无人机自组织网络自适应MAC协议框架及数据传输方法技术

本发明专利技术公开一种无人机自组织网络自适应MAC协议框架及基于该框架的数据发送方法和数据接收方法。所述无人机自组织网络自适应MAC协议框架，包括应用层、传输层、网络层、上MAC适配层、MAC协议层、下MAC适配层和物理层；所述数据发送方法，包括：数据包接收、MAC协议选择、数据帧封装、自适应MAC帧封装和数据帧发送步骤；所述数据接收方法，包括数据接收、MAC协议识别和封装上交步骤。本发明专利技术的无人机自组织网络自适应MAC协议框架及基于该框架的发送和接收方法，支持链路层多个MAC协议共存，同时允许根据具体情况在各MAC协议间互相切换，从而保证在不同的任务中均可以得到高质量的接入服务。

【技术实现步骤摘要】
无人机自组织网络自适应MAC协议框架及数据传输方法
本专利技术无人机组网通信
，特别是一种保证在不同的任务中均可以得到高质量接入服务的无人机自组织网络自适应MAC协议框架及基于该框架的数据传输方法。
技术介绍
无人机自组织网络作为无线自组织网络中的一个分支，继承了传统无线自组织网络的诸多特性，例如点到点连接变化剧烈，端到端路由更新频繁等。而一个网络的实时性、稳定性等性能与决定其信道使用权的MAC协议有着非常大的相关性，一个优秀的MAC协议可以为无人机自组织网络的性能带来很大提升，进而对无人机任务执行的实时性、稳定性产生关键作用。无人机自组织网络因其执行任务的多样性、节点无人控制的自主性、网络中数据的异构性等特点，需要无人机自组织网络能够根据不同的任务需求和网络当前的性能表现，自适应地使用最合适的MAC协议以保证网络性能。现有网络协议栈由上至下包括应用层、传输层、网络层、MAC协议层和物理层。现有的网络协议栈无法满足无人机自组织网络的特殊需求。第一，无人机自组织网络要具备根据所感知的信息自适应地调整MAC协议的能力。节点的高移动性是无人机自组织网络的显著特点，网络中节点密度会随节点的移动、网络拓扑的改变而变化。在稀疏网络和密集网络中，处于同一广播域中的网络节点数目相差很大，甚至在微型无人机组成的蜂群无人机自组织网络中，节点可能在某些时候会组成超密集网络。而在不同节点密度的网络中，不同类型的MAC协议表现出的性能千差万别，简单来说，竞争类的协议在稀疏网络中可以发挥自己的优势，而受控接入的协议在密集网络中可以保持更好的网络性能。第二，无人机自组织网络要具备根据不同任务对网络性能的需求自适应地调整MAC协议的能力。无人机自组织网络对网络性能的要求与其他网络有所不同，无人机所感知的信息和加载在无人机网络上的应用数据存在文本、图像、视频等多种模态，不同模态的数据对网络性能的指标有所不同。比如，在执行军事监视时，监视视频必须完整无误地被传递到指挥基地，其对于带宽要求较高；而在无人机紧急避让时，避让消息必须要快速传输到位，其对于时延要求较高。由此可见，不同的应用对网络性能的需求有所不同。以往的网络协议无法满足无人机自组织网络中信息资源强异构性带来的不同网络性能需求。总之，现有技术存在的问题是：无人机自组织网络中，链路层多个MAC协议共存的情况下，不同MAC协议之间切换困难，不同任务接入服务质量难以保证。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种无人机自组织网络自适应MAC协议框架，支持链路层多个MAC协议共存，同时允许根据具体情况在各MAC协议间互相切换，从而保证在不同的任务中均可以得到高质量的接入服务。本专利技术的另一目的在于提供一种基于自适应MAC协议框架的无人机自组织网络数据传输方法，包括数据发送方法和数据接收方法。实现本专利技术目的的技术解决方案为：一种无人机自组织网络自适应MAC协议框架，由上至下包括应用层、传输层、网络层、MAC协议层和物理层，所述MAC协议层包含多个同时运行的MAC协议，在所述网络层与MAC协议层之间还设有上MAC适配层，在所述MAC协议层与物理层之间还设有下MAC适配层。实现本专利技术另一目的的技术解决方案为：一种基于自适应MAC协议框架的无人机自组织网络数据发送方法，包括如下步骤：(11)数据包接收：上MAC适配层接收从网络层传递来的数据包；(12)MAC协议选择：上MAC适配层根据切换标准，包括用户需求、当前网络环境，将从网络层传递来的数据包递交给最合适的MAC协议；(13)数据帧封装：被选中的MAC协议将数据包封装成帧，并由该MAC协议按照其自身的机制，选择合适的时机将封装后的数据包向下传递给下MAC适配层；(14)自适应MAC帧封装：下MAC适配层根据自适应MAC协议帧结构，在接收到的数据帧首部添加相应的GMI；(15)数据帧发送：下MAC适配层将封装好的自适应MAC数据帧传递给物理层，并由物理层发送出去。一种基于自适应MAC协议框架的无人机自组织网络数据接收方法，包括如下步骤：(21)数据接收：物理层将接收到的数据长传给下MAC适配层。(22)MAC协议识别：下MAC适配层分析接收的数据,根据GMI标志，将出去GMI标志位的数据传递给相应的MAC协议；(23)封装上交：MAC协议将接收到数据封装成数据帧，并将其上传给网络层。本专利技术与现有技术相比，其显著优点为：支持链路层多个MAC协议共存，同时允许根据具体情况在各MAC协议间互相切换，从而保证在不同的任务中均可以得到高质量的接入服务。本专利技术基于现有的网络协议栈，仅对MAC层部分进行了修改，其余部分不变，因此，该框架具有良好的兼容性。此外，该框架为共存的MAC协议和切换规则预留了接口，基于该框架实现的自适应MAC协议只需挂接上相应的MAC协议和切换规则，即可实现相应的自适应MAC协议。其次，为该框架设计了相应的MAC层帧结构。由于该框架允许多个MAC协议共存，所以无论从网络层获得数据包还是从物理层收到数据包，应该交给哪个MAC协议是该框架面临的问题。因此，我们为自适应MAC框架设计了相应的自适应MAC协议帧结构。下面结合附图和具体实施方式对本专利技术作进一步的详细描述。附图说明图1为本专利技术无人机自组织网络自适应MAC协议框架的结构示意图。图2为本专利技术基于自适应MAC协议框架的无人机自组织网络数据发送方法的流程图。图3为自适应MAC协议帧的结构示意图。图4为本专利技术基于自适应MAC协议框架的无人机自组织网络数据接收方法的流程图。具体实施方式如图1所示，本专利技术无人机自组织网络自适应MAC协议框架，由上至下包括应用层、传输层、网络层、MAC协议层和物理层，所述MAC协议层包含多个同时运行的MAC协议；在所述网络层与MAC协议层之间还设有上MAC适配层，在所述MAC协议层与物理层之间还设有下MAC适配层。所述上MAC适配层，用于根据切换标准，包括用户需求、当前网络环境，将从网络层传递来的数据包选择最合适的MAC协议，并将数据包递交给选中的MAC协议。所述下MAC适配层，用于在从MAC协议传递来的数据帧首部添加相应的GMI，并将封装好的数据帧传递给物理层发送出去；或用于根据从物理层传递来的数据的GMI，将其传递给相应的MAC协议。本专利技术首先设计了一个自适应MAC框架。该框架基于现有的网络协议栈设计，仅对MAC层部分进行了修改，其余部分不变，因此，该框架具有良好的兼容性。此外，该框架为共存的MAC协议和切换规则预留了接口，基于该框架实现的自适应MAC协议只需挂接上相应的MAC协议和切换规则，即可实现相应的自适应MAC协议。其次，为该框架设计了相应的MAC层帧结构。由于该框架允许多个MAC协议共存，所以无论从网络层获得数据包还是从物理层收到数据包，应该交给哪个MAC协议是该框架面临的问题。因此，我们为自适应MAC框架设计了相应的自适应MAC协议帧结构。如图2所示，本专利技术基于上述自适应MAC协议框架的无人机自组织网络数据发送方法，包括如下步骤：(11)数据包接收：上MAC适配层接收从网络层传递来的数据包；(12)MAC协议选择：上MAC适配层根据切换标准，包括用户需求、当前网络环境，将从网络层传递来的数据包递交给最合适的MAC协议；(13)数据帧封装：本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种无人机自组织网络自适应MAC协议框架，由上至下包括应用层、传输层、网络层、MAC协议层和物理层，所述MAC协议层包含多个同时运行的MAC协议，其特征在于：在所述网络层与MAC协议层之间还设有上MAC适配层，在所述MAC协议层与物理层之间还设有下MAC适配层。

