CN114125989A - 一种自适应中继传输方法、系统、设备及计算机存储介质 - Google Patents

一种自适应中继传输方法、系统、设备及计算机存储介质 Download PDF

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CN114125989A CN202111462336.6A CN202111462336A CN114125989A CN 114125989 A CN114125989 A CN 114125989A CN 202111462336 A CN202111462336 A CN 202111462336A CN 114125989 A CN114125989 A CN 114125989A
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Abstract

本申请公开了一种自适应中继传输方法、系统、设备及计算机介质，获取待传输的目标数据；基于变维卡尔曼滤波算法确定各个传输节点的位置信息；基于位置信息，确定各个传输节点与相邻节点间的距离信息；基于距离信息，确定目标数据在传输节点间的传输模式；基于传输模式传输目标数据。本申请可以基于变维卡尔曼滤波算法准确确定各个传输节点的位置信息，之后再根据基于位置信息，确定各个传输节点与相邻节点间的距离信息的话，可以保证距离信息的准确性，最后基于距离信息，确定目标数据在传输节点间的传输模式的话，可以保证传输模式的准确性，整个方法适用性好。本申请提供的自适应中继传输系统、设备及计算机可读存储介质也解决了相应技术问题。

Description

一种自适应中继传输方法、系统、设备及计算机存储介质
技术领域
本申请涉及通信技术领域，更具体地说，涉及一种自适应中继传输方法、系统、设备及计算机存储介质。
背景技术
在生活中，无人机集群具有无人员毁伤、成本低、灵活性高等特点，能够代替有人机在恶劣的环境下执行进行军事情报、监视与侦察(intelligence,surveillance,andreconnaissance，ISR)等任务，无人机的应用越来越广。然而，在拒止环境中，电磁干扰、多径效应、长距离传输等问题会影响无人机节点间通信的可靠性和稳定性，在直传信道恶劣的情况下，选择合适的中继节点进行协同传输，可以实现用户间高速、稳定、可靠的数据传输。基于瞬时信道状态信息(Channel State Information，CSI)的中继选择策略是目前常用的中继选择策略，它能够根据瞬时信道条件，随着信道衰落情况的变化来选择不同的中继节点，自适应性比较好。但是，对于无人机网络而言，UAV的机动性高，信道变化迅速，加大了瞬时CSI估计和跟踪的难度，增加了系统的计算开销。对于空地、空空信道而言，可以通过距离来近似信噪比，直接利用无人机的地理位置信息，通过节点之间的距离关系进行中继选择，速度快，能耗低，是一种值得考虑的中继选择策略。但是，仅仅通过雷达进行UAV位置预测，存在一定误差，尤其是在受到电磁干扰时，误差更大，使得数据传输的准确性和可靠性差，适用性差。
综上所述，如何提高自适应中继传输的适用性是目前本领域技术人员亟待解决的问题。
发明内容
本申请的目的是提供一种自适应中继传输方法，其能在一定程度上解决如何提高数据传输的适用性的技术问题。本申请还提供了一种自适应中继传输系统、设备及计算机可读存储介质。
为了实现上述目的，本申请提供如下技术方案：
一种自适应中继传输方法，包括：
获取待传输的目标数据；
基于变维卡尔曼滤波算法确定各个传输节点的位置信息；
基于所述位置信息，确定各个传输节点与相邻节点间的距离信息；
基于所述距离信息，确定所述目标数据在所述传输节点间的传输模式；
基于所述传输模式传输所述目标数据。
优选的，所述基于所述位置信息，确定各个传输节点与相邻节点间的距离信息，包括：
基于所述位置信息，确定各个传输节点与相邻节点间的距离信息，所述距离信息包括第一距离及第二距离；
其中，所述第一距离为所述传输节点与自身一跳节点间的第一距离；所述第二距离为所述传输节点与中继节点间的距离、所述中继节点与目标节点间的距离中的最大值，所述中继节点为所述传输节点的一跳节点，所述目标节点为所述传输节点的二跳节点。
优选的，所述基于所述距离信息，确定所述目标数据在所述传输节点间的传输模式，包括：
若所述第一距离不为零，所述第二距离为零，则确定所述传输模式为直传模式，所述直传模式包括由源节点直接传输至目标节点的传输模式；
若所述第一距离为零，所述第二距离不为零，则确定所述传输模式为中继转发模式，所述中继转发模式包括由源节点经由中继节点传输至目标节点的传输模式；
若所述第一距离不为零，所述第二距离不为零，则基于所述第一距离、所述第二距离以及距离预定阈值确定所述传输模式。
优选的，所述基于所述第一距离、所述第二距离以及距离预定阈值确定所述传输模式，包括：
若所述第一距离小于等于所述距离预定阈值，则确定所述传输模式为直传模式；
若所述第一距离大于所述距离预定阈值，且所述第二距离小于所述距离预定阈值，则确定所述传输模式为中继转发模式；否则，确定数据传输模式为直传模式。
