CN113411118A - 一种基于网格的无人机自组网虚拟路由方法 - Google Patents

Abstract

本发明设计了一种基于网格的无人机自组网虚拟路由方法。该路由针对无人机自组网路由的不稳定问题，设计了利用逻辑网格距离代替无人机之间地理距离的路由方式。由于无人机群高速移动的不确定性，从而导致无人机群链路质量和拓扑环境的不稳定性问题，促使人们必须设计出专门用于无人机自组网的路由。所提路由通过网格有效面积和网络心跳时间计算出网格的大小，然后利用网格位置代替无人机节点位置，利用虚拟贪婪地理路由的方法进行信息传递。本发明适用于无人机自组网环境，可以提高无人机群通信路由的稳定性，并可以降低路由开销。

Description

一种基于网格的无人机自组网虚拟路由方法

技术领域

本发明涉及无人机自组网路由技术，特别是涉及了一种针对无人机高速移动不确定性特点的路由技术，本发明对无人机自组网的路由稳定有很好的提升，可以用于各种环境中的无人机自组网通信。

背景技术

由于无人机的成本较低，以及其可以快速适应复杂环境下的各种军用、民用任务，导致无人机在日常生活中的应用越来越广泛。而现在越来越多的任务需要大量无人机通过中继组成无人机网络，来满足正常的任务需求。无人机自组织网络应用于不同的场景之中，如传输数据时要求的高可靠性，传输图片和视频时的低时延性，而且对于数据文本、图片、视频所要求的带宽也各有不同，所以它比传统无线自组织网络的设计更加复杂，更有挑战性。现有的无人机自组网路由协议主要是从传统移动自组网络和车辆自组网络的成熟协议中改造而来。

但是在实际场景中，由于无人机群的高速移动的不确定性，移动自组网和车辆自组网的路由算法直接应用于无人机自组网的性能并不理想，不能很好地扩展到复杂多变的无人机场景。由于网络的频繁断开与重连，以及节点的离开与加入，整个网络变得很不稳定，对于时延以及传输成功率都有较大的影响。

所以提出了一些专门针对无人机系统的路由体系，来实现无人机自组网的高效协同，保证无人机自组网可靠、持续的通信连接。但是由于高速移动的不确定性，性能提升在使用中并不是很明显。

发明内容

本发明目的在于克服无人机高速移动的不确定性，从而导致无人机群的链路质量和拓扑环境的不稳定问题，提出了一种基于网格的无人机自组网虚拟路由方法，利用网格逻辑距离代替无人机之间的实际距离，降低无人机高速移动的影响，提升路由性能，适用于各种无人机自组网的通信场景。

为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：在所提的路由算法中，主要包括以下几个步骤：拓扑发现，路由算法，节点移动过程，拓扑重构，路由路径的动态更新等。对于单节点，首先实现其拓扑结构的初始化，以获取每个节点的邻居表。当节点快速移动时，对于每个时间间隔，它都会从机载GPS设备接收位置信息并计算网格位置。然后，它从其他节点接收更新信息并动态更新其邻居表。最后，读取并更新其路由路径表中的每个路由路径。如果需要创建新的通信连接，将获得新的路由路径。

对于初始化拓扑结构，选择固定的网格大小，并将区域划分为矩形任务空间。显然，网格宽度的选择对路由算法的有效性有实质影响，将在随后的部分中进行讨论。无人机自组网中的每个节点都可以从其机载GPS设备获取位置信息。然后，将此位置信息投影到逻辑网格空间中，从而获得每个节点的原始网格位置。同时，计算每个节点的网格通信范围和距离矩阵。最后，使用泛洪方式生成每个节点的初始邻居表，并初始化邻接矩阵。开始时，每个节点的邻居表将被设置为空，并且其长度为零。每个节点将发送一个广播信息，包括其节点ID，逻辑网格位置等。每个节点将连续监视和接收其他节点的广播信息。对于每个接收到的广播信息，将提取节点ID和网格位置，然后获得它们的网格距离。如果网格距离不大于通信半径，则会将节点添加到其邻居表中，并将列表的长度增加1，然后继续监视。处理完所有信息后，将获得所有节点的邻居表，并可以生成此自组网的邻接矩阵。

对于动态更新拓扑结构，无人机自组网中的节点高速移动，其位置信息实时变化。当一个节点从当前网格移动到另一个网格时，需要执行一些处理，以实现对移动网络链路拓扑状态的感知和更新，并确保链路的连通性。在处理过程中，需要通过机载GPS在每个时间间隔获取位置信息，计算当前逻辑网格，并基于逻辑网格进行位置判断。如果一个节点离开原始网格，它将向其他节点广播其新网格位置。同时，根据新的网格位置，它将计算其相邻节点与其自身之间的网格距离。如果发现某个节点超出了他们的通信距离，将从邻居表中删除此节点。例如，如果节点j从另一个节点i接收到广播信息，则根据i的新网格位置信息，节点j将计算其网格距离。如果它们的网格距离大于通信距离，则节点j将从其邻居节点列表中删除节点i；否则，它将保留为节点i。然后向节点i发送点对点消息及其位置，节点i还将计算节点j的网络位置并将其添加到节点i的路由表中。因此，该方法可以使用少量的本地通信数据包来完成对相关节点邻居表的感知和更新，最终完成整个无人机自组网拓扑状态的更新。

