现广域覆盖并提高通信容量，所以多无人平台间采用多个高增益定向天线组网成为当前移动自组网技术的重要发展方向。多无人平台间组网协同执行任务的过程中，由于网络中节点不断移动网络拓扑发生快速变化，这经常会引发网络利用率低和性能下降的问题。如果不能保证节点移动状态下的链路持续可用和网络拓扑的鲁棒能力，则网络性能会受到很大影响。
发明内容
本发明的目的在于提供一种多定向天线的自组网分簇方法，实现优化多无人平台间自组网的建立过程，通过自适应管理配置，降低多无人平台网间组网通信失败率的目的。
为了实现以上目的，本发明通过以下技术方案实现：
一种多定向天线的自组网分簇方法，包括：
步骤S1、对多无人平台组网急性初始化，所述多无人平台组网的节点开机后，为每一个所述节点装订关键信息；
步骤S2、每一所述节点根据初始化后的所述关键信息中的侦听时间侦听预设时间段，并判断是否侦听到现有网络信息；若是，则进入步骤S3；若否，则进入步骤S4；
步骤S3、等待当前网络中的所述簇头节点的回复后，则该节点可加入所述现有网络；
步骤S4、根据随机侦听时间，将所有所述节点中的最先结束侦听的节点升为簇头节点，并采用所述簇头节点进行广播入网邀请信息帧，等待邻节点入网；
步骤S5、根据所述入网邀请信息帧，所述簇头节点判决入网；
步骤S6、网络业务维持：每一所述节点组网完成后，进入业务流程；
步骤S7、在每个通信周期末，进行本簇内所述簇头节点自适应更新及添加备份簇头节点；
步骤S8、网络维持，每一个通信周期末，所述簇头节点依次与本簇内各节点进行交互，完成时间校准和位置校准，维持网络进入下一通信周期。
可选地，每一所述节点的关键信息包括：身份信息、实时位置信息和通信半径。
可选地，所述步骤S4还包括：所述簇头节点周期性地使用自身的多个定向天线向周边的节点广播所述簇头节点的身份信息、实时位置信息、簇头标识和本簇内节点容量。
可选地，所述步骤S4进一步包括：簇头节点使用三个定向天线为一组顺序多次发送入网邀请信息；所述三个定向天线连线构成等边三角形，簇头节点位于所述等边三角形的中心，使得位于所述簇头节点周围360度方向其他节点能够收到所述入网邀请信息，等待其他节点的入网申请信息。
可选地，所述步骤S5包括：所述簇头节点接收到未入网节点的入网请求信息后，通过计算节点间距离和当前本簇内节点容量，判断是否接收该节点入网，同意入网则加入邻节点信息表，否则直接对该信息扔包处理。
可选地，所述步骤S5还包括：所述簇头节点使用所述三个定向天线同时在360度范围内接收到未入网节点的入网请求信息。接收到所述入网请求信息后，若当前本簇内节点容量已满，则直接进行信息丢包处理。若当前本簇内节点容量未满，则计算所述簇头节点与周边节点距离是否在所述通信半径范围内，如果不在所述通信半径范围内，则进行信息丢包处理；如果在所述通信半径范围内，则将该节点加入所述簇头节点的邻节点信息表；通过入网请求节点位置信息经纬高和所述簇头节点的所述三个定向天线坐标信息计算确定波束指向，发送入网应答信息接纳该节点入网成为簇成员，建立起通信链路，并可以在业务传输过程开始数据通信。
可选地，所述步骤S5进一步包括：如果出现多个定向天线接收到信息的情况，则通过比较信号能量和链路信噪比，选择多次判定为信号能量强度和信噪比大的所述定向天线作为与当前节点通信的天线。
可选地，所述入网请求信息包括：当前未入网节点的位置信息和身份信息；或者，所述入网请求信息进一步包括：所述簇头节点发出的本簇时隙划分、簇成员编号和占用时隙。
可选地，所述步骤S6包括：依据所述邻节点信息表和节点身份信息，确定使用的定向天线及其波束指向完成业务通信和邻节点状态信息更新。
可选地，所述步骤S7包括：根据簇头节点选举规则进行本簇内所述簇头节点自适应更新及添加备份簇头节点；
所述簇头节点选举规则包括：步骤S7.1、所述簇内节点通过所述邻节点信息表和其自身的位置信息，计算本节点与其他成员节点的距离信息的平方和最小的为所述簇头节点，次小的为所述备份簇头；
步骤S7.2、当出现节点距离计算结果一致时，则再次计算本节点到各节点通信链路质量和最高的为所述簇头节点，另一个为所述备份簇头节点；