优选的，所述若所述第一距离大于所述距离预定阈值，且所述第二距离小于所述距离预定阈值，则确定所述传输模式为中继转发模式，包括：
若所述第二距离的数量为一个，且所述第一距离大于所述距离预定阈值，所述第二距离小于所述距离预定阈值，则确定所述传输模式为中继转发模式，并将与所述第二距离对应的一跳邻节点作为中继节点；
若所述第二距离的数量大于一个，且所述第一距离大于所述距离预定阈值，所述第二距离小于所述距离预定阈值，则确定所述传输模式为中继转发模式，并将与所述数值最小的所述第二距离对应的一跳邻节点作为中继节点。
优选的，所述确定所述传输模式为中继转发模式之后，还包括：
在下一时刻，若所述中继节点的所述第二距离小于等于所述距离预定阈值，则保持该中继节点进行中继转发；
若所述中继节点的所述第二距离大于所述距离预定阈值，且存在所述第二距离小于所述距离预定阈值的一跳邻节点，则将与所述数值最小的所述第二距离对应的一跳邻节点作为中继节点。
优选的，所述基于所述传输模式传输所述目标数据之后，还包括：
更新所述距离信息。
一种自适应中继传输系统，包括：
第一获取模块，用于获取待传输的目标数据；
第一确定模块，用于基于变维卡尔曼滤波算法确定各个传输节点的位置信息；
第二确定模块，用于基于所述位置信息，确定各个传输节点与相邻节点间的距离信息；
第三确定模块，用于基于所述距离信息，确定所述目标数据在所述传输节点间的传输模式；
第一传输模块，用于基于所述传输模式传输所述目标数据。
一种自适应中继传输设备，包括：
存储器，用于存储计算机程序；
处理器，用于执行所述计算机程序时实现如上任一所述自适应中继传输方法的步骤。
一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质中存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上任一所述自适应中继传输方法的步骤。
本申请提供的一种自适应中继传输方法，获取待传输的目标数据；基于变维卡尔曼滤波算法确定各个传输节点的位置信息；基于位置信息，确定各个传输节点与相邻节点间的距离信息；基于距离信息，确定目标数据在传输节点间的传输模式；基于传输模式传输目标数据。本申请可以基于变维卡尔曼滤波算法准确确定各个传输节点的位置信息，之后再根据基于位置信息，确定各个传输节点与相邻节点间的距离信息的话，可以保证距离信息的准确性，最后基于距离信息，确定目标数据在传输节点间的传输模式的话，可以保证传输模式的准确性，整个方法适用性好。本申请提供的一种自适应中继传输系统、设备及计算机可读存储介质也解决了相应技术问题。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本申请实施例提供的一种自适应中继传输方法的流程图；
图2为本申请实施例公开的一种基于CV模型和CA模型的VD卡尔曼滤波流程示意图；
图3为本申请实施例公开的一种拓扑结构示意图；
图4为本申请实施例公开的滤波前、后各传输策略的中继切换次数对比图；
图5为本申请实施例公开的不同中继传输策略在滤波后中继切换次数对比图；
图6为本发明实施例公开的基于CV模型、CA模型和VD模型的跟踪性能对比图；
图7为本申请实施例公开的不同中继传输策略在滤波后传输误码率对比图；
图8为本申请实施例公开的不同中继数目下，自适应中继传输策略与最优中继传输策略的中继切换次数对比图；
图9为本申请实施例提供的一种自适应中继传输系统的结构示意图；
图10为本申请实施例提供的一种自适应中继传输设备的结构示意图；
图11为本申请实施例提供的一种自适应中继传输设备的另一结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
请参阅图1，图1为本申请实施例提供的一种自适应中继传输方法的流程图。
本申请实施例提供的一种自适应中继传输方法，可以包括以下步骤：
步骤S101：获取待传输的目标数据。
实际应用中，待传输的目标数据可以根据实际需要确定，比如目标数据可以为无人机将要传输的数据等。
步骤S102：基于变维卡尔曼滤波算法确定各个传输节点的位置信息。
实际应用中，在获取待传输的目标数据之后，可以基于便为卡尔曼滤波算法确定各个传输节点的位置信息。
具体应用场景中，变维卡尔曼滤波算法采用的是基于匀速(constant velocity,CV)模型和匀加速(constant acceleration,CA)模型的变维(variable dimension,VD)卡尔曼滤波算法，其基本流程如下：
1)搭建CV模型(非机动)和CA(机动)模型；
2)初值设定，采用非机动模型进行滤波；
3)进行机动检测，判断节点运动模型
4)选择运动模型，进行卡尔曼滤波
基于CV模型和CA模型的VD卡尔曼滤波算法，其本质上是跟踪系统根据运动目标所处状态进行两个模型动态切换的集合。首先需要搭建无人机节点分别在CV和CA运动下的信号系统模型和雷达观测模型，其中，信号系统模型可由状态矢量x[k]、状态转移矩阵Φ和系统扰动噪声Γ表示，雷达观测模型可由观测矢量z[k]、测量矩阵H和观测噪声矢量w[k]表示；
