一种无人机汇聚网络通信的方法、装置和系统制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种无人机汇聚网络通信的方法、装置和系统。该系统将信道在时间上划分成等时长的时帧，时帧又划分成等时长的时隙，各时隙根据传输信息的不同，按时间顺序依次划分成资源调度阶段和业务传输阶段，而资源调度阶段又划分成通告阶段、传输阶段、竞争阶段和配发阶段。在通告阶段，中心无人机向发送通告分组，通告分组中包含传输阶段和竞争阶段的分配信息，各业务无人机在传输阶段和竞争阶段的相应时隙发送状态信息分组。中心无人机根据状态信息分组中的待发送业务的队列长度和类型为各业务无人机分配时隙资源，并在配发阶段向业务无人机发送资源分配分组。各业务无人机则在业务传输阶段根据其分配的时隙资源发送业务数据。

A method, device and system of UAV converging network communication

【技术实现步骤摘要】
一种无人机汇聚网络通信的方法、装置和系统
本专利技术涉及无人机组网通信技术，具体涉及无人机组网的MAC协议。
技术介绍
集中式网络是由中心节点和客户端节点所组成的网络，在集中式网络中，客户端节点与客户端节点不进行业务数据的交互，业务数据的交互仅发生于中心节点和客户端节点之间，中心节点负责客户端节点与客户端节点的业务数据协调。汇聚网络是集中式网络的一种特例，在汇聚网络中，中心节点为汇聚节点，客户端节点的业务的业务数据向中心节点单向汇聚，中心节点向客户端节点单向接收业务数据，客户端节点与客户端节点不存在业务数据的交互，中心节点也不向客户端节点发送业务数据。这种汇聚网络通常存在于传感器网络中，各个传感器是汇聚网络的客户端节点，各个传感器所检测到的数据单向传输至汇聚节点，该汇聚节点可能是网关，也可能是主机或服务器。无人机传感器网络也属于这种汇聚网络。在无人机汇聚网络中，中心无人机作为汇聚节点，其他无人机则是客户端节点，作为客户端节点的无人机携带有各种传感器，各种传感器所感知的业务数据单向传输并汇聚至中心无人机。传感器所感知的业务数据包括视频、图像或者其他感知数据。现有技术中，业务数据的汇聚传输通常通过应用层实现。但在无人机网络中实现业务数据的汇聚传输具有独特的挑战。为保障无人机飞行的安全，每架无人机需要定期向邻近的无人机广播位置、速度、障碍等安全信息。并且在无人机网络中，对安全信息的时延和可靠性要求较高，而对业务数据的时延及可靠性允许有一定定容忍能力但要求更高的吞吐量，而且不同类型的业务数据的时延及可靠性各不相同。因此在无人机传感器网络中，通过应用层实现业务数据的汇聚传输很难达到上述通信目标。
技术实现思路
本专利技术所要解决的问题：实现无人机传感器网络的业务数据的汇聚传输，以提高数据传输性能，适配无人机组网环境。为解决上述问题，本专利技术采用的方案如下：根据本专利技术的一种无人机汇聚网络通信的方法，该方法涉及由中心无人机和若干业务无人机组成的以所述中心无人机为汇聚节点的无人机汇聚网络；该方法包括以下步骤：S1：在每个时帧开始时刻，所述中心无人机以天线全向模式向各业务无人机广播通告分组；所述通告分组包含：传输阶段的时隙数、传输阶段的时隙分配表以及竞争阶段的时隙数；S2：各业务无人机接收到所述通告分组后，判断自己是否在所述传输阶段的时隙分配表中分配有相应的传输时隙；若所述传输阶段的时隙分配表中分配有相应的传输时隙，则该业务无人机在所述传输阶段的时隙分配表中所分配的传输时隙中以天线全向模式广播状态信息分组；若所述传输阶段的时隙分配表中未分配有相应的传输时隙，则该业务无人机在所述竞争阶段中随机选取并占用该竞争阶段的时隙以天线全向模式广播状态信息分组；所述中心无人机接收所述状态信息分组；所述状态信息分组包含业务信息；所述业务信息包括待发送业务的队列长度和相应的业务类型；S3：待竞争阶段的各个时隙结束后，所述中心无人机根据其所接收的状态信息分组所包含的所述业务信息为各业务无人机分配信道资源，得到信道资源分配表，然后以天线全向模式对外广播资源分配分组；所述资源分配分组包含所述信道资源分配表；S4：各业务无人机接收到所述资源分配分组后，根据所述资源分配分组所包含的信道资源分配表所分配的信道资源，以天线定向模式，向所述中心无人机发送相应的业务分组；所述时帧是信道在时间上等时长的划分；所述时隙是时帧在时间上等时长的划分；所述传输阶段是所述中心无人机广播通告分组后由所述传输阶段的时隙数所确定的一段时间；所述竞争阶段是所述传输阶段接收后由所述竞争阶段的时隙数所确定的一段时间。