【技术特征摘要】
1.一种无人机自组织网络自适应MAC协议框架，由上至下包括应用层、传输层、网络层、MAC协议层和物理层，所述MAC协议层包含多个同时运行的MAC协议，其特征在于：在所述网络层与MAC协议层之间还设有上MAC适配层，在所述MAC协议层与物理层之间还设有下MAC适配层。2.根据权利要求1所述的自适应MAC协议框架，其特征在于：所述上MAC适配层，用于根据切换标准，包括用户需求、当前网络环境，将从网络层传递来的数据包选择最合适的MAC协议，并将数据包递交给选中的MAC协议。3.根据权利要求1所述的自适应MAC协议框架，其特征在于：所述下MAC适配层，用于在从MAC协议传递来的数据帧首部添加相应的GMI，并将封装好的数据帧传递给物理层发送出去；或用于根据从物理层传递来的数据的GMI，将其传递给相应的MAC协议。4.一种基于权利要求1所述的自适应MAC协议框架的无人机自组织网络数据发送方法，其特征在于，包括如下步骤：(11)数据包接收：上MAC适配层接收从网络层传递来的数据包；(12)MAC协议选择：上MAC适配层根据切换标准，包括用户需求、当前网络环境，...

【专利技术属性】
技术研发人员：董超，王蔚峻，李艾静，于卫波，王海，
申请(专利权)人：中国人民解放军陆军工程大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32