CN113840257B - 一种城市环境下的多无人机通信中继方法 - Google Patents

一种城市环境下的多无人机通信中继方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种适用于通信信号不稳定城市环境下的多无人机通信中继方法。本方法通过引入通信中继，当传输失败时利用中继路径搜索算法搜索当前通信条件下最短的中继路径，传输任务根据中继路径搜索结果选取中继节点作为目的地址发送需要传输的数据，通过中继节点将数据发往最终目的地址，完成通信中继。本发明设计了一种基于Dijkstra算法的路径搜索技术，易于实现且占用资源小，具有求解速度快，时间复杂度低的特点。能够满足通信信号不稳定条件下无人机协同通信和数据传输需求。解决无人机在城市不稳定网络条件下的信息传输问题。

Description

一种城市环境下的多无人机通信中继方法
技术领域
本发明属于无人机传输通信控制技术领域，尤其涉及一种城市环境下的多无人机通信中继方法。
背景技术
随着无人机（UAV）技术的发展，在军事、救灾、通信、极端环境下的探索研究等领域，各型无人机有着无可替代的作用，其既可以在军事上以较低的成本搜集大量实时情报或携带武器完成对目标的袭击，也可以在民用领域中用于城市管理监视、农业、地质、气象数据搜集、抢险救灾、通讯支持等多个领域。随着无人机应用场景的多元化，单个无人机受制于感知范围小、载荷小等问题，在实际应用过程中会出动多个无人机协同完成既定任务，如军事中的蜂群无人机系统等。由于无人机在水域、地面、空间中移动飞行，相互间的通信只能依赖无线通信手段，如在城市环境中应用较广的低空小型无人机，主要依托WIFI或数据链等技术进行通信。
目前的无人机通信技术主要考虑较为稳定的网络通信环境，缺乏通信遭到干扰时的应对方法和通信方式，在实际应用过程中，由于城市环境复杂多变，可能存在多个建筑物遮挡通信信号或电磁干扰的情况，在这种情况下，通信信号将十分不稳定，传输时延时高时低，十分不利于无人机间的协同通信与无人机信息传递。因此，需要一种针对通信弱连接环境的无人机通信方法解决无人机在不稳定网络条件下的信息传输问题。
发明内容
本发明针对城市环境复杂多变，通信信号不稳定的特点，提出一种无人机通信中继方法，能够满足通信信号不稳定条件下无人机协同通信和数据传输需求，解决无人机在城市不稳定网络条件下的信息传输问题。
为了解决上述技术问题，本发明公开了一种城市环境下的多无人机通信中继方法，包括以下步骤。
步骤1：从任务队列中选取数据传输任务，每个数据传输任务中有需要传输的数据，判断该数据传输任务对应的消息状态，若消息状态为未发送，则继续发送该消息，若消息状态为正在发送，则判断消息是否发送成功。
步骤2：若消息未发送成功，且该任务含中继重传标签，则启用中继重传机制，选择中继路径并返回中继节点地址，执行步骤4。
步骤3：若消息发送成功，则移除该数据传输任务以及任务中包含的数据。
步骤4：将消息发送地址修改为中继节点地址，执行步骤1。
本发明中步骤1中，任务队列采用优先级队列，赋予重要程度高的任务对应的消息高优先级，保证该消息优先出队；如果消息状态为未发送则查询消息发送目的IP地址，通过全局令牌管理机制为发送消息提供令牌许可，其中，总令牌数和令牌恢复速率根据当前设备支持的最大上行带宽确定；根据发送令牌数并结合网络最大传输单元计算最大允许发送的数据量，同时更新消息的发送次数和消息的上次发送时间，将消息状态置为正在发送，把待发送消息进行分包后使用UDP协议发送。
本发明中步骤2中，通过查询消息是否重传次数超限及是否收到消息传输回执判定消息是否未发送成功，若该数据传输任务有效且含中继重传标签，则采取中继传输策略，包括如下步骤。
（21）采用最短中继路径搜索算法对可行的中继路径进行搜索。
（22）搜索最短中继路径
Figure 628187DEST_PATH_IMAGE001
，其中，
Figure 420825DEST_PATH_IMAGE002
表示数据传输任务发送节点地址，
Figure 249103DEST_PATH_IMAGE003
表示最终传输目的地址，
Figure 967530DEST_PATH_IMAGE004
表示中继节点地址，
Figure 779628DEST_PATH_IMAGE005
表示中继节点数量。
（23）输出最短路径
Figure 638606DEST_PATH_IMAGE006
的首个中继地址
Figure 586971DEST_PATH_IMAGE007
。
