CN111586785A - 一种跨介质异构无人集群系统分簇路由方法 - Google Patents

一种跨介质异构无人集群系统分簇路由方法 Download PDF

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Abstract

本发明提出了一种跨介质异构无人集群系统分簇路由方法，属于异构无人集群系统组网领域。本发明对空海环境下的UAV、USV、UUV集群节点进行轮次分簇，其中USV节点具备声波与无线电双信道特性。在每个分簇周期内，USV节点将进行优先分簇，经过簇头竞争，簇成员确定，选出簇头节点、网关节点与簇成员节点。UAV节点与UUV节点分别等待相应的时间，在USV节点完成分簇收敛后，根据USV节点簇头位置分布，完成各自集群的簇头、簇成员、网关节点的选举。分簇完成后，根据簇内协议与簇间协议，充分利用USV节点双信道特性，形成有效的跨介质通信链路。通过本发明所述的分簇路由方法，能够实现空海环境下跨介质异构无人集群系统的有效组网，延长网络的生存时间，提高节点间的远距离传输速率。

Description

一种跨介质异构无人集群系统分簇路由方法
技术领域
本发明属于异构无人集群系统组网领域，主要涉及在空-海跨介质环境下UAV(Unmanned Aerial Vehicle，无人机)、USV(Unmanned Surface Vehicle，无人船)、UUV(Unmanned Underwater Vehicle，无人潜航器)三种无人节点集群系统的分簇与路由方法。
背景技术
为获取海上资源，无论是在民用领域还是军用领域，各个国家越来越重视空海环境下的系统作业能力，对基于空海环境下拥有空中UAV、水面USV、水下UUV的全方位无人集群系统需求日益上升。该无人集群系统具有跨介质通信、节点集群化、节点类型异构、网络类型异构等特点，故设计适用于空海环境下的跨介质异构无人集群系统组网方法，使得空海环境下的无人集群系统能够有效完成跨介质异构网络通信，具有重要意义。
空海环境下，现有协同通信系统的技术方法主要为建立由空中无人机节点，水面浮标节点，水下无人潜航器节点构成的跨介质通信系统，当数据需要由空中无人机节点传输至水下无人潜航器节点时，浮标节点将会作为中继节点将空中的无线电信号进行转化，向水下无人潜航器节点发送声信号。
以下文献介绍了目前空海环境下，跨介质异构系统通信技术的方法：
[1]Zheng S,Wang X,Jiang W,et al.Lake trial of an underwater acousticcross-media network testbed[C]//IEEE International Conference on SignalProcessing. IEEE,2017.
[2]专利“一种跨介质通信的海空协同监测系统及其使用方法”.中国专利，公开号： 107231181A，公告日：2017-10-03.
文献[1]提出了一种跨介质通信系统并进行了实际测试，在一个湖中安装了四个水下节点，一个水面节点，并在湖岸安装了一个地面节点，使用其中一个水下节点向其他三个水下节点发送声信号，其他三个水下节点接收该声信号并转发至水面节点，水面节点接收该声信号并转化为无线电信号发送至地面节点。该实验表明水下声通信的速率远低于水上无线电通信速率。文献[2]提出了一种跨介质通信的海空协同监测系统，包括水下监测装置、水面监测装置和浮标中继装置。
上述文献存在以下问题：
(1)集中讨论单个水上节点-单个水面节点-单个水下节点的跨介质通信方法设计，尚未对大规模的UAV、USV、UUV组成的集群化异构跨介质系统进行组网方式设计，缺乏有效的组网方式。
(2)由于系统存在水上节点、水面节点、水下节点三类不同的节点和空气与水两种不同的通信介质，且水介质中声信号的传输速率远低于空气介质中无线电信号传输速率，如果仅仅利用水面节点完成介质转换的中继通信任务，那么在节点数目较多的情况下，水下节点将无法利用空气介质中无线电信号的性能优势来提高水下节点的远距离传输性能，从而降低整个系统的通信性能。
