一种负载均衡的无人机自组网高效多跳TDMA接入方法技术

本发明专利技术提出一种负载均衡的无人机自组网高效多跳TDMA接入方法，它在运行时包括时隙分配——CMOP、数据——Data和时隙请求——SMOP三个时期的操作；它采用了“基于拓扑精简时隙分配消息”和“负载均衡的时隙请求信息高效上传”两种新机制，第一种新机制工作在CMOP时期，第二种新机制工作在SMOP时期；通过删除自身和梯度值不大于自己的节点以及非子孙节点的时隙分配信息、选择子孙节点少的节点转发时隙请求信息以及删除重复的时隙请求信息，能够精简时隙分配消息的内容并缩短其长度，同时减少节点时隙请求信息内容和转发次数，从而降低接入方法的控制开销，促进节点负载均衡。

【技术实现步骤摘要】
一种负载均衡的无人机自组网高效多跳TDMA接入方法
本专利技术属于无人机自组网(UnmannedAerialVehiclesAdHocNetworks,UAVAN)
，尤其涉及在媒介接入控制(MediumAccessControl,MAC)层采用多跳TDMA(TimeDivisionMultipleAccess,时分多址接入)接入方法的无人机自组网场合。
技术介绍
随着飞行控制和集成电路技术的发展，各种形状和功能的无人机(UnmannedAerialVehicles，UAV)在设计和研发方面都取得了迅速的进展。无人机是一架无需承载任何人员的飞机，它的的飞行可以自主操作或远程机载计算机系统自动控制。与载人飞机相比，无人机具有灵活性、低成本和高机动性等特点，无人机被广泛应用在环境监测、中继网络、交通农业管理和灾害救援等领域，如附图1所示。随着无人机技术的快速发展，无人机正在从单一平台操作模式发展到群体网络化操作模式。与单架无人机相比，多架协同无人机可以极大地扩展覆盖范围，提供从远程到数据控制中心的实时数据传输，共同完成各种民用和军用任务。无人机自组网是一种新颖的移动自组织网络，其将移动自组网应用在空间组网中，为未来航空领域提供了更广阔的的发展，与传统的无线移动自组网相比，无人机自组网具有某些独特的特点，如节点的高速移动性、频繁的拓扑变化、低延迟要求和高可靠性等特点。如附图2所示。与现有无线移动自组网一样，无人机自组网MAC协议作为协议体系中较低层的协议，为网络中每个节点提供了信道接入的方式，如何控制无人机实现接入信道成为无人机自组网最关键的问题之一，研究一种高效、可靠的MAC协议将极大地提高无人机自组网的网络性能。当前，国内外对于无人机自组网接入方法已经开展了一些研究，并且取得了一些进展。AlshbatatAI等人对无人机自组网MAC协议进行了研究，他们提出了一种自适应定向无人机接入方法——AMUAV(AdaptiveMACprotocolforUAVcommunicationnetworksusingdirectionalantennas，参见文献[1]:AlshbatatAI,DongL.AdaptiveMACprotocolforUAVcommunicationnetworksusingdirectionalantennas[C].2010IEEEInternationalConferenceonNetworking,SensingandControl,2010:598-603)。AMUAV方法针对每架无人机拥有四种天线，两种定向天线，两种全向天线，无人机的上下侧为定向天线。若无人机没有数据发送，使用全线天线接收其他无人机发送的信息。若无人机需要发送数据，可选择全向或定向天线对数据分组进行发送。无人机根据距离、误码率和重传计数器自适应选择定向天线或者全向天线。在发送数据包前，检查无人机间的距离，如果距离小于全向天线的通信范围，则使用全向天线发送数据，否则MAC将检查无人机的高度，如果无人机的高度小于或等于另一架无人机，无人机参数和数据一起通过主天线(定向天线)进行发送，若重传计数器值超过7之后，丢弃该数据包，为了尽量减少端到端的延迟，如果重传计数器值达到5，无人机将把定线天线传输切换到全向传输。AMUAV方法采用定线天线进行传输，可以使节点间传输距离更长、干扰较小，避免隐藏终端和暴露终端的问题，同时为空间复用提供了可能性。AMUAV方法的缺点是由于无人机高速移动，网路拓扑的频繁变化，各无人机很难获得其他节点的位置信息。JunLi等人研究了一种竞争类无人机接入方法(参见文献[2]：JunLi，YifengZhou，LouiseLamont，MylèneToulgoat，CamilleA.Rabbath.PacketDelayinUAVWirelessNetworksUnderNon-saturatedTrafficandChannelFadingConditions[J].WirelessPersonalCommunications,2013,72(2):1105-1123.)