一种高效快速的无人机自组网网关切换算法制造技术

为了降低网关节点突然失效给无人机自组网带来的不利影响，提高网络的可靠性，本文提出一种高效快速的无人机自组网网关切换算法。首先，该文设计了备份网关的选择机制，通过考虑网关节点和邻居节点之间的距离因素从而选出备份网关节点；其次，文中改进了网关失效识别机制，备份网关可以更快的检测出网关节点是否失效；最后，提出了高效快速的无人机自组网网关切换机制，减少了网关功能失效的时间。因此，本发明专利技术可以使无人机自组网的数据包传输成功率，传输时延等性能得到提升并且提高了无人机自组网的可靠性。

An Efficient and Fast Gateway Handoff Algorithms for UAV Ad Hoc Networks

In order to reduce the adverse effects of sudden failure of gateway nodes on UAV ad hoc network and improve the reliability of the network, an efficient and fast gateway handoff algorithm for UAV ad hoc network is proposed in this paper. Firstly, the selection mechanism of backup gateway is designed in this paper, and the backup gateway node is selected by considering the distance between gateway node and neighbor node. Secondly, the gateway failure identification mechanism is improved. The backup gateway can detect whether the gateway node is invalid faster. Finally, an efficient and fast gateway handoff mechanism for UAV ad hoc network is proposed to reduce the gateway. Time of function failure. Therefore, the present invention can improve the performance of UAV ad hoc network, such as data packet transmission success rate, transmission delay and so on, and improve the reliability of UAV ad hoc network.

