CN113219857B - 一种无人系统集群网络通信仿真方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种无人系统集群网络通信仿真方法及装置，该方法包括：构建用于执行仿真管理控制的仿真管理控制平台，以及由多个仿真节点构成无人系统仿真集群，每一个仿真节点对应仿真一个无人系统，仿真管理平台与无人系统仿真集群之间通过基于FPGA的可编程交换机通信；执行通信仿真时，仿真管理控制平台根据所需仿真任务发送仿真配置信息以及控制信息给无人系统仿真集群；无人系统仿真集群根据接收到的配置信息、控制信息，启动各仿真节点进行模拟仿真，可编程交换机实现各仿真节点之间以及与仿真管理控制平台之间的信息传输，以及实时仿真出节点之间通信质量变化。本发明具有仿真效率高且仿真实效性及自主适应性、扩展伸缩性好等优点。

Description

一种无人系统集群网络通信仿真方法及装置

技术领域

本发明涉及无人系统仿真技术领域，尤其涉及一种无人系统集群网络通信仿真方法及装置。

背景技术

无人系统(如无人机等)集群应用的基础在于网络通信，由于受体积、重量和能源以及软硬件技术水平制约，目前无人系统自主等级普遍不高，导致集群在复杂环境中执行动态任务过程中需要通过大量的信息交互，进行环境感知、决策规划以及行为同步等，以利用群体优势弥补个体不足。构建群体任务行为特性的网络架构、研究“应急响应、快速部署”的网络通信技术，是提升集群使用效能的关键。然而，针对于无人系统集群网络架构，目前大多是采用从下而上的设计，即先基于现有的通信设备和通信机制构建网络，在信息保障过程中再进行优化，而不是依据顶层任务需求进行规划设计，会导致网络架构与任务之间供需关系“本末倒置”。

研究集群网络的必要条件就是需要构建一个合理有效的集成仿真验证环境，以测试并验证集群网络的功能/性能指标，然而集群网络中无人系统节点众多，可能包含成百上千个无人系统节点，需要构建具备实时反映物理链路性能、网络各层次集成且包含大量无人系统节点的综合数字仿真系统，且需要确保各节点之间以及各几点与控制中心之间的信息数据实时传递，因而仿真测试过程中会涉及非常复杂的控制、网络以及通信过程。目前并未有有效方案能够提供大规模集群网络综合仿真验证环境，绝大对数仅能在“理想”的条件下对集群网络进行特定项的测试与验证，不仅测试环境与真实环境之间存在差异，而且测试结果也会存在“片面”性问题，难以真实反映无人系统集群网络的真实状态。

传统的网络通信仿真系统或平台，例如NS2、NS3、OPNET、MATLAB等计算仿真软件，都是运行在非实时的操作系统之上，在计算节点之间的通信信道和链路质量以及执行网络传输控制机制时，需要至少百毫秒级别的时间，因而难以实时反映链路和网络状态。而无人系统作为高速灵活运动的节点，对于实时性要求非常高，若直接使用上述传统的网络通信仿真系统或平台，由于延时较大，无法及时获取无人系统的实时状态，致使仿真测试结果不准确，甚至“失真”严重，如对于百毫秒级的延时而言，此刻的状态与百毫秒之前的状态变化可能很大，因而上述传统的网络通信仿真系统或平台就无法满足无人系统集群网络的仿真测试需求。

发明内容

本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种仿真效率高、仿真实效性及自主适应性、扩展性/伸缩性好的无人系统集群网络通信仿真方法及装置。

为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：

一种无人系统集群网络通信仿真方法，该方法包括：

构建仿真环境：构建用于执行仿真管理控制的仿真管理控制平台，以及由多个仿真节点构成无人系统仿真集群，其中每一个所述仿真节点对应仿真一个无人系统，所述仿真管理平台与所述无人系统仿真集群之间通过基于FPGA的可编程核心交换机连接；

执行通信仿真时，所述仿真管理控制平台根据所需仿真任务发送仿真配置信息以及控制信息给所述无人系统仿真集群；所述无人系统仿真集群根据接收到的所述配置信息、控制信息，启动各所述仿真节点进行模拟仿真，所述可编程核心交换机实现各仿真节点之间以及各仿真节点与所述仿真管理控制平台之间的信息传输，以及所述可编程核心交换机根据各仿真节点仿真得到的无人系统位置及运动状态，计算仿真节点之间的链路通信质量参数，并根据所述链路通信质量参数对仿真节点之间传输的数据包进行指定类型的处理，以实时仿真出节点之间通信质量变化。

进一步的，所述无人系统仿真集群根据接收到的所述配置信息、控制信息，启动各所述仿真节点进行模拟仿真时，各所述仿真节点根据任务分配模拟产生信息传递激励，并根据所述信息传递激励生成或更新路由以寻找出传递路径。

