基于可变数据速率的无人机中继移动模型的数据传输方法技术

本发明专利技术针对Ad‑Hoc网络UAV高速运动易引起链路中断的问题，将UAV存储‑携带‑转发数据的原理应用于UAV中继移动模型中；针对现有的UVA中继移动模型，本发明专利技术考虑了源节点S、UAV以及目的节点D，它们之间是否能直接通信的问题，同时也考虑了UAV数据传输速率随移动节点距离变化这一因素，提出了一种基于可变数据速率的无人机中继移动模型的传输方法。通过仿真分析可知：本发明专利技术的可变数据速率中继移动模型比现有技术中的两种中继移动模型的端到端延时要小，吞吐量要大，故本发明专利技术的可变数据速率中继移动模型更优。本发明专利技术的方法能够应用于多无人机中继通信系统中，如在民用领域可用于火灾、地震、泥石流等灾难救援，在军用领域可用于敌情侦查、目标定位、跟踪等。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及无人机中继通信
，尤其涉及一种基于可变数据速率的无人机中继移动模型的传输方法。
技术介绍
Ad-Hoc网是一种多跳的、无中心的、自组织无线网络，又称为多跳网，在Ad-Hoc网中，每个节点都是移动的，并且都能以任意方式动态地保持与其它节点的联系。当两个移动节点在彼此的通信覆盖范围内时，它们可以直接通信，但是由于移动节点通信范围有限，如果两个相距较远的移动节点要进行通信时，则需要其他移动节点的转发才能实现。因此在Ad-Hoc网中，每一个移动节点同时还是一个路由器，它们能完成发现以及维持到其它节点路由的功能。基于Ad-Hoc此种特点，一些学者将Ad-Hoc网络引入到UAV中继系统中，比如科罗拉多大学的一些学者提出的AdHoc无人机对地中继系统(Ad-hocUAV-GroundNetworkproject,AUGNet)，AUGNet正是利用UAV快速移动的特性(即UAV可以在相对短的时间跨度大的距离)提出的。它正在探索在稀疏连接的网络中，如何控制节点的移动来减少系统延迟以及提高系统通信的可靠性。此外，控制UAV的移动可以增加地面节点的电池寿命，通过大规模的部署UAV群，可以简化数据采集以及地面节点之间的分布。在众多的UAV中继移动模型中，如何选择最优的中继移动模型，这需要根据一些性能指标来判断。通常的性能指标包括端到端延时、吞吐量、误码率等等。目前，很多UAV中继移动模型的研究都是针对固定数据速率下的，即UAV在数据传输过程中，数据传输速率是不变的。比如，科罗拉多大学的DanielHenkel教授针对单链路中继移动模型(Chain-RelayModel)如附图1所示以及传输带中继移动模型(ConveyorBeltModel)如附图2所示，推出了这两种中继移动模型下，固定数据速率的端到端平均延时以及吞吐量的数学表达式，通过比较这两种中继移动模型的时延长短以及吞吐量的大小，可以选出这两种中继移动模型中较优的一种。将Ad-Hoc网络用于无人机中继移动模型中，利用了Ad-Hoc网络中每个移动节点都看成一个路由器，既可以接收数据又可以转发数据。当两个移动节点之间可以直接通信时，就直接接收数据；当两个移动节点之间不能直接通信时，Ad-Hoc网络将自动寻找一个中继节点作为路由器来转发此信息。该网络可以自己寻找中继节点来形成一条完整的路径，从而将数据从源节点发送至目的节点，但其缺点是，只有形成一条完整路径时，数据才会被发送，当数据在传送的过程中，如果有突发情况，导致链路突然中断，这时候就会引起数据丢失，使接收到的信息不完整。此外，当在一片区域比较大，而无人机数量相对较少时，即区域的节点分布比较稀疏时，再加上无人机是高速动态变化的，那么无人机在数据传输过程中就很有可能发生链路中断，从而导致数据丢失。面对此种情况，Ad-Hoc网络就不太适用。科罗拉多大学的DanielHenkel教授针对无人机单链路中继移动模型以及无人机传输带中继移动模型，推出了这两种中继移动模型的端到端延时以及吞吐量的数学表达式。