(3)系统没有分簇思想，在大规模节点环境下节点间产生的通信碰撞较高，且路由开销较大，对于节点能量没有考虑负载均衡，不能有效延长网络生存时间。
发明内容
鉴于现有技术方法都只关注于单独的UAV，USV，UUV节点单条数据链的跨介质传输方式，而没有从多节点角度出发，考虑集群化跨介质节点间的通信方法。本发明提供了一种适用于跨介质异构集群系统分簇方法，能够使得UAV、USV、UUV节点实现簇头通信范围全覆盖，簇头分布不重叠，且使得靠近USV节点的UAV、UUV节点更有机会成为簇头，为跨介质通信提供更多链路选择。
本发明技术方法为一种跨介质异构无人集群系统分簇路由方法，该方法包含以下步骤：
步骤1：节点判断自身类型，根据UAV，USV，UUV的分类执行下一步操作；
如果是USV节点则进入步骤2，且USV节点下列过程中，均同时产生无线电信号和声信号，实现水上和水下介质的全方位广播通信；
如果是UAV节点则在等待T3时间后，若收到来自USV的簇头确认广播包，则进入步骤3，若未收到USV的簇头确认广播包，则进入步骤2；
如果是UUV节点则在等待T4时间后，若收到来自USV的簇头确认广播包，则进入步骤4，若未收到USV的簇头确认广播包，则进入步骤2；
其中，T3<T4；
步骤2：节点优先进行分簇操作，随机产生0-1的随机数值，如果该数字小于阈值T(n)，则成为步骤3，否则成为进入步骤5；
T(n)计算公式如下：
Figure RE-GDA0002543394830000021
其中，p为预期的簇头百分比，在分簇开始前设定簇头产生概率p(0<p<1)，r为当前轮数，G是最近1/p轮里没有成为簇头的节点的集合，mod为求余运算，rmod(1/p)表示r除以(1/p)的余数；
步骤3：节点成为预备簇头节点，生成0-100之间的随机整数A1，向通信范围内节点发送簇头竞争广播包，其中簇头竞争广播包中含有随机数A1，等待T1时间；若在T1时间内收到其他节点发送的簇头竞争广播包，则根据簇头竞争广播包内容，记录收到的随机数 A2、A3、A4……An；若节点未收到簇头竞争广播包或者生成随机数A1≥A2、A3、A4……An，则进入步骤4；若节点生成随机数A1<A2、A3、A4……An，进入步骤5；
步骤4：节点成为簇头节点，向通信范围内的节点发送簇头确认广播包，进入步骤7；
步骤5：节点成为预备簇成员节点，若收到簇头确认广播包的数量n＝1，记录该簇头节点信息，成为簇成员节点；若收到的簇头确认广播包的数量n>1，记录所收到的簇头广播包所属簇头节点信息，加入信号强度最大的簇头确认广播包所属簇头节点簇群，成为网关节点，进入步骤7；若未收到簇头确认广播包，进入步骤6；
步骤6：节点成为游离节点，发送超时应答包，若在T2时间内收到超时应答包，则判断超时应答包来源，若包含簇头，则选择信号最强的簇头超时应答包所属节点作为簇头，若不包含簇头，则进入步骤4；若在T2时间内未收到超时应答包，则重复步骤6；
步骤7：完成分簇过程后，节点若接收游离节点的超时广播包，则发送超时应答包；簇内节点之间采用TDMA(Time Division Multiple Access，时分多址)，簇成员之间通过簇头转发的方式完成通信，其中簇内节点包括：簇头、簇成员节点；
步骤8：簇间节点采用CSMA/CA(Carrier Sense Multiple Access withCollision Avoid，带有冲突避免的载波侦听多路访问)，簇间节点包括：簇头、网关节点，其中USV节点在通信过程中，若有发包任务，将在同一时刻，向水上网络发送无线电信号，向水下网络发送声波信号；USV节点将全程接收来自水上的无线电信号与水下的声信号；当某簇群所属节点需要与其他簇群节点进行通信时，由簇头节点在通信范围内向网络广播RREQ广播帧，其他节点第一次收到RREQ广播帧请求后，记录该RREQ广播帧源节点信息，判断自身是否为目的节点，若为目的节点，进入步骤10，否则进入步骤9；
