基于量子退火算法的无人机通信网络路由规划方法技术

本发明专利技术提出一种基于量子退火算法的无人机通信网络路由规划方法，旨在提高无人机群通信网络路由规划效率，同时减少无人机网络的通信能量消耗，实现负载均衡，延长无人机机群网络寿命。实现步骤为：初始化无人机机群通信网络模型；无人机机群A进行簇划分；无人机机群A进行群划分；无人机机群A向地面控制站G发送数据信息；地面控制站G利用路径积分蒙特卡罗量子退火算法对无人机机群A进行路由规划。

【技术实现步骤摘要】
基于量子退火算法的无人机通信网络路由规划方法
本专利技术属于量子信息
，涉及一种无人机通信网络路由的规划方法，具体涉及一种基于量子退火算法的无人机通信网络路由规划方法，可用作无人机机群通信网络的快速构建，同时节省无人机通信网络能量消耗。
技术介绍
无人机机群在执行任务过程中，地面控制站需要根据无人机机群收集到的数据信息实现对任务场景的实时分析，并根据任务要求对无人机机群下达任务信息，对无人机机群实现控制操作，在这一过程中，需要实现无人机机群和控制站之间的数据传输，这就涉及到无人机机群通信网络路由规划方法。由于无人机的高机动性、动态拓扑、能量有限等特性，通信网络快速构建、无人机节点负载均衡、通信网络能量消耗均是无人机机群通信网络路由规划中关注的重点。为了提高无人机通信网络路由规划的效率，研发人员提出了许多解决方案，例如，申请公布号为CN111556550A，名称为“无人机网络通信的路由方法”的专利申请，公开一种无人机网络通信的路由方法，该方法根据链路信息和节点信息选举出簇首节点，再由簇首节点间建立簇首网络拓扑结构，根据链路信息、节点信息和簇内拓扑结构建立路由表，实现了较快的无人机通信网络路由规划。但由于其依靠簇首节点之间的交互建立簇首网络拓扑结构，而簇首节点受自身体积、功能的影响，处理能力较弱，导致了无人机通信网络路由规划效率较差。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对上述现有技术的不足，提出一种基于量子退火算法的无人机通信网络路由规划方法，旨在提高无人机群通信网络路由规划效率，同时减少无人机网络的通信能量消耗，实现负载均衡，延长无人机机群网络寿命。为实现上述目的，本专利技术采取的技术方案包括如下步骤：(1)初始化无人机机群通信网络模型：初始化包括分布在空间直角坐标系O-XYZ空间中的无人机机群A＝{a1,a2,...,an,...,aN}和位于O-XY平面内的地面控制站G的无人机机群通信网络模型，an的位置坐标为(xn,yn,zn)，an通信使用的电池的剩余能量为en，G的位置坐标为(xG,yG,0)，其中，an表示第n架无人机，N表示无人机的数量，N≥2；(2)无人机机群A进行簇划分：(2a)每架无人机an根据地面控制站G发送的通知信息，向其它无人机广播自己的位置坐标信息(xn,yn,zn)；(2b)无人机机群A中的第一架无人机a1生成一个0到1的随机数，并判断该随机数是否比预设判断阈值T(n)大，若是，将自己作为簇首，否则，将自己作为簇成员，第二架无人机至第N架无人机依次判断，得到簇首无人机集合CH＝{ch1,ch2,...,chm,...,chM}，其中，0＜T(n)＜1，chm表示第m架簇首无人机，M表示簇首无人机的数量，M≥1；(2c)每架簇成员无人机向距离最近的簇首无人机发送加入簇的请求，每架发送加入簇请求的簇成员无人机和接收加入簇请求的簇首无人机组成一个簇，得到M个簇；(3)无人机机群A进行群划分：(3a)每架簇首无人机chm向其它簇首无人机广播自己的位置坐标信息(xn,yn,zn)；(3b)簇首无人机集合CH中的第一架簇首无人机ch1生成一个0到1的随机数，并判断该随机数是否比预设判断阈值T(n)大，若是，将自己作为群首，而后第二架簇首无人机至第N架簇首无人机依