WO2021036055A1

WO2021036055A1 - 一种应用在集群无人机通信中的路由方法

Info

Publication number: WO2021036055A1
Application number: PCT/CN2019/121119
Authority: WO
Inventors: 姜培
Original assignee: 中科芯(苏州)微电子科技有限公司
Priority date: 2019-08-27
Filing date: 2019-11-27
Publication date: 2021-03-04
Also published as: CN110519820A; CN110519820B

Abstract

本发明属于无线通信领域，具体为一种应用在集群无人机通信中的路由方法。本发明方法采用基于多级路由协议的路由思想，在多级路由中融合了成熟的平面路由，使得路由易于理解应用。通过对节点的能量，节点连接度，相对运动性以及相对距离加权来计算节点权值，选取权值最大的作为簇首节点。提出辅助簇首节点，是在簇首节点的临节点大于一定数量的时候才会启用。这一方面提高的通信系统的鲁棒性，另一方面辅助簇首节点也减少了对簇群簇首的更新，避免了开销。本发明具有良好的通信性能，适用在无人机集群等大型拓扑变化迅速的场景中。

Description

一种应用在集群无人机通信中的路由方法

技术领域

本发明适用于集群无人机领域，具体内容涉及一种应用在集群无人机通信中的路由方法。

背景技术

移动自组网为无线分组网基础发展而来，具有“无中心，自组织，多跳路由，动态拓扑”的优点的无限网络。网络中所有的节点地位平等，无需设置任何的中心控制节点。也就是说，在大部分节点收到破坏时，剩余节点依旧可以自组织完成链路的传输。而路由协议就是为需要通信的节点来快速高效的建立一条通信路径，路由协议正是研究移动自组网的主要问题之一。

移动自主网主要分为平面路由协议和分级路由协议。平面路由的思想比较简单，其主要是所有节点地位平等，没有特殊节点，但是其网络规模会受到限制，并且拓展性不好。分级路由的主要结构即为分簇结构，其主要思想就是把各个节点划分为不同的簇群，并且群内群外的节点指定不同的功能。不同的簇群内需要选出簇首节点，同时属于多个簇群的节点为网关节点。一般区域内使用主动路由协议，区域间使用反应式路由协议。通常传递路径即为簇群内节点发送给簇首，簇首发给网关，网关再次发送给其他簇群的簇首，直到发送给目标节点。通常簇首预先指定或者由群内节点选举出，而多个簇首可以向上再次形成簇群，组成更高一级的网络结构。

现代社会中无人机的重要性愈发凸显。在集群无人机中，分级路由更适合使用在集群无人机自组网中。由于无人机多方向快速移动从而导致拓扑结构变化快，以及能量的局限都会导致链路的中断。因此现有的自组网路由协议性能较差，丢包率较高，并不适用在集群无人机通信中。

发明内容

为了解决现有技术的问题，本发明的目的在于提出一种应用在集群无人机通信中的路由方法，可以在大规模移动节点中进行高效可靠通信的分级路由方法。

为了实现上述目的，本发明提供了如下的技术方案。

一种应用在集群无人机通信中的路由方法，包括以下步骤：

使用复合路由，对每个簇群通过使用能量、节点连接度、相对运动性以及相对距离进行加权，依据加权结果选举出簇首，选取权值最大的作为簇首节点；

所述簇群的划定基于权值的分簇算法，具体包括以下步骤：

每个节点广播HELLO消息，用来获取邻居信息，使用节点的能量、节点度、相对运动性以及相对距离进行加权，其中权值的计算为：

W＝w _p*P+w _c*C+w _m*M+w _d*D

其中w _p+w _c+w _m+w _d＝1，w _p为节点能量的权重，P为节点能量，w _c为节点连接度的权重，C是临近节点的个数，w _m为节点相对运动性的权重，M为相对运动性的值，M的值根据无人机的GPS来计算得出，若与周围n个节点运动方向相似，则值越高，否则值越低，M值为n个值的和；D设定为最近节点数目的一半；w _d为n节点的距离的和；