步骤S7.3、当出现本节点与其他成员节点的距离和本节点到各节点通信链路质量都相同的情况时，则按照节点身份信息中唯一标识信息最小的为所述簇头节点，次小的为所述备份簇头节点。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
本发明所提供的一种多定向天线的自组网分簇方法，包括：步骤S1、对多无人平台组网急性初始化，所述多无人平台组网的节点开机后，为每一个所述节点装订关键信息；步骤S2、进行簇头初选：每一所述节点根据各自的所述关键信息判断是否侦听到现有网络信息；若是，则进入步骤S3；若否，则该节点升为簇头节点，进入步骤S4；步骤S3、发送入网请求信息申请加入；步骤S4、广播入网邀请信息帧；步骤S5、根据所述入网邀请信息帧，所述簇头节点判决入网；步骤S6、网络业务维持：每一所述节点组网完成后，进入业务流程；步骤S7、在每个通信周期末，进行本簇内所述簇头节点自适应更新及添加备份簇头节点；步骤S8、网络维持，每一个通信周期末，所述簇头节点依次与本簇内各节点进行交互，完成时间校准和位置校准，维持网络进入下一通信周期。由此可知，本发明能够优化使用多个定向天线的多无人平台间自组网的建立过程，解决网络拓扑结构动态变化导致的通信性能下降的问题，具备一定拓扑变化适应性和较好的网络重组能力，保证链路持续可用同时提高了自组织网络的网络利用率。
附图说明
图1为本发明一实施例提供的一种多定向天线的自组网分簇方法的流程示意图；
图2为本发明一实施例提供的多无人平台多个定向天线自组网示意图。
具体实施方式
以下结合附图1～2和具体实施方式对本发明提出的一种多定向天线的自组网分簇方法作进一步详细说明。根据下面说明，本发明的优点和特征将更清楚。需要说明的是，附图采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施方式的目的。为了使本发明的目的、特征和优点能够更加明显易懂，请参阅附图。须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容能涵盖的范围内。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
基于背景技术中对现有技术的分析，当前无人平台间组网主要存在由于网络拓扑结构动态变化而造成的链路不稳和网络性能下降的问题。本实施例提出一种基于多定向天线的自组网分簇方法，能解决网络拓扑结构动态变化导致的通信性能下降的问题，具备一定拓扑变化适应性和较好的网络重组能力，保证链路持续可用同时提高了自组织网络的网络利用率。
结合图1和图2所示，本实施例一种多定向天线的自组网分簇方法，包括：
步骤S1、对多无人平台组网急性初始化，所述多无人平台组网的节点开机后，为每一个所述节点装订关键信息；具体的，在本实施例中，每一所述节点的关键信息包括：节点的身份信息ID、实时位置信息Loc、通信半径Dmax、侦听时间t0+Δt。其中，身份信息ID包括本机唯一标识MAC地址、时隙(占用时隙)和波束等所有信息。实时位置信息Loc可以通过GPS/北斗定位获得，通信半径Dmax是指节点能够保证通信链路质量数据安全传输的最大距离，节点初始化后先进行一段时间的侦听t0+Δt，t0是所有节点的固定时间，Δt是一个微小的随机时间。
步骤S2、进行簇头初选：每一所述节点根据各自的所述关键信息判断是否侦听到现有网络信息；若是，则进入步骤S3；若否，则该节点升为簇头节点，进入步骤S4；步骤S3、发送入网请求信息申请加入；步骤S4、广播入网邀请信息帧。
具体的，所述步骤S2包括：每一所述节点根据初始化后的所述关键信息中的侦听时间侦听预设时间段，若侦听到现有网络信息，则进入所述步骤S3；否则，进入所述步骤S4；所述步骤S3包括：等待当前网络中的所述簇头节点的回复后即可入网；所述步骤S4包括：根据随机侦听时间最少，即某个节点最先结束侦听，则该节点该升为簇头节点，进行广播入网邀请信息帧，等待邻节点入网。
