CN113115323B - 基于无人机传输的分布式多跳自组网安全通信方法及装置 - Google Patents

基于无人机传输的分布式多跳自组网安全通信方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于无人机传输的分布式多跳自组网安全通信方法及装置，首先将若干个分布式多跳自组网安全通信装置作为空中和地面通信节点，构建基于无人机传输的分布式多跳自组网；通信节点之间及和后台指挥中心之间通过MESH通信模块进行通信；通信节点收集现场画面、声音数据和网络状态等信息传送至中央处理器；中央处理器将信息通过显示器显示；中央处理器在本地对信息计算处理，若本地无法完成则周围通信节点进行协同计算，若仍无法满足则将任务传回后台指挥中心进行云计算；通信节点还可以将信息储存在本地，依靠无人机间的相遇机会完成信息转发。本发明可有效提高传输成功率、降低传输时延，提高网络综合性能与安全性能。

Description

基于无人机传输的分布式多跳自组网安全通信方法及装置
技术领域
本发明属于无人机技术领域，具体涉及一种多跳自组网安全通信方法。
背景技术
随着社会的发展和科技的进步，人们对信息交流的依赖程度日益增加。并且由于人们活动范围的日趋增大，人们对通信的便捷性和灵活性也提出了更高的要求。而移动通信以其自身独特的“随时随地”的特点，极大地方便了人与人之间的信息交流，现已成为人们最主要的通信手段。
然而绝大多数的移动通信都依赖于地面基站，一旦缺少地面基站，或地面基站受到破坏，则会对移动通信造成严重影响，甚至会导致通信中断。针对该问题，利用无人机、飞艇、气球等空中节点作为辅助的空-地互补方案逐渐受到关注，并取得了一定发展。相比于地面蜂窝网络，基于无人机传输的分布式多跳自组网具有更大的覆盖范围，更强的态势感知及动态重构能力，尤其是在大范围广播、快速灵活部署与调度等方面具有地面基础设施难以比拟的优势，可广泛应用于交通管制、远程监控、应急通信等领域。此外，在解决“最后一公里”的问题上，基于无人机传输的分布式多跳自组网以其自组织、自管理、自愈能力以及快速部署的便利性和网络兼容性已成为特殊场景下移动通信的解决方案之一。
但现有技术存在的问题是：无线中继多跳后带宽和时延损失较大，对于在远端需要通过中继多跳才能接入网络的用户来说，网络服务质量难以得到保障。此外，在基于无人机传输的分布式多跳自组网中通信设备通常远离云服务器，过长的传输距离将导致过高的移动应用处理时延，并且大量的应用数据在终端设备与云服务器间的传输加剧了回传链路的负载，容易导致回传链路出现拥塞，进一步增加了移动云计算系统的任务处理时延。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种基于无人机传输的分布式多跳自组网安全通信方法及装置，首先将若干个分布式多跳自组网安全通信装置作为空中和地面通信节点，构建基于无人机传输的分布式多跳自组网；通信节点之间及和后台指挥中心之间通过MESH通信模块进行通信；通信节点收集现场画面、声音数据和网络状态等信息传送至中央处理器；中央处理器将信息通过显示器显示；中央处理器在本地对信息计算处理，若本地无法完成则周围通信节点进行协同计算，若仍无法满足则将任务传回后台指挥中心进行云计算；通信节点还可以将信息储存在本地，依靠无人机间的相遇机会完成信息转发。本发明可有效提高传输成功率、降低传输时延，提高网络综合性能与安全性能。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案包括如下步骤：
步骤1：将若干个分布式多跳自组网安全通信装置安装在无人机上，作为空中通信节点；
步骤2：将若干个分布式多跳自组网安全通信装置放置于地面，作为地面通信节点；
步骤3：将空中通信节点和地面通信节点启动并分散布置于各个场景中，构建基于无人机传输的分布式多跳自组网；
步骤4：后台指挥中心对基于无人机传输的分布式多跳自组网进行指挥调控；
步骤5：每个空中通信节点和地面通信节点之间通过自带的MESH通信模块进行通信；
步骤6：每个空中通信节点和地面通信节点与后台指挥中心之间通过MESH通信模块进行通信；