进一步的，还包括在所述基于FPGA的可编程核心交换机中实现具备部分可重构的虚拟路由功能，形成部分可重构的虚拟路由器，以使得在所述可编程核心交换机中可并行运行多个不同网络的虚拟路由器，在执行通信仿真时，所述部分可重构的虚拟路由器具体执行步骤包括：

S101.数据包接收：接收所述无人系统仿真集群发送的数据包；

S102.信息解析与分类处理：对接收到的数据包进行解析，获取解析后数据包中包含有无人系统飞行状态信息的目标数据包并转入执行步骤S103，以及获取解析后的所有数据包并转入执行步骤S104；

S103.链路状态确定：从当前获取到的目标数据包中获取需要计算的目标仿真节点对，根据目标仿真节点对所处环境信息以及目标仿真节点对的状态参数信息，计算目标仿真节点对之间无线链路的信道质量参数，确定出各条无线链路的链路状态并输出，转入步骤S105；

S104.数据包处理：根据各无线链路的链路状态以及仿真节点对的类型，对接收到的各数据包执行不同处理，处理完成之后组合成完整的数据包，转入步骤S105；

S105.数据包封装发送：将接收到的数据包进行封装后发送。

进一步的，所述步骤S103包括：

接收当前任务场景中的通信模型类型信息，以及获取当前环境中存在的干扰信息，根据所述通信模型类型信息和干扰信息，构建无线链路质量计算模型；

从当前获取到的目标数据包中获取需要计算的目标仿真节点对，根据目标仿真节点对所处环境信息以及目标仿真节点对的状态参数信息，使用所述无线链路质量计算模型计算出目标仿真节点对之间无线链路的信道质量参数；

根据底层MAC链路协议和组网方式以及计算出的所述信道质量参数，计算各条无线链路的链路状态。

进一步的，所述步骤S104中对接收到的各数据包执行处理包括：将待处理数据包依据所关联的仿真节点对的形式进行分类，将分类后数据包分别输入至各自的数据包队列；在各所述数据包队列中，根据数据包中所关联的仿真节点对之间的通信状态选择对应的处理操作，所述处理操作包括延时传输、丢包、修改部分数据内容以及打乱包序中的一种，其中当通信未受干扰且信道强度正常衰减，可以选择延时传输；在受到干扰时，可选择丢包等。

进一步的，所述步骤S105包括：判断待发送的数据包类型，如果是节点间链路状态数据包，将链路状态信息进行封装后发送给所述仿真控制管理平台，以提供无人系统集群系统中每一条无线链路的实时状态；如果是无人系统集群内部传递的数据包，则封装数据包后发送至仿真网络环境中。

一种无人系统集群网络通信仿真装置，包括：

仿真管理控制平台，用于接收仿真配置信息以及控制信息，以及显示仿真得到的无人系统集群运动状态和网络通信状态；

无人系统仿真集群，包括多个仿真节点，每一个所述仿真节点对应仿真一个无人系统，所述无人系统仿真集群根据接收到的所述配置信息、控制信息，启动各所述仿真节点进行模拟仿真；

可编程核心交换机，基于FPGA构建形成，用于实现各仿真节点之间以及各仿真节点与所述仿真管理控制平台之间的信息传输，以及根据各仿真节点仿真模拟得到的无人系统位置及运动状态，计算仿真节点之间的链路通信质量参数，并根据所述链路通信质量参数对节点之间传输的数据包进行指定类型的处理，以实时仿真出节点之间通信质量变化。

进一步的，所述可编程核心交换机还具备部分可重构的虚拟路由功能，形成部分可重构的虚拟路由器，所述部分可重构的虚拟路由器包括：

数据包接收单元，用于接收所述无人系统仿真集群发送的数据包；

信息解析与分类处理单元，用于对接收到的数据包进行解析，获取解析后数据包中包含有无人系统飞行状态信息的目标数据包并转入执行链路状态确定单元，以及获取解析后的所有数据包并转入执行数据包处理单元；

链路状态确定单元，用于从当前获取到的目标数据包中获取需要计算的目标仿真节点对，根据目标仿真节点对所处环境信息以及目标仿真节点对的状态参数信息，计算目标仿真节点对之间无线链路的信道质量参数，确定出各条无线链路的链路状态并输出，转入数据包封装发送单元；