在起始阶段，基于匀速运动模型进行卡尔曼滤波，对状态转移矩阵Φ、观测矩阵z[k]以及系统扰动矩阵Γ以及衰减因子α、检测门限Th和检测门限Tl等参数进行初始化设置后，即可进行非机动状态下的卡尔曼滤波估计。
对目标的机动状态进行检测，根据目标是否处于机动状态确定滤波使用的模式，目标无机动时，工作于CV模式，目标机动时，使用CA模型进行滤波。其中，机动判断检测的原理及过程如下：
当系统采用CV模型进行滤波时，令其输出的新息为v[k]，其协方差阵为Pv[k]，则基于CV模型的新息的衰减记忆平均值计算如下：
μ[k]＝αμ[k-1]+δ[k]；δ[k]＝vT[k]Pv -1[k]vT[k]；
取Δ＝1/(1-α)作为检测机动的有效窗口长度，μ[k]作为状态检测指标，如果μ[k]超过某一阈值，则认为目标在k-Δ-1开始时刻有加速度，系统从CV模型切换至CA模型进行滤波跟踪。
对于CA模型到CV模型的切换，待估计的加速度显著性的检验统计量：
Figure BDA0003389149090000061
其中
Figure BDA0003389149090000062
为加速度分量的估计值，
Figure BDA0003389149090000063
为协方差矩阵对应的块；
Figure BDA0003389149090000064
当μa[k]低于该阈值Tl时，加速度被认为是无关紧要的，拒绝原假设，并有充分的理由接受目标由CA模型转化为CV模型。
卡尔曼滤波的递归过程如下：
1)预测k时刻的状态：
Figure BDA0003389149090000065
2)计算预测误差协方差阵：
Figure BDA0003389149090000066
3)计算卡尔曼增益：
Figure BDA0003389149090000071
4)更新状态变量：
Figure BDA0003389149090000072
5)更新误差协方差阵：
Figure BDA0003389149090000073
在卡尔曼滤波之前，需要知道目标的初始状态，实际情况中，可以利用前几个观测值建立状态的起始估计。刚开始时，系统采用CV模型进行滤波；当时刻系统检测到目标机动时，系统假定目标从时刻开始有恒定的加速度，并由CV模型切换至于CA模型，其中为CV模型的有效窗口长度。修改窗口中的状态估计进行CA模型初始化；当系统检测到目标由匀加速状态逐渐恢复匀速运动状态时，系统由CA模型转化为CV模型，CV模型的初始化协方差矩阵取前一时刻滤波误差协方差阵的前四阶元素即可。
为了便于理解，以无人机为例，在基于变维卡尔曼滤波算法确定各个传输节点的位置信息的过程中，首先需要搭建无人机节点分别在匀速和匀加速运动下的信号系统模型和雷达观测模型，其中，信号系统模型可由状态矢量x[k]、状态转移矩阵Φ和系统扰动噪声Γ表示，雷达观测模型可由观测矢量z[k]、测量矩阵H和观测噪声矢量w[k]表示；
具体来说，变维卡尔曼滤波算法的原理和流程参见图2，具体包括：
在滤波起始阶段，采用CV模型进行卡尔曼滤波，根据前几个状态得到CV模型的预测误差协方差阵初值，然后进行卡尔曼滤波；
接着对目标的运动状态进行检测，并进行运动模型切换，目标无机动时，采用CV模型进行滤波，目标机动时，采用CA模型进行滤波。
其中，模型切换包括从CV模型切换至CA模型以及从CA模型切换至CV模型；具体来说，当μ[k]超过某一阈值Th时，将CV模型切换至CA模型，当μa[k]低于某一阈值Tl时，将CA模型切换至CV模型；
切换运动模型之后，重新进行初值设定，具体来说，从CV模型切换至CA模型，要重新计算其六阶滤波误差协方差阵pm，从CA模型切换至CV模型，只需要取前一时刻滤波误差协方差阵pm的前四阶元素即可。
步骤S103：基于位置信息，确定各个传输节点与相邻节点间的距离信息。
步骤S104：基于距离信息，确定目标数据在传输节点间的传输模式。
步骤S105：基于传输模式传输目标数据。
实际应用中，在基于变维卡尔曼滤波算法确定各个传输节点的位置信息之后，便可以基于位置信息，确定各个传输节点与相邻节点间的距离信息，基于距离信息，确定目标数据在传输节点间的传输模式，最后基于传输模式传输目标数据。
本申请提供的一种自适应中继传输方法，获取待传输的目标数据；基于变维卡尔曼滤波算法确定各个传输节点的位置信息；基于位置信息，确定各个传输节点与相邻节点间的距离信息；基于距离信息，确定目标数据在传输节点间的传输模式；基于传输模式传输目标数据。本申请可以基于变维卡尔曼滤波算法准确确定各个传输节点的位置信息，之后再根据基于位置信息，确定各个传输节点与相邻节点间的距离信息的话，可以保证距离信息的准确性，最后基于距离信息，确定目标数据在传输节点间的传输模式的话，可以保证传输模式的准确性，整个方法适用性好。
本申请实施例提供的一种自适应中继传输方法中，在基于位置信息，确定各个传输节点与相邻节点间的距离信息的过程中，可以基于位置信息，确定各个传输节点与相邻节点间的距离信息，距离信息包括第一距离及第二距离；
其中，第一距离为传输节点与自身一跳节点间的第一距离；第二距离为传输节点与中继节点间的距离、中继节点与目标节点间的距离中的最大值，中继节点为传输节点的一跳节点，目标节点为传输节点的二跳节点。
