CN112020001A - 无人机多站多机系统时隙资源分配方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开的一种无人机多站多机系统时隙资源分配方法，旨在提供一种时隙资源利用率高，时隙分配结果无冲突，时隙资源复用性高，运算复杂度低，时隙分配稳定的时隙资源分配方法。本发明通过下述技术方案予以实现：地面站周期收集无人机位置信息后发送至网管中心，网管中心计算各地面站与所有无人机平台之间的空地链路夹角；网管中将地面站与无人机之间的通信链路映射为二维平面图G的点集，根据空地链路夹角关系确定图G的边集，并将时隙建模为二维平面图G的颜色集合，以相邻两点着不同颜色为原则对图G进行点着色；网管中心根据图G的点着色结果确定通信链路时隙分配方案并发送至各地面站，地面站将时隙分配结果下发至无人机平台。

Description

无人机多站多机系统时隙资源分配方法

技术领域

本发明涉及一种适用于无人机多站多机系统时隙资源分配方法。

背景技术

随着航空飞行技术的迅猛发展，无人机的应用领域不断扩大，无人机系统已广泛应用于大地测绘、目标监视等民用领域。无人机系统通常由无人机及地面站两类平台构成。地面控制站作为无人机系统的指挥中心，其控制内容包括:无人机的飞行过程，飞行航迹，有效载荷的任务功能，通讯链路的正常工作，以及飞行器的发射和回收。地面站除了完成基本的飞行与任务控制功能外，同时也要求能够灵活地克服各种未知的自然与人为因素的不利影响，适应各种复杂的环境，保证全系统整体功能的成功实现。为提升网络传输能力，无人机系统相关研究通常指一站多机系统，即一个地面站系统控制多架、甚至是多种无人机。随着信息化需求的增多，传统的一站单机及一站多机系统由于作用范围受限，已无法满足协同网络化测控等功能多样化的业务传输需求。

无人机多站多机系统由多个无人机、多个地面站、一个网管中心组成。地面控制站包括遥控/遥测车、数据电台及天线、遥控指令键盘和工业控制计算机；无人机平台包括不同种类、不同功能的飞行器平台；网管中心包括工业控制计算机、地面指挥中心等。地面控制站通过数据电台发送遥控指令；无人机平台通过数据电台接收遥控指令。无人机平台从传感器接收遥测、视频、图像等业务数据，并通过数据电台发送；地面控制站通过数据电台接收业务数据，并通过光纤等介质发送至网管中心，网管中心在监测界面上显示。无人机多站多机系统中，每个地面站负责控制一部分无人机平台，无人机平台在不同地面站的覆盖区域内可进行越区切换实现控制权转移，网管中心负责整个多站多机系统的统一管理，如图2所示。各地面站收集到无人机的位置、速度等信息后发送至网管中心，网管中心根据收集到的无人机平台信息进行时隙、频率等资源集中分配，然后将分配结果发送至所有地面站，各地面站再将分配结果下发至对应的无人机平台，在网络后续运行过程中，地面站与所有无人机平台执行新的传输资源分配方案。

根据数据传输方向及平台相对位置分类，无人机多站多机系统的通信链路可分为上行链路与下行链路两类。上行链路是指地面站至无人机的通信链路，主要承载航迹控制指令、资源分配方案等控制信息，数据量较小，但时延要求较高；下行链路是指无人机至地面站的通信链路，主要承载测控、情报等业务信息，数据量较大。传统的无人机系统中，无人机与地面站装配全向天线，通过轮询(Polling)、频分多址(FDMA)、时分多址(TDMA)等接入方式，在无人机数量较少的情况下保证系统中各条链路之间的无冲突传输，满足上/下行业务的服务质量要求。但考虑到全向天线下平台的干扰范围大且传输速率较低，而在无人机多站多机系统中，无人机节点数量多，系统覆盖范围广，因此全向天线难以满足无人机多站多机系统中平台的传输需求。

