基于流量预测的无人机自组网信道接入控制方法技术

本发明专利技术公开了一种基于流量预测的无人机自组网信道接入控制方法，无人机飞行自组网采用基于移动预测的时帧优化方法和基于移动预测的信道资源分配方法，结合了节省信道资源和满足安全传输需求的优点，同时可以提供不同的QoS保证。本发明专利技术能够根据不同的场景需求，可以在保障安全传输的基础上大大提高信道的利用率。

【技术实现步骤摘要】
基于流量预测的无人机自组网信道接入控制方法
本专利技术涉及无人机自组网体系架构
，具体而言涉及一种基于流量预测的无人机自组网信道接入控制方法。
技术介绍
无人机自组网（FlyingadhocNetworks，FANETs）由于具有鲁棒性、灵活性和部署方便等优点，正成为多个无人系统的主要通信方式。单体无人机由于单体容量有限，已无法满足复杂的任务要求。多无人机协同作战具有高效、可扩展、覆盖范围广等优点，能够有效满足日益复杂的任务需求，是未来无人机作战的发展趋势。然而，与单一无人系统相比，多无人系统虽然有许多优点，但在通信方面仍有其独特的挑战。通信是保证多无人机系统正常运行的关键。多无人机系统需要保持通信，传输必要的安全信息和业务信息，为上层应用提供服务保障。由于无人机具有通信距离远、传输速率高的优点，在无人机上安装定向天线是风机的发展趋势。然而，由于无人机运动速度快，定向天线覆盖角有限，在传输过程中容易发生链路中断，导致信道资源严重损失。此外，无人机在执行侦察和监视任务时经常需要传输视频包。为了提高视频应用的有效性和实时性，FANETs还应优先保证视频包的带宽。总的来说，由于无人机的高移动性，为安全包和服务包提供不同的QoS（QualityofService）保证对于定向天线风扇的MAC协议是非常重要和具有挑战性的。与移动自组织网络类似，信道接入协议是保证多个无人系统通信性能的关键因素。由于无人机的特点，FANETsMAC协议的设计也提出了新的挑战。首先，无人机通常是分组组网，数量和规模都很大。当大量节点争夺信道时，所产生的冲突会很严重，直接影响到网络的通信性能。二是无人机高速移动，使得网络中的节点频繁进出网络。网络拓扑结构的频繁变化会造成信道资源的严重损失。此外，网络拓扑结构的不断变化意味着无人机需要频繁地接入信道，信道竞争更加激烈。
技术实现思路
本专利技术针对现有技术中的不足，提供一种基于流量预测的无人机自组网信道接入控制方法，采用基于移动预测的时帧优化方法和基于移动预测的信道资源分配方法，结合了节省信道资源和满足安全传输需求的优点，同时可以提供不同的QoS保证，根据不同的场景需求，可以在保障安全传输的基础上大大提高信道的利用率。为实现上述目的，本专利技术采用以下技术方案：一种基于流量预测的无人机自组网信道接入控制方法，所述控制方法适于以下场景：中心无人机通过单播的方式向其他无人机收集业务分组，其中包含视频、图像或者其他感知数据；每架无人机向相邻的无人机定期广播安全分组，广播内容包含位置、速度和障碍信息在内的安全消息；所述控制方法包括以下步骤：S1，根据第时帧竞争阶段冲突时隙的数量和时隙的总数量，得到第时帧网络中无人机节点的数量和第时帧新到达的无人机数量；S2，根据历史均值，估算在第时帧新到达网络的无人机数量；S3，根据移动信息，预测在第时帧离开中心无人机通信范围的无人机数量；S4，根据网络拓扑的变化，调整竞争阶段中空闲时隙的数量以供新的无人机接入网络；S5，根据移动预测，中心无人机判断得到将在传输过程中触发链路中断的无人机信息，并取消为这些无人机分配信道资源；S6，根据队列长度，中心无人机预测各架无人机业务分组的到达速率，以制定信道分配方案；S7，基于步骤S6中的优化算法，计算传输视频分组中无人机所需的最小传输时间，使得在当前信道资源不能满足所有无人机的业务需求时，优先保障视频分组的带宽。为优化上述技术方案，采取的具体措施还包括：进一步地，步骤S7中，当目前的信道资源不能满足所有视频用户的需求时，采用贪心算法舍弃一个或多个影响最小的用户的需求。进一步地，步骤S1中，所述根据第时帧竞争阶段冲突时隙的数量和时隙的总数量，得到第时帧网络中无人机节点的数量和第时帧新到达的无人机数量的过程包括以下步骤：S11，分别获取第时帧竞争阶段冲突时隙的数量、时隙的总数量和传输阶段中时隙的数量；S12，解算下述公式，计算得到第时帧网络中无人机节点的数量和第时帧新到达的无人机数量：。进一步地，步骤S2中，根据下述公式估算在第时帧新到达网络的无人机数量：其中，是历史数据的数量。进一步地，步骤S3中，根据下述公式，预测在第时帧离开中心无人机通信范围的无人机数量：式中，和分别表示现在中心无人机和无人机的位置，和分别表示现在中心无人机和无人机的速度，表示当前时帧SCHI的长度，是全向天线的通信距离；如果等于0，则表示无人机会离开中心无人机全向天线的通信范围。进一步地，步骤S4中，采用下述公式计算得到第帧的时隙数量：式中，是第时帧CCHI的时隙数目，是第个时帧竞争阶段中竞争成功的时隙数量，即成功接入网络的新无人机数量，是在第时帧离开中心无人机通信范围的无人机数量。进一步地，步骤S4中，如果有无人机被预测离开了网络而实际却没有离开，则该无人机将在下个时帧竞争空闲时隙。进一步地，步骤S5中，采用下述公式对将在传输过程中触发链路中断的无人机进行预测：其中，式中，和分别表示现在中心无人机和无人机的位置，和分别表示现在中心无人机和无人机的速度，表示当前时帧SCHI的长度，和表示定向天线的覆盖距离和角度；如果等于0，即使天线处于定向模式无人机也不能在将来的SCHI保持和中心无人机的通信。进一步地，步骤S6中，所述根据队列长度，中心无人机预测各架无人机业务分组的到达速率，以制定信道分配方案的过程包括以下步骤：S61，假设有网络中有架无人机，采用表示第架无人机在第时帧业务分组的队列长度，并且之前个时帧的队列长度分别为，，…，；S62，采用下述公式计算无人机在第时帧的到达速率：式中，表示无人机在第时帧已传输的分组尺寸；S63，依次计算历史时帧的分组到达速率，，…，；S64，通过流量预测理论，结合无人机的分组到达速率在时间上具有的自相关性，根据历史值预测下一个时帧的到达速率。进一步地，步骤S7中，所述基于步骤S6中的优化算法，计算传输视频分组中无人机所需的最小传输时间，使得在当前信道资源不能满足所有无人机的业务需求时，优先保障视频分组的带宽的过程包括以下步骤：S71，假设有架无人机将在SCHI传输视频分组，分别定义他们的分组队列长度为，，…，；S72，根据下述公式计算每架无人机最小的传输时间的初始值：式中，表示传输视频分组中第个无人机所需的最小传输时间的初始值,为视频分组的最小带宽,代表预测的第个无人机是否会发生链路中断,代表无人机的到达速率,代表无人机已传输的分组尺寸；S73，根据下个时帧信道的拥塞情况对最小传输时间的初始值进行调整，得到最终为每个传输视频的无人机分配的信道资源：式中，表示为第个传输视频的无人机本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于流量预测的无人机自组网信道接入控制方法，其特征在于，所述控制方法适于以下场景：中心无人机通过单播的方式向其他无人机收集业务分组，其中包含视频、图像或者其他感知数据；每架无人机向相邻的无人机定期广播安全分组，广播内容包含位置、速度和障碍信息在内的安全消息；/n所述控制方法包括以下步骤：/nS1，根据第