进一步，根据本专利技术的无人机汇聚网络通信的方法，竞争阶段结束后，所述中心无人机为下一个时帧广播通告分组计算传输阶段的时隙数和竞争阶段的时隙数：下一个时帧的传输阶段的时隙数采用如下公式计算：下一个时帧的竞争阶段的时隙数采用如下公式计算：其中，是下一个时帧的传输阶段的时隙数；是下一个时帧的竞争阶段的时隙数；NTP是当前时帧的传输阶段的时隙数；NCPS是当前时帧竞争阶段竞争成功的时隙数；Nnew是当前时帧新加入网络的业务无人机数量；是下一个时帧新加入网络的业务无人机数量，通过统计历史m个时帧的滑动平均得到；NLeave是下一个时帧将离开网络的业务无人机数量，是为预测值，通过以下公式计算得到：其中，Ncurrent是当前业务无人机的数量；xi表示第i台业务无人机是否在下一个时帧将离开中心无人机的通信范围，当第i台业务无人机在下一个时帧将离开中心无人机的通信范围取值为1，否则取值为0；第i台业务无人机在下一个时帧将离开中心无人机的通信范围的判断条件为：其中，RO是全向天线的通信距离；Pc是中心无人机的位置向量；是中心无人机的移动速度向量；Pi是第i台业务无人机的位置向量；是第i台业务无人机的移动速度向量；tSI是当前时帧竞争阶段结束后剩余时间。进一步，根据本专利技术的无人机汇聚网络通信的方法，所述状态信息分组还包括业务无人机的位置信息和移动速度信息。根据本专利技术的一种无人机汇聚网络通信的装置，该装置涉及由中心无人机和若干业务无人机组成的以所述中心无人机为汇聚节点的无人机汇聚网络；该装置被配置于所述中心无人机，包括以下模块：MC1，用于：在每个时帧开始时刻，所述中心无人机以天线全向模式向各业务无人机广播通告分组；所述通告分组包含：传输阶段的时隙数、传输阶段的时隙分配表以及竞争阶段的时隙数；MC2，用于：在传输阶段和竞争阶段接收各业务无人机所发送的状态信息分组；所述状态信息分组包含业务信息；所述业务信息包括待发送业务的队列长度和相应的业务类型；MC3，用于：待竞争阶段的各个时隙结束后，根据其所接收的状态信息分组所包含的所述业务信息为各业务无人机分配信道资源，得到信道资源分配表，然后以天线全向模式对外广播资源分配分组；所述资源分配分组包含所述信道资源分配表；MC4，用于：接收各业务无人机所发送的业务分组；所述状态信息分组由所述业务无人机通过以下方式发送：各业务无人机接收到所述通告分组后，判断自己是否在所述传输阶段的时隙分配表中分配有相应的传输时隙；若所述传输阶段的时隙分配表中分配有相应的传输时隙，则该业务无人机在所述传输阶段的时隙分配表中所分配的传输时隙中以天线全向模式广播状态信息分组；若所述传输阶段的时隙分配表中未分配有相应的传输时隙，则该业务无人机在所述竞争阶段中随机选取并占用该竞争阶段的时隙以天线全向模式广播状态信息分组；所述业务分组由所述业务无人机通过以下方式发送：各业务无人机接收到所述资源分配分组后，根据所述资源分配分组所包含的信道资源分配表所分配的信道资源，以天线定向模式，向所述中心无人机发送相应的业务分组；所述时帧是信道在时间上等时长的划分；所述时隙是时帧在时本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种无人机汇聚网络通信的方法，其特征在于，该方法涉及由中心无人机和若干业务无人机组成的以所述中心无人机为汇聚节点的无人机汇聚网络；该方法包括以下步骤：/nS1：在每个时帧开始时刻，所述中心无人机以天线全向模式向各业务无人机广播通告分组；所述通告分组包含：传输阶段的时隙数、传输阶段的时隙分配表以及竞争阶段的时隙数；/nS2：各业务无人机接收到所述通告分组后，判断自己是否在所述传输阶段的时隙分配表中分配有相应的传输时隙；若所述传输阶段的时隙分配表中分配有相应的传输时隙，则该业务无人机在所述传输阶段的时隙分配表中所分配的传输时隙中以天线全向模式广播状态信息分组；若所述传输阶段的时隙分配表中未分配有相应的传输时隙，则该业务无人机在所述竞争阶段中随机选取并占用该竞争阶段的时隙以天线全向模式广播状态信息分组；所述中心无人机接收所述状态信息分组；所述状态信息分组包含业务信息；所述业务信息包括待发送业务数据的队列长度和相应的业务类型；/nS3：待竞争阶段的各个时隙结束后，所述中心无人机根据其所接收的状态信息分组所包含的所述业务信息为各业务无人机分配信道资源，得到信道资源分配表，然后以天线全向模式对外广播资源分配分组；所述资源分配分组包含所述信道资源分配表；/nS4：各业务无人机接收到所述资源分配分组后，根据所述资源分配分组所包含的信道资源分配表所分配的信道资源，以天线定向模式，向所述中心无人机发送相应的业务分组；/n所述时帧是信道在时间上等时长的划分；所述时隙是时帧在时间上等时长的划分；所述传输阶段是所述中心无人机广播通告分组后由所述传输阶段的时隙数所确定的一段时间；所述竞争阶段是所述传输阶段接收后由所述竞争阶段的时隙数所确定的一段时间。/n...