本发明中最短中继路径搜索算法能够搜索当前通信链路状况下可行的最短通信中继路径，可采用深度优先搜索，广度优先搜索等全局搜索算法，也可采取启发式算法加快搜索速度，降低时间复杂性。本发明结合实际使用需求，选择Dijkstra算法作为中继路径搜索算法，包括步骤如下：
（31）构建当前通信链路状况下的传输拓扑图
Figure 741877DEST_PATH_IMAGE008
，其中，
Figure 775692DEST_PATH_IMAGE009
表示传输节点，
Figure 175712DEST_PATH_IMAGE010
代表图中的边表示传输节点间的传输关系。
（32）为边
Figure 244162DEST_PATH_IMAGE010
选择加权策略，
Figure 586282DEST_PATH_IMAGE011
表示传输节点间已建立通信关系，
Figure 622240DEST_PATH_IMAGE012
表示传输节点间尚未建立通信关系；为保证中继路径最优，需要指定传输关系的权重，该权重可以根据路由跳转的次数、通信链路的带宽、数据吞吐量大小等设置。本发明以路由跳转的次数为例设置权重，认为传输消息需要跳转的路由节点越少越好。
（33）设置消息传输起点为发送地址
Figure 75218DEST_PATH_IMAGE002
，目的地址为终点
Figure 529333DEST_PATH_IMAGE003
，将传输拓扑图G中起点
Figure 807735DEST_PATH_IMAGE002
和终点
Figure 81721DEST_PATH_IMAGE003
的连接关系设置为不可达
Figure 338390DEST_PATH_IMAGE012
。
（34）调用Dijkstra算法返回起点
Figure 630700DEST_PATH_IMAGE002
到终点
Figure 314622DEST_PATH_IMAGE003
的最短路径R：
Figure DEST_PATH_IMAGE013
实现本发明目的的核心技术解决方案为：通过引入传输回执机制，在发送数据后需要获取目的地址传回的传输回执确认数据传输是否成功。当传输失败时利用中继路径搜索算法搜索当前通信条件下最短的中继路径并返回搜索结果，传输任务根据中继路径搜索结果选取中继节点作为目的地址发送需要传输的数据，通过中继节点将数据发往最终目的地址，完成通信中继。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：
（1）设置通信中继策略，在当前传输信道不稳定或无法有效传输数据时选用其它备选传输路径进行中继传输，可以有效解决不稳定网络条件下的信息传输问题。
（2）通过引入传输回执机制，实现对数据传输状态的实时掌握，及时对未发送成功的数据采取通信中继策略进行中继传输，节省了通信花销，避免了反复重传。
（3）通过引入令牌机制，以索取发送令牌的方式控制全局发送速度，使得传输发送设备的发送速度不会超过设置的上行带宽，避免信道拥堵。
（4）中继路径搜索算法采用Dijkstra等启发式算法，相比应用深度优先搜索、广度优先搜索等全局最优搜索方法具有求解速度快，时间复杂度低的特点。
（5）通过引入中继重传标签机制，由于中继传输需要搜寻中继路径，相比重传等策略需要消耗一定的资源，若所有数据均采用中继传输，容易导致信道堆积大量的待传信息，造成信道拥堵。本发明仅针对相对重要的数据进行中继传输，未标记中继重传标签的数据将仅进行重传处理，避免信道拥堵，提升传输效率。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明做更进一步的具体说明，本发明的上述和/或其他方面的优点将会变得更加清楚。
图1是本发明实现步骤流程图。
图2是本发明中继路径搜索算法步骤流程图。
具体实施方式
本发明公开了一种适用于通信信号不稳定城市环境下的多无人机通信中继方法。本方法通过引入通信中继，当传输失败时利用中继路径搜索算法搜索当前通信条件下最短的中继路径，传输任务根据中继路径搜索结果选取中继节点作为目的地址发送需要传输的数据，通过中继节点将数据发往最终目的地址，完成通信中继。本发明设计了一种基于Dijkstra算法的路径搜索技术，易于实现且占用资源小，具有求解速度快，时间复杂度低的特点。能够满足通信信号不稳定条件下无人机协同通信和数据传输需求。解决无人机在城市不稳定网络条件下的信息传输问题。
本发明城市环境下的多无人机通信中继方法中，飞控中心和无人机自身包含了若干任务队列，任务队列包含若干数据传输任务，每个数据传输任务中有若干需要传输的数据，数据传输任务以消息的形式发送，无人机之间以及无人机与飞控中心之间可以进行数据的传输。