优选地，所述步骤S4还包括：所述簇头节点周期性地使用自身的多个定向天线向周边的节点广播所述簇头节点的身份信息ID、实时位置信息(此时指的是当前簇头节点位置信息Loc)、簇头标识和本簇内节点容量N_node。
优选地，所述步骤S4进一步包括：簇头节点使用三个定向天线为一组顺序多次发送入网邀请信息帧；所述三个定向天线(如图2所示的A/B/C)连线构成等边三角形，簇头节点位于所述等边三角形的中心，使得位于所述簇头节点周围360度方向其他节点能够收到所述入网邀请信息帧，等待其他节点的入网申请信息。通过所述步骤S2～步骤S4所述的过程可知，本实施例通过簇头初选(簇头节点初选)的方式可以实现节点快速入网及网络的建立，进一步地，簇头初选方法为，组网节点根据开机后装订的侦听时间t0+Δt随机侦听一段时间，若侦听到现有网络信息则发送入网请求信息申请加入，等待当前网络中簇头节点回复后即可入网。否则，根据随机侦听时间最少，即某个节点最先结束侦听，则该升为初选的簇头节点，并采用该初选的簇头节点进行广播入网邀请信息(入网邀请信息帧)，等待邻节点入网。
步骤S5、根据所述入网邀请信息帧，所述簇头节点判决入网。
具体的，所述步骤S5包括：所述簇头节点接收到未入网节点的入网请求信息后，通过计算节点间距离和当前本簇内节点容量N_node，判断是否接收该节点入网，同意入网则加入邻节点信息表，否则直接对该信息扔包处理。
优选地，所述步骤S5还包括：所述簇头节点使用所述三个定向天线同时在360度范围内接收到未入网节点的入网请求信息。接收到所述入网请求信息后，若当前本簇内节点容量N_node已满，则直接进行信息丢包处理。若当前本簇内节点容量N_node未满，则计算所述簇头节点与周边节点距离是否在所述通信半径Dmax范围内，如果不在所述通信半径Dmax范围内，则进行信息丢包处理；如果在所述通信半径Dmax范围内，则将该节点加入所述簇头节点的邻节点信息表；通过入网请求节点位置信息经纬高和所述簇头节点的所述三个定向天线坐标信息计算确定波束指向，发送入网应答信息接纳该节点入网成为簇成员，建立起通信链路，并可以在业务传输过程开始数据通信。
优选地，所述步骤S5进一步包括：如果出现多个定向天线接收到信息的情况，则通过比较信号能量和链路信噪比，选择多次判定为信号能量强度和信噪比大的所述定向天线作为与当前节点通信的天线。
优选地，所述入网请求信息包括：当前未入网节点的位置信息Loc和身份信息ID；或者，所述入网请求信息进一步包括：所述簇头节点发出的本簇时隙划分、簇成员编号和占用时隙等。
步骤S6、网络业务维持：每一所述节点组网完成后，进入业务流程。
具体的，所述步骤S6包括：依据所述邻节点信息表和节点身份信息，确定使用的定向天线及其波束指向完成业务通信和邻节点状态信息更新。
由此可知，根据步骤S5完成节点入网成簇后，节点间根据位置信息在各自占用时隙进行点对点业务传输，进一步地，业务传输可通过位置信息计算确定使用哪个定向天线，业务传输过程中实时更新各自位置信息、通信链路质量(信号能量强度、信噪比)。
步骤S7、在每个通信周期末，进行本簇内所述簇头节点自适应更新及添加备份簇头节点，由与多无人平台在执行任务过程中，网络拓扑会发生变化，原有的簇头节点因其位置的改变可能不适合当前网络拓扑，需要计算新的簇头。同时，为避免簇头突发毁坏建立备份簇头增加网络鲁棒性。由此本实施例过所述步骤S7达到上述目的。
具体的，所述步骤S7包括：根据簇头节点选举规则进行本簇内所述簇头节点自适应更新及添加备份簇头节点。
所述簇头节点选举规则包括：步骤S7.1、所述簇内节点通过所述邻节点信息表和其自身的位置信息，计算本节点与其他成员节点的距离信息的平方和最小的为所述簇头节点，次小的为所述备份簇头。
步骤S7.2、当出现节点距离计算结果一致时，则再次计算本节点到各节点通信链路质量和最高的为所述簇头节点，另一个为所述备份簇头节点。
步骤S7.3、当出现本节点与其他成员节点的距离和本节点到各节点通信链路质量都相同的情况时，则按照节点身份信息中唯一标识信息最小的为所述簇头节点，次小的为所述备份簇头节点。