对于路径重建策略，在无人机自组网中，每个节点可能需要与其他节点进行通信。它可以是通信源，目的地或中继站。因此，每个节点都有一个路由表来存储其路由路径。无人机自组网的网络拓扑是高度动态的，这是因为快速飞行的节点导致节点之间的通信链路寿命很短。当无人机自组网的节点快速移动时，同一路径中相邻节点之间的距离很可能会超过机载通信设备的有效通信范围，并会导致通信中断。因此，很难保持路由路径的稳定性。当发生这种情况时，传统方法是通过重新规划路由来找到新路径，但是这种方法将消耗大量额外的通信资源。在概率统计中，对于路由路径的局部中断来说，区域重建是最经济的，因此本发明提出了一种区域重建策略，包括区域固定和冗余删除两部分。

对于路由发现，在无人机自组网中，想在两个节点之间建立新的通信链路，或者由于节点快速移动而导致原始路由路径中断时，应该实现全局路由发现算法。当获得无人机自组网的邻接矩阵时，可以使用虚拟贪婪路由过程，以完成路由发现和重新路由过程。

在网格路由中的关键问题就是路由大小的确定，这将直接影响到网络的通信性能。

从两个方面来确定网格的具体大小：第一是有效区域的大小；第二是网格的灵敏度的大小。对于有效区域来说，需要在节点的通信范围内有尽可能多的完整网格；对于网格灵敏度而言，需要尽可能地降低网格灵敏度。

在网格有效面积中，由于在节点密度高的情况下，网格的边缘位置一般都有节点存在，当通信时，一般会选择最短路径进行通信，而在通信范围边界的节点极有可能随时移除通信范围，从而中断路径，这将导致无人机通信中出现边缘效应，所以要尽可能避免用处于边界的节点作为中继节点。而且在路由中，需要尽可能地利用足节点的通信范围，一般要保证在81％以上，所以对网格的大小要做一个限定。

在网格灵敏度中，设计的目标就是为了减弱节点的快速不确定性移动对路由的影响。在本发明中，一般使用心跳时间来定义网格灵敏度。对于高速无人机，最好在心跳时间周期中使用较小值来反映网络拓扑的变化。对于低速无人机，心跳时间周期中使用较大值在减少开销方面更有效。在密集网络中，链路更改频繁发生，因此需要较短的时间间隔；相反，在低密度网络中，链路更改并不常见，因此需要较长的间隔。所以定义一个网格密度参数，然后根据密度参数定义心跳时间，从而得到网格的大小范围。

最后通过利用网格有效面积参数和网格灵敏度参数构建性能函数，得到最优的网格大小。

附图说明

图1是本发明的流程图。

图2是虚拟路由说明图。

图3是不同路由对于路由过程中控制数据包开销的对比仿真图。

图4是不同路由对于路由过程中数据传输成功率的对比仿真图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明作进一步的详细描述。

首先，根据无人机群的参数信息，计算无人机群对应的网格有效面积和网络心跳时间，计算出网格宽度。

然后，根据节点信息进行数据传输，如果目的节点所在网格在源节点网格的通信范围内，则路由建立为源节点到目的节点的路径；否则，建立最佳虚拟路由，如图2,源节点网格作为当前中继节点网格。转到下一跳选择。

在下一跳选择中，更新当前参考虚拟中继节点网格。计算其邻居节点的BNH值，并选择具有最大BNH值的邻居节点作为下一跳中继节点网格。转到路由状态判断。

在路由状态判断中，如果下一跳中继节点网格可以与目标节点所在网格通信，则路由完成；否则，下一跳中继节点网格继续充当中继节点。转到下一跳选择。

以上所述仅为本发明的一个实施例而已，并不用以限制本发明，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，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.本发明针对由于无人机群高速移动的不确定性，从而导致无人机群的链路质量和拓扑环境的不稳定性问题，提出了一种基于网格的无人机自组网虚拟路由方法，其特征在于：对无人机群的飞行区域进行网格化划分，利用网格逻辑距离代替无人机的地理距离；然后利用虚拟贪婪技术进行路由传输。

2.根据权利要求1所述的区域网格化，其特征在于：通过无人机群的参数确定网格的大小。

3.根据权利要求1所述的路由传输，其特征在于：通过无人机的源节点和目的地节点确定虚拟传输路径。

4.根据权利要求2所述的网格大小，其特征在于：根据无人机群的参数，确定出网格的有效面积以及网络的心跳时间。

5.根据权利要求3所述的虚拟传输路径，其特征在于：无人机通过虚拟路径上的虚拟节点确定路由中的下一跳节点。

6.根据权利要求3所述的虚拟传输路径，其特征在于：待传输信息沿着获得的下一跳节点进行传输。

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