【技术特征摘要】
1.一种基于流量预测的无人机自组网信道接入控制方法，其特征在于，所述控制方法适于以下场景：中心无人机通过单播的方式向其他无人机收集业务分组，其中包含视频、图像或者其他感知数据；每架无人机向相邻的无人机定期广播安全分组，广播内容包含位置、速度和障碍信息在内的安全消息；
所述控制方法包括以下步骤：
S1，根据第时帧竞争阶段冲突时隙的数量和时隙的总数量，得到第时帧网络中无人机节点的数量和第时帧新到达的无人机数量；
S2，根据历史均值，估算在第时帧新到达网络的无人机数量；
S3，根据移动信息，预测在第时帧离开中心无人机通信范围的无人机数量；
S4，根据网络拓扑的变化，调整竞争阶段中空闲时隙的数量以供新的无人机接入网络；
S5，根据移动预测，中心无人机判断得到将在传输过程中触发链路中断的无人机信息，并取消为这些无人机分配信道资源；
S6，根据队列长度，中心无人机预测各架无人机业务分组的到达速率，以制定信道分配方案；
S7，基于步骤S6中的优化算法，计算传输视频分组中无人机所需的最小传输时间，使得在当前信道资源不能满足所有无人机的业务需求时，优先保障视频分组的带宽。


2.根据权利要求1所述的基于流量预测的无人机自组网信道接入控制方法，其特征在于，步骤S7中，当目前的信道资源不能满足所有视频用户的需求时，采用贪心算法舍弃一个或多个影响最小的用户的需求。


3.根据权利要求1所述的基于流量预测的无人机自组网信道接入控制方法，其特征在于，步骤S1中，所述根据第时帧竞争阶段冲突时隙的数量和时隙的总数量，得到第时帧网络中无人机节点的数量和第时帧新到达的无人机数量的过程包括以下步骤：
S11，分别获取第时帧竞争阶段冲突时隙的数量、时隙的总数量和传输阶段中时隙的数量；
S12，解算下述公式，计算得到第时帧网络中无人机节点的数量和第时帧新到达的无人机数量：

。


4.根据权利要求1所述的基于流量预测的无人机自组网信道接入控制方法，其特征在于，步骤S2中，根据下述公式估算在第时帧新到达网络的无人机数量：



其中，是历史数据的数量。


5.根据权利要求1所述的基于流量预测的无人机自组网信道接入控制方法，其特征在于，步骤S3中，根据下述公式，预测在第时帧离开中心无人机通信范围的无人机数量：






式中，和分别表示现在中心无人机和无人机的位置，和分别表示现在中心无人机和无人机的速度，表示当前时帧SCHI的长度，是全向天线的通信距离；如果等于0，则表示无人机会离开中心无人机全向天线的通信范围。


6.根据权利要求3所述的基于流量预测的无人机自组网信道接入控制方法，其特征在于，步骤S4中，采用下述公式计算得到第帧的时隙数量：




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【专利技术属性】
技术研发人员：陶婷，董超，朱小军，贺荣，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32