需特别说明的是，本实施例可以应用在多无人平台间组网，如军用弹间组网领域、无人船间组网领域、无人机间组网领域以及车联网领域等多种场景。在不同的应用领域中，本实施例所述的节点可代指不同的具体事物。本实施例所述的通信半径Dmax代表节点间的最大无线传输距离，即在不同场景下由不同的因素所决定的，并能保证通信数据传输质量的最大安全距离，如果两个节点间的通信距离小于通信半径，则判断这两个节点互为邻近节点，否则无法正常通信，互为邻近节点的节点可以成为一簇，簇头节点从其中选举产生。具体的，无人机间/无人船间/弹间组网领域中节点代表无人机/无人船或导弹，通信半径表示机间/船间/弹间最大无线通信距离。
图2所示的多个节点使用三个定向天线进行自组网传输的示意图，图中包括一通信区域100，位于所述通信区域100内部的1个簇头节点101和1个备份簇头节点102和成员节点200共计N+1个节点。每个节点都具有A、B、C三个定向天线覆盖周围360度区域，根据不同时刻的网络拓扑变化计算波束方向选择定向天线进行定向通信。
步骤S8、网络维持，每一个通信周期末，所述簇头节点依次与本簇内各节点进行交互，完成时间校准(精校时)和位置校准，维持网络进入下一通信周期。即簇头节点在精同步时隙确定业务时隙通信天线，维持网络进入下一周期。
综上所述，本发明所提供的一种多定向天线的自组网分簇方法，包括：步骤S1、对多无人平台组网急性初始化，所述多无人平台组网的节点开机后，为每一个所述节点装订关键信息；步骤S2、进行簇头初选：每一所述节点根据各自的所述关键信息判断是否侦听到现有网络信息；若是，则进入步骤S3；若否，则该节点升为簇头节点，进入步骤S4；步骤S3、发送入网请求信息申请加入；步骤S4、广播入网邀请信息帧；步骤S5、根据所述入网邀请信息帧，所述簇头节点判决入网；步骤S6、网络业务维持：每一所述节点组网完成后，进入业务流程；步骤S7、在每个通信周期末，进行本簇内所述簇头节点自适应更新及添加备份簇头节点；步骤S8、网络维持，每一个通信周期末，所述簇头节点依次与本簇内各节点进行交互，完成时间校准和位置校准，维持网络进入下一通信周期。由此可知，本发明能够优化使用多个定向天线的多无人平台间自组网的建立过程，解决网络拓扑结构动态变化导致的通信性能下降的问题，具备一定拓扑变化适应性和较好的网络重组能力，保证链路持续可用同时提高了自组织网络的网络利用率。
应当注意的是，在本文的实施方式中所揭露的装置和方法，也可以通过其他的方式实现。以上所描述的装置实施方式仅仅是示意性的，例如，附图中的流程图和框图显示了根据本文的多个实施方式的装置、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序或代码的一部分，所述模块、程序段或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令，所述模块、程序段或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意，在有些作为替换的实现方式中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个连续的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，框图和/或流程图中的每个方框、以及框图和/或流程图中的方框的组合，可以用于执行规定的功能或动作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (10)

1.一种多定向天线的自组网分簇方法，其特征在于，包括：
步骤S1、对多无人平台组网急性初始化，所述多无人平台组网的节点开机后，为每一个所述节点装订关键信息；
步骤S2、每一所述节点根据初始化后的所述关键信息中的侦听时间侦听预设时间段，并判断是否侦听到现有网络信息；若是，则进入步骤S3；若否，则进入步骤S4；