由于节点只对第一次收到的RREQ广播帧进行记录、判断、与回应，故在链路建立时，当前环境下传输时效性最佳的链路将会成为本次通信的链路；(即在远距离通信任务下，水声- 无线电-水声较水声-水声-水声的远距离多跳跨介质链路更易形成)。
步骤9：若该节点为网关节点或簇头节点，则继续转发该RREQ路由请求；否则删除该条 RREQ广播帧，释放存储空间；
步骤10：目的节点生成RREP应答帧，广播至通信范围内节点，若其余节点收到RREP应答帧，判断该RREP应答帧单向链路节点是否为自身，若是，则向步骤8中记录的RREQ广播帧源节点信息发送RREP应答帧，完成反向路由链路建立；否则，删除该条RREP应答帧，释放存储空间；
步骤11：RREP应答帧发送至源节点，完成链路建立，源节点按照建立的链路发送数据包，完成通信；
步骤12：等待T5时间，进入下一轮簇头选举，所有节点清除簇头、簇成员、网关身份，进入步骤1；
其中，T3<T4＜＜T5。
上述步骤1-步骤7算法流程图如图4所示。
如上所述，本发明跨介质异构无人集群系统分簇路由方法，具有以下有益效果:
1.本发明具备大规模跨介质异构无人集群系统组网功能，能够为大规模集群化的UAV、USV、 UUV提供有效的跨介质组网方法。
2.本发明具备跨介质异构无人集群系统分簇功能，能够使得空海环境下的不同节点根据自身特性完成自适应分簇，确定簇头节点、簇成员、网关节点。簇头节点的选举与轮换，能够有效均衡节点的网络负载，延长网络生存时间。
3.本发明的分簇方法将使得USV优先完成分簇过程，并使得靠近“USV-簇头节点”的UAV 节点更有可能成为“UAV-簇头节点”，靠近“USV-簇头节点”的UUV节点直接成为“UUV-簇头节点”，这将使得跨介质通信链路数量增多，提高跨介质通信的稳定性。
4.本发明具备跨介质异构无人集群系统簇间与簇内路由功能，能够使得系统的路由开销降低，节点间通信的碰撞概率降低。由于USV的水上水下同时通信，链路建立时采用了时间优先的建立机制，能够使得水下节点有效利用空气介质中无线电信号性能优势建立跨介质通信链路，以提高远距离水下节点间通信的速率。
附图说明
图1为跨介质异构无人集群系统USV分簇示意图。
图2为跨介质异构无人集群系统分簇完成示意图。
图3为跨介质异构无人集群系统路由过程示意图。
图4为跨介质异构无人集群系统分簇算法流程示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方法和优点更加清楚，下面结合实施方式和附图，对本发明作进一步地详细描述。
如图1所示，空海环境下，共存在3架UAV，4艘USV，6艘UUV。
步骤1：节点判断自身类型，根据UAV，USV，UUV的分类执行下一步操作；
如果是USV节点则进入步骤2，且USV节点下列过程中，均同时产生无线电信号和声信号，实现水上和水下介质的全方位广播通信；
如果是UAV节点则在等待T3时间后，若收到来自USV的簇头确认广播包，则进入步骤3，若未收到USV的簇头确认广播包，则进入步骤2；
如果是UUV节点则在等待T4时间后，若收到来自USV的簇头确认广播包，则进入步骤4，若未收到USV的簇头确认广播包，则进入步骤2；
其中，T3<T4；
步骤2：节点优先进行分簇操作，随机产生0-1的随机数值，如果该数字小于阈值T(n)，则成为步骤3，否则成为进入步骤5；
T(n)计算公式如下：
Figure RE-GDA0002543394830000051
其中，p为预期的簇头百分比，设定簇头产生概率p＝0.08，r为当前轮数，G是最近1/p轮里没有成为簇头的节点的集合，mod为求余运算，rmod(1/p)表示r除以(1/p)的余数；
步骤3：节点成为预备簇头节点，生成0-100之间的随机整数A1，向通信范围内节点发送簇头竞争广播包，其中簇头竞争广播包中含有随机数A1，等待T1时间；若在T1时间内收到其他节点发送的簇头竞争广播包，则根据簇头竞争广播包内容，记录收到的随机数 A2、A3、A4……An；若节点未收到簇头竞争广播包或者生成随机数A1≥A2、A3、A4……An，则进入步骤4；若节点生成随机数A1<A2、A3、A4……An，进入步骤5；