数据包处理单元，用于根据各无线链路的链路状态以及仿真节点对的类型，对接收到的各数据包执行不同处理，处理完成之后组合成完整的数据包，转入数据包封装发送单元；

数据包封装发送单元，用于将接收到的数据包进行封装后发送。

进一步的，所述链路状态确定单元包括：

链路模型构建子单元，用于接收当前任务场景中的通信模型类型信息，以及获取当前环境中存在的干扰信息，根据所述通信模型类型信息和干扰信息，构建无线链路质量计算模型；

链路状态确定子单元，用于从当前获取到的目标数据包中获取需要计算的目标仿真节点对，根据目标仿真节点对所处环境信息以及目标仿真节点对的状态参数信息，使用所述无线链路质量计算模型计算出目标仿真节点对之间无线链路的信道质量参数，并根据底层MAC链路协议和组网方式以及计算出的所述信道质量参数，确定各条无线链路的链路状态。

进一步的，所述可编程交换机与所述无人系统仿真集群之间通过具有订阅与分发服务的实时数据总线连接，所述实时数据总线中配置有服务总线和消息总线以形成复合式总线。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1、本发明采用从顶层任务需求出发进行仿真规划设计的方式，针对大规模的无人系统集群构建网络仿真环境，由可编程交换机实现信息传递以及仿真节点之间通信质量变化的实时仿真，能够模拟大规模无人系统集群网络构建、通信组网控制、路由与传输过程，实现大规模无人系统集群网络通信的仿真，同时利用FPGA的高速吞吐量、延时交换以及嵌入式实时计算等能力特性，使用可编程FPGA专用于模拟路由设备以及节点间通信质量实时仿真，能够实现数据包的传递与通信网络仿真的二合一，不仅有效节省了仿真的计算耗时，大大提升了仿真的效率，而且还能够大大提高仿真效率，同时还能够提供更为真实的网络通信环境，使得仿真更接近于真实情况。

2、本发明通过在基于可部分重构的FPGA核心交换机中实现可部分重构的虚拟器功能，一是根据场景变化对通信模型进行重构，二是根据网络变化对网络路由功能进行重构，使得可运行并行处理的多虚拟路由器，实现对无人机集群多层、多簇网络的组网路由生成与更新；同时可根据无人机集群资源的调度与重组，在线部分重构、增加或减少虚拟路由器，实现支持集群网络分裂为多个子网以及多子网融合成较大网络过程中的组网路由变化与更新。

3、本发明通过建立独立的数据链路传输质量网络传递的计算硬件资源，模拟计算过程更短，不需要依赖额外的计算资源，与无人机集群节点的仿真以及控制系统形成了“背靠背”的仿真形式，能够为无人系统集群网络提供更为真实的网络通信环境，使得仿真更接近真实工况。

4、本发明根据任务场景形成对应的无线链路质量计算模型，由不同任务场景可以构建形成一系列的无线链路质量计算模型，进而构建形成模型库，根据任务场景的变化或切换，可以动态部分重构该模型所占用的FPGA逻辑电路资源，加载匹配当前任务场景的无线链路质量计算模型，即可实现根据集群任务场景变化自适应更新模型，可以提高仿真的自主适应性。

附图说明

图1是本实施例实现无人机系统集群网络通信仿真的原理示意图。

图2是基于可编程器件FPGA构建核心交换机及通信链路仿真环境的原理示意图。

具体实施方式

以下结合说明书附图和具体优选的实施例对本发明作进一步描述，但并不因此而限制本发明的保护范围。

如图1所示，本实施例无人系统集群网络通信仿真方法包括：

构建仿真环境：构建用于执行仿真管理控制的仿真管理控制平台，以及由多台虚拟机构成无人系统仿真集群，其中每一台虚拟机对应为一个无人系统的仿真节点，仿真管理平台与无人系统仿真集群之间通过基于FPGA的可编程核心交换机实现通信；

执行通信仿真时，仿真管理控制平台根据所需仿真任务发送仿真配置信息以及控制信息给无人系统仿真集群；无人系统仿真集群根据接收到的所述配置信息、控制信息，启动各仿真节点进行模拟仿真，可编程交换机实现各仿真节点之间以及各仿真节点与仿真管理控制平台之间的信息传输，以及可编程交换机根据各仿真节点仿真模拟得到的无人机位置及运动状态，计算仿真节点之间的链路通信质量参数，并根据计算的链路通信质量参数对仿真节点之间传输的数据包进行指定类型(如延时、丢弃、篡改等)的处理，以实时仿真出节点之间通信质量变化，如延时、丢包与误码等。