步骤7：每个空中通信节点和地面通信节点通过自带摄像头收集现场画面数据与现场声音数据传送至自身的中央处理器；
步骤8：每个空中通信节点和地面通信节点通过天线与MESH通信模块感知网络状态，然后将网络状态传送至自身的中央处理器；
步骤8：每个空中通信节点和地面通信节点的中央处理器将现场画面数据、现场声音数据、网络状态传送至自带的显示器，并通过显示器显示实时状态；
步骤9：每个空中通信节点和地面通信节点的中央处理器通过自带的只读存储器模块、随机存取存储器模块对现场画面数据、现场声音数据、网络状态进行本地计算处理，若本地无法完成计算时通过MESH通信模块将任务卸载至周围设定距离内的通信节点进行协同计算，若仍无法满足计算需求时则通过MESH通信模块将任务传回后台指挥中心进行云计算；
步骤10：空中通信节点和地面通信节点无法将现场画面数据、现场声音数据和网络状态转发至周围通信节点或后台指挥中心时，则将现场画面数据、现场声音数据和网络状态缓存在自身的只读存储器模块中，依靠无人机间的相遇机会完成对现场画面数据、现场声音数据和网络状态的转发；
步骤11：后台指挥中心能够观看分布式多跳自组网安全通信装置收集的现场画面数据、现场声音数据和网络状态。
一种分布式多跳自组网安全通信装置，包括中央处理器、MESH通信模块、GPS定位模块、以太网接口、只读存储器模块、随机存取存储器模块、电源模块、显示器、用户接口、摄像头和天线；
所述MESH通信模块、GPS定位模块、以太网接口、只读存储器模块、随机存取存储器模块、电源模块、显示器、用户接口、摄像头都与中央处理器有线连接；所述天线与MESH通信模块有线连接；所述摄像头与用户接口有线连接；所述显示器与用户接口有线连接；
所述MESH通信模块用于分布式多跳自组网安全通信装置之间通信和自组网；所述GPS定位模块用于分布式多跳自组网安全通信装置定位；所述只读存储器模块和随机存取存储器模块用于存储数据；所述摄像头用于摄制现场画面和录音；所述电源模块负责向装置供电；所述显示器用于显示摄像头摄制的现场画面和网络状态；所述用户接口用于中央处理器和其他部件之间的数据传输。
优选地，所述分布式多跳自组网安全通信装置之间通过MESH通信模块无线连接，分布式多跳自组网安全通信装置与后台指挥中心之间通过MESH通信模块无线连接。
优选地，所述中央处理器采用Qualcomm Atheros AR 9342处理器。
优选地，所述MESH通信模块通信协议采用IEEE 802.11b/g/n协议；以太网接口采用千兆以太网口。
优选地，所述只读存储器模块为128G；随机存取存储器模块为8G。
优选地，所述电源模块为12V直流电源。
优选地，所述显示器为7英寸液晶1080P可触摸显示器。
优选地，所述用户接口包括USB接口、Type-C接口、HDMI接口。
优选地，所述摄像头为1080P摄像头，内置麦克风；所述天线为2×2MIMO天线。
本发明的有益效果如下：
1、本发明将通信、计算、存储技术进行结合，针对现有技术存在的问题，设计了一种基于无人机传输的分布式多跳自组网安全通信装置与方法，可在无基站环境下为用户提供多样化的业务服务；
2、本发明可自主化进行组网通信为三维立体空间提供无缝的网络覆盖，并针对无人机自组网具有高度动态的拓扑结构以及间歇性连通的特点，设计了时延敏感网络(直接转发)与时延容忍网络(本地缓存后转发)相结合的信息传输机制，可有效提高传输成功率、降低传输时延，提高网络综合性能与安全性能；
3、本发明针对移动云计算系统回传链路负载高的问题，将处理移动应用所需的存储和计算能力从云端迁移至网络边缘，设计了基于边缘计算的业务分载机制，通过本地边缘计算、协同边缘计算与云计算相结合的方式将业务进行分流卸载，进一步降低网络负载和产生链路拥塞的可能，从而改善网络通信环境。
附图说明
图1是本发明方法的一种基于无人机传输的分布式多跳自组网安全通信装置与通信方法的系统框图。
图2是本发明的分布式多跳自组网安全通信装置结构示意图。
图3是本发明的基于无人机传输的分布式多跳自组网的网络示意图。
图4是本发明方法的时延敏感网络(直接转发)与时延容忍网络(本地缓存后转发)相结合的信息传输机制示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