相应的，传输模式包括将一跳邻节点作为目的节点的直传模式，以及将一跳邻节点作为中继节点、将二跳邻节点作为目的节点的中继转发模式。
需要说明的是，本申请为了同时得到集中式体系结构的实现简单和Ad Hoc(分布式)体系结构的组网灵活、抗毁性强的优势，结合集中式和分布式两种体系结构设计出了一种混合拓扑结构，参见图3，为本发明实施例公开的一种拓扑结构示意图；该网络中每个节点角色相同，可分别担任源节点、中继节点、目的节点，且个别节点的入网、退网不影响网络整体结构。具体来说，源节点即为发送数据的节点，与之相对应的目的节点为数据传输的终点。一跳邻节点和二跳邻节点即为本申请中的邻节点，在确定数据传输模式时，可从该邻节点中确定目的节点，也可以从邻节点中确定中继节点，从而实现数据的转发。
本申请实施例提供的一种自适应中继传输方法中，在基于距离信息，确定目标数据在传输节点间的传输模式的过程中，若第一距离不为零，第二距离为零，则确定传输模式为直传模式；若第一距离为零，第二距离不为零，则确定传输模式为中继转发模式；若第一距离不为零，第二距离不为零，则基于第一距离、第二距离以及距离预定阈值确定传输模式。
具体应用场景中，在基于第一距离、第二距离以及距离预定阈值确定传输模式的过程中，若第一距离小于等于距离预定阈值，则确定传输模式为直传模式；若第一距离大于距离预定阈值，且第二距离小于距离预定阈值，则确定传输模式为中继转发模式；否则，确定数据传输模式为直传模式。
具体应用场景中，在若第一距离大于距离预定阈值，且第二距离小于距离预定阈值，则确定传输模式为中继转发模式的过程中，若第二距离的数量为一个，且第一距离大于距离预定阈值，第二距离小于距离预定阈值，则确定传输模式为中继转发模式，并将与第二距离对应的一跳邻节点作为中继节点；若第二距离的数量大于一个，且第一距离大于距离预定阈值，第二距离小于距离预定阈值，则确定传输模式为中继转发模式，并将与数值最小的第二距离对应的一跳邻节点作为中继节点。
具体应用场景中，在中继转发模式中，本申请还具有中继保持功能，也即在确定传输模式为中继转发模式之后，在下一时刻，若中继节点的第二距离小于等于距离预定阈值，则保持该中继节点进行中继转发；若中继节点的第二距离大于距离预定阈值，且存在第二距离小于距离预定阈值的一跳邻节点，则将与数值最小的第二距离对应的一跳邻节点作为中继节点。
需要说明的是，本申请中的每个节点都具有一跳邻节点表和二跳邻节点表，分别记录了本节点与一跳邻节点之间的距离d以及本节点的一跳节点与二跳邻节点的距离，通过这两个表可选择数据传输的节点，从而确定数据传输的方式。
可以理解的是，在节点运行初始阶段，各节点的邻节点表均为空，所以只能选择直传模式发送数据。当某一节点接收到其他节点的广播包时，无论该包是否发给自己，都会先获取与该包发送节点间的距离d，并将节点名字i，距离d和更新时间记入一跳邻节点表。若自身一跳邻节点表表长为0，则直接将该点信息及与其距离d、时间写入表中；若表长不为0则会在表中搜索该邻节点名字，搜到该节点名字则更新d和时间，未搜到则将信息插入表尾。
同时每收到邻节点发来的广播包时，都会获取包头的一跳邻节点表，并将信息与自己的二跳邻节点表进行对比、更新。若自身二跳邻节点表表长为0，则直接插入相应信息。将发送节点的一跳邻节点表中各节点存入自身二跳邻节点表的二跳节点，发送节点与其一跳邻节点的d存入自身二跳邻节点表的相应d(即二跳邻节点与最佳一跳邻节点的d)，自身二跳邻节点表的一跳节点设为包的发送节点，并更新时间。若表长不为0，先在表中寻找两跳邻节点及其相应信息(最佳一跳邻节点、两跳邻节点与最佳一跳邻节点的d、一跳邻节点与本节点的d、更新时间)，根据最小原则对比综合d后更新数据；若寻找不到该两跳邻节点，则将其信息插入表尾。通过上述过程，便可使每个节点维护对应的一跳邻节点表和二跳邻节点表。
进一步，本申请在进行传输模式的选择时，可分为中继转发模式和直传模式，直传模式包括高速低功率直传和大功率低速直传；其中，中继转发模式需要确定中继节点，也即协同节点，通过中继节点发送至目的节点；在本申请中，传输方式的选择依据为对比直传和中继的d。直传d即为本申请中的第一距离，可直接在一跳邻节点表中找出，未更新的默认值为0；中继d即为本申请中的第二距离，可在二跳邻节点表中找出d1，d2，然后通过中继d＝MIN(d1，d2)的方式确定，其中，d1为源节点至中继节点的距离，d2为中继节点至目的节点的距离，若二跳邻节点不存在，则该节点则中继d＝0。得到直传d和中继d信息后，在本申请可通过对两者进行对比判断，选择传输方式：
①若直传d＝＝0，即代表一跳邻节点表中未找到目的节点，该情况一般发生在初始阶段，这时默认第一次传输为直传模式；若直传模式不通，重传时再进行比较d；
②直传d！＝0，中继d＝＝0，即存在直传链路，中继链路未知，则选择直传；
③直传d＝0，中继d！＝0，即不存在直传链路，中继链路存在，则选择中继转发；
④直传d！＝0，中继d！＝0，即同时存在直传链路和多条中继链路，若直传d大于阈值大于中继d，则选择最优中继节点进行转发；否则，选择直传；