步骤4：节点成为簇头节点，向通信范围内的节点发送簇头确认广播包，进入步骤7；
步骤5：节点成为预备簇成员节点，若收到簇头确认广播包的数量n＝1，记录该簇头节点信息，成为簇成员节点；若收到的簇头确认广播包的数量n>1，记录所收到的簇头广播包所属簇头节点信息，加入信号强度最大的簇头确认广播包所属簇头节点簇群，成为网关节点，进入步骤7；若未收到簇头确认广播包，进入步骤6；
步骤6：节点成为游离节点，发送超时应答包，若在T2时间内收到超时应答包，则判断超时应答包来源，若包含簇头，则选择信号最强的簇头超时应答包所属节点作为簇头，若不包含簇头，则进入步骤4；若在T2时间内未收到超时应答包，则重复步骤6；
步骤7：如图2，完成分簇过程后，节点若接收游离节点的超时广播包，则发送超时应答包；簇内节点之间采用TDMA(Time Division Multiple Access，时分多址)，簇成员之间通过簇头转发的方式完成通信，其中簇内节点包括：簇头、簇成员节点；
步骤8：簇间节点采用CSMA/CA(Carrier Sense Multiple Access withCollision Avoid，带有冲突避免的载波侦听多路访问)，簇间节点包括：簇头、网关节点，其中USV节点在通信过程中，若有发包任务，将在同一时刻，向水上网络发送无线电信号，向水下网络发送声波信号；USV节点将全程接收来自水上的无线电信号与水下的声波信号；当某簇群所属节点需要与其他簇群节点进行通信时，由簇头节点在通信范围内向网络广播RREQ广播帧，其他节点第一次收到RREQ广播帧请求后，记录该RREQ广播帧源节点信息，判断自身是否为目的节点，若为目的节点，进入步骤10，否则进入步骤9；
由于节点只对第一次收到的RREQ广播帧进行记录、判断、与回应，故在链路建立时，当前环境下传输时效性最佳的链路将会成为本次通信的链路；(即在远距离通信任务下，水声- 无线电-水声较水声-水声-水声的远距离多跳跨介质链路更易形成)。
步骤9：若该节点为网关节点或簇头节点，则继续转发该RREQ路由请求；否则删除该条 RREQ广播帧，释放存储空间；
步骤10：目的节点生成RREP应答帧，广播至通信范围内节点，若其余节点收到RREP应答帧，判断该RREP应答帧单向链路节点是否为自身，若是，则向步骤8中记录的RREQ广播帧源节点信息发送RREP应答帧，完成反向路由链路建立；否则，删除该条RREP应答帧，释放存储空间；
步骤11：如图3，RREP应答帧发送至源节点，完成链路建立，源节点按照建立的链路发送数据包，完成通信；
步骤12：等待T5时间，进入下一轮簇头选举，所有节点清除簇头、簇成员、网关身份，进入步骤1；
其中，T3<T4＜＜T5；
上述步骤1-步骤7算法流程图如图4所示。
本发明特点在于：
步骤1中，USV节点在分簇路由过程中，同时采用水上无线电信道与水下声波信道参与分簇与路由过程；USV节点直接进入分簇过程，UAV节点与UUV节点，会等待对应时间后进入分簇过程；靠近“USV-簇头节点”的UAV节点更有可能成为“UAV-簇头节点”，靠近“USV-簇头节点”的UUV节点直接成为“UUV-簇头节点”，这将使得跨介质通信链路数量增多。
步骤3中，节点会成为预备簇头节点，向通信范围内发送簇头节点竞争广播包，并根据接收的簇头节点竞争广播包内容区别，确定自身是否成为簇头或者预备簇头节点。
步骤5中，节点会成为预备簇成员节点，根据收到的簇头确认广播包数量，确定自身是否成为簇成员节点、网关节点、或者游离节点。
步骤6中，节点会成为游离节点，发送超时广播包，并等待其他节点回复超时应答包。
步骤8中，USV节点在通信过程中，若有发包任务，将在同一时刻，向水上网络发送无线电信号，向水下网络发送声波信号；USV节点将全程接收来自水上的无线电信号与水下的声波信号。节点只对第一次收到的RREQ广播帧进行记录、判断、与回应。
步骤9中，非目标的簇头节点与网关节点将会继续完成RREQ广播帧的转发任务，非目标的簇成员节点将不再参与该RREQ广播帧的转发任务。
步骤12中,等待T5时间，进入下一轮簇头选举，其等待时间的数值关系满足T3<T4＜＜T5。

