基于平均一致性算法的无人机蜂群网络信道交汇方法技术

本发明专利技术公开了一种基于平均一致性算法的无人机蜂群网络信道交汇方法，包括步骤S1：每个无人机根据已知的邻居信息，确定自身所处的子网；S2：在第一轮迭代中，每个子网按照编号依次处理，该子网的全部无人机广播信息，其他子网的无人机默认监听；S3：在之后的迭代中，所有无人机将自身频率调整至上一轮迭代中获取的邻居无人机所处的频率平均值，每个子网按照编号依次处理，该子网的全部无人机广播信息，其他子网的无人机默认监听，直到收集到的频率数据能够通过线性组合计算出所有无人机的频率平均值为止；S4：通过平均一致性算法计算并调整至平均频率，各个无人机之间通过三次握手过程，完成整体网络的信道交汇。完成整体网络的信道交汇。完成整体网络的信道交汇。

【技术实现步骤摘要】
基于平均一致性算法的无人机蜂群网络信道交汇方法


[0001]本专利技术涉及无人机以及无线通信
，尤其是涉及一种基于平均一致性算法的无人机蜂群网络信道交汇方法。

技术介绍

[0002]无人机由于其高机动性、高灵活性以及低成本性，越来越多地被应用在无线通信、物联网、交通管理、监控和智能测量等多个领域。群体无人机可以通过协调合作，完成更加复杂，更加艰巨，更加精密的任务，实现1+1>2的效果，因此，群体无人机比单个无人机更具优势。但是，群体无人机系统中无人机数量较多，管理困难，在执行任务时，需要考虑其中一些无人机突然发生故障，导致无法连接或者无法继续执行任务的情况。尤其在执行远程任务时，由于每个无人机的通信感知范围有限，必须考虑由于受到干扰导致无人机之间断开通信链接而无法正常完成任务的情况。如何设计合理的信道交汇算法，以使得无人机在受到干扰后可以重新建立通信链接，是增强无人机蜂群网络鲁棒性需要解决的首要问题。
[0003]目前，信道交汇的方法主要分为两类，基于盲交汇的跳频算法和基于强化学习的算法。基于盲交汇的信道交汇算法规则简单，算法复杂度较低，可以应用于异步、异质、非对称和匿名得到网络，但该类算法应用于无人机蜂群网络时，都是先完成一对节点的信道连接，然后在此基础上，继续进行已连接节点与未连接节点的信道交汇。而基于强化学习的算法，在完成学习之后，信道交汇速率会很快，但是当该算法所处理的用户过多时，算法复杂度会过高。
[0004]然而，上述的两类信道交汇算法都没法很好地解决大规模的无人机蜂群网络信道交汇问题。对于基于盲交汇的跳频算法，其只能逐一完成无人机的信道交汇，进而实现整个无人机蜂群网络的信道交汇，这样的实现方法整体效率仍显得太过低下。对于基于强化学习的信道交汇算法，虽然其可以使所有无人机的频率同时变化，但第一次学习时所需时间过长，即使预先进行所有可能发生的情况的学习，依旧没有足够的存储空间来保存学习结果。而无人机蜂群网络面临的情况更多是突发的，因此利用基于强化学习的信道交汇算法依旧无法达到一个理想的性能。