⑤直传d！＝0，中继d！＝0，但两个d都偏大，大于某个阈值，则优选进行大功率低速直传。
需要说明的是，符号＝＝表示等于，符号！＝表示不等于。
本申请实施例提供的一种自适应中继传输方法中，在基于传输模式传输目标数据之后，还可以更新距离信息。
具体应用场景中，利用数据传输模式将数据包报文发送至接收端，以使接收端接收数据包报文后，更新接收端中记载的邻节点的距离，此外，还可以更新时间；比如若接收端为中继节点，则将数据包报文转发至目的节点，并将目的节点发送的ACK报文转发至源节点；若接收端为目的节点，则向源节点直接发送ACK报文。
其中，利用数据传输模式将数据包报文发送至接收端，包括：若数据传输模式为直传模式，则将数据包报文直接发送至目的节点；若数据传输模式为中继转发模式，则将数据包报文发送至中继节点，通过中继节点发送至目的节点；其中，目的节点和中继节点均为数据包报文的接收端。
需要说明的是，上文介绍了五种不同情况下的传输模式选择，当直传d！＝0，中继d！＝0，即同时存在直传链路和多条中继链路，若直传d大于阈值大于中继d，此时需要进行中继节点的选择。本申请考虑到进行中继节点选择时，除了要达到协同通信的目的之外，还需要降低干扰以及中继节点间的公平性，因此，本协议采用基于距离的选择策略，从源节点的一、二跳邻节点表中分别读取相应信息，基于最小最大原则，即对于不同中继节点，利用公式d＝MIN(MAX(d1,d2))从多个中继节点中选择出当前距离下的一个最佳的中继节点作为中继节点。也即：若存在多个中继节点，则每个中继节点具有对应的d1，d2，先选取每个中继节点对应的d1，d2中最大值作为每个中继节点的中继d，然后从所有中继d中选择数值最小的节点作为最佳的中继节点，通过这种方式选取出最佳的中继节点以最佳的信道来传输数据。
进一步的，本申请中的接收端代表接收数据包报文的节点，可以为目的节点，也可以为中继节点；但无论是哪个节点接收数据包报文，均可更新邻节点的距离及更新时间；如：接收端接收数据包报文后，在接收端的一跳邻节点表中更新发送端的距离及更新时间；根据数据包报文中携带的发送端的一跳邻节点表，更新接收端的二跳邻节点表中发送端的邻节点的距离及更新时间，通过这种方式，可以被动获取邻节点的距离。
并且，若存在目标节点在预定时长内未向其他节点发送数据包报文，则数据通信方法还包括：目标节点向邻节点发送邻节点表更新报文，以使目标节点的邻节点更新目标节点的距离及更新时间；邻节点表更新报文携带目标节点的一跳邻节点表。其中，目标节点可以是网络中的任意节点。
综上可以看出，本申请中各节点的实时信道信息的获取，可以采用被动监听或者主动查询的方式，若预定时长(如2秒)内地理位置信息不产生大幅度改变，被动监听方式表现为：每次节点发送包时，附带自身的邻节点表，这样邻节点在收到包时，可同时获取与邻节点的地理位置信息和二跳邻节点的地理位置信息，主动查询方式表现为若某节点在预定时长(如2秒)内没有包发送，则触发TIMER中断，进行邻节点表的发送，如：若协同自组网中存在“在预定时长内未向其他节点发送数据包报文”的节点，则在本申请中，为了方便说明，将该节点称为目标节点，所以该节点可以是网络中的任意节点。进而，目标节点需要向其邻节点发送邻节点表更新报文，以使目标节点的邻节点更新目标节点的距离及更新时间；需要说明的是，由于该邻节点表更新报文中携带了目标节点的一跳邻节点表，因此，目标节点的邻节点更新目标节点的距离及更新时间时，不仅仅需要更新目标节点自身的距离及更新时间，还需要对目标节点的一跳邻节点表中的节点进行更新，该目标节点的一跳邻节点表中的节点为该邻节点的二跳邻节点，通过这种方式，就可以保证每个预定时长(如2秒)内，每个节点至少发送一次带有自身邻节点表的包，从而达到信道质量信息实时维护的效果。
需要说明的是，在本申请中，接收端接收到数据包报文后，如果该接收端为中继节点，则需要将数据包报文转发至目的节点，并将目的节点发送的ACK报文转发至源节点；若接收端为目的节点，则直接向源节点发送ACK报文。并且，综上，本申请中的报文共分为：数据包报文、ACK报文和邻节点表更新报文，在此通过发送流程和接收流程两方面对本方案进行说明。
参见图4，为本发明实施例公开的一种数据发送流程示意图；可以看出，当上层的数据包到来时，首先会判断自身是否为空闲状态，若为空闲则进入发送流程，若非发送空闲状态，即有包正在传输或者等待其ACK回应，则将数据包进入发送队列尾部。在执行发送流程时，首先确定传输模式，即低功率直传模式、中继转发模式、高功率直传模式；其判别依据为直传d与中继d的值，根据最大最小准则和最大距离原则选择相应的传输模式和中继节点。然后根据选择的传输模式进行数据包传输，同时设立TIMER，等待ACK。此时分为两种情况：
确定传输模式后，则进行包域的修改、发送、设置TIMER及等待ACK；若TIMER超时，则重传次数+1，并重传数据，重置TIMER；若达到重传上限，则该包丢弃。此时若发送队列为空则进入发送空闲状态，若发送队列非空则发送队列中下一数据包。