其单链路中继模型如附图1所示，假设源节点S，目的节点D以及UAV的通信半径均是r，源节点与目的节点之间的距离为L。当UAV与源节点S，UAV与目的节点D以及UAV之间刚好在通信范围时，开始传输数据，在数据传输的过程中，UAV静止不动，且数据传输速率R保持不变，当UAV1接收完源节点S所传输的数据时，UAV1开始以固定飞行速度v向UAV2方向飞行，当飞到通信临界点时UAV静止不动开始以固定数据传输速率R向UAV2传输数据，传完后，UAV2再以固定飞行速度v向UAV3方向飞行，以此类推，最终将数据传给目的节点D。在整个过程中，每架UAV传输完数据后，再以固定飞行速度v返回到之前的地点，即UAV1把数据全部传给UAV2后，开始以速度v返回到源节点通信临界点处再次接收数据，UAV2、UAV3以及UAVn以此类似。无人机传输带中继移动模型如附图2所示，同样假设源节点S与目的节点D之间的距离为L，源节点S，目的节点D以及UAV的通信半径均是r。当UAV与源节点S在通信范围临界点时，源节点开始向UAV以固定数据速率R发送数据，数据传输过程中UAV保持静止不动，UAV接受完数据后，开始以固定飞行速度v向目的节点D飞行，当UAV飞行到目的节点D的通信临界点时，保持静止不动，同时以固定传输速率向目的节点D发送数据，传输完数据后UAV再以飞行速度v返回至源节点通信临界点处接受新的数据。在该模型中，每架UAV都以相同的方式来回返回传输数据，且每架UAV的飞行速度、数据传输速率等都相同。针对以上两种模型，DanielHenkel教授推出了这两种中继移动模型的端到端延时以及吞吐量的数学表达式，通过比较这两种中继移动模型的时延长短以及吞吐量的大小，可以选出这两种中继移动模型中较优的一种。该方法简单，容易理解，能精确得出中继系统端到端延时以及吞吐量的数学表达式，可以定量分析得出哪种中继模型更优，但也存在一些问题，其问题如下：第一个问题是，以上分析的两种中继模型，都假设源节点S与UAV之间的距离，UAV与UAV之间的距离以及UAV与目的节点D之间的距离均大于2倍的通信半径r，即源节点S与UAV之间，UAV与UAV之间，UAV与目的节点之间均不能直接通信，需要UAV飞行到通信范围才可通信，这忽略它们相互之间可以直接通信的情况，分析不全面；第二个问题是，以上分析的两种中继模型，都假定UAV到达通信临界点后就静止不动，然后以固定数据传输速率发送数据，这样做忽略了UAV数据传输速率随通信距离的变化，通常情况下，当两个移动节点相距较近时，数据传输速率相对较快；而当两个移动节点相距较远时，数据传输速率相对较慢。
技术实现思路
本专利技术针对Ad-Hoc网络UAV高速运动易引起链路中断的问题，将UAV存储-携带-转发数据的原理应用于UAV中继移动模型中；针对现有的UVA中继移动模型，本专利技术考虑了源节点S、UAV以及目的节点D，它们之间是否能直接通信的问题，同时也考虑了UAV数据传输速率随移动节点距离变化这一因素，提出了一种基于可变数据速率的无人机中继移动模型的传输方法。为达上述目的，本专利技术通过以下技术方案实现：一种基于可变数据速率的无人机中继移动模型的数据传输方法，所述无人机UAV在数据传输的过程中具有存储-携带-转发数据的能力，所述无人机中继移动模型包括源节点S、目的节点D以及n架UVA，n≥2，在UAV数据传输速率变化的情况下，所述中继移动模型分为三种情况：任意两节点间均不能直接通信、UAV1→S能直接通信，UAV→UAV不能直接通信、任意两节点间均能直接通信；所述方法包括：当UAV与源节点S或目的节点D之间的距离L大于两倍的通信半径r时，任意两节点间均不能直接通信，数据传输的过程如下：首先假设UAV1缓冲区为空，然后UAV1以速度v向源节点S方向飞行，当飞行到dS-UAV1＝2r处时，UAV1开始接收S发送的数据，并继续朝S方向飞行，UAV1接收数据的过程