为提升无人机多站多机系统的数据传输能力，现有研究通常倾向于为各平台装配定向天线。其中，地面站装配多波束定向天线或多个单波束定向天线，与自身管理的不同无人机平台进行通信，且多个波束能够形成全空域覆盖保证无覆盖死角。满足一定空分隔离条件的链路可占用相同的时隙资源，从而提升系统资源利用率。地面站通过波束扫描，对准各个无人机，实现对无人机群的测控与通信、多机协同等任务，执行任务时地面站需同时监测和控制多架无人机。考虑到码分多址体制和频分多址体制都需要专用测控设备支持，设备成本较高、体积重量较大；时分多址体制可较低成本地实现多站多机测控模式。因此现有相关研究通常以时分多址接入方式为基础，无人机与地面站之间的通信链路占用不同时隙保证各条链路之间的无冲突传输。基于TDMA体制的多站多机系统按时隙分割方式不同可分为固时分多址体制定时隙方式和动态分配时隙方式。固定时隙方式把通讯周期分割为数量及大小固定的时隙，按顺序分配给通信链路；动态分配时隙方式则根据实时通信需求，动态调整时隙分割方案，实现过程较为复杂。另一种是一帧分成多个时隙，每个时隙分成竞争部分和数据部分，节点通过在竞争部分获得的信息交互获得该时隙的数据段的使用权。基于竞争的算法在一定范围内竞争时隙，从而实现时隙的复用，但这类算法完全基于随机竞争机制，具有很大的弊端。竞争时隙分配不能保证传送的信息能被接收到，因为在竞争时隙模式下，时隙不专用于某个成员，允许同时传送信息，不可避免地可能出现2个成员同时发送信息而产生的时隙复用现象，这就存在有成员收不到消息的情况。在时隙分配中，若按单个的时隙逐一分给每个成员，实现起来困难，而且很难达到要求。此外，无人机多站多机系统中，随着无人机数量的增加，有限的时隙资源难以满足大规模网络的数据传输需求。因此，在引入定向天线的条件下，如何有效地为各条通信链路分配时隙资源成为无人机多站多机系统中需要主要关心的问题。

现有关于无人机多站多机系统时隙分配的方法主要包括：

穷举法：网管中心收集无人机平台地理位置后，将所有无人机与地面站之间的通信链路与系统时隙资源进行逐一匹配，从中排除不满足空间隔离度的分配方案，选择空分效果最好，占用时隙数量最少的分配方案作为最终分配方案。利用穷举法虽然可获得时隙资源利用率最高的分配方案，但该方法只适用于小规模网络。在无人机多站多机系统中，当无人机平台及地面站数量增加时，穷举法的运算复杂度呈指数增长。由于无人机平台的速度以及规模在网络运行过程中不断变化，穷举法的高运算复杂度难以有效应对高动态通信场景，在无人机平台进行迂回运动的过程中容易发生时隙资源来回切换的“乒乓效应”。另一方面，穷举法通常只能为通信链路分配固定数量的时隙，在无人机平台的传输需求发生变化难以保证大数据量业务的正常传输。

均匀分配法：每条通信链路固定占用一个时隙用于实现无人机与地面站之间的通信。该方法可保证各条链路之间进行无干扰通信。但在无人机多站多机系统中，采用均匀分配方法后，时隙分配周期将随着无人机数量增加而延长，从而导致无人机与地面站之间的通信时延增加，难以满足对时延性能要求较高的业务传输需求。

顺序分配法：将所有无人机与地面站之间的链路以任意方式进行排序，网管中心首先以排序后的链路集合中的第一条链路为基准，寻找能与该链路满足空分条件的其他通信链路，并为这些链路分配相同的时隙资源。然后将这些链路在链路排序集合中去掉。重复执行上述步骤直至链路集合为空。该方法虽然可以得出无冲突的时隙分配方案，但由于无人机与地面站之间的链路采用了无差别排序方式，在一定程度上削弱了时隙资源的复用程度。

地面站频分法：不同地面站采用不同频率与无人机平台之间进行通信。对于每个地面站，采用穷举法、均匀分配法、顺序分配法中的任意一种分配方法确定与其对应的无人机平台之间的时隙分配方案。该方法以地面站占用不同频率资源的方式提升了时隙资源的分配及使用效率，但没有考虑不同地面站在相同频率下的时隙复用问题，浪费了部分频率资源的同时又降低了时隙复用程度。