【技术实现步骤摘要】
一种高效快速的无人机自组网网关切换算法
本专利技术属于无线移动自组网通信
，主要针对的应用场景为无人机自组网网络，且主要应用是针对无人机自组网网络节点和地面控制站进行通信时网关节点切换的场景，更具体地，涉及一种当网关节点因故失效时，网关功能可以快速切换到备份网关节点的算法。
技术介绍
近年来，无人机已广泛地用于军事和民用领域。由于单个无人机的工作能力有限，尤其是对于中小型无人机来说，构成无人机自组网来增加无人机工作范围，提高无人机的执行复杂任务的能力。无人机自组网网络在空中建立后所采集到的数据需要传输到地面，无人机网络与地面控制站的通信任务全部由网关节点完成。在军用无人机领域或者某些特殊领域，对无人机自组网的可靠性和鲁棒性要求非常高，尤其是数据的实时和准确，要求即使无人机网络中有节点损毁网络也可以自适应调节以弥补损毁节点带来的不利影响。在复杂的地理环境尤其是战场环境下，无人机有可能出现故障或者损毁而失效，尤其是网关节点的突然失效将会给无人机网络带来更大的影响。在军用无人机领域或者某些特殊领域，对无人机自组网的可靠性和鲁棒性要求非常高，要求即使无人机网络中有节点损毁网络也可以自适应调节以弥补损毁节点带来的不利影响。在复杂的地理环境尤其是战场环境下，无人机有可能出现故障或者损毁而失效，尤其是网关节点的突然失效将会给无人机网络带来更大的影响。所以，如图1所示，当无人机自组网中的网关节点突然失效后，怎样快速的将网关功能切换到新网关是无人机自组网应用领域中的一个重要研究问题。由于无人机自组网网关相关研究比较少，对于空对地(A2G)通信来说，大多是参考自组网自组网中的分簇算法来设计空对地的通信网关的，因此我们可以参考现有的移动自组网中的簇首更换算法来研究设计合适无人机自组网网关快速切换算法。文献[1]中，空军工程大学航空工程学院的王沁飞等人提出了一种基于加权的无人机集群组网分簇算法；该算法中进行簇维护时涉及到了一种簇头更换的机制，即当簇头收不到带有簇内成员ID信息的Hello消息或者簇头因为其他原因退出网络时，视为放弃簇头的“领导地位”。此时，簇内成员恢复到初始状态，按照分簇的步骤重新进行簇头的选举。[1]王沁飞,南建国,黄金科,等.基于加权的无人机集群组网分簇算法[J].计算机应用研究,2019(5).文献[2]中，代家铭、宋玉龙等人以军机为研究对象，在考虑了军用特性的前提下进行了高动态环境下航空自组网分簇算法设计。该算法在初始簇建立后，初始簇首向邻居节点广播信息，并通过收集应答信息建立邻居表，随后，根据邻居表里的位速信息计算理想节点包括簇首在内的所有节点的备份簇首选择因子，据此寻找备份簇首。如果簇首计算的备份簇首选择因子比阈值小那么其将放弃簇首地位，广播新簇首的任命信息。此外，如果备份簇首在两次的簇首广播周期内都没收到簇首广播消息，则认为该簇首失效，此时备份簇首广播簇首消息担任新的簇首，以避免原簇结构因簇首消失而破坏。[2]代家铭,宋玉龙,尚亚黎,等.高动态环境下航空自组网分簇算法设计[J].计算机应用研究,2015,32(4):1193-1198.以上的飞行自组网分簇算法中簇首更换机制或者簇首与别分簇首之间的切换机制虽然可以提高簇首的性能，降低因簇首性能下降给网络带来的不利影响，避免因簇首消失带来的簇结构被破坏，但在分布式无人机自组网的应用中仍存在以下问题：1.现有的飞行自组网分簇算法主要的的工作集中在是当簇首性能下降时，从簇成员中选择一个簇首选择参数更好的节点作为新的的簇首，其关注的重点保持簇首的良好性能；对于无人机自组网来说，尤其是对于军用环境来说，无人机网关容易被损毁或者出故障，当无人机网关节点突然失效时怎样快速的将网关功能切换到新的网关节点是一项重要的工作。因此，当网关突然失效时，此案有的簇首更换机制不能快速的将网关功能切换到新的网关节点，从而无法保证无人机自组网的可靠性。2.航空自组网分簇算法设计中备份簇首机制的关注重点也是当簇首下降到低于阈值时，将簇首功能切换到性能更好的备份簇首节点，且该分簇算法针对的是单跳簇；对于单跳簇来说，簇首可以通过hello消息维护与簇内所有成员的联系，但在分布式的无人机自组网当中，网关节点与所属该网关节点的无人机节点之间可能是多跳的关系，因此，网关与其它无人机节点之间的连接性维护只能通过网关通告消息，若网关通告间隔设置的太小则开销太大，通常网关通告间隔要比hello消息间隔大得多，因此如果将该备份簇首机制应用在这里，即当备份网关节点两次没收到网关通告消息则判别网关节点失效从而广播消息成为新的网关且其它无人机节点连续三次没收到网关通告消息则判别网关节点失效，这样会造成较长网关切换时间，网关功能空缺的时间过长会给网络的性能例如数据传输时延、传输成功率、网络可靠性等带来不利的影响。
技术实现思路
本专利技术提出了一种高效快速的无人机自组网网关切换算法，相对于网关节点失效后直接进行新一轮的网关选择来说，使用备份网关的方式明显可以减少网关之间的切换时间；本专利技术主要包含三个创新机制，首先，本专利技术中构思了备份网关的选择机制，候选备份网关节点集中是网关节点的邻居节点且满足一定的条件，通过综合考虑节点稳定性和距离因素从候选备份网关节点集当中选择合适的节点充当备份网关节点；其次，本专利技术中改进了网关失效识别机制，当网关节点因为被击毁或者出现故障等因素失效时，备份网关可以可以更快的识别出来；最后，提出了高效快速的网关切换算法，一旦网关节点失效，网关功能可以快速的切换到备份网关节点，提高了网关切换效率，减少了网关功能失效的时间。因此，本专利技术通过降低网关功能失效时间可以使无人机自组网的数据包传输成功率，传输时延，可靠性等性能得到提升。(一)本专利技术提出的创新机制的基本思想和具体操作以下具体介绍本专利技术提出的“备份网关选择机制”、“失效网关识别机制”和“高效快速网关切换机制”三种机制的基本思路和主要操作。1.备份网关选择机制Ii表示网关节点i的候选备份网关节点集，备份网关节点是从候选备份网关节点集中选出来的，集合Ii中的候选备份网关节点应该满足以下3个条件：(1)首先是网关的邻居节点；(2)如果候选备份网关节点在远离网关节点则其与网关节点之间的距离需满足公式1,dji≤d-2×Thello×vmax(1)其中dji表示节点j与网关节点i之间的距离，d表示两架相邻无人机节点之间的最大通信距离，Thello表示hello消息的广播周期，vmax表示无人机节点的最大速度；(3)如果候选备份网关节点正在接近网关节点则其在网关节点的通信范围内即可；从条件2可知，当候选网关节点满足公式1的时候，在一个hello消息周期内候选备份网关节点和网关节点始终处于相互的通信范围内；在条件3中，由于hello周期比较短，且对于固定翼的无人机来说其飞行方向不会出现很大的改变，因此当候选备份网关节点与网关节点相互接近时，在一个hello周期内它们仍会在对方的通信范围内。在已有的无人机网关节点选择或者簇首选举当中，通常都会考虑无人机节点的高移动特性带来的影响，因此把节点的稳定性当做网关选择的一个重要的选择参数，本专利技术侧重的网关与备份网关网关节点之间的高效快速切换问题，节点稳定性的计算不是本专利技术的重点，因此本文节点稳定性的计本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种降低网关功能失效时间的无人机自组网网关高效快速切换算法，其特征是：它主要适用于分布式的无人机飞行自组网或者分区的分布式无人机飞行自组网，分区的无人机飞行自组网根据要求划分为了几个区域，每个区域要求要有一个网关，无人机飞行自组网与地面控制站之间的通信需求通过网关节点实现。无人机飞行自组网初始化完成后需要周期性的根据网关选择算法计算稳定性值来进行网关的选择，且只有候选网关节点的稳定性值与当前网关节点的稳定性值的差值超出阈值时才进行下一步的网关选择流程。本专利技术提出的基于无人机‑地面控制站链路状态预测的网关选择算法主要是3个机制(1)备份网关的选择机制；(2)网关失效识别机制；(3)高效快速的无人机自组网网关的切换算法。本专利技术的关注点是当网关节点的网关功能失效时，如何高效快速的把网关功能切换到新的节点，从而保证网络可靠性和网络性能。