本实施例考虑大规模的无人系统集群网络通信仿真的特性，采用从顶层任务需求出发进行仿真规划设计的方式，首先针对大规模的无人系统集群构建网络仿真环境，由每一台虚拟机对应为一个无人系统的仿真节点构成无人系统仿真集群，仿真管理平台与无人系统仿真集群之间使用基于FPGA的可编程交换机模拟路由设备，执行通信仿真时启动各仿真节点后，由可编程交换机实现信息传递以及仿真节点之间通信质量变化的实时仿真，能够模拟大规模无人系统集群网络构建、控制以及通信过程，实现大规模无人系统集群网络通信的仿真，同时利用FPGA的高速吞吐量、延时交换以及嵌入式实时计算等能力特性，使用可编程FPGA专用于模拟路由设备以及节点间通信质量实时仿真，能够实现数据包的传递与通信网络仿真的二合一，不仅有效节省了仿真的计算耗时，大大提升了仿真的效率，而且还能够大大提高仿真效率，同时还能够提供更为真实的网络通信环境，使得仿真更接近于真实情况。

上述每个仿真节点具有独立的软硬件资源，各仿真节点具体包含飞机模拟器、飞行控制器和任务管理器等。本实施例中仿真节点具体采用虚拟机(如VMware，Xen等)实现，由多台虚拟机构成虚拟机集群，每台虚拟机对应仿真一个无人系统。当然仿真节点也可以采用轻量级Docker容器，Docker容器作为一种服务化的轻量化虚拟工具，不需要占用独立的计算资源，也不用独立的安装操作系统，因此可以进一步减少运行时所需计算资源。

本实施例中，上述无人系统仿真集群根据接收到的配置信息、控制信息，启动各仿真节点进行模拟仿真时，具体各仿真节点根据任务分配模拟产生信息传递激励，并根据信息传递激励生成或更新路由以寻找出传递路径。生成、更新路由具体可采用分布式路由器实现，以在线计算生成与更新路由。

在具体应用实施例中，使用FPGA构建核心交换机，通过光纤万兆网络口接收和发送数据包，利用PCIe接口从仿真环境主机中获取任务环境影响通信(如地形地貌、建筑物等)的仿真信息；采用嵌入式资源在线计算数据包中仿真节点对(当前节点与下一条节点)之间的链路质量参数，根据计算结果选择按照一定时间间隔对数据进行延时、丢弃甚至篡改等操作，以模拟各种链路通信变化带来的数据传递的影响。

在具体应用实施例中，采用“云计算平台+可编程交换机”的方式构建仿真环境，主要由三个层次构成，如图1所示，包括：

第一层为仿真管理控制平台，由该管理控制平台作为网络仿真系统的上层，同时作为人机交互界面，该仿真管理控制平台主要包括：总线部署与管理模块、集群网络状态监督模块以及集群网络仿真显示模块，其中总线部署与管理模块用于根据外部配置信息完成对各仿真节点的总线部署以及管理配置，集群网络状态监督模块用于监测集群网络中各条无线链路的链路状态，集群网络仿真显示模块用于显示仿真结果。通过该平台，用户可以对各仿真节点的总线按需部署，进一步还可以配置使得通过可视化的三维场景和不同图层的显示，展示无人机集群运动状态和网络通信状态，主要包括网络层次结构、拓扑关系、链路实时质量等信息。该仿真管理控制平台具体使用云计算平台虚拟机组成，也可采用独立服务器资源。

第二层为可编程核心交换机，主要包含基于FPGA核心交换机和接入交换机，其中FPGA核心交换机具有路由功能，由FPGA核心交换机根据无人机位置及运动状态，基于通信模型在线计算节点之间链路状态，并对节点之间数据包进行指定类型(延时、丢弃、篡改等)处理操作，从而实时仿真出节点之间通信质量变化。

第三层为虚拟机集群，每一台虚拟机即为一架无人机的仿真节点，各仿真节点中动力学模型可采用简便的质点模型，各仿真节点根据任务分配结果模拟产生信息传递激励，并通过继承与节点的分布式路由模块，在线计算生成与更新路由，寻找出传递路径。

本实施例利用上述仿真环境，按照无人机集群典型任务，测试无人机集群网络以下三个方面的性能：一是集群网络构建与生成效率：以生成时间、网络容量、APL、ACC及信息传递时效性等综合评价；二是网络路由算法性能：以在线计算时间、网络负载、路由更新即时性等综合评价；三是网络重构性能：以重构时间、重构后网络容量、信息传递时效性等方面综合评价，具体也可以根据实际需求配置。

本实施例进一步利用FPGA部分可动态重构的特点，在FPGA中实现基于部分可重构的虚拟路由功能，形成部分可重构的虚拟路由器，实现数据路由查询和传输路径生成的功能，以使得在可编程核心交换机中可并行运行多个不同网络的虚拟路由器。该部分可重构的路由器具体实现以下两方面的重构：一是根据场景变化对通信模型(无线链路质量计算模型)进行重构，二是根据网络变化对网络路由功能进行重构。