其中四个权重值使用机器学习训练来给定不同的值，选定权值高的节点的为簇首，构成一个簇群；

当簇群内节点大于设定数目时，再选举出一个辅助簇首节点；

所述辅助簇首节点的选择方法具体为：

在簇首选定成功后，簇首发送HELLO消息，其他节点等待消息：

若其他接收到HELLO消息，加入该簇，完成簇的构建，计算簇首C的值，若簇首的C值大于l，选择之前权值次高的节点作为辅助簇首节点；

其中，所述的C值设定为10，即当簇首周围连接数目超过10个，进行辅助簇首节点的选择；

辅助簇首节点往簇内发送HELLO消息，确保簇内节点与辅助簇首节点相连；

两个簇首之间分别进行反应式路由查找，若接收到来自相同节点的数据包，则丢弃；

所述反应式路由查找具体步骤如下：

簇群内节点采用平面式先应式路由作为本地路由，簇首节点采用DV机制，即每个簇群内节点既保存到其他所有簇首的距离以及矢量路由信息，也保留本地路由表信息；当路由寻找时，若目的节点在本地，则直接利用本地路由发送；若有临近节点为该簇群，则发送给临近节点；否则，利用AODV路由发送到目的节点的簇首信息，以使簇首信息进行中继；若目的节点的簇群包含有两个簇首，则分别发送；当中继节点接收到相同的信息时，则抛弃当前信息；若目的节点接收的来自簇首节点的信息，则保留当前路由，且抛弃另外簇内节点的路由；还包括簇首节点的更新步骤：

当新节点接收到有簇头节点的广播HELLO的时候，主动加入该簇群；

将该节点与辅助簇首节点做权值比价，将权值大的作为新的辅助簇首节点，辅助簇首节点成为该簇群内节点；若更新辅助簇首节点，则新的辅助簇首节点作簇内广播，确定辅助簇首节点通信的节点；

当辅助簇首节点的权值大于簇首节点的权值时，辅助簇首节点成为簇首节点，查找下一个新的辅助簇首节点，并作簇内广播以完成簇首节点的更新；

当簇首节点移动到其他簇时，将权值较大的簇首节点更新为新的簇首节点，簇首节点权值较小的作为该簇群内的节点加入该簇；该簇的辅助簇首节点与该节点比较，产生新的辅助簇首节点；若更新辅助簇首节点则作簇内广播，以确定辅助簇首节点通信的节点。

本发明还提供一种应用在集群无人机通信中的路由方法，包括以下步骤：

两个簇首之间分别进行反应式路由查找，若接收到来自相同节点的数据包，则丢弃。

作为本发明的进一步改进，簇群的划定基于权值的分簇算法，具体包括以下步骤：

W＝w _p*P+w _c*C+w _m*M+w _d*D

其中四个权重值使用机器学习训练来给定不同的值，选定权值高的节点的为簇首，构成一个簇群。

作为本发明的进一步改进，辅助簇首节点的选择方法具体为：

辅助簇首节点往簇内发送HELLO消息，确保簇内节点与辅助簇首节点相连。

作为本发明的进一步改进，所述的C值设定为10，即当簇首周围连接数目超过10个，进行辅助簇首节点的选择。

作为本发明的进一步改进，反应式路由查找具体步骤如下：

簇群内节点采用平面式先应式路由作为本地路由，簇首节点采用DV机制，即每个簇群内节点既保存到其他所有簇首节点的距离以及矢量路由信息，也保留本地路由表信息；当路由寻找时，若目的节点在本地，则直接利用本地路由发送；若有临近节点为该簇群，则发送给临近节点；否则，利用AODV路由发送到目的节点的簇首信息，以使簇头信息进行中继；若目的节点的簇群包含有两个簇首，则分别发送；当中继节点接收到相同的信息时，则抛弃当前信息；若目的节点接收的来自簇首节点的信息，则保留当前路由，且抛弃另外簇内节点的路由。