步骤S3、等待当前网络中的所述簇头节点的回复后，则该节点可加入所述现有网络；
步骤S4、根据随机侦听时间，将所有所述节点中的最先结束侦听的节点升为簇头节点，并采用所述簇头节点进行广播入网邀请信息帧，等待邻节点入网；
步骤S5、根据所述入网邀请信息帧，所述簇头节点判决入网；
步骤S6、网络业务维持，每一所述节点组网完成后，进入业务流程；
步骤S7、在每个通信周期末，进行本簇内所述簇头节点自适应更新及添加备份簇头节点；
步骤S8、网络维持，每一个通信周期末，所述簇头节点依次与本簇内各节点进行交互，完成时间校准和位置校准，维持网络进入下一通信周期。
2.如权利要求1所述的多定向天线的自组网分簇方法，其特征在于，每一所述节点的关键信息还包括：身份信息、实时位置信息和通信半径。
3.如权利要求2所述的多定向天线的自组网分簇方法，其特征在于，
所述步骤S4还包括：所述簇头节点周期性地使用自身的多个定向天线向周边的节点广播所述簇头节点的身份信息、实时位置信息、簇头标识和本簇内节点容量。
4.如权利要求3所述的多定向天线的自组网分簇方法，其特征在于，
所述步骤S4进一步包括：簇头节点使用三个定向天线为一组顺序多次发送入网邀请信息；所述三个定向天线连线构成等边三角形，簇头节点位于所述等边三角形的中心，使得位于所述簇头节点周围360度方向其他节点能够收到所述入网邀请信息，等待其他节点的入网申请信息。
5.如权利要求4所述的多定向天线的自组网分簇方法，其特征在于，
所述步骤S5包括：所述簇头节点接收到未入网节点的入网请求信息后，通过计算节点间距离和当前本簇内节点容量，判断是否接收该节点入网，同意入网则加入邻节点信息表，否则直接对该信息扔包处理。
6.如权利要求5所述的多定向天线的自组网分簇方法，其特征在于，
所述步骤S5还包括：
所述簇头节点使用所述三个定向天线同时在360度范围内接收到未入网节点的入网请求信息；
接收到所述入网请求信息后，若当前本簇内节点容量已满，则直接进行信息丢包处理；
若当前本簇内节点容量未满，则计算所述簇头节点与周边节点距离是否在所述通信半径范围内，如果不在所述通信半径范围内，则进行信息丢包处理；如果在所述通信半径范围内，则将该节点加入所述簇头节点的邻节点信息表；通过入网请求节点位置信息经纬高和所述簇头节点的所述三个定向天线坐标信息计算确定波束指向，发送入网应答信息接纳该节点入网成为簇成员，建立起通信链路，并可以在业务传输过程开始数据通信。
7.如权利要求6所述的多定向天线的自组网分簇方法，其特征在于，
所述步骤S5进一步包括：如果出现多个定向天线接收到信息的情况，则通过比较信号能量和链路信噪比，选择多次判定为信号能量强度和信噪比大的所述定向天线作为与当前节点通信的天线。
8.如权利要求7所述的多定向天线的自组网分簇方法，其特征在于，
所述入网请求信息包括：当前未入网节点的位置信息和身份信息；或者，所述入网请求信息进一步包括：所述簇头节点发出的本簇时隙划分、簇成员编号和占用时隙。
9.如权利要求8所述的多定向天线的自组网分簇方法，其特征在于，所述步骤S6包括：依据所述邻节点信息表和节点身份信息，确定使用的定向天线及其波束指向完成业务通信和邻节点状态信息更新。
10.如权利要求9所述的多定向天线的自组网分簇方法，其特征在于，所述步骤S7包括：根据簇头节点选举规则进行本簇内所述簇头节点自适应更新及添加备份簇头节点；
所述簇头节点选举规则包括：步骤S7.1、所述簇内节点通过所述邻节点信息表和其自身的位置信息，计算本节点与其他成员节点的距离信息的平方和最小的为所述簇头节点，次小的为所述备份簇头；
步骤S7.2、当出现节点距离计算结果一致时，则再次计算本节点到各节点通信链路质量和最高的为所述簇头节点，另一个为所述备份簇头节点；
步骤S7.3、当出现本节点与其他成员节点的距离和本节点到各节点通信链路质量都相同的情况时，则按照节点身份信息中唯一标识信息最小的为所述簇头节点，次小的为所述备份簇头节点。
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