【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及飞行器通信，特别是涉及一种基于按需加权聚类分簇的飞行器集群通信方法及系统。
技术介绍
1、在5g及以上飞行器(unmanned aerial vehicle，uav)通信的最新进展和未来趋势报告中提到了将来关于飞行器通信的几大趋势，其中基于多飞行器的集群网络，即可扩展的多飞行器网络，得益于其高流动性和快速供应的特点，己经成为了一种快速有效的恢复和扩展通信的可行解决方案，受到了极大的重视。飞行器集群自组织网络是一种新型的无线通信网络结构，它应用在由多个飞行器组成的集群中。在这样的网络中，飞行器不仅可以执行各自的任务，还可以相互协作以提高整个系统的效率和稳定性。近年来，飞行器由于其通用性、灵活性和相对较低的运行成本，在灾难响应与救援、农业监测、环境科学与保护以及网络覆盖扩展等领域都有很多潜在的应用，模式也从单个飞行器发展到飞行器编队的群体协作执行任务。
2、为了适应高动态环境以及提高飞行器执行任务的效率，飞行器集群自组织网络的弹性、稳定性与自适应性十分重要。提高网络弹性，即提升网络对故障和变化的适应能力，需要网络采用分布式架构，不依赖于单一的中心节点；提高网络的稳定性需要网络具有高效的故障检测与恢复机制，快速发现并修复网络问题；提高网络自适应性，使得飞行器网络能够根据环境变化和任务需求，灵活地做出响应和调整，需要飞行器网络需要具备动态自组织的能力，能够随着飞行器的移动实时调整网络结构。分簇就是通过相关的空间分布和相对速度将飞行器集群进行分组，从而形成分层通信的网络结构。目前许多传统的网络结构与分簇方法无法实
技术实现思路
1、针对上述
技术介绍
中提出的问题，本专利技术提供一种基于按需加权聚类分簇的飞行器集群通信方法及系统，以增强飞行器集群通信网络结构划分的弹性和自适应性，提高飞行器集群的通信效率和系统稳定性。
2、为实现上述目的，本专利技术提供了如下方案：
3、一方面，本专利技术提供一种基于按需加权聚类分簇的飞行器集群通信方法，包括：
4、获取飞行器集群中各个飞行器节点的特征信息；所述特征信息包括飞行器节点的地理位置坐标和速度；
5、根据各个飞行器节点的特征信息计算构成簇首选举依据的多个分簇指标；所述多个分簇指标包括节点间距离方差、节点连接度、节点间水平夹角方差以及速度一致性得分；
6、对多个分簇指标按需加权计算综合度量函数值并进行降序排序，得到每个簇的待选簇首节点的优先级排序列表；
7、依据优先级排序列表依次进行簇间通信判断，将同时具备高优先级且满足通信要求的待选簇首节点推选为簇首节点，得到簇首节点集合；
8、通过手肘法确定最优分簇数量；
9、根据最优分簇数量和簇首节点集合建立飞行器集群分层通信网络的簇结构；
10、飞行器集群中各个飞行器节点依据簇结构进行通信。
11、可选地，所述根据各个飞行器节点的特征信息计算构成簇首选举依据的多个分簇指标，具体包括：
12、假定飞行器节点i为簇v的簇首节点，飞行器节点j为簇v中除飞行器节点i以外的其余节点；根据时刻t飞行器节点i和j的地理位置坐标coordinatei＝{xi(t),yi(t),zi(t)}和coordinatej＝{xj(t),yj(t),zj(t)}，依据公式计算飞行器节点i和j之间的欧式距离di,j(t)；
13、依据公式计算距离平均值mi；其中n1表示簇v内除飞行器节点i以外的飞行器节点数量；
14、依据公式计算飞行器节点i对应的节点间距离方差
15、可选地，所述根据各个飞行器节点的特征信息计算构成簇首选举依据的多个分簇指标，还包括：
16、依据公式计算飞行器节点i的节点连接度connectivityi；其中degi表示飞行器节点i的节点度；degmin为飞行器节点度阈值。
17、可选地，所述根据各个飞行器节点的特征信息计算构成簇首选举依据的多个分簇指标，还包括：
18、根据飞行器节点i和j的地理位置坐标coordinatei＝{xi,yi,zi}和coordinatej＝{xj,yj,zj}，依据公式计算飞行器节点i和j构成的水平夹角θi,j；其中δx＝xi-xj，δy＝yi-yj；
19、将θi,j之间的方差作为水平夹角方差值θ_variancei，将簇v内所有飞行器节点设定为簇首节点时的水平夹角方差值降序排列存储到一维数组
20、将各个θ_variancei在一维数组中的位置下标表示为indexi，依据公式计算飞行器节点i对应的节点间水平夹角方差anglei；其中θ_variancemin为水平夹角方差阈值。