作为本发明的进一步改进，还包括簇头节点的更新步骤：

将该节点与辅助簇首节点做权值比价，将权值大的作为新的辅助簇首节点，辅助簇首节点成为该簇群内节点；若更新辅助簇簇首节点，则新的辅助簇首节点作簇内广播，确定辅助簇首节点通信的节点；

当簇首节点移动到其他簇时，将权值大的簇首节点更新成为新的簇首节点，簇首节点权值小的作为该簇群内的节点加入该簇；该簇的辅助簇首节点与该节点比较，产生新的辅助簇首节点；若更新辅助簇首节点则作簇内广播，确定辅助簇首节点可以通信的节点。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明的路由在多级路由中融合了成熟的平面路由，采用基于多级路由协议的路由思想，在多级路由中融合了成熟的平面路由，使得路由易于理解应用。通过对节点的能量，节点连接度，相对运动性以及相对距离加权来计算节点权值，选取权值最大的作为簇首。本发明创造性的提出辅助簇头节点，是在簇头节点的临节点大于一定数量的时候才会启用。这一方面提高的通信系统的鲁棒性，另一方面辅助簇头也减少了对簇群簇头的更新，避免了开销。该路由方法使用辅助簇头节点，可以提高通信系统的鲁棒性，减少更新簇头开销；使用权重来选举簇头节点，可以得到较好的通信；该方法能够在无人机自组网中够提供较好的通信性能。为拓扑结构变化迅速的无人机自组网提供了较好的通信性能。使用不同权重的节点能量，节点连接度，节点相对运动性以及节点的相对距离进一步使得路由方法可以应对不同复杂的拓扑，提高了系统的鲁棒性。本发明具有良好的通信性能，适用在无人机集群等大型拓扑变化迅速的场景中。

附图说明

在此描述的附图仅用于解释目的，而不意图以任何方式来限制本发明公开的范围。另外，图中的各部件的形状和比例尺寸等仅为示意性的，用于帮助对本发明的理解，并不是具体限定本发明各部件的形状和比例尺寸。本领域的技术人员在本发明的教导下，可以根据具体情况选择各种可能的形状和比例尺寸来实施本发明。在附图中：

图1为一种应用在集群无人机通信中的路由方法示意图。

图2为本发明三种不同的路由方式示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

本发明一种应用在集群无人机通信中的路由方法，包括使用复合路由，每个簇群通过使用能量，节点连接度，相对运动性以及相对距离进行加权，在加权处理的结果下，通过选举来选簇首，选取权值最大的作为簇首节点。当簇群内节点大于一定数目时，通过刚才的选举再次使用一个簇首。两个簇首之间分别进行反应式路由查找，若接收到来自相同节点的数据包，则丢弃。

本发明主要在多级路由中融合了平面路由结合使用权重来选举簇首，并引入辅助簇首节点。为拓扑结构变化迅速的无人机自组网提供了较好的通信性能。使用不同权重的节点能量，节点连接度，节点相对运动性以及节点的相对距离进一步使得路由方法可以应对不同复杂的拓扑，提高了系统的鲁棒性。

本发明的具体实施细节包括以下步骤：

1)簇群的划定基于权值的分簇算法。每个节点广播HELLO消息，用来获取邻居信息。使用节点的能量，节点度，相对运动性，以及相对距离进行加权。其中权值的计算为：

W＝w _p*P+w _c*C+w _m*M+w _d*D

其中w _p+w _c+w _m+w _d＝1。w _p为节点能量的权重，P为节点能量。w _c为节点连接度的权重，C是临近节点的个数，w _m为节点相对运动性的权重，M为相对运动性的值，M的值可以根据无人机的GPS来计算得出，若与周围n个节点运动方向相似，则值越高，否则值越低，M值为n个值的和。D可以设定为最近节点数目的一半。w _d为n节点的距离的和。其中四个权重值可以使用机器学习训练来给定不同的值。选定权值高的节点的为簇首。构成簇。