【技术特征摘要】
1.一种无人机汇聚网络通信的方法，其特征在于，该方法涉及由中心无人机和若干业务无人机组成的以所述中心无人机为汇聚节点的无人机汇聚网络；该方法包括以下步骤：
S1：在每个时帧开始时刻，所述中心无人机以天线全向模式向各业务无人机广播通告分组；所述通告分组包含：传输阶段的时隙数、传输阶段的时隙分配表以及竞争阶段的时隙数；
S2：各业务无人机接收到所述通告分组后，判断自己是否在所述传输阶段的时隙分配表中分配有相应的传输时隙；若所述传输阶段的时隙分配表中分配有相应的传输时隙，则该业务无人机在所述传输阶段的时隙分配表中所分配的传输时隙中以天线全向模式广播状态信息分组；若所述传输阶段的时隙分配表中未分配有相应的传输时隙，则该业务无人机在所述竞争阶段中随机选取并占用该竞争阶段的时隙以天线全向模式广播状态信息分组；所述中心无人机接收所述状态信息分组；所述状态信息分组包含业务信息；所述业务信息包括待发送业务数据的队列长度和相应的业务类型；
S3：待竞争阶段的各个时隙结束后，所述中心无人机根据其所接收的状态信息分组所包含的所述业务信息为各业务无人机分配信道资源，得到信道资源分配表，然后以天线全向模式对外广播资源分配分组；所述资源分配分组包含所述信道资源分配表；
S4：各业务无人机接收到所述资源分配分组后，根据所述资源分配分组所包含的信道资源分配表所分配的信道资源，以天线定向模式，向所述中心无人机发送相应的业务分组；
所述时帧是信道在时间上等时长的划分；所述时隙是时帧在时间上等时长的划分；所述传输阶段是所述中心无人机广播通告分组后由所述传输阶段的时隙数所确定的一段时间；所述竞争阶段是所述传输阶段接收后由所述竞争阶段的时隙数所确定的一段时间。