执行通信仿真时，如图2所示，上述部分可重构的虚拟路由器具体执行步骤包括：

S101.数据包接收：接收所述无人系统仿真集群发送的数据包；

S102.信息解析与分类处理：对接收到的数据包进行解析，获取解析后数据包中包含有无人系统飞行状态信息的目标数据包并转入执行步骤S103，以及获取解析后的所有数据包并转入执行步骤S104；

S103.链路状态确定：预先根据任务场景构建对应的无线链路质量计算模型，从当前获取到的目标数据包中获取需要计算的目标仿真节点对，根据目标仿真节点对所处环境信息、目标仿真节点对的状态参数信息，使用无线链路质量计算模型计算目标仿真节点对之间无线链路的信道质量参数，确定出各条无线链路的链路状态并输出，转入步骤S105；

S104.数据包处理：根据各无线链路的链路状态以及仿真节点对的类型，对接收到的各数据包执行不同处理，处理完成之后组合成完整的数据包，转入步骤S105；

S105.数据包封装发送：将接收到的数据包进行封装后发送。

本实施例通过在基于可部分重构的FPGA核心交换机中实现可部分重构的虚拟器功能，以根据场景变化对通信模型进行重构，以及根据网络变化对网络路由功能进行重构，使得可运行并行处理的多虚拟路由器，实现对无人机集群多层、多簇网络的组网路由生成与更新等多网业务的并行处理；同时可根据无人机集群资源的调度与重组，在线部分重构、增加或减少虚拟路由器，实现支持集群网络分裂为多个子网以及多子网融合成较大网络过程中的组网路由变化与更新。

上述步骤S101中，具体从网络接口接收数据，然后分别进入数据接收缓存队列，再依次从数据接收缓存队列出取出数据包进行后续处理。

上述步骤S102中，进行数据包的解析时主要分析数据包头获得源地址、当前节点、下一跳节点和目的节点信息，以及分析数据包内数据域的信息，获得当前无人系统的飞行状态参数信息，飞行状态参数信息包括经纬高位置、速度、加速度、姿态、任务、航线等，具体可根据实际需求配置；解析后将数据包分成两路处理，所有接收到的数据包都将传递到数据包处理单元，由数据包处理单元将根据通信传输质量对数据包进行指定类型的处理(即执行步骤S104)；同时，将包含有无人机飞行状态信息的数据包传输至链路状态确定单元，通过链路状态确定单元根据节点之间所处环境、状态参数信息计算节点间的通信信道质量参数和传输性能参数，以确定节点间无线链路的链路状态(即执行步骤S103)。

上述步骤S103具体包括：

接收当前任务场景中的通信模型类型信息，以及获取当前环境中存在的干扰信息，根据所述通信模型类型信息和干扰信息，构建无线链路质量计算模型；

从当前获取到的目标数据包中获取需要计算的目标仿真节点对，根据目标仿真节点对所处环境信息以及目标仿真节点对的状态参数信息，使用所述无线链路质量计算模型计算出目标仿真节点对之间无线链路的信道质量参数；

根据底层MAC链路协议和组网方式以及计算出的所述信道质量参数，计算各条无线链路的链路状态，形成各仿真节点对(SN&NH)之间的链路状态表。

上述状态参数信息具体可以为相对距离、方位、姿态以及飞行高度、速度/加速度等参数。链路状态包括延时、丢包率等状态。

在具体应用实施例中，步骤S013中首先通过PCIe接口，接收到当前任务场景中基本通信模型类型和参数信息，具体由任务环境方针驱动器获取地理气象环境及地貌建筑等环境信息，同时，通过无线电干扰模型注入模块，注入当前环境中存在的具体干扰情况，其中若无具体干扰器存在，则判定此时仅为环境噪声干扰(如在计算模型中加入白噪声等)；根据基础模型和干扰信息，分析当前模型形式和参数定义，即实现通信影响因素建模与参数分析，构建具体的无线链路质量计算模型；之后，从数据包解析之后获取到需要计算的无人机节点对(CN&NH)，根据节点之间的状态参数信息，使用构建的无线链路质量计算模型，计算生成无线链路的信道质量，并根据底层MAC链路协议和组网方式，得到当前链路传递状态(如延时、丢包率等)，实现基于环境影响的无线链路质量实时计算，并将结果保存在链路状态寄存器中。

由于采用FPGA可编程逻辑以及FPGA部分动态重构的特点，本实施根据任务场景形成对应的无线链路质量计算模型，由不同任务场景可以构建形成一系列的无线链路质量计算模型，进而构建形成模型库，根据任务场景的变化或切换，可以动态部分重构该模型所占用的FPGA逻辑电路资源，加载匹配当前任务场景的无线链路质量计算模型，即可实现根据集群任务场景变化自适应更新模型，且随着模型库不断覆盖更多集群典型任务应用，可以逐步获得自主适应性更好的仿真性能。