现有无人机多站多机系统时隙分配算法虽然在一定程度上无冲突的时隙分配方案，但现有方案均没有充分利用空分资源，在一定程度上抑制了时隙资源的复用能力，且没有考虑大数据量业务传输需求条件下的时隙分配策略。因此，在无人机多站多机系统中，如何有效地设计无冲突、高时隙复用度，且能够动态适应业务传输需求变化的时隙分配方法是本发明所解决的主要问题。

发明内容

本发明针对现有技术方案存在的不足，提供一种时隙资源复用性高，时隙分配结果无冲突性，具备平台传输需求的适变能力，运算复杂度低，时隙分配结果稳定的无人机多站多机系统时隙资源分配方法。

本发明通过以下技术方案实现：一种无人机多站多机系统时隙资源分配方法，其特征在于包括如下步骤：在无人机多站多机系统中，地面站周期收集无人机位置信息后发送至网管中心，网管中心首先根据地面站及无人机平台的位置信息，分别以每个地面站为中心，计算各地面站与所有无人机平台连线之间的夹角；然后初始化二维平面图G为空图，将地面站及该地面站对应的无人机平台之间的空地链路映射为二维平面图G的点集，并根据无人机平台传输需求对二维平面图G的顶点进行排序，同时利用地面站与无人机空地链路之间的夹角关系确定二维平面图G的边集合；网管中心将统时隙资源建模为二维平面图G的“颜色”集合，并统计二维平面图G中与顶点相连的颜色集合，将该集合在颜色集合中去除，确定每个顶点的可用颜色集合；网管中心以图G为对象，以相连定点着不同颜色为原则对二维平面图G执行点着色算法，然后根据每个顶点的着色情况确定通信链路的时隙分配方案，并发送至各个地面站，地面站时隙跟配结果下发至各个无人机平台。

本发明相比于现有的无人机多站多机系统时隙分配方法，具有如下有益效果：

时隙分配结果无冲突性：本发明网管中心以地面站及该地面站对应的无人机平台之间的空地链路为点集合建立二维平面图G，将无人机与地面站之间的通信链路建模为二位平面图G中的“点”，在无法进行时隙资源复用的通信链路对应的点之间添加“边”，将时隙资源建模为“颜色”，将无人机多站多机系统下的时隙分配问题建模为平面图内的点着色问题。这种利用相邻两点着不同颜色的思想，能够保证多站多机条件下时隙分配结果的无冲突性。

具备平台传输需求的适变能力：本发明充分考虑了平台传输需求。在将地面站与无人机之间的通信链路映射为二维平面图G的点集的过程中，需求较多的平台对应的通信链路建模为多个点，并在顶点排序的过程中排在靠前位置，由于每个节点均对应一个通信链路且能够着一个颜色，因此将数据传输需求较多的顶点将获得多个颜色，从而顶点对应的链路可获得较多时隙。这种以空地链路为点集合，根据空地链路之间的夹角关系确定边集合，根据平台传输需求确定顶点数量的思想，可保证在最终获得的时隙分配方案中，使得传输需求较多的通信链路得到较多时隙资源。因此，本发明具备平台传输需求的适变能力。

时隙资源复用性高：本发明以空地链路之间的夹角作为时隙分配依据，在时隙分配转化为点着色问题的过程中，在满足空分复用条件的通信链路对应的点之间不添加边，因此在点着色过程中可分配相同颜色，对应于分配相同时隙。以4站16机系统为例，随着平台数量的增加，时隙资源复用性将得到进一步提升，相比于传统的地面站频分法、顺序分配法，在时隙资源复用度性能上可提升约30％。

运算复杂度低。本发明将地面站与无人机之间的通信链路建模为图G中的顶点集合，根据链路间的夹角关系确定图G的边集合，网管中心以当前时隙分配方案对应的点着色方案为基础，以图G为对象执行点着色算法，输出顶点着色结果，将计算出的每一个颜色对应的时隙tsx分配给顶点对应的链路，从而将三维空间内的链路时隙分配问题转化为二位平面内的点着色问题。时隙分配算法复杂度完全取决于点着色算法的复杂度，因此，相比于穷举法、均匀分配法、顺序分配法，时隙分配算法可大大降低运算复杂度。