若是中继传输模式，在等待ACK时，中继节点接收源节点发送的数据包后，不需要进行校验和返回ACK至源节点，中继节点只需要将目的节点的ACK转发至源节点即可，便可表明中继节点已成功收到源节点发送的数据包，则进行TIMER重置。引入该机制的优点是：缩短重传等待时间的同时，中继节点无需进行校验和发送ACK返回源节点，从而节省了中继处理时间，减少了网络中包的数量，避免冲突。
参见图5，为本发明实施例公开的一种数据接收流程示意图；可以看出，当接收机接到其他节点的数据包时，先进行更新邻节点表操作，再判断包的类型，根据报文类型的不同主要分为如下几个步骤：
①TYPE＝＝00，即为ACK包，若relay＝＝self_mac，即自身为中继节点，则将send_id置为self_mac，并转发，不进行CRC校验；若relay！＝self_mac&&source＝＝self_mac，则表明是返回的ACK包，则通知发送机已收到ACK，此时若发送子队列为空则进入发送空闲状态；若发送子队列非空则发送下一数据包；其他情况则丢弃，进入接收空闲状态。
②TYPE＝＝01，即为PACKET包，若relay＝＝self_mac，则是需要自己转发的PACKET包，将send_id置为self_mac，并转发，不进行CRC校验；若destination＝＝self_mac&&relay＝＝0，表示收到直传PACKET包，进行CRC校验，并返回ACK；若destination＝＝self_mac&&relay！＝0，表示收到中继转发的数据包，进行CRC校验，返回ACK至原中继节点；若source＝＝self_mac&&send_id＝＝relay，即发送端收到中继节点转发给目的端的数据包，此时表明中继已成功收到自身发送的数据包并进行了转发，则重置重传TIMER；其他情况则丢弃，进入接收空闲状态。
③若TYPE＝＝10，即为LIST包，进行一跳邻节点表、二跳邻节点表的表更新操作，进入接收空闲状态。
④其他情况，将接收的数据包丢弃，并进入接收空闲状态。
综上可以看出，通过本发明的通信策略传输数据，能够结合战术无线通信的具体应用场景，设计和实现适用于无人机集群的自适应的协同MAC协议方案。解决了现有的MAC协议在恶劣环境下，无法对环境和网络拓扑结构变化进行自适应调整，导致传输时延大或碰撞几率提高的问题。本协议针对复杂战术通信环境下的信道质量和传输需求进行了综合分析与考虑，提供一种针对复杂电磁环境下的协同自组网MAC协议，结合相应的物理层技术，为复杂战场环境下战术无线通信电台的通信提供稳定的保证，极大地满足用户的QoS需求。
下面通过实验进行验证。实验包括基于CV模型、基于CA模型的卡尔曼滤波算法和基于CV和CA模型下的变维卡尔曼滤波算法跟踪性能的对比；无卡尔曼滤波和有卡尔曼滤波时，各传输策略的中继切换次数对比；有卡尔曼滤波时，不同传输策略的传输误码率对比以及不同传输策略的中继切换次数对比；
将传输模式分为三种：
1)SD：直传模式；
2)SRD：本协议的中继转发模式，模式选择时若中继d<阈值d<直传d，就选择中继转发模式；
3)SDI：大功率直传模式；
参见图6，为实际轨迹、观测轨迹以及三种滤波算法的轨迹曲线，结果表明，CV模型在目标处于匀速运动阶段展现了较好的跟踪性能，但随着第一次匀加速运动出现时，目标跟踪性能急剧下降不能满足实际需求；相比另外两种模型，CA模型跟踪性能能适中，但目标在第二次匀加速运动结束后，跟踪误差过大且滤波收敛缓慢；VD算法性能最佳，对匀速运动和匀加速运动都展现了较好的跟踪性能，能够满足实际需求。
参见图4，通过VD卡尔曼滤波算法进行位置估计和预测之后，三种传输策略的中继切换次数都要低于滤波前，故先通过VD卡尔曼滤波算法对无人机的位置进行预测，可以更加准确地进行中继切换，减少了中继切换次数，降低了系统能量损耗。
参见图5，为滤波后不同传输策略的误码率仿真图，参见图7，为滤波后不同传输策略的中继切换次数仿真图，对比分析仿真图可知，随机中继策略误码率和中继切换次数均最高，自适应传输策略的传输误码率略高于最优中继传输，二者相差0.001左右，但其中继切换次数最低，比最优中继传输策略下降了30％以上。
参加图8，为不同中继数目下，自适应中继传输策略与最优中继传输策略的中继切换次数对比图，由结果可知，随着中继数目的增加，中继切换次数随之增加，但是，在相同中继数目下，自适应中继传输策略的中继切换次数要低于最优中继传输策略，且随着中继数目的增加，自适应中继传输策略中继切换次数的增加幅度要明显低于最优中继传输策略，因中继切换带来的能量损耗更低，故自适应中继传输策略更加适用于多节点参与的协同通信中。
由此可知，基于地理位置信息的无人机集群自适应中继传输策略与无卡尔曼滤波的传输策略相比，位置估计更准确，中继切换次数更少；与随机中继策略相比，中继切换次数更少，传输误码率更低；跟最优中继策略相比，传输误码率处于相同数量级，但是中继切换次数减少了30％以上，可见，该策略在保证系统传输性能的同时，有效降低了中继频繁切换带来的能量损耗。
下面对本发明实施例提供的自适应中继传输装置进行介绍，下文描述的数据传输装置与上文描述的自适应中继传输方法可以相互参照。
本发明实施例提供的一种自适应中继传输装置，包括：源节点、中继节点和目的节点；