2)在簇首选定成功后，簇首发送HELLO消息，其他节点等待消息。若其他接收到HELLO消息，加入该簇，完成簇的构建。计算簇首C的值，若簇首的C值大于l，选择之前权值次高的节点作为辅助簇首节点。其中C值设定为10，即当簇首周围连接数目超过10个，进行辅助簇首节点的选择。辅助簇首节点往簇内发送HELLO消息，确保簇内节点可以与辅助簇首节点相连。

3)簇群内节点采用平面式先应式路由作为本地路由，簇首节点采用DV机制，即每个簇群内节点既保存到其他所有簇首的距离以及矢量路由信息，也保留本地路由表信息。当路由寻找时，若目的节点在本地，则直接利用本地路由发送。若有临近节点为该簇群，则发送给临近节点。否则，利用AODV路由发送到目的节点的簇首信息，以使利于簇首信息进行中继。若目的节点的簇群包含有两个簇首，则分别发送。当中继节点接收到相同的信息时，则抛弃当前信息。若目的节点接收的来自簇首节点的信息，则保留当前路由，且抛弃另外簇点的路由。

4)还还包括簇头节点的更新步骤：

4.1)当新节点接收到有簇头节点的广播HELLO的时候，主动加入该簇群。将该节点与辅助簇首节点做权值比价，将权值大的作为新的辅助簇首节点，辅助簇首节点成为该簇群内节点。若更新辅助簇首节点，则新的辅助簇首节点作簇内广播，确定辅助簇首节点可以通信的节点。

4.2)当辅助簇首节点的权值大于簇首节点的权值时，辅助簇首节点成为簇首节点，查找下一个新的辅助簇首节点，并作簇内广播以完成簇首节点的更新。

4.3)当簇头节点移动到其他簇时，将权值较大的簇首节点更新为新的簇首节点，簇首节点权值较小的作为该簇群内的节点加入该簇。该簇的辅助簇首节点与该节点比较，产生新的辅助簇首节点。若更新辅助簇首节点则作簇内广播，以确定辅助簇首节点可以通信的节点。

本路由方法基于权值选举簇头形成簇群，同时双簇头设计增强了通信的可靠性并减少了簇头节点的更新频次，其特点适用于拓扑快速变化的无人机群场景。

实施例1

图1为当簇头节点权值小于辅助簇头节点的时候，更新簇头。其中正方形为新簇群内节点，星形表示之前的辅助簇头，且为现在的簇头。菱形表示之前的簇头。圆形表示离开簇群的节点。

图2为三种不同的路由方式。其中三角形代表了属于两个簇群的节点。第一个为簇内的本地路由。第二个为通过本地路由找到临近节点为目标簇群的节点，不经过簇头节点直接到到。第三种为利用临近节点中继，临近节点同时发送给簇头和辅助簇头，其中辅助簇头因无法到达，此条线路中断。簇头继续转发给下一中继节点，然后完成链路。

本发明采用基于多级路由协议的路由思想，在多级路由中融合了成熟的平面路由，使得路由易于理解应用。通过对节点的能量，节点连接度，相对运动性以及相对距离加权来计算节点权值，选取权值最大的作为簇首。本发明创造性的提出辅助簇头节点，是在簇头节点的临节点大于一定数量的时候才会启用。这一方面提高的通信系统的鲁棒性，另一方面辅助簇头也减少了对簇群簇头的更新，避免了开销。本发明具有良好的通信性能，适用在无人机集群等大型拓扑变化迅速的场景中。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，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。

需要说明的是，在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的和区别类似的对象，两者之间并不存在先后顺序，也不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

