无人机蜂群网络的路由选择方法技术

本发明专利技术提出的一种无人机蜂群网络的路由选择方法，旨在提供一种路由维护开销更小、效率更高、准确度更优的路由选择方法。本发明专利技术通过下述技术方案予以实现：各普通转发节点间通过无线通信链路形成网状网络，完成数据分组传输；当普通转发无人机节点进入一个新子域时，通过接收Beacon信标报文自动识别局部控制器，完成普通节点加入子域网络的过程，然后普通节点周期性地将自身位置信息、速度信息以及邻居信息向局部控制器汇报，局部控制器由此生成局部网络视图信息库；当数据平面有数据传输需求时，数据平面向控制平面发起路由请求，控制平面按照当前网络视图信息，将路径分为跨域和域内两种情况，分别由全局控制器和局部控制器协助完成转发路径的选择，指导数据平面完成数据传输。

Routing method for UAV bee colony network

【技术实现步骤摘要】
无人机蜂群网络的路由选择方法
本专利技术属于无人机(UnmannedAerialVehicle，UAV)网络通信
，尤其涉及一种软件定义无人机蜂群网络的路由选择方法。
技术介绍
随着科技水平的不断发展，无人机技术以其独有的灵活性和低成本等特点，相较于传统方式可以更加简单地获取所需信息，因此正逐步渗透到各行各业中，如在民用领域中的城市管理、农业、抢险救灾、视频拍摄等。无人机蜂群是指由数十至成百上千架小尺寸、低成本的无人机组成的群体，以单平台性能为基础，以平台间协同能量为支撑，在地面控制指挥下完成预定任务。Ad-Hoc移动自组织网络属于无中心网络，其不依赖于任何固定的通信基础设施，因而得到了广泛的应用。在空中飞行器领域，借鉴Ad-Hoc移动自组网技术，飞行自组网(FlyingAd-HocNetwork，FANET)的概念被提出，飞行自组网是一种以空中飞行器为通信节点的信息移动自组织网络，与Ad-Hoc移动自组织网络类似，FANET同样不需要任何固定通信设施的支撑，在任何时间、任何地点都可以自主地建立和管理网络，实现飞行器节点间高效通信。飞行自组网按照飞行器类型可以分为无人系统自组网、航空自组网、自组网等。蜂群无人系统组网基本思想是：多无人机以蜂群的方式飞行，其通信不完全依赖于地面控制站或卫星等基础通信设施，而是将无人机作为网络节点，各节点间能够相互转发指控指令，交换感知态势、健康情况和情报搜集等数据，自动连接建立起一个无线移动网络。该网络中每个节点兼具收发器和路由器的功能，以多跳的方式把数据转发给更远的节点。无人机自组网采用动态组网、无线中继等技术实现无人机间的互联互通，具备自组织、自修复的能力和高效、快速组网的优势，可满足无人机在特定条件下的应用需求。传统Ad-Hoc网络的目标是建立对等连接，而无人机自组网也需要为无人机的协调和协作功能建立对等连接；其次，某些节点在网络中还需要担任数据收集的中心节点，功能类似于无线传感器网络，因此需要支持流量汇集。在无人机的实际应用中，整个网络可能是异构互联的。不同于MANET随机移动和VANET受限于公路移动，无人机节点也具有自身独特的运动规律。在某些多无人机的应用中，偏向于选择全局路径规划，这种情况下无人机的移动具有规律性；但自动化无人机运行航迹不是预定的，飞行计划也可能会在运行中变更。受其外部飞行环境的影响，无人机网络是一个大动态变化的无线移动通信系统，节点的移动速度相较于常规MANET节点有明显提升，节点速度的加快必将导致网络拓扑变化频繁，因此无人机节点需要可以随时加入或退出网络，要求无人机网络可以对拓扑的变化做出及时的响应和处理。无人机组网的网络拓扑结构与移动Ad-Hoc网络的网络体系结构有着必然的联系，它采用分层分布式控制结构。无人机自组网继承了Ad-Hoc移动自组织网络的一些特性，如无中心、多跳、可自组织等，可对网络进行自组织和自管理，网络节点间的路由通常由多跳组成，具有一定的带宽，可在一定范围内进行数据传输。除此之外，无人机自组织网络也具备一些自身特性：(1)节点的高速移动和网络拓扑的高动态变化这是无人机自组网与传统自组网最显著的区别，无人机的速度在30～460km/h，这种高速动会造成拓扑高动态变化，从而对网络连通性和协议性能产生严重影响。同时，无人机平台的通信失效和视距通信链路的不稳定性也会造成链路中断和拓扑更新。(2)节点的稀疏性和网络的异构性，无人机节点在空中分散分布，节点间的距离大都有几公里，一定空域内节点密度较低，因此网络连通性是一个值得注意的问题。(3)网络目标的独特性，业务数据所包括的图像、音频、视频等，具有传输数据量大、数据结构多元化、时延敏感性高等特点，需要确保相应的QoS。