，该方法采用IEEE802.11DCF机制实现MAC层接入，假设所有的数据包长度都相同，任意两架无人机间都相邻，在共享的无线信道上以相同的数据速率进行通信。由于有损无线信道造成的传输错误，为了减少数据包的冲突概率，每架无人机采用DCF和RTS/CTS机制来访问无线信道。CWmin为竞争窗口大小CW的初始值，每次重新开始退避时CW需加倍，直到窗口最大值CWmax，一旦值为CWmax，它将保留该值，直到重置为止。节点发送失败后，每架无人机将其退避定时器设为均匀分布在区间[0,CW]中的新随机数，并在退避定时器到达时进行重传，当达到最大传输失败极限R时，数据包停止重传，CW重置为CWmin，将数据包丢弃。虽然该接入方法能够较好的避免节点间数据包的冲突，但在饱和或不饱和的业务条件下，平均分组延迟随着网络规模的增加而增加。尽管竞争类协议具有高度的灵活性、可扩展性和健壮性，广泛的应用在各种无线网络中，由于其基于竞争的随机访问机制，当网络业务逐渐增加时，拥塞程度逐渐增加，信道利用率和可靠性较低。与竞争类接入方法不同，TDMA(TimeDivisionMultipleAccess,时分多址接入)是一种无冲突的接入方式，可避免节点对信道接入的竞争。为此，WeijunWang等人研究了一种混合的接入方法——CT-MAC(DesignandImplementationofAdaptiveMACFrameworkforUAVAdHocNetworks，参见文献[3]:WeijunWang，ChaoDong，HaiWang，AnzhouJiang.DesignandImplementationofAdaptiveMACFrameworkforUAVAdHocNetworks[C]//2017IEEEInternationalConferenceonMobileAd-HocandSensorNetworks.2017:195-201.)，该方法允许无人机通过自身GPS的位置信息在CSMA和TDMA协议之间切换。在飞行阶段，无人机之间的交互主要是安全信息，延时高，网络流量要求低。然而，在数据采集阶段，每架无人机需要向侦察基地发送侦察数据，网络负载非常高，无人机在这两个阶段选择适当的MAC协议来完成任务。由于电磁环境是复杂的，每架无人机都配备GPS，GPS信号可能并不准确，网络开销过大并且过度依赖GPS。ChenLiang等人提出了一种完全分布式的TDMA接入方法(参见文献[4]:ChenLiang,YuZhang,JianSong.AnovelbroadcastingMACalgorithmforadhocnetworks[C]//20168thInternationalConferenceonAdvancesinInformationTechnology.2016:268-276.)该协议允许节点高效地访问网络，将时帧结构分为信标(Beacon)和数据传输(Data)两个时期，每个节点只选择信标阶段的一个主时隙广播该节点数据请求，通过每本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种负载均衡的无人机自组网高效多跳TDMA接入方法，其特征是：包括在逻辑有先后关系的下行时隙分配——CMOP、数据——Data和上行时隙请求——SMOP三个时期的操作，具体如下：S1：所述CMOP时期，用于全网节点广播时隙分配消息，本时期运行“基于拓扑精简时隙分配消息”新机制，本时期运行过程和新机制具体实现过程如下：S11：主节点运行“基于拓扑精简时隙分配消息”新机制，根据节点的梯度值对已分配好的各节点时隙分配结果进行排序，节点梯度值越小，其时隙分配信息结果在时隙分配表中的位置越靠前，然后将时隙分配信息装入CMOP帧的时隙分配字段中，在第1个CMOP时隙广播CMOP帧；S12：普通节点收到一个CMOP帧后，执行下述操作：S121：取出时隙分配信息字段的内容，统计其中节点ID的数量；如果节点没有ID，可将节点地址视为ID；然后，将该数量值填入预先建立的“节点—子孙节点数”表中；S122：根据时隙分配信息字段中自身时隙信息的位置，获知相应的拓扑信息；若当前节点发现其位置前存在其它节点的时隙分配信息，此情况表明这些节点的梯度值不大于其梯度值，则运行“基于拓扑精简时隙分配消息”新机制，从时隙分配字段的内容中删除这些节点的时隙分配信息；S123：进一步查看其位置后的时隙信息，若发现其位置后存在其它节点的时隙分配信息，此情况表明这些节点的梯度值大于等于其梯度值，则运行“基于拓扑精简时隙分配消息”新机制，从自己保存的上行时隙请求转发表中查询得到子孙节点，然后删除梯度值大于等于其梯度值、但非其子孙节点的节点的时隙分配信息，同时保留最大的CMOP时隙索引号、最大的Data时隙索引号，这些索引号将用于确定数据传输节点和时隙请求阶段的起始