一种基于无人机传输的分布式多跳自组网安全通信方法，包括以下步骤：
步骤1：将若干个分布式多跳自组网安全通信装置安装在无人机上，作为空中通信节点；
步骤2：将若干个分布式多跳自组网安全通信装置放置于地面，作为地面通信节点；
步骤3：将空中通信节点和地面通信节点启动并分散布置于各个场景中，构建基于无人机传输的分布式多跳自组网；
步骤4：后台指挥中心对基于无人机传输的分布式多跳自组网进行指挥调控；
步骤5：每个空中通信节点和地面通信节点之间通过自带的MESH通信模块进行通信；
步骤6：每个空中通信节点和地面通信节点与后台指挥中心之间通过MESH通信模块进行通信；
步骤7：每个空中通信节点和地面通信节点通过自带摄像头收集现场画面数据与现场声音数据传送至自身的中央处理器；
步骤8：每个空中通信节点和地面通信节点通过天线与MESH通信模块感知网络状态，然后将网络状态传送至自身的中央处理器；
步骤8：每个空中通信节点和地面通信节点的中央处理器将现场画面数据、现场声音数据、网络状态传送至自带的显示器，并通过显示器显示实时状态；
步骤9：每个空中通信节点和地面通信节点的中央处理器通过自带的只读存储器模块、随机存取存储器模块对现场画面数据、现场声音数据、网络状态进行本地计算处理，若本地无法完成计算时通过MESH通信模块将任务卸载至周围设定距离内的通信节点进行协同计算，若仍无法满足计算需求时则通过MESH通信模块将任务传回后台指挥中心进行云计算；
步骤10：空中通信节点和地面通信节点无法将现场画面数据、现场声音数据、网络状态转发至周围通信节点或后台指挥中心时，则将现场画面数据、现场声音数据、网络状态缓存在自身的只读存储器模块中，依靠无人机间的相遇机会完成对现场画面数据、现场声音数据、网络状态的转发；
步骤11：后台指挥中心能够观看分布式多跳自组网安全通信装置收集的现场画面数据、现场声音数据、网络状态。
一种分布式多跳自组网安全通信装置，包括中央处理器1、MESH通信模块2、GPS定位模块3、以太网接口4、只读存储器模块5、随机存取存储器模块6、电源模块11、显示器9、用户接口7、摄像头8和天线10；
所述MESH通信模块2、GPS定位模块3、以太网接口4、只读存储器模块5、随机存取存储器模块6、电源模块11、显示器9、用户接口7、摄像头8都与中央处理器1有线连接；所述天线10与MESH通信模块2有线连接；所述摄像头8与用户接口7有线连接；所述显示器9与用户接口7有线连接；
所述MESH通信模块2用于分布式多跳自组网安全通信装置之间通信和自组网；所述GPS定位模块3用于分布式多跳自组网安全通信装置定位；所述只读存储器模块5和随机存取存储器模块6用于存储数据；所述摄像头8用于摄制现场画面和录音；所述电源模块11负责向装置供电；所述显示器9用于显示摄像头8摄制的现场画面和网络状态；所述用户接口7用于中央处理器1和其他部件之间的数据传输。
优选地，所述分布式多跳自组网安全通信装置之间通过MESH通信模块2无线连接，分布式多跳自组网安全通信装置与后台指挥中心之间通过MESH通信模块2无线连接。
优选地，所述中央处理器1采用Qualcomm Atheros AR 9342处理器。
优选地，所述MESH通信模块2通信协议采用IEEE 802.11b/g/n协议；以太网接口4采用千兆以太网口。
优选地，所述只读存储器模块5为128G；随机存取存储器模块6为8G。
优选地，所述电源模块11为12V直流电源。
优选地，所述显示器9为7英寸液晶1080P可触摸显示器。
优选地，所述用户接口7包括USB接口、Type-C接口和HDMI接口。
优选地，所述摄像头8为1080P摄像头，内置麦克风；所述天线10为2×2MIMO天线。
本发明通过组建基于无人机传输的分布式多跳自组网可有效解决无基站场景下通信中断的问题，可广泛应用于应急救援、野生动物检测、抗震救灾、森林防火监测、海上应急救援等领域。

Claims (10)

1.一种基于无人机传输的分布式多跳自组网安全通信方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：将若干个分布式多跳自组网安全通信装置安装在无人机上，作为空中通信节点；