Claims (1)

1.一种跨介质异构无人集群系统分簇路由方法，该方法包含以下步骤：
步骤1：节点判断自身类型，根据UAV，USV，UUV的分类执行下一步操作；
如果是USV节点则进入步骤2，且USV节点下列过程中，均同时产生无线电信号和声信号，实现水上和水下介质的全方位广播通信；
如果是UAV节点则在等待T3时间后，若收到来自USV的簇头确认广播包，则进入步骤3，若未收到USV的簇头确认广播包，则进入步骤2；
如果是UUV节点则在等待T4时间后，若收到来自USV的簇头确认广播包，则进入步骤4，若未收到USV的簇头确认广播包，则进入步骤2；
其中，T3<T4；
步骤2：节点优先进行分簇操作，随机产生0-1的随机数值，如果该数字小于阈值T(n)，则成为步骤3，否则成为进入步骤5；
T(n)计算公式如下：
Figure FDA0002449354690000011
其中，p为预期的簇头百分比，在分簇开始前设定簇头产生概率p(0<p<1)，r为当前轮数，G是最近1/p轮里没有成为簇头的节点的集合，mod为求余运算，rmod(1/p)表示r除以(1/p)的余数；
步骤3：节点成为预备簇头节点，生成0-100之间的随机整数A1，向通信范围内节点发送簇头竞争广播包，其中簇头竞争广播包中含有随机数A1，等待T1时间；若在T1时间内收到其他节点发送的簇头竞争广播包，则根据簇头竞争广播包内容，记录收到的随机数A2、A3、A4……An；若节点未收到簇头竞争广播包或者生成随机数A1≥A2、A3、A4……An，则进入步骤4；若节点生成随机数A1<A2、A3、A4……An，进入步骤5；
步骤4：节点成为簇头节点，向通信范围内的节点发送簇头确认广播包，进入步骤7；
步骤5：节点成为预备簇成员节点，若收到簇头确认广播包的数量n＝1，记录该簇头节点信息，成为簇成员节点；若收到的簇头确认广播包的数量n>1，记录所收到的簇头广播包所属簇头节点信息，加入信号强度最大的簇头确认广播包所属簇头节点簇群，成为网关节点，进入步骤7；若未收到簇头确认广播包，进入步骤6；
步骤6：节点成为游离节点，发送超时应答包，若在T2时间内收到超时应答包，则判断超时应答包来源，若包含簇头，则选择信号最强的簇头超时应答包所属节点作为簇头，若不包含簇头，则进入步骤4；若在T2时间内未收到超时应答包，则重复步骤6；
步骤7：完成分簇过程后，节点若接收游离节点的超时广播包，则发送超时应答包；簇内节点之间采用TDMA，簇成员之间通过簇头转发的方式完成通信，其中簇内节点包括：簇头、簇成员节点；
步骤8：簇间节点采用CSMA/CA，簇间节点包括：簇头、网关节点，其中USV节点在通信过程中，若有发包任务，将在同一时刻，向水上网络发送无线电信号，向水下网络发送声波信号；USV节点将全程接收来自水上的无线电信号与水下的声信号；当某簇群所属节点需要与其他簇群节点进行通信时，由簇头节点在通信范围内向网络广播RREQ广播帧，其他节点第一次收到RREQ广播帧请求后，记录该RREQ广播帧源节点信息，判断自身是否为目的节点，若为目的节点，进入步骤10，否则进入步骤9；
由于节点只对第一次收到的RREQ广播帧进行记录、判断、与回应，故在链路建立时，当前环境下传输时效性最佳的链路将会成为本次通信的链路；
步骤9：若该节点为网关节点或簇头节点，则继续转发该RREQ路由请求；否则删除该条RREQ广播帧，释放存储空间；
步骤10：目的节点生成RREP应答帧，广播至通信范围内节点，若其余节点收到RREP应答帧，判断该RREP应答帧单向链路节点是否为自身，若是，则向步骤8中记录的RREQ广播帧源节点信息发送RREP应答帧，完成反向路由链路建立；否则，删除该条RREP应答帧，释放存储空间；
步骤11：RREP应答帧发送至源节点，完成链路建立，源节点按照建立的链路发送数据包，完成通信；
步骤12：等待T5时间，进入下一轮簇头选举，所有节点清除簇头、簇成员、网关身份，进入步骤1；
其中，T3<T4＜＜T5。
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