基于分簇管理和多优先级调度的MAC协议实现方法技术

本发明专利技术公开了一种基于分簇管理和多优先级调度的MAC协议实现方法，具体按照以下步骤实施：首先，初始化完成的节点通过定期发送HELLO分组交互邻居信息，进而，每个节点都会拥有两跳范围内的邻居信息，并基于多次交互的分组计算节点的分簇测度值；然后，若两跳范围内不存在簇首，则基于分簇管理机制完成簇首的选举过程，将集群组织成簇；若两跳范围内存在簇首，则侦听簇首广播的入网窗口信息，并在该窗口内请求入网；最后，分簇完成后，簇首按照TDMA时帧结构周期性地完成簇群维护、信息汇聚和时隙资源调度等工作；该方法通过分簇机制将集群划分为多个簇独立管理，解决了传统的MAC协议各节点接入困难，网络的灵活性和扩展性较差的问题。问题。问题。

【技术实现步骤摘要】
基于分簇管理和多优先级调度的MAC协议实现方法


[0001]本专利技术属于无人机自组网通信协议
，涉及基于分簇管理和多优先级调度的MAC协议实现方法。

技术介绍

[0002]随着信息技术的不断发展，各种新型网络不断涌现。无人机自组网(UAV Ad Hoc Network，UANET)作为一种新型的网络结构，将移动自组网(Mobile Ad hoc Network，MANET)和车载自组网(Vehicular Ad hoc Networks，VANET)的概念拓展到无人机通信中。无人机节点既可以收发数据，又具备路由中继等功能。所有节点通过信息的交互获取网络的信息，能够自主地构建高适应性的分布式网络。与传统的无线移动自组网相比，UANET凭借高速移动、快速部署和动态拓扑等特点，可以实现自主化、智能化和协同化组网。由于无人集群作战的重要战略地位，UANET必将成为现代军事战争中不可或缺的组成部分。
[0003]UANET中的介质访问控制(Medium Access Control，MAC)协议作为体系结构中的较底层，控制信道访问的MAC协议为网络中每个节点提供接入信道的方式，对传输时延、投递成功率和接入效率起到了至关重要的作用。但由于UANET场景中无人机节点数量多、高速移动、拓扑结构动态变化的原因，传统的MAC协议虽然可以有效地消除信道冲突问题，能够在高负载的网络中获得较高的吞吐量性能，但其静态的信道划分方式使得各节点接入困难，网络的灵活性和扩展性较差，且在负载较低时也会存在网络资源利用率较低的问题。/>
技术实现思路