步骤2：将若干个分布式多跳自组网安全通信装置放置于地面，作为地面通信节点；
步骤3：将空中通信节点和地面通信节点启动并分散布置于各个场景中，构建基于无人机传输的分布式多跳自组网；
步骤4：后台指挥中心对基于无人机传输的分布式多跳自组网进行指挥调控；
步骤5：每个空中通信节点和地面通信节点之间通过自带的MESH通信模块进行通信；
步骤6：每个空中通信节点和地面通信节点与后台指挥中心之间通过MESH通信模块进行通信；
步骤7：每个空中通信节点和地面通信节点通过自带摄像头收集现场画面数据与现场声音数据传送至自身的中央处理器；
步骤8：每个空中通信节点和地面通信节点通过天线与MESH通信模块感知网络状态，然后将网络状态传送至自身的中央处理器；
步骤8：每个空中通信节点和地面通信节点的中央处理器将现场画面数据、现场声音数据、网络状态传送至自带的显示器，并通过显示器显示实时状态；
步骤9：每个空中通信节点和地面通信节点的中央处理器通过自带的只读存储器模块、随机存取存储器模块对现场画面数据、现场声音数据、网络状态进行本地计算处理，若本地无法完成计算时通过MESH通信模块将任务卸载至周围设定距离内的通信节点进行协同计算，若仍无法满足计算需求时则通过MESH通信模块将任务传回后台指挥中心进行云计算；
步骤10：空中通信节点和地面通信节点无法将现场画面数据、现场声音数据和网络状态转发至周围通信节点或后台指挥中心时，则将现场画面数据、现场声音数据和网络状态缓存在自身的只读存储器模块中，依靠无人机间的相遇机会完成对现场画面数据、现场声音数据和网络状态的转发；
步骤11：后台指挥中心能够观看分布式多跳自组网安全通信装置收集的现场画面数据、现场声音数据和网络状态。
2.一种采用如权利要求 1 所述的安全通信方法的分布式多跳自组网安全通信装置，其特征在于，包括中央处理器、MESH通信模块、GPS定位模块、以太网接口、只读存储器模块、随机存取存储器模块、电源模块、显示器、用户接口、摄像头和天线；
所述MESH通信模块、GPS定位模块、以太网接口、只读存储器模块、随机存取存储器模块、电源模块、显示器、用户接口、摄像头都与中央处理器有线连接；所述天线与MESH通信模块有线连接；所述摄像头与用户接口有线连接；所述显示器与用户接口有线连接；
所述MESH通信模块用于分布式多跳自组网安全通信装置之间通信和自组网；所述GPS定位模块用于分布式多跳自组网安全通信装置定位；所述只读存储器模块和随机存取存储器模块用于存储数据；所述摄像头用于摄制现场画面和录音；所述电源模块负责向装置供电；所述显示器用于显示摄像头摄制的现场画面和网络状态；所述用户接口用于中央处理器和其他部件之间的数据传输。
3.根据权利要求2所述的一种分布式多跳自组网安全通信装置，其特征在于，所述分布式多跳自组网安全通信装置之间通过MESH通信模块无线连接，分布式多跳自组网安全通信装置与后台指挥中心之间通过MESH通信模块无线连接。
4.根据权利要求2所述的一种分布式多跳自组网安全通信装置，其特征在于，所述中央处理器采用Qualcomm Atheros AR 9342处理器。
5.根据权利要求2所述的一种分布式多跳自组网安全通信装置，其特征在于，所述MESH通信模块通信协议采用IEEE 802.11b/g/n协议；以太网接口采用千兆以太网口。
6.根据权利要求2所述的一种分布式多跳自组网安全通信装置，其特征在于，所述只读存储器模块为128G；随机存取存储器模块为8G。
7.根据权利要求2所述的一种分布式多跳自组网安全通信装置，其特征在于，所述电源模块为12V直流电源。
8.根据权利要求2所述的一种分布式多跳自组网安全通信装置，其特征在于，所述显示器为7英寸液晶1080P可触摸显示器。
9.根据权利要求2所述的一种分布式多跳自组网安全通信装置，其特征在于，所述用户接口包括USB接口、Type-C接口、HDMI接口。
10.根据权利要求2所述的一种分布式多跳自组网安全通信装置，其特征在于，所述摄像头为1080P摄像头，内置麦克风；所述天线为2×2MIMO天线。
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