其中，各节点通过卡尔曼滤波算法估计和预测自身位置，同时计算邻节点的距离；源节点用于根据邻节点的距离，确定数据传输模式；其中，邻节点包括一跳邻节点和二跳邻节点，数据传输模式包括将一跳邻节点作为目的节点的直传模式，以及将一跳邻节点作为中继节点、将二跳邻节点作为目的节点的中继转发模式；利用数据传输模式将数据包报文发送至接收端，以使接收端接收数据包报文后，更新接收端中记载的邻节点的距离及更新时间；
中继节点用于接收数据包报文后，将数据包报文转发至目的节点，并将目的节点发送的ACK报文转发至源节点；
目的节点用于接收数据包报文后，向源节点直接发送ACK报文；其中，中继节点和目的节点均为接收端。
其中，源节点具体用于：从一跳邻节点表中查找目的节点，并将源节点与目的节点之间的距离作为第一距离；从二跳邻节点表中查找中继节点和目的节点，将源节点与中继节点之间的距离、以及中继节点与目的节点之间的距离中的最大值作为第二距离；
若第一距离不为零，第二距离为零，则确定数据传输模式为直传模式；若第一距离为零，第二距离不为零，则确定数据传输模式为中继转发模式；若第一距离不为零，第二距离不为零，则根据第一距离、第二距离以及距离预定阈值的关系进行传输方式的选择；
若第一距离不大于预定阈值，确定数据传输模式为直传模式；若所示第一距离大于预定阈值，且第二距离小于预定阈值时，确定数据传输模式为中继转发模式；否则，确定数据传输模式为直传模式。
其中，源节点具体用于：若第二距离的数量为一个，且第一距离小于第二距离，则确定数据传输模式为中继转发模式，并将与第二距离对应的一跳邻节点作为中继节点；若第二距离的数量为大于一个，且第一距离小于数值最大的第二距离，则确定数据传输模式为中继转发模式，并将与数值最大的第二距离对应的一跳邻节点作为中继节点。
其中，源节点具体用于：若数据传输模式为直传模式，则将数据包报文直接发送至目的节点；若数据传输模式为中继转发模式，则将数据包报文发送至中继节点，通过中继节点发送至目的节点；其中，目的节点和中继节点均为数据包报文的接收端。
其中，源节点具体用于：若中继节点的第二距离不大于预定阈值，则保持该中继进行中继转发；若中继节点的第二距离大于预定阈值，且存在第二距离小于预定阈值的一跳邻节点，则重新在源节点对应的一跳邻节点中选择第二距离数值最小的节点进行中继转发。
其中，接收端具体用于：接收数据包报文后，在接收端的一跳邻节点表中更新发送端的距离及更新时间；根据数据包报文中携带的发送端的一跳邻节点表，更新接收端的二跳邻节点表中发送端的邻节点的距离及更新时间。
其中，本系统还包括目标节点，用于在预定时长内未向其他节点发送数据包报文时，向邻节点发送邻节点表更新报文，以使目标节点的邻节点更新目标节点的距离及更新时间，更新目标节点的邻节点的距离及更新时间；邻节点表更新报文携带目标节点的一跳邻节点表；目标节点为协同自组网中的任意节点。
请参阅图9，图9为本申请实施例提供的一种自适应中继传输系统的结构示意图。
本申请实施例提供的一种自适应中继传输系统，可以包括：
第一获取模块101，用于获取待传输的目标数据；
第一确定模块102，用于基于变维卡尔曼滤波算法确定各个传输节点的位置信息；
第二确定模块103，用于基于位置信息，确定各个传输节点与相邻节点间的距离信息；
第三确定模块104，用于基于距离信息，确定目标数据在传输节点间的传输模式；
第一传输模块105，用于基于传输模式传输目标数据。
本申请实施例提供的一种数据传输系统中相应模块的描述可以参阅上述实施例，在此不再赘述。
本申请还提供了一种自适应中继传输设备及计算机可读存储介质，其均具有本申请实施例提供的一种自适应中继传输方法具有的对应效果。请参阅图10，图10为本申请实施例提供的一种自适应中继传输设备的结构示意图。
本申请实施例提供的一种自适应中继传输设备，包括存储器201和处理器202，存储器201中存储有计算机程序，处理器202执行计算机程序时实现如上任一实施例所描述自适应中继传输方法的步骤。
请参阅图11，本申请实施例提供的另一种自适应中继传输设备中还可以包括：与处理器202连接的输入端口203，用于传输外界输入的命令至处理器202；与处理器202连接的显示单元204，用于显示处理器202的处理结果至外界；与处理器202连接的通信模块205，用于实现数据传输设备与外界的通信。显示单元204可以为显示面板、激光扫描使显示器等；通信模块205所采用的通信方式包括但不局限于移动高清链接技术(HML)、通用串行总线(USB)、高清多媒体接口(HDMI)、无线连接：无线保真技术(WiFi)、蓝牙通信技术、低功耗蓝牙通信技术、基于IEEE802.11s的通信技术。
本申请实施例提供的一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质中存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现如上任一实施例所描述自适应中继传输方法的步骤。
本申请所涉及的计算机可读存储介质包括随机存储器(RAM)、内存、只读存储器(ROM)、电可编程ROM、电可擦除可编程ROM、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质。