时隙分配稳定。本发明在无人机多站多机系统的时隙分配过程中，以各平台位置信息及上一次时隙分配作为输入，在不违背点着色原则的情况下，首先考虑为通信链路分配已占用时隙，其次考虑为通信链路分配新时隙，因此可最大程度保证时隙分配方案的稳定性。

本发明可广泛应用于导航、测绘、数据链、电子对抗等领域。

附图说明

图1是本发明无人机多站多机系统时隙资源分配流程图。

图2是无人机多站多机系统示意图。

具体实施方式

参阅图1。根据本发明，在无人机多站多机系统中，地面站周期收集无人机位置信息后发送至网管中心，网管中心首先根据地面站及无人机平台的位置信息，分别以每个地面站为中心，计算各地面站与所有无人机平台连线之间的夹角；然后初始化二维平面图G为空图，将地面站及该地面站对应的无人机平台之间的空地链路映射为二维平面图G的点集，并根据无人机平台传输需求对二维平面图G的顶点进行排序，同时利用地面站与无人机之间的空地链路夹角关系确定二维平面图G的边集合；网管中心将系统时隙资源建模为二维平面图G的“颜色”集合，并统计二维平面图G中与顶点相连的颜色集合，将该集合在颜色集合中去除，确定每个顶点的可用颜色集合；网管中心以图G为对象，以相连顶点着不同颜色为原则对二维平面图G执行点着色算法，然后根据每个顶点的着色情况确定通信链路的时隙分配方案，并发送至各个地面站，地面站时隙跟配结果下发至各个无人机平台。

参阅图2。无人机多站多机系统包括网管中心、地面站、无人机三类平台。与网管中心进行通信的地面站网络由地面站D₁、D₂…地面站D_i…地面站D_K1组成，第i个地面站用D_i表示，i∈{1，2，...，K1}；每个地面站负责管理一定数量的无人机平台，地面站D_i管理的第j无人机平台记用

表示；无人机平台总数量为K2。无人机多站多机系统将可用时隙集合设置为TS_ALL，该时隙集合由{ts₁,ts₂,...,ts_K}组成，其中，ts₁表示第一个时隙，ts₂表示第二个时隙，以此类推，K表示系统可用时隙数量。

无人机多站多机系统时隙分配方法的具体实施步骤为：

步骤1：在无人机多站多机系统运行过程中，每个地面站以T1为周期，收集自身管理区域内所有无人机平台的位置信息，并汇报至网管中心；

步骤2：网管中心根据各无人机平台及第i个地面站D_i的位置信息，以地面站D_i为中心，计算地面站D_i至所有无人机平台之间的连线的夹角，即计算第i个地面站D_i与无人机平台

之间的夹角Ang(D_i，

)，其中，i属于集合{1,…,K1}中的任一元素；k1，k2属于集合{1,…,K2}中的任一元素；

步骤3：网管中心将二维平面图G初始化为空图；

步骤4：网管中心将每个地面站与其管理范围内的无人机平台之间的通信链路建模为二维平面图G中的点，即：将D_i与

之间的通信链路建模为图G中的点，i属于集合{1,…,K1}中的任一元素；在点集映射的过程中，若某条链路的数据传输需求较大，需占用q个时隙，则将该链路建模为q个点；

步骤5：网管中心对二维平面图G中的所有顶点进行排序，并在排序过程中以第i个顶点v(i)对应链路的通信传输需求作为依据，将需要较多时隙的链路对应的顶点排在靠前位置，排序后的顶点集合设置为{v(1),v(2),...,v(N)}，N为二维平面图G中的顶点总数；

步骤6：网管中心将波束宽度设置为θ，冲突门限设置为θ₁，复用门限设置为θ₂，并满足θ<θ₁<θ₂；根据地面站与无人机之间的空地链路夹角关系确定二维平面图G的边集合，具体规则为：同一条通信链路对应的多个节点之间添加边；对于第i个地面站D_i与其对应的无人机平台

