一种面向能量均衡高可靠传输的无人机自组织网络路由方法技术

一种面向能量均衡高可靠传输的无人机自组织网络路由方法，1)将无人机节点的信道划分为控制信道与数据业务信道，并设计相应的控制信令帧和数据帧；2)每一个无人机节点通过控制信道周期性发送Hello控制信令帧与覆盖范围内的无人机节点通信，建立覆盖范围内的邻居节点信息表，以及最短跳数表包括邻居节点信息表中的邻居节点最短跳数表；3)源节点即无人机发送节点发送路由请求帧RREQ，源节点通过邻接路由选择算法查找最优转发节点，通过不断转发将控制信令帧发送到目标无人机节点；4)无人机目标节点收到路由请求帧RREQ后生成路由响应帧RREP，建立从无人机源节点到无人机目标节点的路由。

A Routing Method for Energy Balanced and High Reliable Transmission in UAV Self-organizing Networks

A self-organizing network routing method for UAV with high energy balance and reliable transmission is proposed. 1) The channel of UAV node is divided into control channel and data service channel, and corresponding control signal frame and data frame are designed. 2) Each UAV node sends Hello control signal frame periodically to communicate with UAV node in the coverage area through control channel to establish coverage area. The neighbor node information table and the shortest hop table include the shortest hop table of the neighbor node in the neighbor node information table; 3) the source node, i.e. the UAV sending node, sends the routing request frame RREQ, the source node finds the optimal forwarding node through the adjacent routing selection algorithm, and sends the control signal frame to the target UAV node through continuous forwarding; 4) the UAV target node receives the routing request. After the frame RREQ is calculated, the routing response frame RREP is generated, and the routing from the UAV source node to the UAV target node is established.