[0004]本专利技术的目的是提供一种基于分簇管理和多优先级调度的MAC协议实现方法，解决了传统的MAC协议各节点接入困难，网络的灵活性和扩展性较差的问题。
[0005]本专利技术所采用的技术方案是，基于分簇管理和多优先级调度的MAC协议实现方法，具体按照以下步骤实施：
[0006]步骤1、无人机各节点开机后首先进行软硬件的自检和初始化，并等待T1时间，在T1时间内，无人机各节点侦听周围节点广播的邻居信息，根据侦听的信息，判断在该无人机节点两跳范围内是否存在簇首，若存在簇首则该无人机节点进入等待入网阶段，若不存在簇首，则该无人机节点进入信息交互阶段；
[0007]步骤2、在信息交互阶段，无人机各节点在T2时间内定期发送的HELLO分组信息进行信息交互，若无人机各节点检测到两跳范围内存在簇首节点，则直接进入等待入网阶段，否则，无人机各节点持续进行信息交互，直至超过T2时间后，无人机各节点进入簇首生成阶段；
[0008]步骤3、在簇首生成阶段，无人机各节点通过分簇管理机制完成簇首选举，完成簇首和簇群生成过程；
[0009]步骤4、无人机各节点继续判断自身节点是否为簇首，若是，则进入簇群维护阶段，若不是，则为簇群节点，各簇群节点进入等待入网阶段；
[0010]步骤5、在簇群维护阶段，各簇首按照TDMA时帧结构周期的发送NMOP分组，同时，在等待入网阶段的各簇群节点，在T3时间内，持续侦听簇首广播的NMOP分组信息，并判断该NMOP分组信息是否包含入网窗口信息，若有，则该等待入网阶段的簇群节点获取相应的窗口信息并进入入网请求阶段，若超过T3时间内，该等待入网阶段的簇群节点未在NMOP分组中检测到入网窗口信息，则返回步骤1继续执行操作；
[0011]步骤6、在入网请求阶段，处于入网请求阶段的簇群节点会依据窗口信息在相应的时间段内发送入网请求，并进入等待应答阶段，同时，各簇首接收各自簇群内节点发送的入网请求信息，并将入网应答写入NMOP分组，并在下个周期广播，处于等待应答阶段的各簇群节点，在T4时间内持续接收簇首发送的NMOP分组信息，并判断在该NMOP分组信息中是否包含有自身节点的ID信息，若包含自身节点的ID信息，则表示入网成功，进入信息汇聚阶段，若在T4时间内未检测到包含自身节点ID的信息，则进入等待入网阶段，返回执行步骤5操作。
[0012]步骤7、在信息汇聚阶段，各簇群节点依据簇首发送的NMOP分组中的信息汇聚时隙安排信息，等待该时隙到达并发送CIC分组，簇首将收集到的所有CIC分组信息进行汇总、分类，依据CIC分组中各簇群节点的队列信息和信道质量信息，完成时隙资源的集中式调度，同时，簇首还依据CIC分组中各簇群节点的分簇测度值更新备用簇首并判断是否触发簇首切换条件，最后，簇首将时隙分配结果和备用簇首信息通过TSA分组发布，并由其一跳邻居广播泛洪至整个簇群；
[0013]步骤8、各簇群内的簇群节点收到各自簇首发送的TSA分组后，依据时隙分配结果进行数据的发送，且各簇群节点只有在被分配的时隙内才能发送数据，其他时间保持接收状态；同时，各簇群节点根据接收的TSA分组信息判断备用簇首是否被激活，若激活，则备用簇首晋升为新的簇首，代替原簇首维护簇群，新的簇首进入簇群维护阶段，返回上述步骤5操作，若未激活则继续作为成员节点听从簇首的统一管理，返回上述步骤7操作。
[0014]本专利技术的特点还在于：
[0015]步骤2具体中HELLO分组信息包括：
[0016]分组类型标识符、节点ID、邻居节点ID、选举或请求加入的簇首ID、当前的分簇测度值和请求入网标识等字段，且各字段值在未确定时均默认为0。
[0017]步骤3具体中分簇管理机制具体如下：
[0018]步骤3.1、无人机各节点基于步骤2中各节点交互的HELLO分组信息计算自身节点的分簇测度值；
[0019]步骤3.1中所述的计算自身节点的分簇测度值的具体方法如下：
[0020]其中，分簇测度值中综合考虑了无人机各节点之间的平均邻居距离、平均链路保持时间和两跳理想节点度差等因素。并通过对无人机各节点测得的各项因素加权后可得最终的分簇测度值CM
i
为：
[0021][0022]其中，ω1、ω2和ω3为不同因素的权重值，满足0≤ω
n
≤1，n＝1，2，3且ω1+ω2+ω3＝1；
[0023]为分布可靠性函数修正后的平均邻居距离指标；
[0024]τ
i
为所有一跳邻居节点的链路保持时间求均值后得到的平均链路保持时间；
[0025]为两跳最优节点度差，τ
i
、的计算公式分别如下：
[0026][0027][0028][0029]其中，r
ik
为节点v
i
与v
k
间的距离；N
vi
表示节点v
i
的一跳邻居集合；D
Vi
表示节点v
i
的节点度，即所有一跳邻居的数量；N
region1
、N
region2
与N
region3
分别表示距离中心节点v
i