之间的通信链路，若夹角Ang(D_i,

)小于冲突门限θ₁，则在对应的顶点之间添加边；网管中心以第i个地面站D_i为基准，对于地面站D_i对应的无人机平台

与第r个地面站D_r对应的无人机平台

若D_i与

之间的夹角Ang(D_i,

)小于θ₁/2，则在D_i、

构成的通信链路与D_r、

构成的通信链路对应的顶点之间添加边；

步骤7：网管中心将系统时隙资源集合TS_ALL＝{ts₁,ts₂,...,ts_K}建模为颜色集合CLOR_SET＝{c₁,c₂,...,c_K}；其中，ts₁表示第一个时隙，ts₂表示第二个时隙，以此类推，CLOR_SET中的每一个颜色元素与TS_ALL中的每一个时隙元素为一一对应关系；

步骤8：网管中心设置一个临时计数器i，并将计数器i初始化为1；

步骤9：网管中心判断临时计数器i是否大于二维平面图G顶点数量N；若i>N，则执行步骤14；否则，执行步骤10；

步骤10：网管中心根据二维平面图G当前的顶点着色方案，以二维平面图G中的第i个顶点v(i)为对象，统计二维平面图G中与v(i)相连的已着色顶点对应的颜色集合，即：将序号小于i的顶点的对应的颜色组成集合BAN_clorset(i)；

步骤11：在颜色全集CLOR_SET中，去掉BAN_clorset(i)，其余的颜色形成顶点v(i)的可用颜色集合clorset(i)；

步骤12：网管中心在clorset(i)中选取颜色，为顶点v(i)进行着色，着色原则如下：优先考虑上一次着色过程中v(i)对应的颜色；其次考虑与顶点v(i)具有相同地面站、夹角最大且大于复用门限θ₂的顶点对应的颜色；然后考虑与顶点v(i)具有相同地面站、夹角次大且大于复用门限θ₂的顶点对应的颜色，重复这一过程直至顶点v(i)成功着色；

步骤13：网管中心将临时计数器i加1，并重复执行步骤9；

步骤14：网管中心根据二维平面图G的顶点着色结果，将每一个颜色c_x对应的时隙ts_x分配给顶点对应的链路，确定时隙分配结果；

步骤15：网管中心执行上述步骤之后，将时隙分配结果发送至各个地面站；地面站将时隙分配结果下发至各无人机平台，结束程序。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种无人机多站多机系统时隙资源分配方法，其特征在于包括如下步骤：在无人机多站多机系统中，地面站周期收集无人机位置信息后发送至网管中心，网管中心首先根据地面站及无人机平台的位置信息，分别以每个地面站为中心，计算各地面站与所有无人机平台连线之间的夹角；然后初始化二维平面图G为空图，将地面站及该地面站对应的无人机平台之间的空地链路映射为二维平面图G的点集，并根据无人机平台传输需求对二维平面图G的顶点进行排序，同时利用地面站与无人机空地链路之间的夹角关系确定二维平面图G的边集合；网管中心将系统时隙资源建模为二维平面图G的“颜色”集合，并统计二维平面图G中与顶点相连的颜色集合，将该集合在颜色集合中去除，确定每个顶点的可用颜色集合；网管中心以二维平面图G为对象，以相连定点着不同颜色为原则对二维平面图G执行点着色算法，然后根据每个顶点的着色情况确定通信链路的时隙分配方案，并发送至各个地面站，地面站时隙跟配结果下发至各个无人机平台。

2.如权利要求1所述的无人机多站多机系统时隙资源分配方法，其特征在于：无人机多站多机系统包括网管中心、地面站、无人机三类平台；与网管中心进行通信的地面站网络由地面站D₁、D₂…地面站D_i…地面站D_K1组成，第i个地面站用D_i表示，i∈{1，2，...，K1}；每个地面站负责管理一定数量的无人机平台，地面站D_i管理的第j无人机平台记用

表示；无人机平台总数量为K2。

3.如权利要求1所述的无人机多站多机系统时隙资源分配方法，其特征在于：无人机多站多机系统将可用时隙集合设置为TS_ALL，该时隙集合由{ts₁,ts₂,...,ts_K}组成，其中，ts₁表示第一个时隙，ts₂表示第二个时隙，以此类推，K表示系统可用时隙数量。

