一种基于子网络协同的无人机数据转发方法技术

本发明专利技术提出了一种基于子网络协同的无人机数据转发方法。该方法包括以下步骤：(1)地面节点自发组建子网络，使每个节点能够转发同一子网内其他节点的数据；(2)调度无人机至失联区域，获取子网络信息以及在不同位置悬停时与子网络的连接状态；(3)根据无人机收集的悬停在不同位置时能够连接的子网络情况，从悬停位置中选择无人机作为中继的部署位置，使得在无人机中继数量有限的情况下，最大化能够连通的失联节点数量；(4)无人机飞行至部署位置作为中继进行数据转发。本发明专利技术优点在于通过部署有限数量的无人机中继，能最大化恢复网络路由，延长网络生命周期。延长网络生命周期。延长网络生命周期。

【技术实现步骤摘要】
一种基于子网络协同的无人机数据转发方法


[0001]本专利技术属于无线网络
，涉及无人机作为中继转发数据时的部署方案。

技术介绍

[0002]无线传感器网络的生命周期受低功耗传感器节点的限制。当部分节点失效，其余节点将无法将数据转发至汇聚节点，因此被认为失联，即网络变得不连通。在这种情况下，通过部署中继节点可以有效恢复路由，从而延长网络的生命周期。由于无人机可以飞越难以直接访问的网络区域，并且能在空中与地面节点通信，收集网络信息，因此将无人机作为中继节点辅助通信得到越来越广泛的应用。当无人机数量有限时，如何部署能够最大化恢复网络通信是一个重要问题。
[0003]传统的部署无人机中继的方法，基于无人机和地面节点的通信半径，利用最小斯坦纳树方法，寻找斯坦纳点，以通过最少数量的无人机恢复整个网络。但实际上，受地形或其他因素的影响，无人机在某些位置的通信状态并非那么理想；并且，当可用的无人机数量不足以连通整个网络时，这种方法无法找到最大化恢复网络连接的部署位置。本专利技术首先利用地面节点自发组成子网络，使得无人机只需与子网络中一个节点通信，即可对所有节点数据进行转发；其次，派遣无人机至失联区域收集地面节点组成的子网络信息，以及在不同位置悬停时与子网络的连接情况，基于收集到的拓扑信息从候选悬停位置中选择部署位置，更贴近实际，并且能在无人机数量有限的情况下最大化恢复网络连接。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的是：根据所考虑的应用场景，部署无人机作为中继转发地面节点数据，使得在无人机数量有限的情况下，最大化能连接的失联节点数量。
[0005]本专利技术的技术方案如下：为了避免当存在一个包含失联节点数量最多，但距离汇聚节点较远的子网络时，陷入局部最优，本专利技术采用启发式的贪婪算法。首先，根据当前的网络连通状态选择部署位置，以连通所有能连通的子网络，记录选择过程中部署位置数量达到限制数量时，恢复通信的失联节点数量；其次，若已选择的部署位置超过限制的无人机数量，则从中删减，最后比较两种部署方案能够连通的失联节点数量，选择更优的作为最后结果。具体步骤分为以下四个：
[0006](1)地面节点自组网络阶段。地面节点之间交互信息，使能够通信的节点组成子网络，同时属于同一子网络的地面节点存储该子网络所有节点的转发数据，以便于无人机只需要选择子网络中任意一个节点通信即可对本子网内所有节点的数据进行转发。
[0007](2)无人机获取子网络信息以及在不同悬停位置与子网络的通信状态。无人机飞行至不同节点上空获取子网络信息，并且在不同位置悬停，记录在该位置时能够连接的子网络情况。
[0008](3)选择限制数量的无人机中继的部署位置。根据子网络信息以及无人机在不同位置悬停时与子网络的通信状态，选择限制数量的部署位置，最大化能够连通的失联节点
数量。
[0009](4)无人机飞行至部署位置悬停作为中继转发数据。
[0010]进一步地，所述步骤(3)中的具体选择方法为：
[0011](3.1)从候选悬停位置中选择部署位置，连通所有能够连通的子网络。记已选择的部署位置数量为D，限制的无人机中继数量为C。在选择过程中，当D＝C时，记录能够连接的失联节点数，记为N1。
[0012](3.2)若在3.1中连通所有子网络所需要的中继数量大于限制的数量，即D＞C时，则从已选的部署位置中进行删减，当部署点数量删减至限制数量C时，记录能够连接的失联节点数，记为N2。
[0013](3.3)若N1≥N2，则选择步骤(3.1)中的部署方案，否则选择(3.2)中的部署方案。
[0014]进一步的，所述步骤(3.1)中的具体选择方法为：
[0015](3.1.1)在选择过程中，将子网络分为两类，一类为通过目前所选部署位置，子网络内的节点能够将数据转发至汇聚节点，称为已连接子网络；另一类为网络内节点尚未恢复与汇聚节点通信的子网络，称为未连接子网络。初始时，仅包含汇聚节点的子网络为已连接子网络。