中，数据速率R一直在变；当UAV1缓冲区加载的数据包大小为b/2时，UAV1开始改变飞行方向朝UAV2方向飞行，当UAV1再次飞到dS-UAV1＝2r处时，缓冲区被填满，其中，b为缓冲区大小，dS本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于可变数据速率的无人机中继移动模型的数据传输方法，其特征在于：所述无人机UAV在数据传输的过程中具有存储‑携带‑转发数据的能力，所述无人机中继移动模型包括源节点S、目的节点D以及n架UVA，n≥2，在UAV数据传输速率变化的情况下，所述中继移动模型分为三种情况：任意两节点间均不能直接通信、UAV1→S能直接通信，UAV→UAV不能直接通信、任意两节点间均能直接通信；所述方法包括：当UAV与源节点S或目的节点D之间的距离L大于两倍的通信半径r时，任意两节点间均不能直接通信，数据传输的过程如下：首先假设UAV1缓冲区为空，然后UAV1以速度v向源节点S方向飞行，当飞行到dS‑UAV1＝2r处时，UAV1开始接收S发送的数据，并继续朝S方向飞行，UAV1接收数据的过程中，数据速率R一直在变；当UAV1缓冲区加载的数据包大小为b/2时，UAV1开始改变飞行方向朝UAV2方向飞行，当UAV1再次飞到dS‑UAV1＝2r处时，缓冲区被填满，其中，b为缓冲区大小，dS‑UAV1为源节点S与UVA1之间的距离；接着UAV1继续朝UAV2方向飞行，当UAV1返回到初始位置，即dS‑UAV1＝L/2n处时，UAV2也开始朝UAV1方向飞行，此时二者的相对速度为2v，当二者飞行到相距为2r，即dUAV‑UAV＝2r时，UAV1开始向UAV2发送数据，待UAV2缓冲区加载的数据包大小为b/2时，二者开始同时改变飞行方向，朝相反方向飞行，当二者再次飞行到相距为2r时，UAV1的缓冲区被清空，UAV2的缓冲区被填满，即二者完成了数据交换；然后，二者继续飞行到原始位置，此时，UAV1进行以前类似的行为，朝S方向飞行，加载数据，UAV2则向UAV3方向飞行，其行为类似UAV1与UAV2之间的行为，完成二者之间的数据交换，以此类推，UAVn最后将数据传输给目的节点D，以此完成整个数据的交换。...

【技术特征摘要】
1.一种基于可变数据速率的无人机中继移动模型的数据传输方法，其特征在于：所述无人机UAV在数据传输的过程中具有存储-携带-转发数据的能力，所述无人机中继移动模型包括源节点S、目的节点D以及n架UVA，n≥2，在UAV数据传输速率变化的情况下，所述中继移动模型分为三种情况：任意两节点间均不能直接通信、UAV1→S能直接通信，UAV→UAV不能直接通信、任意两节点间均能直接通信；所述方法包括：当UAV与源节点S或目的节点D之间的距离L大于两倍的通信半径r时，任意两节点间均不能直接通信，数据传输的过程如下：首先假设UAV1缓冲区为空，然后UAV1以速度v向源节点S方向飞行，当飞行到dS-UAV1＝2r处时，UAV1开始接收S发送的数据，并继续朝S方向飞行，UAV1接收数据的过程中，数据速率R一直在变；当UAV1缓冲区加载的数据包大小为b/2时，UAV1开始改变飞行方向朝UAV2方向飞行，当UAV1再次飞到dS-UAV1＝2r处时，缓冲区被填满，其中，b为缓冲区大小，dS-UAV1为源节点S与UVA1之间的距离；接着UAV1继续朝UAV2方向飞行，当UAV1返回到初始位置，即dS-UAV1＝L/2n处时，UAV2也开始朝UAV1方向飞行，此时二者的相对速度为2v，当二者飞行到相距为2r，即dUAV-UAV...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨志华，邵红宇，苏敏，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学深圳研究生院，
类型：发明
国别省市：广东;44