结合图1，根据本发明的一个实施例，一种城市环境下的多无人机通信中继方法包括如下步骤：
步骤1：从任务队列中取任务。
规则1.1：如果任务队列为空，处理流程将阻塞，直到等到新的任务到来。
步骤2：判断消息状态。
规则2.1：若消息状态为正在发送，则执行步骤3。
规则2.2：若消息状态为未发送，则执行步骤8。
步骤3：判断信息是否重传（重新发送消息）次数过多。
规则3.1：若信息重传次数超过预设值（一般不超过10次），则判定数据传输任务失效，移除数据发送任务，返回步骤1。
规则3.2：若信息重传次数未超过预设值，则执行步骤4。
步骤4：判定传输任务是否收到传输回执。
规则4.1：传输任务收到传输回执，判定数据发送成功，移除数据发送任务，返回步骤1。
规则4.2：传输任务未收到传输回执，判定当前传输任务失败，执行步骤5。
步骤5：判断传输任务是否含中继重传标签。
规则5.1：传输任务含中继重传标签，说明本次传输任务需要在通信失败时启用中继传输，执行步骤6。
规则5.2：传输任务不含中继重传标签，说明本次传输任务即使在通信失败时也不需要采取中继传输策略，按原目的地址进行重发操作，执行步骤8。
步骤6：采用中继路径搜索算法对可行的中继路径进行搜索，返回最短路径
Figure 764320DEST_PATH_IMAGE001
作为中继路径搜索结果，其中
Figure 824680DEST_PATH_IMAGE002
表示任务发送节点地址，
Figure 971497DEST_PATH_IMAGE003
表示最终传输目的地址，
Figure 826320DEST_PATH_IMAGE004
表示中继节点地址，
Figure 74899DEST_PATH_IMAGE005
表示中继节点数，执行步骤7。
步骤7：将步骤6返回的最短中继路径中的首个中继地址
Figure 421173DEST_PATH_IMAGE007
作为目的地址，更新传输任务中的目的地址。执行步骤9。
步骤8：查询数据发送目的IP地址，执行步骤9。
步骤9：索取发送令牌。利用令牌桶机制首先根据“上次索取令牌时间”和当前时间恢复令牌数，然后反馈有效的令牌数。令牌的恢复在令牌索取时发生，保证流程的串行执行。执行步骤10。
步骤10：计算发送数据量。根据步骤9得到的结果，并结合网络最大传输单元计算最大允许发送的数据量，比如网络最大传输单元1500字节，当前有效的令牌数可以支撑发送1500字节，则每个数据包最大允许发送的数据量为1500字节，执行步骤11。
步骤11：更新消息“发送次数”和“上次发送时间”，将消息状态置为“正在发送”，把待发送数据进行合理分包后使用UDP协议发送，并返回步骤1。
步骤1中任务队列可以采用优先级队列，赋予重要程度高的消息高优先级，保证其优先出队。优先级策略可以和任务有效期或者任务提交时间相结合，例如同优先级情况下提交时间越早约优先，同优先级和同提交时间情况下失效时间越近越优先等。
步骤4中传输回执由接收方返回，当数据接收方成功接收传输数据后会向传输方发送传输回执表示数据传输成功。
步骤6中继路径搜索算法旨在搜索当前通信链路状况下可行的通信中继路径，可采用深度优先搜索，广度优先搜索等全局搜索算法，也可采取启发式算法加快搜索速度，降低时间复杂性。本发明结合实际使用需求，选择Dijkstra算法作为中继路径搜索算法，其具体步骤如图2所示：
（1）构建当前通信链路状况下的传输拓扑图
Figure 173229DEST_PATH_IMAGE008
，其中，
Figure 713800DEST_PATH_IMAGE009
表示传输节点，
Figure 184096DEST_PATH_IMAGE010
代表图中的边，表示传输节点间的传输关系。
（2）为
Figure 586258DEST_PATH_IMAGE010
选择加权策略，为保证中继路径最优，需要指定传输关系的权重，该权重可以根据路由跳转的次数、通信链路的带宽、数据吞吐量大小等设置。本发明以路由跳转的次数为例设置权重，认为传输消息需要跳转的路由节点越少越好，因此，
Figure 943553DEST_PATH_IMAGE011
表示传输节点间已建立通信关系，
Figure 405758DEST_PATH_IMAGE012
表示传输节点间尚未建立通信关系。
（3）设置消息传输起点为发送地址
Figure 347038DEST_PATH_IMAGE002
，目的地址为终点
Figure 552891DEST_PATH_IMAGE003
，将传输拓扑图G中起点
Figure 279539DEST_PATH_IMAGE002