2.如权利要求1所述的无人机汇聚网络通信的方法，其特征在于，竞争阶段结束后，所述中心无人机为下一个时帧广播通告分组计算传输阶段的时隙数和竞争阶段的时隙数：
下一个时帧的传输阶段的时隙数采用如下公式计算：



下一个时帧的竞争阶段的时隙数采用如下公式计算：



其中，

是下一个时帧的传输阶段的时隙数；

是下一个时帧的竞争阶段的时隙数；
NTP是当前时帧的传输阶段的时隙数；
NCPS是当前时帧竞争阶段竞争成功的时隙数；
Nnew是当前时帧新加入网络的业务无人机数量；

是下一个时帧新加入网络的业务无人机数量，通过统计历史m个时帧的滑动平均得到；
NLeave是下一个时帧将离开网络的业务无人机数量，是为预测值，通过以下公式计算得到：



其中，
Ncurrent是当前业务无人机的数量；
xi表示第i台业务无人机是否在下一个时帧将离开中心无人机的通信范围，当第i台业务无人机在下一个时帧将离开中心无人机的通信范围取值为1，否则取值为0；第i台业务无人机在下一个时帧将离开中心无人机的通信范围的判断条件为：



其中，
RO是全向天线的通信距离；
Pc是中心无人机的位置向量；

是中心无人机的移动速度向量；
Pi是第i台业务无人机的位置向量；

是第i台业务无人机的移动速度向量；
tSI是当前时帧竞争阶段结束后剩余时间。


3.如权利要求2所述的无人机汇聚网络通信的方法，其特征在于，所述状态信息分组还包括业务无人机的位置信息和移动速度信息。


4.一种无人机汇聚网络通信的装置，其特征在于，该装置涉及由中心无人机和若干业务无人机组成的以所述中心无人机为汇聚节点的无人机汇聚网络；该装置被配置于所述中心无人机，包括以下模块：
MC1，用于：在每个时帧开始时刻，所述中心无人机以天线全向模式向各业务无人机广播通告分组；所述通告分组包含：传输阶段的时隙数、传输阶段的时隙分配表以及竞争阶段的时隙数；
MC2，用于：在传输阶段和竞争阶段接收各业务无人机所发送的状态信息分组；所述状态信息分组包含业务信息；所述业务信息包括待发送业务的队列长度和相应的业务类型；
MC3，用于：待竞争阶段的各个时隙结束后，根据其所接收的状态信息分组所包含的所述业务信息为各业务无人机分配信道资源，得到信道资源分配表，然后以天线全向模式对外广播资源分配分组；所述资源分配分组包含所述信道资源分配表；
MC4，用于：接收各业务无人机所发送的业务分组；
所述状态信息分组由所述业务无人机通过以下方式发送：
各业务无人机接收到所述通告分组后，判断自己是否在所述传输阶段的时隙分配表中分配有相应的传输时隙；若所述传输阶段的时隙分配表中分配有相应的传输时隙，则该业务无人机在所述传输阶段的时隙分配表中所分配的传输时隙中以天线全向模式广播状态信息分组；若所述传输阶段的时隙分配表中未分配有相应的传输时隙，则该业务无人机在所述竞争阶段中随机选取并占用该竞争阶段的时隙以天线全向模式广播状态信息分组；
所述业务分组由所述业务无人机通过以下方式发送：
各业务无人机接收到所述资源分配分组后，根据所述资源分配分组所包含的信道资源分配表所分配的信道资源，以天线定向模式，向所述中心无人机发送相应的业务分组；
所述时帧是信道在时间上等时长的划分；所述时隙是时帧在时间上等时长的划分；所述传输阶段是所述中心无人机广播通告分组后由所述传输阶段的时隙数所确定的一段时间；所述竞争阶段是所述传输阶段接收后由所述竞争阶段的时隙数所确定的一段时间。


5.如...

【专利技术属性】
技术研发人员：钱利强，董祥，沈婧，
申请(专利权)人：江苏飞图智能控制技术有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏;32