应该理解，以上描述是为了进行图示说明而不是为了进行限制。通过阅读上述描述，在所提供的示例之外的许多实施例和许多应用对本领域技术人员来说都将是显而易见的。因此，本教导的范围不应该参照上述描述来确定，而是应该参照前述权利要求以及这些权利要求所拥有的等价物的全部范围来确定。出于全面之目的，所有文章和参考包括专利申请和公告的公开都通过参考结合在本文中。在前述权利要求中省略这里公开的主题的任何方面并不是为了放弃该主体内容，也不应该认为申请人没有将该主题考虑为所公开的发明主题的一部分。

Claims

一种应用在集群无人机通信中的路由方法，其特征在于，包括以下步骤：

使用复合路由，对每个簇群通过使用能量、节点连接度、相对运动性以及相对距离进行加权，依据加权结果选举出簇首，选取权值最大的作为簇首节点；

所述簇群的划定基于权值的分簇算法，具体包括以下步骤：

每个节点广播HELLO消息，用来获取邻居信息，使用节点的能量、节点度、相对运动性以及相对距离进行加权，其中权值的计算为：

W＝w _p*P+w _c*C+w _m*M+w _d*D

其中w _p+w _c+w _m+w _d＝1，w _p为节点能量的权重，P为节点能量，w _c为节点连接度的权重，C是临近节点的个数，w _m为节点相对运动性的权重，M为相对运动性的值，M的值根据无人机的GPS来计算得出，若与周围n个节点运动方向相似，则值越高，否则值越低，M值为n个值的和；D设定为最近节点数目的一半；w _d为n节点的距离的和；

其中四个权重值使用机器学习训练来给定不同的值，选定权值高的节点的为簇首，构成一个簇群；

当簇群内节点大于设定数目时，再选举出一个辅助簇首节点；

所述辅助簇首节点的选择方法具体为：

在簇首选定成功后，簇首发送HELLO消息，其他节点等待消息：

若其他接收到HELLO消息，加入该簇，完成簇的构建，计算簇首C的值，若簇首的C值大于l，选择之前权值次高的节点作为辅助簇首节点；

其中，所述的C值设定为10，即当簇首周围连接数目超过10个，进行辅助簇首节点的选择；

辅助簇首节点往簇内发送HELLO消息，确保簇内节点与辅助簇首节点相连；

两个簇首之间分别进行反应式路由查找，若接收到来自相同节点的数据包，则丢弃；

所述反应式路由查找具体步骤如下：

簇群内节点采用平面式先应式路由作为本地路由，簇首节点采用DV机制，即每个簇群内节点既保存到其他所有簇首的距离以及矢量路由信息，也保留本地路由表信息；当路由寻找时，若目的节点在本地，则直接利用本地路由发送；若有临近节点为该簇群，则发送给临近节点；否则，利用AODV路由发送到目的节点的簇首信息，以使簇首信息进行中继；若目的节点的簇群包含有两个簇首，则分别发送；当中继节点接收到相同的信息时，则抛弃当前信息；若目的节点接收的来自簇首节点的信息，则保留当前路由，且抛弃另外簇内节点的路由；还包括簇首节点的更新步骤：

当新节点接收到有簇头节点的广播HELLO的时候，主动加入该簇群；

将该节点与辅助簇首节点做权值比价，将权值大的作为新的辅助簇首节点，辅助簇首节点成为该簇群内节点；若更新辅助簇首节点，则新的辅助簇首节点作簇内广播，确定辅助簇首节点通信的节点；

当辅助簇首节点的权值大于簇首节点的权值时，辅助簇首节点成为簇首节点，查找下一个新的辅助簇首节点，并作簇内广播以完成簇首节点的更新；

当簇首节点移动到其他簇时，将权值较大的簇首节点更新为新的簇首节点，簇首节点权值较小的作为该簇群内的节点加入该簇；该簇的辅助簇首节点与该节点比较，产生新的辅助簇首节点；若更新辅助簇首节点则作簇内广播，以确定辅助簇首节点通信的节点。
一种应用在集群无人机通信中的路由方法，其特征在于，包括以下步骤：