【技术实现步骤摘要】
一种面向能量均衡高可靠传输的无人机自组织网络路由方法
本专利技术涉及一种无线通信
的方法，具体是一种面向能量均衡高可靠传输的无人机自组织网络路由方法。
技术介绍
由小型无人机(UAV)组成的飞行自组织网络(FANET)灵活，便宜且部署快速。这使它们成为许多民用和军用应用的非常有吸引力的技术。由于节点的高移动性，维持无人机之间的通信链路是一项具有挑战性的任务。这些网络的拓扑结构比典型的移动自组织网络(MANET)和典型的车辆自组织网络更具动态性。因此，为MANET设计的现有路由协议难以满足无人机组网的动态拓扑变换的要求。现有的路由方法都是先寻找路由，然后发送数据。但由于无人机组网的高动态性特点，在传输数据时可能已经发生链路断开的情况，无法将数据包传输到目的节点。并且为了获得实时性的路由信息，节点在维护路由表时需要付出大量的计算资源等开销，但无人机节点的电源使用时间等都具有局限性。其次，无人机节点使用泛洪策略广播可能会引起广播风暴。所以现有的Ad-hoc网络中的路由方法已经不再适用。在现有技术按需路由AODV中，仅考虑最短路径的方法，由于无人机电池资源有限，在链路建立后会出现由于无人机电量不足退出集群导致链路断裂的问题。经过对现有文献的检索发现，ArnauRovira-Sugranes等人于2017年在《IEEEInternationalConferenceonWirelessforSpaceandExtremeEnvironments(WiSEE)》上发表了题为“PredictiveRoutingforDynamicUAVNetworks(动态无人机网络中预测路由方法)”的文章，通过预测中间节点的地理位置来加入到路径考量当中。该技术针对无人机节点动态变化造成的网络拓扑变化问题，通过预测下一节点位置来预测网络拓扑情况选取节点，但是对于无人机较低能量和链路稳定性差的问题并没有解决。对于数据帧的信道占用，如果采用传统的时分复用TDMA，因为无人机节点的动态加入，节点数量会经常变化，如果有新节点加入会需要重新分配信道，浪费计算资源。综上所述，现存在的问题：(1)无人机节点位置变化引起网络拓扑变化快。(2)无人机电池资源局限，链路上有效节点能量不足以支持数据传输完成。(3)无人机节点之间链路不稳定。(4)节点数量变化浪费信道资源。节点建立邻居节点信息表，在节点的能量与链路稳定以及路径较短的条件下，现提出一种面向能量均衡高可靠传输的无人机自组织网络路由方法。
技术实现思路
针对现有技术存在的问题，本专利技术提供了一种能量高效链路稳定的无人机自组织网络路由方法。本专利技术是这样实现的，一种面向能量均衡高可靠传输的无人机自组织网络路由方法，包括以下步骤：步骤1：将无人机节点的信道划分为控制信道与数据业务信道，并设计相应的控制信令帧和数据帧；步骤2：每一个无人机节点通过控制信道周期性发送Hello控制信令帧与覆盖范围内的无人机节点通信，以及最短跳数表建立覆盖范围内的邻居节点信息表，以及最短跳数表包括邻居节点信息表中的邻居节点最短跳数表；和邻居节点信息表中的邻居节点最短跳数表；步骤3：源节点即无人机发送节点发送路由请求帧RREQ，源节点通过邻接路由选择算法查找最优转发节点，通过不断转发将控制信令帧发送到目标无人机节点；步骤4:无人机目标节点收到路由请求帧RREQ后生成路由响应帧RREP，并沿着请求帧RREQ转发的逆向路径发送给源节点，建立从无人机源节点到无人机目标节点的路由；所述步骤4的发送路由请求为以下步骤：步骤(4.1)：当前节点寻找目的节点的ID是否存在自己的邻居节点信息表中；若存在转步骤(4.5)，若不存在，转步骤(4.2)；步骤(4.2)：当前节点(源节点即无人机发送节点)ni从邻居节点信息表中获取每个邻居节点k的剩余电量eik、稳定性sik、当前节点到目标节点的最短跳数值nid和邻居节点到目的地d的最短跳数值nkd；步骤(4.2)：计算当前节点i的邻居节点k的激励值Rk，其中，ω1、ω2、ω3为权重系数，由指标的重要性决定，且满足ω1+ω2+ω3＝1；步骤(4.4)：计算转发到邻居节点k的概率Pk，则其中，Ci为该当前节点所有邻居节点的集合；步骤(4.5)：选择转发概率值Pk最高的邻居节点为中继节点,如果存在多个P_k相等，则从其中随机选择一个邻居节点作为中继节点，中继节点在缓存中记录路径信息；步骤(4.6)：转发RREQ至中继节点，然后转步骤(4.1)。步骤(4.7)：目标节点的转发概率Pk＝1，当前节点直接将RREQ转发给目标节点；进一步地，总带宽分割为控制信道和业务信道，控制信道用于发送Hello信令帧、路由请求RREQ、路由响应RREP，业务信道传输数据帧；其中控制信道占很小带宽，进一步地，所述步骤2建立邻居节点信息表分为以下步骤：步骤(2.1)：每个无人机节点给其通信范围内的目标无人机节点发送包含无人机发送节点信息Ω的Hello信令帧,其中节点信息Ω包括节点自身ID、节点剩余电量值E、最短跳数表和无人机发送节点与目标无人机节点的连接稳定性S；步骤(2.2)：接收到Hello信令帧的目标无人机节点存储无人机发送源节点的节点信息Ω，更新自己的最短跳数表；步骤(2.3)：无人机发送节点每隔一定时间重新发送一次Hello信令帧，每个目标无人机节点接收到新的Hello信令帧时更新自己的邻居目标无人机节点信息表和最短跳数表；进一步地，每当两个邻居节点即发送节点与目标节点之间完成一次可靠数据传输，则在缓存中记录，累计次数S为两节点之间数据成功交互的次数，S表示邻居节点之间链路的稳定性；进一步地，目标节点接收来自邻居节点的Hello信令帧，Hello信令帧内包括邻居节点的最短跳数表，更新目标节点自己的最短跳数表，记录目标节点到其他所有节点的最短跳数，目标节点的邻居节点到该节点的最短跳数值为count＝1；所述更新最短跳数表为以下步骤：步骤(6.1)目标无人机节点接受到邻居发送节点发送的Hello信令帧，检查当前节点的跳数表中是否存在邻居发送节点跳数表中的节点ID，若存在，转到步骤(6.2)，若不存在，转到步骤(6.3)；步骤(6.2)比较同一发送节点k在当前的跳数表中跳数值countk和在邻居发送节点的跳数表中跳数值countk′，若满足countk>countk′+1，则更新当前发送节点的跳数表中节点k的跳数，转到步骤(6.3)，否则不更新跳数值；步骤(6.3)将发送无人机节点的跳数countk′+1和发送无人机节点ID记录在当前节点的跳数表中。有益效果：解决无人机节点位置变化引起网络拓扑变化快和无人机电池资源局限、链路上有效节点能量不足以支持数据传输完成以及无人机节点之间链路不稳定等问题，通过节点建立邻居节点信息表，在节点的能量与链路稳定以及路径较短的条件下，面向能量均衡高可靠传输的无人机自组织网络路由方法。节点数量变化浪费信道资源。也是一种链路稳定的无人机自组织网络路由方法。附图说明图1是网络拓扑结构图；图2是本专利技术实施自组网路由方法的步骤示意图；图3是节点更新跳数表的步骤示意图；图4是传输路由请求的算法实现图。具体实施方式为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本专利技术进行进本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种面向能量均衡高可靠传输的无人机自组织网络路由方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤1：将无人机节点的信道划分为控制信道与数据业务信道，并设计相应的控制信令帧和数据帧；步骤2：每一个无人机节点通过控制信道周期性发送Hello控制信令帧与覆盖范围内的无人机节点通信，建立覆盖范围内的邻居节点信息表，以及最短跳数表包括邻居节点信息表中的邻居节点最短跳数表；步骤3：源节点即无人机发送节点发送路由请求帧RREQ，源节点通过邻接路由选择算法查找最优转发节点，通过不断转发将控制信令帧发送到目标无人机节点；步骤4：无人机目标节点收到路由请求帧RREQ后生成路由响应帧RREP，并沿着请求帧RREQ转发的逆向路径发送给源节点，建立从无人机源节点到无人机目标节点的路由。