和终点
Figure 666308DEST_PATH_IMAGE003
的连接关系设置为不可达。
（4）调用Dijkstra算法返回起点
Figure 845616DEST_PATH_IMAGE002
到终点
Figure 589581DEST_PATH_IMAGE003
的最短路径
Figure 685582DEST_PATH_IMAGE001
，其中
Figure 958432DEST_PATH_IMAGE004
表示中继节点地址，
Figure 110190DEST_PATH_IMAGE005
表示中继节点数。
（5）输出最短路径
Figure 392267DEST_PATH_IMAGE006
的首个中继地址
Figure 342774DEST_PATH_IMAGE007
。
步骤9中全局令牌管理机制为发送数据提供令牌许可。总令牌数和令牌恢复速率根据当前设备支持的最大上行带宽确定。当前令牌数的恢复在接口调用时触发，不需设置单独的定时器。
本发明提供了一种城市环境下的多无人机通信中继方法，具体实现该技术方案的方法和途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。

Claims (2)

1.一种城市环境下的多无人机通信中继方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：从任务队列中选取数据传输任务，每个数据传输任务中有需要传输的数据，判断该数据传输任务对应的消息状态，若消息状态为未发送，则继续发送该消息，若消息状态为正在发送，则判断消息是否发送成功；
步骤2：若消息未发送成功，且该任务含中继重传标签，则启用中继重传机制，选择中继路径并返回中继节点地址，执行步骤4；
步骤3：若消息发送成功，则移除该数据传输任务以及任务中包含的数据；
步骤4：将消息发送地址修改为中继节点地址，执行步骤1；
步骤1中，任务队列采用优先级队列，赋予重要程度高的任务对应的消息高优先级，保证该消息优先出队；如果消息状态为未发送则查询消息发送目的IP地址，通过全局令牌管理机制为发送消息提供令牌许可，其中，总令牌数和令牌恢复速率根据当前设备支持的最大上行带宽确定；根据发送令牌数并结合网络最大传输单元计算最大允许发送的数据量，同时更新消息的发送次数和消息的上次发送时间，将消息状态置为正在发送，把待发送消息进行分包后使用UDP协议发送；
步骤2中，通过查询消息是否重传次数超限及是否收到消息传输回执判定消息是否未发送成功，若该数据传输任务有效且含中继重传标签，则采取中继传输策略，包括如下步骤：
（21）采用最短中继路径搜索算法对可行的中继路径进行搜索；
（22）搜索最短中继路径
Figure 562875DEST_PATH_IMAGE001
，其中，
Figure 594285DEST_PATH_IMAGE002
表示数据传输任务发送节点地址，
Figure 483743DEST_PATH_IMAGE003
表示数据传输任务最终传输目的地址，
Figure 533477DEST_PATH_IMAGE004
表示中继节点地址，m表示中继节点数量；
（23）输出最短路径R的首个中继地址N1。
2.根据权利要求1所述的一种城市环境下的多无人机通信中继方法，其特征在于，最短中继路径搜索算法能够搜索当前通信链路状况下可行的最短通信中继路径，包括步骤如下：
（31）构建当前通信链路状况下的传输拓扑图
Figure 240402DEST_PATH_IMAGE005
，其中，N表示传输节点，E代表图中的边表示传输节点间的传输关系；
（32）为边E选择加权策略，E=1表示传输节点间已建立通信关系，E=0表示传输节点间尚未建立通信关系；
（33）设置消息传输起点为发送地址
Figure 634474DEST_PATH_IMAGE002
，目的地址为终点
Figure 202990DEST_PATH_IMAGE003
，将传输拓扑图G中起点
Figure 733328DEST_PATH_IMAGE002
和终点
Figure 345575DEST_PATH_IMAGE003
的连接关系设置为不可达E=0；
（34）调用Dijkstra算法返回起点
Figure 226943DEST_PATH_IMAGE002
到终点
Figure 832106DEST_PATH_IMAGE003
的最短路径R：
Figure 607164DEST_PATH_IMAGE006
。
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