使用复合路由，对每个簇群通过使用能量、节点连接度、相对运动性以及相对距离进行加权，依据加权结果选举出簇首，选取权值最大的作为簇首节点；

当簇群内节点大于设定数目时，再选举出一个辅助簇首节点；

两个簇首之间分别进行反应式路由查找，若接收到来自相同节点的数据包，则丢弃。
根据权利要求2所述的应用在集群无人机通信中的路由方法，其特征在于，簇群的划定基于权值的分簇算法，具体包括以下步骤：

每个节点广播HELLO消息，用来获取邻居信息，使用节点的能量、节点度、相对运动性以及相对距离进行加权，其中权值的计算为：

W＝w _p*P+w _c*C+w _m*M+w _d*D

其中w _p+w _c+w _m+w _d＝1，w _p为节点能量的权重，P为节点能量，w _c为节点连接度的权重，C是临近节点的个数，w _m为节点相对运动性的权重，M为相对运动性的值，M的值根据无人机的GPS来计算得出，若与周围n个节点运动方向相似，则值越高，否则值越低，M值为n个值的和；D设定为最近节点数目的一半；w _d为n节点的距离的和；

其中四个权重值使用机器学习训练来给定不同的值，选定权值高的节点的为簇首，构成一个簇群。
根据权利要求3所述的应用在集群无人机通信中的路由方法，其特征在于，辅助簇首节点的选择方法具体为：

在簇首选定成功后，簇首发送HELLO消息，其他节点等待消息：

若其他接收到HELLO消息，加入该簇，完成簇的构建，计算簇首C的值，若簇首的C值大于l，选择之前权值次高的节点作为辅助簇首节点；

辅助簇首节点往簇内发送HELLO消息，确保簇内节点与辅助簇首节点相连。
根据权利要求4所述的应用在集群无人机通信中的路由方法，其特征在于，所述的C值设定为10，即当簇首周围连接数目超过10个，进行辅助簇首节点的选择。
根据权利要求2所述的应用在集群无人机通信中的路由方法，其特征在于，反应式路由查找具体步骤如下：

簇群内节点采用平面式先应式路由作为本地路由，簇首节点采用DV机制，即每个簇群内节点既保存到其他所有簇首的距离以及矢量路由信息，也保留本地路由表信息；当路由寻找时，若目的节点在本地，则直接利用本地路由发送；若有临近节点为该簇群，则发送给临近节点；否则，利用AODV路由发送到目的节点的簇首信息，以使簇头信息进行中继；若目的节点的簇群包含有两个簇首，则分别发送；当中继节点接收到相同的信息时，则抛弃当前信息；若目的节点接收的来自簇首节点的信息，则保留当前路由，且抛弃另外簇内节点的路由。
根据权利要求2所述的应用在集群无人机通信中的路由方法，其特征在于，还包括簇首节点的更新步骤：

当新节点接收到有簇头节点的广播HELLO的时候，主动加入该簇群；

将该节点与辅助簇首节点做权值比价，将权值大的作为新的辅助簇首节点，辅助簇首节点成为该簇群内节点；若更新辅助簇首节点，则新的辅助簇首节点作簇内广播，确定辅助簇首节点通信的节点；

当辅助簇首节点的权值大于簇首节点的权值时，辅助簇首节点成为簇首节点，查找下一个新的辅助簇首节点，并作簇内广播以完成簇首节点的更新；

当簇首节点移动到其他簇时，将权值较大的簇首节点更新成为新的簇首节点，簇首节点权值较小的作为该簇群内的节点加入该簇；该簇的辅助簇首节点与该节点比较，产生新的辅助簇首节点；若更新辅助簇首节点则作簇内广播，以确定辅助簇首节点可以通信的节点。