4.如权利要求2所述的无人机多站多机系统时隙资源分配方法，其特征在于：在无人机多站多机系统运行过程中，每个地面站以T1为周期，收集自身管理区域内所有无人机平台的位置信息，并汇报至网管中心，网管中心根据各无人机平台及第i个地面站D_i的位置信息，以地面站D_i为中心，计算地面站D_i至所有无人机平台之间的连线的夹角，即计算第i个地面站D_i与无人机平台

之间的夹角

其中，i属于集合{1,…,K1}中的任一元素；k1，k2属于集合{1,…,K2}中的任一元素。

5.如权利要求1所述的无人机多站多机系统时隙资源分配方法，其特征在于：网管中心首先将二维平面图G初始化为空图，然后将每个地面站与其管理范围内的无人机平台之间的通信链路建模为二维平面图G中的顶点，在顶点集建模的过程中，若某条链路的数据传输需求较大，需占用q个时隙，则将该链路建模为q个点；网管中心对二维平面图G中的所有顶点进行排序，并在排序过程中，以第i个顶点v(i)对应链路的通信传输需求作为依据，将需要较多时隙的链路对应的顶点排在靠前位置，排序后的顶点集合设置为{v(1),v(2),...,v(N)}，N为二维平面图G中的顶点总数。

6.如权利要求1所述的无人机多站多机系统时隙资源分配方法，其特征在于：网管中心将波束宽度设置为θ，冲突门限设置为θ₁，复用门限设置为θ₂，并满足θ<θ₁<θ₂；网管中心根据地面站与无人机之间的空地链路夹角关系确定二维平面图G的边集合，具体规则为：同一条通信链路对应的多个节点之间添加边；对于第i个地面站D_i与其对应的无人机平台

之间的通信链路，若夹角

小于冲突门限θ₁，则在对应的顶点之间添加边；网管中心以第i个地面站D_i为基准，对于地面站D_i对应的无人机平台

与第r个地面站D_r对应的无人机平台

若D_i与

之间的夹角

小于θ₁/2，则在D_i、

构成的通信链路与D_r、

构成的通信链路对应的顶点之间添加边。

7.如权利要求1所述的无人机多站多机系统时隙资源分配方法，其特征在于：网管中心将系统时隙资源集合TS_ALL＝{ts₁,ts₂,...,ts_K}建模为颜色集合CLOR_SET＝{c₁,c₂,...,c_K}；其中，t_s1表示第一个时隙，ts₂表示第二个时隙，以此类推，CLOR_SET中的每一个颜色元素与TS_ALL中的每一个时隙元素为一一对应关系。

8.如权利要求1所述的无人机多站多机系统时隙资源分配方法，其特征在于：网管中心判断若二维平面图G中已着色顶点数量大于顶点总数量N，则根据二维平面图G的顶点着色结果，将每一个颜色c_x对应的时隙ts_x分配给顶点对应的链路，确定时隙分配结果；否则，网管中心继续对二维平面图G的剩余顶点进行着色。

9.如权利要求6所述的无人机多站多机系统时隙资源分配方法，其特征在于：网管中心在对二维平面图G中的第i个顶点v(i)进行着色的过程中，首先将与顶点v(i)相连的顶点对应的颜色设置为集合BAN_clorset(i)，然后在颜色集合CLOR_SET中去掉BAN_clorset(i)，其余的颜色形成顶点v(i)的可用颜色集合clorset(i)，在clorset(i)中选取颜色，为顶点v(i)进行着色；顶点v(i)选取颜色的原则为：优先考虑上一次着色过程中顶点v(i)对应的颜色，其次考虑与顶点v(i)具有相同地面站、夹角最大且大于复用门限θ₂的顶点对应的颜色，然后考虑与顶点v(i)具有相同地面站、夹角次大且大于复用门限θ₂的顶点对应的颜色，重复这一过程直至顶点v(i)成功着色；网管中心对图G中所有顶点着色完毕后，输出着色方案。

10.如权利要求1所述的无人机多站多机系统时隙资源分配方法，网管中心根据二维平面图G的顶点着色结果，将每一个颜色c_x对应的时隙ts_x分配给顶点对应的链路，确定时隙分配结果并发送至所有地面站，地面站将时隙分配结果下发至无人机平台。

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