(4)移动模型的特殊性，移动模型会对Ad-Hoc网络的路由协议、移动性管理等产生重要影响，无人机的载荷有限、能源有限、体积有限，这决定了其具有的计算能力将非常宝贵。蜂群无人系统的网络拓扑结构根据移动Ad-Hoc网络的特征，无人机网络的体系结构应基于TCP/IP的体系结构，并根据自身特点进行必要的简化、修改和扩充。路由通信是无人机协同任务规划的前提和基础，特别是在不稳定的无人机网络中，路由的可靠性具有重要的意义。在低速环境下，节点之间多为低速相对运动，某些情况下节点间的位置关系甚至相对静止。因此在这些场景中采用基于拓扑的路由方法可以取得较好的效果。但无人机网络的拓扑快速变化，会导致基于拓扑的路由方法无法构造可靠的路由路径，进而影响路由性能。此外，由于高速运动是无人机网络最重要的特征，其产生的拓扑频繁变化，使得基于拓扑的路由方法难以维护路由路径以保证路由性能。因此，需要设计合理的方法，有效降低无人机网络拓扑快速变化对路由通信所带来的影响，确保无人机之间通信的可靠性。目前在Ad-Hoc移动自组织网络中，应用比较广泛的路由协议有优化链路状态路由协议(OLSR)、目的节点序列距离矢量路由协议(DestinationSequencedDistanceVector，DSDV)和无线自组网按需平面距离矢量路由协议(Ad-HocOn-demandDistanceVector，AODV)等。在上述协议中，OLSR路由协议是由IETFMANET工作组为无线Ad-Hoc网络提出的一种标准化的按表驱动式优化链路状态路由协议，OLSR协议通过周期性广播HELLO分组和TC(TopologyControl)分组两种控制消息，引入多点中继(Multipoint，MPR)的概念，只有MPR节点才可以转发路由信息，可以使得全网节点建立起完整的网络拓扑图，相比传统的洪泛广播路由信息，OLSR协议开销更小。但是OLSR协议需要定期广播Hello包来发现邻居节点，在链路断开的时候不能及时响应。DSDV采用Bellman-Ford算法有效解决路由环路的问题，使用节点序列号的方式更新路由表，提升路由发现的效率，但是DSDV是通过节点间周期性交互路由信息来完成全局拓扑的搭建，并不能及时发现链路状态的更新，而且不适用于拓扑变化频繁的网络，而且DSDV路由维护开销较大，容易造成广播风暴。AODV通过维护一张动态路由表来实现源节点到目的节点路由，属于按需路由方法，仅在通信需求时发起路由发现和维护过程，节点并不需要保存路由表信息，可以有效降低路由开销，节省网络资源，但是在通信需求时需要先完成路由发现和维护，由此增加了网络端到端时延，而且当网络规模变大时，路由发现过程容易引起广播风暴现象。在常见的低速Ad-Hoc无线移动组织网络中，上述这些路由协议经过实验验证，均可以表现出不错的性能。但是当节点移动速度加快时，网络拓扑结构频繁变化后，上述协议性能均不能满足需求。因此在上述传统路由协议的基础，相关优化改进方案又被提出，如基于预测机制的链路优化状态路由算法、优化邻居发现机制的AODV路由算法、基于负载均衡的多路径OLSR路由算法等。这些改进方案相较于传统路由协议，在可靠性和路由效率上都有一定的提升。但是在拓扑高度动态变化的无人机网络中，传统分布式自组织网络节点间天然存在协作困难、连接需时长等特点，这使得上述优化的效果提高有限。传统移动自组织网络不管是采用按需路由方式还是按表路由方式，都是通过分布式网络管理本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种无人机蜂群网络路由选择方法，其特征在于包括如下步骤：无人机蜂群网络将软件定义网络和无人机网络环境进行深度融合，将无人机蜂群网络分为由普通转发无人机节点组成的数据平面，以及由局部控制器和全局控制器组成的控制平面，并且普通节点间通过无线通信链路形成MESH网状网络，完成数据分组传输；控制平面收集、管理网络信息及根据通信需求完成路由策略的制定；局部控制器在其管辖子域网内，周期性广播Beacon信标帧，用以引导各普通转发节点加入子域网络，当普通转发无人机节点进入一个新子域时，通过接收Beacon信标报文帧自动识别局部控制器，随即完成普通节点加入子域网络的过程，然后普通节点周期性地将自身位置信息、速度信息、邻居信息及节点属性信息向局部控制器汇报，局部控制器由此生成局部网络视图信息库；全局控制器掌控所有局部控制器，负责维护全局网络视图信息；当数据平面有业务传输需求时，数据平面向控制平面发起路由请求，控制平面按照当前网络视图信息，将路径分为跨域路径和域内路径两种类型，分别由全局控制器和局部控制器协助完成转发路径的选择，指导数据平面完成数据传输。