[0016](3.1.2)初始时，根据收集到的拓扑信息，将能与包含汇聚节点的子网络通信的候选悬停位置记为本轮的候选位置，计算所有候选位置p
j
的权重w
j
，w
j
＝∑n
i
，其中n
i
为未连接且能与悬停在p
j
的无人机相连子网络包含的节点数量，从中选择w
j
最大的侯选位置加入部署位置集合，并将无人机悬停在该位置时能连接的子网络标记为已连接子网络。
[0017](3.1.3)根据更新后的子网络状态，将能与已连接子网络通信的候选悬停位置记为本轮的候选位置，重新每个候选位置的权重w
j
，从中选择能通信节点数量最多的加入部署位置集合，并更新子网络状态。
[0018](3.1.4)重复(3.1.3)，不断迭代，直到已没有子网络能够恢复通信。
[0019]进一步的，所述步骤(3.2)中的具体删减方法为：
[0020](3.2.1)对每个已选的候选悬停位置，尝试将其删除，计算删除后仍然能够与汇聚节点通信的节点数，选择删除后仍然能够与汇聚节点通信的节点数最多的一个位置删除。
[0021](3.2.2)重复(3.2.1)，不断迭代，直到剩余选择的悬停位置数量满足限制的中继数量，即D≤C。
[0022]本专利技术的有益效果包括：
[0023](1)本专利技术提出的数据转发方案将无人机作为连通单个节点问题转化为连通子网络问题，有效延长网络生命周期。
[0024](2)本专利技术基于事先收集的网络拓扑信息选择部署位置，使得在选择过程中无需考虑通信半径，更具现实意义。
[0025](3)本专利技术对无人机作为中继的部署方案进行优化，使得在有限数量无人机下能最大化恢复网络连接。
附图说明
[0026]图1为本专利技术的流程图。
[0027]图2为本专利技术无人机收集信息后得到的拓扑图。
[0028]图3为本专利技术在限制的无人机数量变化情况下恢复网络连通性的效果。
具体实施方式
[0029]本专利分为三个阶段，地面节点自组网络，无人机收集子网络信息和在不同位置悬停时和子网络的连接信息，无人机中继部署位置选择。下面结合附图1对本专利技术做进一步的说明。
[0030]1.地面节点自组网络：
[0031]地面节点通过在网络中广播消息，相互之间能够通信的自发组成子网络。同时属于同一子网络的地面节点存储该子网络所有其他节点的转发数据，使得无人机只需要与子网络中任意一个节点连通即可对本子网内所有节点的数据进行转发。
[0032]2.无人机收集子网络信息，以及在不同位置悬停时与子网络的连接情况：
[0033]无人机按照既定的飞行路径，飞至不同节点上空悬停数秒，探测节点与子网络的隶属关系，并且记录悬停时与子网络的连接情况，从而得到无人机在不同位置悬停时与子网络连接情况的拓扑图，可以用本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于子网络协同的无人机数据转发方法，其特征在于：地面节点自发建立子网络，派遣无人机收集子网络信息和悬停在不同位置时与子网络的通信状态，并基于收集到的拓扑信息从悬停位置中选择部署位置，从而在选择过程中无需基于对通信半径的假设，更贴近实际，具体步骤分为以下四步：(1)地面节点自组网络阶段：地面节点之间交互信息，使相互之间够通信的节点组成子网络，同时属于同一子网络的地面节点存储该子网络所有节点的转发数据，使得无人机只需要选择子网络中任意一个节点通信即可对本子网内所有节点的数据进行转发；(2)无人机获取子网络信息以及在不同位置悬停时与子网络的通信状态：无人机飞行至不同节点上空获取子网络信息，并且在不同位置悬停，记录在该位置时能够连接的子网络情况；(3)选择限制数量的无人机中继的部署位置：根据子网络信息以及无人机在不同位置悬停时与子网络的通信状态，选择限制数量的部署位置，最大化能够连通的失联节点数量；(4)无人机飞行至部署位置悬停作为中继转发数据。2.根据权利要求1所述的一种基于子网络协同的无人机数据转发方法，其特征在于，所述步骤(3)的选择方法为：(3.1)从候选悬停位置中选择部署位置，连通所有能够连通的子网络，记已选择的部署位置数量为D，限制的无人机中继数量为C，在选择过程中，当D＝C时，记录能够连接的失联节点数，记为N1；(3.2)若在(3.1)中连通所有子网络所需要的中继数量大于限制的数量，即D＞C时，则从已选的部署位置中进行删减，当部署点数量删减至限制数量C时，记录能够连接的失联节点数，记为N2；(3.3)若N1≥N2，则选择步骤(3.1)中的部署方案，否则选择(3.2)中的部署方案。3.根据权利要求2所述的一种基于子网络协同的无人机数据转发方案，其特征在...

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