的距离为与的一跳邻居节点数量；R为节点的传输覆盖半径；τ
ik
为v
k
可能停留在v...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于分簇管理和多优先级调度的MAC协议实现方法，其特征在于，具体按照以下步骤实施：步骤1、无人机各节点开机后首先进行软硬件的自检和初始化，并等待T1时间，在T1时间内，无人机各节点侦听周围节点广播的邻居信息，根据侦听的信息，判断在该无人机节点两跳范围内是否存在簇首，若存在簇首则该无人机节点进入等待入网阶段，若不存在簇首，则该无人机节点进入信息交互阶段；步骤2、在信息交互阶段，无人机各节点在T2时间内定期发送的HELLO分组信息进行信息交互，若无人机各节点检测到两跳范围内存在簇首节点，则直接进入等待入网阶段，否则，无人机各节点持续进行信息交互，直至超过T2时间后，无人机各节点进入簇首生成阶段；步骤3、在簇首生成阶段，无人机各节点通过分簇管理机制完成簇首选举，完成簇首和簇群生成过程；步骤4、无人机各节点继续判断自身节点是否为簇首，若是，则进入簇群维护阶段，若不是，则为簇群节点，各簇群节点进入等待入网阶段；步骤5、在簇群维护阶段，各簇首按照TDMA时帧结构周期的发送NMOP分组，同时，在等待入网阶段的各簇群节点，在T3时间内，持续侦听簇首广播的NMOP分组信息，并判断该NMOP分组信息是否包含入网窗口信息，若有，则该等待入网阶段的簇群节点获取相应的窗口信息并进入入网请求阶段，若超过T3时间内，该等待入网阶段的簇群节点未在NMOP分组中检测到入网窗口信息，则返回步骤1继续执行操作；步骤6、在入网请求阶段，处于入网请求阶段的簇群节点会依据窗口信息在相应的时间段内发送入网请求，并进入等待应答阶段，同时，各簇首接收各自簇群内节点发送的入网请求信息，并将入网应答写入NMOP分组，并在下个周期广播，处于等待应答阶段的各簇群节点，在T4时间内持续接收簇首发送的NMOP分组信息，并判断在该NMOP分组信息中是否包含有自身节点的ID信息，若包含自身节点的ID信息，则表示入网成功，进入信息汇聚阶段，若在T4时间内未检测到包含自身节点ID的信息，则进入等待入网阶段，返回执行步骤5操作；步骤7、在信息汇聚阶段，各簇群节点依据簇首发送的NMOP分组中的信息汇聚时隙安排信息，等待该时隙到达并发送CIC分组，簇首将收集到的所有CIC分组信息进行汇总、分类，依据CIC分组中各簇群节点的队列信息和信道质量信息，完成时隙资源的集中式调度，同时，簇首还依据CIC分组中各簇群节点的分簇测度值更新备用簇首并判断是否触发簇首切换条件，最后，簇首将时隙分配结果和备用簇首信息通过TSA分组发布，并由其一跳邻居广播泛洪至整个簇群；步骤8、各簇群内的簇群节点收到各自簇首发送的TSA分组后，依据时隙分配结果进行数据的发送，且各簇群节点只有在被分配的时隙内才能发送数据，其他时间保持接收状态；同时，各簇群节点根据接收的TSA分组信息判断备用簇首是否被激活，若激活，则备用簇首晋升为新的簇首，代替原簇首维护簇群，新的簇首进入簇群维护阶段，返回上述步骤5操作，若未激活则继续作为成员节点听从簇首的统一管理，返回上述步骤7操作。2.根据权利要求1所述的基于分簇管理和多优先级调度的MAC协议实现方法，其特征在于，所述步骤2具体中HELLO分组信息包括：分组类型标识符、节点ID、邻居节点ID、选举或请求加入的簇首ID、当前的分簇测度值
和请求入网标识等字段，且各字段值在未确定时均默认为0。3.根据权利要求1所述的基于分簇管理和多优先级调度的MAC协议实现方法，其特征在于，所述步骤3具体中分簇管理机制具体如下：步骤3.1、无人机各节点基于步骤2中各节点交互的HELLO分组信息计算自身节点的分簇测度值；步骤3.2、无人机各节点通过相互比较分簇测度值，选择两跳范围内分簇测度值最大的节点作为簇首。4.根据权利要求3所述的基于分簇管理和多优先级调度的MAC协议实现方法，其特征在于，步骤3.1中所述的计算自身节点的分簇测度值的具体方法如下：所述分簇测度值，综合考虑了无人机各节点之间的平均邻居距离、平均链路保持时间和两跳理想节点度差，并通过对无人机各节点测得的各项因素加权后可得最终的分簇测度值CM
i
为：其中，ω1、ω2和ω3为不同因素的权重值，满足0≤ω
n
≤1，n＝1，2，3且ω1+ω2+ω3＝1；为分布可靠性函数修正后的平均邻居距离指标；τ
i
为所有一跳邻居节点的链路保持时间求均值后得到的平均链路保持时间；为两跳最优节点度差，τ
i
、ΔD
Vi
‑
2hop
的计算公式分别如下：的计算公式分别如下：的计算公式分别如下：其中，r
ik
为节点v
i
与v
k
间的距离；N

【专利技术属性】
技术研发人员：张沉思，燕林鹏，熊李剑，任路遥，陈柳旺，葛建华，
申请(专利权)人：西安电子科技大学，
类型：发明
国别省市：