21、可选地，所述根据各个飞行器节点的特征信息计算构成簇首选举依据的多个分簇指标，还包括：
22、根据飞行器节点i的速度v_i＝(vxi,vyi,vzi)，计算飞行器节点i的邻居节点集合s[i]的平均速度其中n2为s[i]中的飞行器节点数量；
23、依据公式和δv＝|||v_i||-||v_avg|||分别计算飞行器节点i与平均速度的角度差异cos(θ)和大小差异δv；
24、依据公式v_scorei＝ω_1*(cos(θ)-1)-ω_2*δv计算飞行器节点i的速度一致性得分v_scorei；其中ω_1和ω_2为权重系数。
25、可选地，所述对多个分簇指标按需加权计算综合度量函数值，具体包括：
26、依据公式计算综合度量函数值wi；其中ω1、ω2、ω3、ω4分别为各个分簇指标的加权系数且满足ω1+ω2+ω3+ω4＝1。
27、可选地，所述通过手肘法确定最优分簇数量，具体包括：
28、设定分簇数量k的范围从1到飞行器集群的飞行器节点总数，并对每一个指定的分簇数量k，计算其内各个飞行器节点到质心的欧氏距离平方和，以形成每个簇的误差平方和sse(k)；
29、将所有簇的sse(k)累加得到总误差平方和sse；
30、取分簇数量k与sse关系曲线的拐点对应的k值为最优分簇数量。
31、可选地，所述基于按需加权聚类分簇的飞行器集群通信方法，还包括：
32、定期轮询检查飞行器节点状态，收集与飞行器节点状态相关的时间序列数据；所述飞行器节点状态包括飞行器节点的历史能量消耗、网络流量、带宽利用率、飞行器节点间通信延迟以及飞行器集群中的飞行器节点数量变化；
33、根据与飞行器节点状态相关的时间序列数据，基于图预测自适应选择飞行器集群的簇维护周期。
34、可选地，所述基于按需加权聚类分簇的飞行器集群通信方法，还包括：
35、根据簇维护周期定期对簇结构进行故障检测，收集离群飞行器节点存储于离群飞行器节点集合ω；
36、对离群飞行器节点集合ω中的离群飞行器节点进行本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种基于按需加权聚类分簇的飞行器集群通信方法，其特征在于，包括：
2.根据权利要求1所述的基于按需加权聚类分簇的飞行器集群通信方法，其特征在于，所述根据各个飞行器节点的特征信息计算构成簇首选举依据的多个分簇指标，具体包括：
3.根据权利要求2所述的基于按需加权聚类分簇的飞行器集群通信方法，其特征在于，所述根据各个飞行器节点的特征信息计算构成簇首选举依据的多个分簇指标，还包括：
4.根据权利要求3所述的基于按需加权聚类分簇的飞行器集群通信方法，其特征在于，所述根据各个飞行器节点的特征信息计算构成簇首选举依据的多个分簇指标，还包括：
5.根据权利要求4所述的基于按需加权聚类分簇的飞行器集群通信方法，其特征在于，所述根据各个飞行器节点的特征信息计算构成簇首选举依据的多个分簇指标，还包括：
6.根据权利要求5所述的基于按需加权聚类分簇的飞行器集群通信方法，其特征在于，所述对多个分簇指标按需加权计算综合度量函数值，具体包括：
7.根据权利要求1所述的基于按需加权聚类分簇的飞行器集群通信方法，其特征在于，所述通过手肘
8.根据权利要求1所述的基于按需加权聚类分簇的飞行器集群通信方法，其特征在于，还包括：
9.根据权利要求8所述的基于按需加权聚类分簇的飞行器集群通信方法，其特征在于，还包括：
10.一种基于按需加权聚类分簇的飞行器集群通信系统，其特征在于，包括：
...【技术特征摘要】
1.一种基于按需加权聚类分簇的飞行器集群通信方法，其特征在于，包括：
2.根据权利要求1所述的基于按需加权聚类分簇的飞行器集群通信方法，其特征在于，所述根据各个飞行器节点的特征信息计算构成簇首选举依据的多个分簇指标，具体包括：
3.根据权利要求2所述的基于按需加权聚类分簇的飞行器集群通信方法，其特征在于，所述根据各个飞行器节点的特征信息计算构成簇首选举依据的多个分簇指标，还包括：
4.根据权利要求3所述的基于按需加权聚类分簇的飞行器集群通信方法，其特征在于，所述根据各个飞行器节点的特征信息计算构成簇首选举依据的多个分簇指标，还包括：
5.根据权利要求4所述的基于按需加权聚类分簇的飞行器集群通信方法，...
【专利技术属性】
技术研发人员：张琦，忻向军，姚海鹏，郑若琪，高然，赵毅，王富，秦秀娟，田凤，刘翔宇，田清华，李元锋，柴芙蓉，孙梦，
申请(专利权)人：北京邮电大学，
类型：发明
国别省市：
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