本实施例上述还提供有电子干扰信息的注入接口，可以为用户提供链路状态查询和突变提示，可以模拟无人机集群在通信干扰、任务环境突变条件下的状态，从而可以提供更为贴近实际任务场景的验证环境。

上述步骤S104中，步骤S104中对接收到的各数据包执行处理包括：将待处理数据包依据所关联的仿真节点对的形式进行分类，将分类后数据包分别输入至各自的数据包队列；在各数据包队列中，根据数据包中所关联的仿真节点对之间的通信状态选择对应类型的处理操作，处理操作包括延时传输、丢包、修改部分数据内容以及打乱包序等，如当通信未受干扰且信道强度正常衰减时，可以选择延时传输；当受到干扰时，可选择丢包等。上述通过基于无线链路状态确定数据包处理，可以真实仿真出节点之间通信质量变化。

在具体应用实施例中，上述步骤S104根据存储无线链路状态寄存器的状态数值，首先监督链路状态，对状态突变的情况及时记录并提示用户端，以便于后续引入无线通信干扰或在任务场景突变等情况提供自主判断或自适应的能力；同时，将所有数据包依据(CN&NH)节点对形式进行分类，进入各自的数据包队列；在各数据包队列中，根据当前节点对之间的通信性能的操作选择，执行延时传输、丢包、修改部分数据内容以及打乱包序等操作；操作完成之后，立即组合成完整的数据包形式。

上述步骤S105具体包括：判断待发送的数据包类型，如果是节点间链路状态数据包，将链路状态信息进行封装后发送给所述仿真控制管理平台，以提供无人系统集群系统中每一条无线链路的实时状态；如果是无人系统集群内部传递的数据包，则封装数据包后发送至仿真网络环境中。由于待发送的数据包包括两类，一是节点间链路状态数据包，对于该类数据包，在完成节点之间无线链路状态确定之后，则将状态信息进行封包，发送给仿真管理控制平台，以提供无人机集群系统中每一条链路的实时状态；二是无人机集群内部传递的数据包，对于该类数据则在完成数据包操作之后，立即进行封装数据包，发送至仿真网络环境中，即模拟数据包的传递。

本实施例进一步借鉴分布式控制系统的特点，引入数据订阅与分发机制，采用共享内存机制，构建具有订阅与分发服务的实时数据总线，在可编程交换机与虚拟机集群之间通过具有订阅与分发服务的实时数据总线连接，以满足协同控制实时性需求。该实时数据总线底层是UDP数据包传输，所有传递的数据包都需要经过FPGA可编程交换机传输，由此来构建完整的无人机集群在任务执行过程中网络通信仿真的完整平台。同时面向通信网络各层的算法功能模块集成与仿真，通过使用面向不同数据传输需求的复合式总线架构，基于开放式架构思想，在建立实时数据总线基础上，配置“参数输入、结果反馈”的算法功能模块的服务总线和“指控信息即时必达”的消息总线以形成复合式总线架构。

本实施例在上述总线架构的基础上，建立简洁的QoS信息，以降低总线接入与节点维护开销，实现高速访问总线性能。进一步建立消息传输、封装、读写操作以及共享内存的配置接口，由仿真控制管理平台作为总线统一规划管理平台，采用分布式自动配置的总线分布式部署方式，使得能够在局域网内共享内存实现计算机节点之间高速访问，相比于传统的分散的“点对点”或“点对多点”的方式，能够确保数据的实时性以及可靠性，解决智能体协同控制体系中对面向服务架构散耦合方式服务关联的总线架构实时性问题。

本发明能够将底层信道模型与平台运动模型相结合、集群任务与通信能力相结合、以及任务效能与信息传递效率相结合的仿真验证平台，从而能够实现面向大规模节点任务全流程的通信模块、组网模式、路由协议、网络管理等的可编程、可配置的仿真环境，能够适用于大规模无人系统集群网络实现接近于真实工况的通信性能仿真。

如图2所示，本实施例无人系统集群网络通信仿真装置包括：

仿真管理控制平台，用于接收仿真配置信息以及控制信息，以及显示仿真得到的无人系统集群运动状态和网络通信状态；

无人系统仿真集群，包括多个仿真节点，每一个仿真节点对应仿真一个无人系统，所述无人系统仿真集群根据接收到的所述配置信息、控制信息，启动各所述仿真节点进行模拟仿真；

可编程核心交换机，基于FPGA构建形成，用于实现各仿真节点之间以及各仿真节点与所述仿真管理控制平台之间的信息传输，以及根据各仿真节点仿真模拟得到的无人系统位置及运动状态，计算仿真节点之间的链路通信质量参数，并根据所述链路通信质量参数对节点之间传输的数据包进行指定类型的处理，以实时仿真出节点之间通信质量变化。