【技术特征摘要】
1.一种面向能量均衡高可靠传输的无人机自组织网络路由方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤1：将无人机节点的信道划分为控制信道与数据业务信道，并设计相应的控制信令帧和数据帧；步骤2：每一个无人机节点通过控制信道周期性发送Hello控制信令帧与覆盖范围内的无人机节点通信，建立覆盖范围内的邻居节点信息表，以及最短跳数表包括邻居节点信息表中的邻居节点最短跳数表；步骤3：源节点即无人机发送节点发送路由请求帧RREQ，源节点通过邻接路由选择算法查找最优转发节点，通过不断转发将控制信令帧发送到目标无人机节点；步骤4：无人机目标节点收到路由请求帧RREQ后生成路由响应帧RREP，并沿着请求帧RREQ转发的逆向路径发送给源节点，建立从无人机源节点到无人机目标节点的路由。2.根据权利要求1所述的控制信道和业务信道，其特征在于，总带宽分割为控制信道和业务信道，其中控制信道占很小带宽，控制信道用于发送Hello信令帧、路由请求RREQ、路由响应RREP，业务信道传输数据帧。3.根据权利要求1所述的节点与覆盖范围内的节点通信，其特征在于，所述步骤2建立邻居节点信息表为以下步骤：步骤(2.1)：每个无人机节点给其通信范围内的目标无人机节点发送包含无人机发送节点信息Ω的Hello信令帧，其中节点信息Ω包括节点自身ID、节点剩余电量值E、最短跳数表和无人机发送节点与目标无人机节点的连接稳定性S；步骤(2.2)：接收到Hello信令帧的目标无人机节点存储无人机发送源节点的节点信息Ω，更新自己的最短跳数表；步骤(2.3)：无人机发送节点每隔一定时间重新发送一次Hello信令帧，每个目标无人机节点接收到新的Hello信令帧时更新自己的邻居目标无人机节点信息表和最短跳数表。4.根据权利要求3所述的节点间稳定性，其特征在于，每当两个邻居节点即发送节点与目标节点之间完成一次可靠数据传输，则在缓存中记录，累计次数S为两节点之间数据成功交互的次数，S表示邻居节点之间链路的稳定性。5.根据权利要求3所述的最短跳数表，其特征在于，目标节点接收来自邻居节点的H...

【专利技术属性】
技术研发人员：周海波，朱惠茹，赵纪伟，王健，黄鑫权，
申请(专利权)人：南京大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32