本申请实施例提供的自适应中继传输系统、设备及计算机可读存储介质中相关部分的说明请参见本申请实施例提供的自适应中继传输方法中对应部分的详细说明，在此不再赘述。另外，本申请实施例提供的上述技术方案中与现有技术中对应技术方案实现原理一致的部分并未详细说明，以免过多赘述。
还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域技术人员能够实现或使用本申请。对这些实施例的多种修改对本领域技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种自适应中继传输方法，其特征在于，包括：
获取待传输的目标数据；
基于变维卡尔曼滤波算法确定各个传输节点的位置信息；
基于所述位置信息，确定各个传输节点与相邻节点间的距离信息；
基于所述距离信息，确定所述目标数据在所述传输节点间的传输模式；
基于所述传输模式传输所述目标数据。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基于所述位置信息，确定各个传输节点与相邻节点间的距离信息，包括：
基于所述位置信息，确定各个传输节点与相邻节点间的距离信息，所述距离信息包括第一距离及第二距离；
其中，所述第一距离为所述传输节点与自身一跳节点间的第一距离；所述第二距离为所述传输节点与中继节点间的距离、所述中继节点与目标节点间的距离中的最大值，所述中继节点为所述传输节点的一跳节点，所述目标节点为所述传输节点的二跳节点。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述基于所述距离信息，确定所述目标数据在所述传输节点间的传输模式，包括：
若所述第一距离不为零，所述第二距离为零，则确定所述传输模式为直传模式，所述直传模式包括由源节点直接传输至目标节点的传输模式；
若所述第一距离为零，所述第二距离不为零，则确定所述传输模式为中继转发模式，所述中继转发模式包括由源节点经由中继节点传输至目标节点的传输模式；
若所述第一距离不为零，所述第二距离不为零，则基于所述第一距离、所述第二距离以及距离预定阈值确定所述传输模式。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述基于所述第一距离、所述第二距离以及距离预定阈值确定所述传输模式，包括：
若所述第一距离小于等于所述距离预定阈值，则确定所述传输模式为直传模式；
若所述第一距离大于所述距离预定阈值，且所述第二距离小于所述距离预定阈值，则确定所述传输模式为中继转发模式，否则，确定所述传输模式为直传模式。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述若所述第一距离大于所述距离预定阈值，且所述第二距离小于所述距离预定阈值，则确定所述传输模式为中继转发模式，包括：
若所述第二距离的数量为一个，且所述第一距离大于所述距离预定阈值，所述第二距离小于所述距离预定阈值，则确定所述传输模式为中继转发模式，并将与所述第二距离对应的一跳邻节点作为中继节点；
若所述第二距离的数量大于一个，且所述第一距离大于所述距离预定阈值，所述第二距离小于所述距离预定阈值，则确定所述传输模式为中继转发模式，并将与所述数值最小的所述第二距离对应的一跳邻节点作为中继节点。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述确定所述传输模式为中继转发模式之后，还包括：
在下一时刻，若所述中继节点的所述第二距离小于等于所述距离预定阈值，则保持该中继节点进行中继转发；
若所述中继节点的所述第二距离大于所述距离预定阈值，且存在所述第二距离小于所述距离预定阈值的一跳邻节点，则将与所述数值最小的所述第二距离对应的一跳邻节点作为中继节点。
7.根据权利要求1至6任一项所述的方法，其特征在于，所述基于所述传输模式传输所述目标数据之后，还包括：
更新所述距离信息。
8.一种自适应中继传输系统，其特征在于，包括：
第一获取模块，用于获取待传输的目标数据；
第一确定模块，用于基于变维卡尔曼滤波算法确定各个传输节点的位置信息；
第二确定模块，用于基于所述位置信息，确定各个传输节点与相邻节点间的距离信息；
第三确定模块，用于基于所述距离信息，确定所述目标数据在所述传输节点间的传输模式；
第一传输模块，用于基于所述传输模式传输所述目标数据。
9.一种自适应中继传输设备，其特征在于，包括：
存储器，用于存储计算机程序；
处理器，用于执行所述计算机程序时实现如权利要求1至7任一项所述自适应中继传输方法的步骤。
10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质中存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至7任一项所述自适应中继传输方法的步骤。
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