技术实现思路

[0005]针对现有技术存在的问题，本专利技术的目的在于提供一种基于平均一致性算法的无人机蜂群网络信道交汇方法，旨在解决无人机蜂群网络在执行远程任务时，受到干扰导致通信链接断开后的信道交汇问题，提升无人机蜂群网络的鲁棒性以及重新组网效率。
[0006]为实现上述目的，本专利技术提供一种基于平均一致性算法的无人机蜂群网络信道交汇方法，无人机蜂群网络在受到干扰断开通信链接后，开始实施以下步骤：S1：每个无人机根据已知的邻居信息，确定自身所处的子网；S2：在第一轮迭代中，每个子网按照编号依次处理，该子网的全部无人机广播信息，其他子网的无人机默认监听；
S3：在之后的迭代中，所有无人机将自身频率调整至上一轮迭代中获取的邻居无人机所处的频率平均值，每个子网按照编号依次处理，该子网的全部无人机广播信息，其他子网的无人机默认监听，直到收集到的频率数据能够通过线性组合计算出所有无人机的频率平均值为止；S4：通过平均一致性算法计算并调整至平均频率，各个无人机之间通过三次握手过程，完成整体网络的信道交汇。
[0007]进一步，步骤S1中，邻居信息被保存在各个无人机的存储器中，所述邻居信息用邻接矩阵表示，无人机根据邻接矩阵中的邻居信息划分确定自身所处的子网，确定子网的方式是：仅对未划分子网的剩余无人机按照编号依次处理，初始化一个新的子网，若一个无人机和其邻居无人机没有被划分该子网，则将该无人机归入该子网。
[0008]进一步，网络中的每一个无人机都完成一次广播记作一轮迭代，每一轮迭代经历若干个时隙，在第一次迭代的各个时隙中，各个子网依据排序选出一个无人机进行广播，其他无人机进行信道感知。
[0009]进一步，具体广播过程为：在第一次迭代中，无人机在自身初始频率信道上发送一个hello信息，其他邻居无人机可以在整个信道上监测到特定频率出现峰值，获取该频率的信息，进行特征提取，分析其来自哪一个邻居无人机，各无人机将感知到的邻居无人机所处频率值保存在本地存储器中；在一次迭代中，所有无人机广播且只广播一次；在之后的迭代中，各无人机在上一轮感知到的邻居无人机所处频率值的平均值频率信道上广播。
[0010]进一步，步骤S4中，平均一致性算法的具体流程如下：第一步：获取信息无人机计算收集到能够计算出平均一致频率的信息所需的迭代轮次，在每一次迭代中获取邻居无人机的频率信息，并将其保存在本地存储器中，直到完成所需的迭代轮次为止；第二步：计算平均频率根据无人机蜂群网络的邻接矩阵，计算出各个迭代中信息利用的权值向量，再结合本地存储器内的频率信息，计算出平均频率。
[0011]进一步，无人机停止迭代的判定为：对于任意无人机，当存储在该无人机中的频率数据可以通过线性组合计算出所有无人机的频率的平均值时，停止迭代。
[0012]进一步，能够计算出平均一致频率的信息所需的迭代轮次的计算方法如下：每个无人机都计算各个节点所需的最小迭代轮次，再从各个节点的最小迭代轮次中选取其中的最大值，即为整个无人机蜂群网络所需的迭代轮次；定义为各无人机的初始频率，定义表示由下标包含于节点的邻居节点编号中的单位矩阵的行组成的矩阵，定义矩阵为一个对角元素，其对角元素为各节点邻居数量的倒数，对于节点，其第t轮迭代保存在存储器中的数据可以表示为向量，因此，经过t轮迭代后，其邻居信道频率信息表中的数据可以用矩阵形式表示为：
其中表示除了第个位置元素为1，其他位置元素均为0的列向量，表示转置符号；节点所需的最小迭代轮次为：当存储在该节点中的频率数据可以通过线性组合计算出所有节点的频率的平均值时的最小轮次，即对于如下等式：存在一个权值向量，使得上式成立时的最小整数，为节点所需的最小迭代轮次；左边展开后，可以简化为如下等式：其中表示元素全为1的列向量；可以通过解决如下最优化问题求解：可以通过解决如下最优化问题求解：如此，就可以计算得到各个节点所需迭代的最小轮次，选取其中的最大值，即为无人机蜂群网络所需的最小迭代轮次。设表示节点的频率达到平均一致所需的最少迭代轮次，那么可以通过下式计算出：。
[0013]进一步，所述权值向量表示节点对每次迭代数据的利用程度，其可以通过下式计算出：。
[0014]进一步，将无人机蜂群网络建模为对称网络场景，即在无人机蜂群网络中的所有无人机可以利用的以及可以感知到的通信信道集都是相同的。
[0015]进一步，两个或多个无人机在同一信道上尝试建立通信链接的过程称为是信道交汇；当所有无人机调整至同一平均频率后，网络中的各无人机与邻居无人机一一完成三次握手，建立通信链接，由此实现无人机蜂群网络信道交汇。
[0016]根据本专利技术的基于平均一致性算法的无人机蜂群网络信道交汇方法，当无人机群在执行任务受到干扰，导致所有无人机之间失去通信链接后，各无人机根据已有的无人机邻居关系将无人机网络划分为若干个子网，在第一个时隙中，每个子网的一个无人机在自身所处信道上广播，其本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于平均一致性算法的无人机蜂群网络信道交汇方法，其特征在于，无人机蜂群网络在受到干扰断开通信链接后，开始实施以下步骤：S1：每个无人机根据已知的邻居信息，确定自身所处的子网；S2：在第一轮迭代中，每个子网按照编号依次处理，一个子网的全部无人机广播信息，其他子网的无人机默认监听；S3：在之后的迭代中，所有无人机将自身频率调整至上一轮迭代中获取的邻居无人机所处的频率平均值，每个子网按照编号依次处理，一个子网的全部无人机广播信息，其他子网的无人机默认监听，直到收集到的频率数据能够通过线性组合计算出所有无人机的频率平均值为止；S4：通过平均一致性算法计算并调整至平均频率，各个无人机之间通过三次握手过程，完成整体网络的信道交汇。2.根据权利要求1所述基于平均一致性算法的无人机蜂群网络信道交汇方法，其特征在于，步骤S1中，邻居信息被保存在各个无人机的存储器中，所述邻居信息用邻接矩阵表示，无人机根据邻接矩阵中的邻居信息划分确定自身所处的子网，确定子网的方式是：仅对未划分子网的剩余无人机按照编号依次处理，初始化一个新的子网，若一个无人机和其邻居无人机没有被划分子网，则将该无人机归入所述新的子网。3.根据权利要求1所述基于平均一致性算法的无人机蜂群网络信道交汇方法，其特征在于，网络中的每一个无人机都完成一次广播记作一轮迭代，每一轮迭代经历若干个时隙，在第一次迭代的各个时隙中，各个子网依据排序选出一个无人机广播信息，其他无人机进行信道感知。4.根据权利要求3所述基于平均一致性算法的无人机蜂群网络信道交汇方法，其特征在于，具体广播过程为：在第一次迭代中，无人机在自身初始频率信道上发送一个hello信息，其他邻居无人机在整个信道上监测到特定频率出现峰值，获取该频率的信息，进行特征提取，分析其来自哪一个邻居无人机，各无人机将感知到的邻居无人机所处频率值保存在本地存储器中；在一次迭代中，所有无人机广播且只广播一次；在之后的迭代中，各无人机在上一轮感知到的邻居无人机所处频率值的平均值频率信道上广播。5.根据权利要求1所述基于平均一致性算法的无人机蜂群网络信道交汇方法，其特征在于，步骤S4中，平均一致性算法的具体流程如下：第一步：获取信息无人机计算收集到能够计算出平均一致频率的信息所需的迭代轮次，在每一次迭代中获取邻居无人机的频率信息，并将其保存在本地存储器中，直到完成所需的迭代轮次为止；第二步：计算平均频率根据无人机蜂群网络的邻接矩阵，计算出各个迭代中...

【专利技术属性】
技术研发人员：张博，王云璐，
申请(专利权)人：中国人民解放军军事科学院国防科技创新研究院，
类型：发明
国别省市：