次判断，得到群首无人机集合GH＝{gh1,gh2,...,ghl,...,ghL}，其中，ghl表示第l架群首无人机，L表示群首无人机的数量，L≥1；(3c)每架簇首无人机向距离最近的群首无人机发送加入群的请求，每架发送加入群请求的簇首无人机和接收加入群请求的群首无人机组成一个群，得到L个群；(4)无人机机群A向地面控制站G发送数据信息：(4a)每架簇成员无人机以单跳的形式将包含位置信息和剩余能量信息的数据信息传递到所在簇的簇首无人机；(4b)每架簇首无人机以单跳的形式将本簇内所有无人机的数据信息传递到所在群的群首无人机；(4c)每架群首无人机ghl以单跳的形式将本群内所有无人机的数据信息传递到地面控制站G；(5)地面控制站G利用路径积分蒙特卡罗量子退火算法对无人机机群A进行路由规划：(5a)地面控制站G根据接收到的无人机机群A的所有无人机数据信息，将群首无人机集合GH和地面控制站G组成特殊节点集合ghall＝{G,gh1,gh2,...,ghl,...,ghL}；将每一个群中包含的群首无人机和簇首无人机组成群节点集合得到L个群节点集合，并将L个群节点集合与ghall进行组合，得到节点集合集R＝{r1,r2,...,rk,...,rL,ghall}，其中，k_num表示群节点集合rk中节点数量，k_num≥3；(5b)地面控制站G分别对节点集合集R中的每一个节点集合构造哈密顿量H：(5b1)地面控制站G构造可以代表路由方案的二维路由矩阵s和二维权重矩阵w，并通过对s进行P次随机赋值得到的副本集合S＝{s1,s2,...,sz,...,sP}计算动能项Hk，然后通过s和w建立目标函数C0，再通过C0计算势能项HP：其中，表示从第一个副本到第P-1个副本依次运算的结果之和，P≥10sz,a,b表示第z个副本sz中第a行第b列的值，表示对二维矩阵中每个位置依次运算的结果之和，sa,b表示二维路由矩阵s中第a行第b列的值，wa,b表示二维权重矩阵w中第a行第b列的值，wmax表示二维权重矩阵w中的最大值，C1表示第一约束项，C2表示第二约束项；(5b2)地面控制站G根据势能项HP和动能项Hk，计算哈密顿量H：其中，JΤ表示横向磁场耦合项，JΤ＞0；(5c)地面控制站G对节点集合集R中的每一个节点集合进行路由规划：(5c1)初始化迭代次数为t，最大迭代次数为Mc，Mc＞10，当前最优解为副本集合S＝{s1,s2,...,sz,...,sP}中的s1，并令t＝1；(5c2)令z＝1；(5c3)地面控制站G由当前副本sz产生新的副本sz'，并判断sz'是否满足HP(sz')-HP(sz)≤0或H(sz')-H(sz)≤0，若是，令sz＝sz'，并执行步骤(5c4)，否则，执行步骤(5c5)；(5c4)地面控制站G判断sz'是否满足若是，令并执行步骤(5c5)，否则，直接执行步骤(5c5)；(5c5)地面控制站G判断z＞P是否成立，若是，得到更新的副本集合S，并执行步骤(5c6)，否则，令z＝z+1，并执行步骤(5c3)；(5c6)地面控制站G判断t＞Mc是否成立，若是，得到当前节点集合规划路由否则，令t＝t+1，并执行步骤(5c2)；(5c6)地面控制站G判断t≥Mc是否成立，若是，得到当前节点集合规划路由则节点集合集R所有节点的路由组成无人机机群A的规划路由否则，令t＝t+1，并执行步骤(5c2)。本专利技术与现有技术相比，具有以下优点：1.本专利技术利用路径积分蒙特卡罗量子退火算法本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于量子退火算法的无人机通信网络路由规划方法，其特征在于，包括如下步骤：/n(1)初始化无人机机群通信网络模型：/n初始化包括分布在空间直角坐标系O-XYZ空间中的无人机机群A＝{a

【技术特征摘要】