【技术特征摘要】
1.一种无人机蜂群网络路由选择方法，其特征在于包括如下步骤：无人机蜂群网络将软件定义网络和无人机网络环境进行深度融合，将无人机蜂群网络分为由普通转发无人机节点组成的数据平面，以及由局部控制器和全局控制器组成的控制平面，并且普通节点间通过无线通信链路形成MESH网状网络，完成数据分组传输；控制平面收集、管理网络信息及根据通信需求完成路由策略的制定；局部控制器在其管辖子域网内，周期性广播Beacon信标帧，用以引导各普通转发节点加入子域网络，当普通转发无人机节点进入一个新子域时，通过接收Beacon信标报文帧自动识别局部控制器，随即完成普通节点加入子域网络的过程，然后普通节点周期性地将自身位置信息、速度信息、邻居信息及节点属性信息向局部控制器汇报，局部控制器由此生成局部网络视图信息库；全局控制器掌控所有局部控制器，负责维护全局网络视图信息；当数据平面有业务传输需求时，数据平面向控制平面发起路由请求，控制平面按照当前网络视图信息，将路径分为跨域路径和域内路径两种类型，分别由全局控制器和局部控制器协助完成转发路径的选择，指导数据平面完成数据传输。2.根据权利要求1所述的无人机蜂群网络路由选择方法，其特征在于：局部控制器包括局部视图信息库和与局部信息库连接的路由策略的制定单元、路由信息收集单元，路由策略的制定单元包含路由更新模块和与更新模块连接的路由下发模块，路由信息收集单元包含局部网络视图管理模块和与之连接的网络状态信息监控模块。3.根据权利要求1所述的无人机蜂群网络路由选择方法，其特征在于：局部网络视图信息库包括子域内所有节点信息表和节点邻接表，节点信息表囊括子域内所有普通转发节点信息，具体包括节点地址信息、是否为边界节点的节点功能信息、指示节点位置的经度、纬度信息、节点速度大小和方向信息以及节点的邻居地址信息，节点邻接表为节点间连接矩阵，矩阵中元素值为两节点间通信链路质量值，若两节点不是相邻节点，则取值无穷大。4.根据权利要求1所述的无人机蜂群网络路由选择方法，其特征在于：局部网络视图管理模块通过网络状态信息监控模块获取收集数据平面各无人机节点的位置、速度、邻居、节点属性等信息，生成局部网络视图信息，基于实时局部网络视图信息生成或更新子域网内各节点间通信路由表，局部网络视图管理模块将局部视图信息进行抽象处理，并周期性上报至全局控制器，当其域内普通节点有路由请求时，路由更新模块通过路由下发模块下发最新所需路由信息，域内路由信息采用源路由的方式，由局部控制器计算出完整...

【专利技术属性】
技术研发人员：肖磊，杜俊逸，乔文昇，黄秀琼，李涛，
申请(专利权)人：西南电子技术研究所中国电子科技集团公司第十研究所，
类型：发明
国别省市：四川,51