【技术特征摘要】
1.一种降低网关功能失效时间的无人机自组网网关高效快速切换算法，其特征是：它主要适用于分布式的无人机飞行自组网或者分区的分布式无人机飞行自组网，分区的无人机飞行自组网根据要求划分为了几个区域，每个区域要求要有一个网关，无人机飞行自组网与地面控制站之间的通信需求通过网关节点实现。无人机飞行自组网初始化完成后需要周期性的根据网关选择算法计算稳定性值来进行网关的选择，且只有候选网关节点的稳定性值与当前网关节点的稳定性值的差值超出阈值时才进行下一步的网关选择流程。本发明提出的基于无人机-地面控制站链路状态预测的网关选择算法主要是3个机制(1)备份网关的选择机制；(2)网关失效识别机制；(3)高效快速的无人机自组网网关的切换算法。本发明的关注点是当网关节点的网关功能失效时，如何高效快速的把网关功能切换到新的节点，从而保证网络可靠性和网络性能。2.根据权利1所述的无人机自组网备份网关的选择机制，其特征是：当网关节点失效时，如果备份网关节点通过hello消息先一步检测到网关失效，则其自动置为网关并广播网关通告消息，所有无人机节点收到网关通告消息GWADV后更新网关信息，此时全网节点可以使用备份网关进行与地面控制站的数据传输；如果所有无人机节点都通过网关检测周期先一步检测到网关失效，则所有节点启用备份网关，同时备份网关广播网关通告消息，所有无人机节点收到网关通告消息GWADV后更新网关信息。备份网关成为新网关后，直到下一次的网关选择周期到来时运行网关...

【专利技术属性】
技术研发人员：姚玉坤，宋威威，邱钟维，李其超，张云霞，
申请(专利权)人：重庆邮电大学，
类型：发明
国别省市：重庆,50