1.一种基于量子退火算法的无人机通信网络路由规划方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)初始化无人机机群通信网络模型：
初始化包括分布在空间直角坐标系O-XYZ空间中的无人机机群A＝{a1,a2,...,an,...,aN}和位于O-XY平面内的地面控制站G的无人机机群通信网络模型，an的位置坐标为(xn,yn,zn)，an通信使用的电池的剩余能量为en，G的位置坐标为(xG,yG,0)，其中，an表示第n架无人机，N表示无人机的数量，N≥2；
(2)无人机机群A进行簇划分：
(2a)每架无人机an根据地面控制站G发送的通知信息，向其它无人机广播自己的位置坐标信息(xn,yn,zn)；
(2b)无人机机群A中的第一架无人机a1生成一个0到1的随机数，并判断该随机数是否比预设判断阈值T(n)大，若是，将自己作为簇首，否则，将自己作为簇成员，第二架无人机至第N架无人机依次判断，得到簇首无人机集合CH＝{ch1,ch2,...,chm,...,chM}，其中，0＜T(n)＜1，chm表示第m架簇首无人机，M表示簇首无人机的数量，M≥1；
(2c)每架簇成员无人机向距离最近的簇首无人机发送加入簇的请求，每架发送加入簇请求的簇成员无人机和接收加入簇请求的簇首无人机组成一个簇，得到M个簇；
(3)无人机机群A进行群划分：
(3a)每架簇首无人机chm向其它簇首无人机广播自己的位置坐标信息(xn,yn,zn)；
(3b)簇首无人机集合CH中的第一架簇首无人机ch1生成一个0到1的随机数，并判断该随机数是否比预设判断阈值T(n)大，若是，将自己作为群首，而后第二架簇首无人机至第N架簇首无人机依次判断，得到群首无人机集合GH＝{gh1,gh2,...,ghl,...,ghL}，其中，ghl表示第l架群首无人机，L表示群首无人机的数量，L≥1；
(3c)每架簇首无人机向距离最近的群首无人机发送加入群的请求，每架发送加入群请求的簇首无人机和接收加入群请求的群首无人机组成一个群，得到L个群；
(4)无人机机群A向地面控制站G发送数据信息：
(4a)每架簇成员无人机以单跳的形式将包含位置信息和剩余能量信息的数据信息传递到所在簇的簇首无人机；
(4b)每架簇首无人机以单跳的形式将本簇内所有无人机的数据信息传递到所在群的群首无人机；
(4c)每架群首无人机ghl以单跳的形式将本群内所有无人机的数据信息传递到地面控制站G；
(5)地面控制站G利用路径积分蒙特卡罗量子退火算法对无人机机群A进行路由规划：
(5a)地面控制站G根据接收到的无人机机群A的所有无人机数据信息，将群首无人机集合GH和地面控制站G组成特殊节点集合ghall＝{G,gh1,gh2,...,ghl,...,ghL}；将每一个群中包含的群首无人机和簇首无人机组成群节点集合得到L个群节点集合，并将L个群节点集合与ghall进行组合，得到节点集合集R＝{r1,r2,...,rk,...,rL,ghall}，其中，k_num表示群节点集合rk中节点数量，k_num≥3；
(5b)地面控制站G分别对节点集合集R中的每一个节点集合构造哈密顿量H：
(5b1)地面控制站G构造可以代表路由方案的二维路由矩阵s和二维权重矩阵w，并通过对s进行P次随机赋值得到的副本集合S＝{s1,s2,...,sz,...,sP}计算动能项Hk，然后通过s和w建立目标函数C0，再通过C0计算势能项HP：









其中，表示从第一个副本到...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱畅华，朱云鹏，权东晓，何先灯，赵楠，易运晖，陈南，
申请(专利权)人：西安电子科技大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61