上述具体在FPGA中还具备部分可重构的虚拟路由功能，形成部分可重构的虚拟路由器，部分可重构的虚拟路由器具体包括：

数据包接收单元，用于接收所述无人系统仿真集群发送的数据包；

信息解析与分类处理单元，用于对接收到的数据包进行解析，获取解析后数据包中包含有无人系统飞行状态信息的目标数据包并转入执行步骤S103，以及获取解析后的所有数据包并转入执行步骤S104；

链路状态确定单元，用于从当前获取到的目标数据包中获取需要计算的目标仿真节点对，根据目标仿真节点对所处环境信息以及目标仿真节点对的状态参数信息，计算目标仿真节点对之间无线链路的信道质量参数，确定出各条无线链路的链路状态并输出，转入步骤S105；

数据包处理单元，用于根据各无线链路的链路状态以及仿真节点对的类型，对接收到的各数据包执行不同处理，处理完成之后组合成完整的数据包，转入步骤S105；

数据包封装发送单元，用于将接收到的数据包进行封装后发送。

本实施例中，链路状态确定单元包括：

链路模型构建子单元，用于接收当前任务场景中的通信模型类型信息，以及获取当前环境中存在的干扰信息，根据所述通信模型类型信息和干扰信息，构建无线链路质量计算模型；

链路状态确定子单元，用于从当前获取到的目标数据包中获取需要计算的目标仿真节点对，根据目标仿真节点对所处环境信息以及目标仿真节点对的状态参数信息，使用所述无线链路质量计算模型计算出目标仿真节点对之间无线链路的信道质量参数，并根据底层MAC链路协议和组网方式以及计算出的所述信道质量参数，确定各条无线链路的链路状态。

本实施例无人系统集群网络通信仿真装置与上述无人系统集群网络通信仿真方法对应，在此不再一一赘述。

上述只是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应落在本发明技术方案保护的范围内。

Claims (9)

1.一种无人系统集群网络通信仿真方法，其特征在于，该方法包括：

构建仿真环境：构建用于执行仿真管理控制的仿真管理控制平台，以及由多个仿真节点构成无人系统仿真集群，其中每一个所述仿真节点对应仿真一个无人系统，所述仿真管理控制平台与所述无人系统仿真集群之间通过基于FPGA的可编程核心交换机实现通信；

执行通信仿真时，所述仿真管理控制平台根据所需仿真任务发送仿真配置信息以及控制信息给所述无人系统仿真集群；所述无人系统仿真集群根据接收到的所述配置信息、控制信息，启动各所述仿真节点进行模拟仿真，所述可编程核心交换机实现各仿真节点之间以及各仿真节点与所述仿真管理控制平台之间的信息传输，以及所述可编程核心交换机根据各仿真节点仿真得到的无人系统位置及运动状态，计算仿真节点之间的链路通信质量参数，并根据所述链路通信质量参数对仿真节点之间传输的数据包进行指定类型的处理，以实时仿真出节点之间通信质量变化；

所述无人系统仿真集群根据接收到的所述配置信息、控制信息，启动各所述仿真节点进行模拟仿真时，各所述仿真节点根据任务分配模拟产生信息传递激励，并根据所述信息传递激励生成或更新路由以寻找出传递路径。

2.根据权利要求1所述的无人系统集群网络通信仿真方法，其特征在于，还包括在所述基于FPGA的可编程核心交换机中实现具备部分可重构的虚拟路由功能，形成部分可重构的虚拟路由器，以使得在所述可编程核心交换机中可并行运行多个不同网络的虚拟路由器，在执行通信仿真时，所述部分可重构的虚拟路由器具体执行步骤包括：

S101.数据包接收：接收所述无人系统仿真集群发送的数据包；

S102.信息解析与分类处理：对接收到的数据包进行解析，获取解析后数据包中包含有无人系统飞行状态信息的目标数据包并转入执行步骤S103，以及获取解析后的所有数据包并转入执行步骤S104；

S103.链路状态确定：预先根据任务场景构建对应的无线链路质量计算模型，从当前获取到的目标数据包中获取需要计算的目标仿真节点对，根据目标仿真节点对所处环境信息、目标仿真节点对的状态参数信息，使用所述无线链路质量计算模型计算目标仿真节点对之间无线链路的信道质量参数，确定出各条无线链路的链路状态并输出，转入步骤S105；