时刻；S124：从时隙分配字段的内容中删除自身的时隙分配信息；S125：从时隙分配字段的内容中删除上述3类时隙分配信息后，若发现除了最大CMOP时隙索引号和Data时隙索引号信息以外，无其他节点的时隙分配信息，则采用一种新的CMOP帧，该帧不包含总时隙数字段；S126：广播上述精简了内容的CMOP帧；S2：所述Data时期，用于全网节点在分配给自己的时隙里发送数据帧和目的节点接收数据帧；S3：所述的SMOP时期，用于普通节点向主节点发送时隙请求消息以便申请时隙，本时期运行“负载均衡的时隙请求信息高效上传”新机制，本时期运行过程和新机制具体实现过程如下：S31：普通节点如果需要请求时隙，执行下述操作：S311：运行“负载均衡的时隙请求信息高效上传”新机制，根据下行时期维护的一跳邻居表，判断梯度值比自己小的节点的个数，若为1，则生成一个现有相关技术定义的时隙请求帧——SMOP帧并填入相应内容，然后广播该SMOP帧；如果大于1，则执行下一步；S312：节点生成一种新的SMOP帧，该帧在现有SMOP帧上增加了一个“中继节点ID”字段，用于装载中继节点的ID；接着，在SMOP帧中填入除“中继节点ID”字段外的其它字段的内容；然后执行下一步；S313：节点查询“节点—子孙节点数”表，获得自己相邻的、梯度小于自己的、子孙节点数最少的节点的ID，接着，将该ID填入SMOP帧的“中继节点ID”字段；然后，广播该SMOP帧；S32：普通节点如果收到一个SMOP帧，执行下述操作：S321：判断SMOP帧的类型；如果是加了“中继节点ID”字段的新类型，则执行步骤S222；否则，执行步骤S224；S322：取出“中继节点ID”字段的内容并判断其是否等于自己的ID，如果不是，则删除该SMOP帧；如果是，执行下一步；S323：查询“节点—子孙节点数”表，获得自己相邻的、梯度小于自己的、子孙节点数最少的节点的ID，将该ID填入SMOP帧的“中继节点ID”字段；接着，如果自己有时隙请求信息，则将其加入该SMOP帧，如果没有则不加；接下来，判断时隙请求字段里的内容是否已经被同梯度节点发送过，如果有则将已发送过的内容删除；然后，判断时隙请求字段里是否有内容，如果有则广播该SMOP帧，如果没有则删除该SMOP帧；S324：判断自己有无时隙请求信息，如果有则将其加入该SMOP帧；接下来，判断时隙请求字段里的内容是否已经被同梯度节点发送过，如果有则将已发送过的内容删除；然后，判断时隙请求字段里是否有内容，如果有则广播该SMOP帧，如果没有则删除该SMOP帧。...

【技术特征摘要】
1.一种负载均衡的无人机自组网高效多跳TDMA接入方法，其特征是：包括在逻辑有先后关系的下行时隙分配——CMOP、数据——Data和上行时隙请求——SMOP三个时期的操作，具体如下：S1：所述CMOP时期，用于全网节点广播时隙分配消息，本时期运行“基于拓扑精简时隙分配消息”新机制，本时期运行过程和新机制具体实现过程如下：S11：主节点运行“基于拓扑精简时隙分配消息”新机制，根据节点的梯度值对已分配好的各节点时隙分配结果进行排序，节点梯度值越小，其时隙分配信息结果在时隙分配表中的位置越靠前，然后将时隙分配信息装入CMOP帧的时隙分配字段中，在第1个CMOP时隙广播CMOP帧；S12：普通节点收到一个CMOP帧后，执行下述操作：S121：取出时隙分配信息字段的内容，统计其中节点ID的数量；如果节点没有ID，可将节点地址视为ID；然后，将该数量值填入预先建立的“节点—子孙节点数”表中；S122：根据时隙分配信息字段中自身时隙信息的位置，获知相应的拓扑信息；若当前节点发现其位置前存在其它节点的时隙分配信息，此情况表明这些节点的梯度值不大于其梯度值，则运行“基于拓扑精简时隙分配消息”新机制，从时隙分配字段的内容中删除这些节点的时隙分配信息；S123：进一步查看其位置后的时隙信息，若发现其位置后存在其它节点的时隙分配信息，此情况表明这些节点的梯度值大于等于其梯度值，则运行“基于拓扑精简时隙分配消息”新机制，从自己保存的上行时隙请求转发表中查询得到子孙节点，然后删除梯度值大于等于其梯度值、但非其子孙节点的节点的时隙分配信息，同时保留最大的CMOP时隙索引号、最大的Data时隙索引号，这些索引号将用于确定数据传输节点和时隙请求阶段的起始时刻；S124：从时隙分配字段的内容中删除自身的时隙分配信息；S125：从时隙分配字段的内容中删除上述3类时隙分配信息后，若发现除了最大CMOP时隙索引号和Data时隙索引号信息以外，无其他节点的时隙分配信息，则采用一种新的CMOP帧，该帧不包含总时隙数字段；S126：广播上述精简了内容的CMOP帧；S2：所述Data时期，用于全网节点在分配给自己的时...

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