S104.数据包处理：根据各无线链路的链路状态以及仿真节点对的类型，对接收到的各数据包执行不同处理，处理完成之后组合成完整的数据包，转入步骤S105；

S105.数据包封装发送：将接收到的数据包进行封装后发送。

3.根据权利要求2所述的无人系统集群网络通信仿真方法，其特征在于，所述步骤S103包括：

接收当前任务场景中的通信模型类型信息，以及获取当前环境中存在的干扰信息，根据所述通信模型类型信息和干扰信息，构建无线链路质量计算模型；

从当前获取到的目标数据包中获取需要计算的目标仿真节点对，根据目标仿真节点对所处环境信息以及目标仿真节点对的状态参数信息，使用所述无线链路质量计算模型计算出目标仿真节点对之间无线链路的信道质量参数；

根据底层MAC链路协议和组网方式以及计算出的所述信道质量参数，计算各条无线链路的链路状态。

4.根据权利要求2所述的无人系统集群网络通信仿真方法，其特征在于，所述步骤S104中对接收到的各数据包执行处理包括：将待处理数据包依据所关联的仿真节点对的形式进行分类，将分类后数据包分别输入至各自的数据包队列；在各所述数据包队列中，根据数据包中所关联的仿真节点对之间的通信状态选择对应的处理操作，所述处理操作包括延时传输、丢包、修改部分数据内容以及打乱包序中任意一种。

5.根据权利要求2～4中任意一项所述的无人系统集群网络通信仿真方法，其特征在于，所述步骤S105包括：判断待发送的数据包类型，如果是节点间链路状态数据包，将链路状态信息进行封装后发送给所述仿真控制管理平台，以提供无人系统集群系统中每一条无线链路的实时状态；如果是无人系统集群内部传递的数据包，则封装数据包后发送至仿真网络环境中。

6.一种无人系统集群网络通信仿真装置，其特征在于，包括：

仿真管理控制平台，用于接收仿真配置信息以及控制信息，以及显示仿真得到的无人系统集群运动状态和网络通信状态；

无人系统仿真集群，包括多个仿真节点，每一个所述仿真节点对应仿真一个无人系统，所述无人系统仿真集群根据接收到的所述配置信息、控制信息，启动各所述仿真节点进行模拟仿真；

可编程核心交换机，基于FPGA构建形成，用于实现各仿真节点之间以及各仿真节点与所述仿真管理控制平台之间的信息传输，以及根据各仿真节点仿真模拟得到的无人系统位置及运动状态，计算仿真节点之间的链路通信质量参数，并根据所述链路通信质量参数对节点之间传输的数据包进行指定类型的处理，以实时仿真出节点之间通信质量变化；

所述无人系统仿真集群根据接收到的所述配置信息、控制信息，启动各所述仿真节点进行模拟仿真时，各所述仿真节点根据任务分配模拟产生信息传递激励，并根据所述信息传递激励生成或更新路由以寻找出传递路径。

7.根据权利要求6所述的无人系统集群网络通信仿真装置，其特征在于，所述可编程核心交换机还具备部分可重构的虚拟路由功能，形成部分可重构的虚拟路由器，所述部分可重构的虚拟路由器包括：

数据包接收单元，用于接收所述无人系统仿真集群发送的数据包；

信息解析与分类处理单元，用于对接收到的数据包进行解析，获取解析后数据包中包含有无人系统飞行状态信息的目标数据包并转入执行链路状态确定单元，以及获取解析后的所有数据包并转入执行数据包处理单元；

链路状态确定单元，用于从当前获取到的目标数据包中获取需要计算的目标仿真节点对，根据目标仿真节点对所处环境信息以及目标仿真节点对的状态参数信息，计算目标仿真节点对之间无线链路的信道质量参数，确定出各条无线链路的链路状态并输出，转入数据包封装发送单元；

数据包处理单元，用于根据各无线链路的链路状态以及仿真节点对的类型，对接收到的各数据包执行不同处理，处理完成之后组合成完整的数据包，转入数据包封装发送单元；

数据包封装发送单元，用于将接收到的数据包进行封装后发送。

8.根据权利要7所述的无人系统集群网络通信仿真装置，其特征在于，所述链路状态确定单元包括：

链路模型构建子单元，用于接收当前任务场景中的通信模型类型信息，以及获取当前环境中存在的干扰信息，根据所述通信模型类型信息和干扰信息，构建无线链路质量计算模型；

链路状态确定子单元，用于从当前获取到的目标数据包中获取需要计算的目标仿真节点对，根据目标仿真节点对所处环境信息以及目标仿真节点对的状态参数信息，使用所述无线链路质量计算模型计算出目标仿真节点对之间无线链路的信道质量参数，并根据底层MAC链路协议和组网方式以及计算出的所述信道质量参数，确定各条无线链路的链路状态。

9.根据权利要7或8所述的无人系统集群网络通信仿真装置，其特征在于，所述可编程核心交换机与所述无人系统仿真集群之间通过具有订阅与分发服务的实时数据总线连接，所述实时数据总线中配置有服务总线和消息总线以形成复合式总线。

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