面向无人机组网的双频协作制造技术

本申请涉及一种面向无人机组网的双频协作

【技术实现步骤摘要】
面向无人机组网的双频协作MAC协议的性能分析方法


[0001]本申请涉及无人机自组网
，特别是涉及一种面向无人机组网的双频协作
MAC
协议的性能分析方法
。

技术介绍

[0002]双频协作
MAC
协议是结合了高频段在高传输速率
、
强抗干扰能力与低频段在网络维护和控制方面的优势，来提高整个无人机网络的通信的可靠性和传输效率
。
现有的无人机网络大多是基于单个工作频率
(
高频或低频
)
来设计的
MAC
协议
。
传统的低频微波频段
(sub
‑
6GHz)
被大量占用，频谱资源日益短缺，拥挤严重
。
该频段已经难以满足新兴业务和应用场景对于高吞吐量的传输需求
。
毫米波等高频段
(30
‑
300GHz)
因频谱资源丰富和较强的抗干扰能力，近年来受到了较多的关注
。
但是毫米波的衰减严重，通常采用波束成形技术形成定向波束增大传输距离
。
面对高速移动的无人机网络，波束的方向性导致通信网络耗费大量的时间用于波束训练，开销较大
。
[0003]故目前需要提出一种对双频协作
MAC
协议进行性能分析来指导双频协作
MAC
协议进行改进进而提高网络吞吐量，降低开销的方法，
MAC
协议的性能分析可以有效评估各个参数对协议性能的影响，有着指导性意义
。

技术实现思路

[0004]基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种能够对双频协作
MAC
协议进行性能分析的面向无人机组网的双频协作
MAC
协议的性能分析方法
。
[0005]一种面向无人机组网的双频协作
MAC
协议的性能分析方法，所述方法包括：
[0006]将无人机组网中的节点分别配置全向天线的收发机和定向天线的收发机，全向天线的收发机工作在低频信道，定向天线的收发机工作在高频信道；低频信道为控制信道；高频信道为数据信道；无人机组网包括一对源节点和目的节点；
[0007]源节点和目的节点之间根据双频协作
MAC
协议进行数据传输，对数据传输过程中控制信道的成功预约时长和数据信道的数据传输时长进行比较，若成功预约时长不小于数据传输时长，则采用二进制指数退避机制竞争控制信道，并根据二维马尔可夫模型计算得到饱和吞吐量；
[0008]若成功预约时长小于数据传输时长，则将并发链路的数量建模为空间复用系数，再根据节点的位置关系和链路关系判定准则对空间复用系数求解，并根据求解后的空间复用系数计算得到饱和吞吐量；饱和吞吐量为双频协作
MAC
协议的性能分析结果
。
[0009]在其中一个实施例中，源节点和目的节点之间根据双频协作
MAC
协议进行数据传输的过程包括：
[0010]源节点通过二进制指数退避机制竞争控制信道，在信道竞争成功后，将目的节点
ID、
源节点的本地位置信息写入到
RTS
帧，发给目的节点；
[0011]目的节点根据源节点的本地位置信息计算出接收波束方向并在邻居信息列表中
检查对应波束的多波束网络分配矢量，得到目的节点的信道标志；将源节点
ID、
目的节点的本地位置信息和信道标志写入
CTS
帧中发给源节点；
[0012]源节点根据目的节点的本地位置信息计算出接收波束方向并在邻居信息列表中检查对应波束的多波束网络分配矢量，得到源节点的信道标志；将源节点的本地位置信息
、
目的节点的本地位置信息
、
数据传输时间
、
源节点的信道标志位写入到
RES
帧中广播给无人机组网中的其他所有节点；
[0013]目的节点接收到
RES
帧后调整接收波束方向接收数据帧，在接收的过程中计算目的节点的接收功率和干扰功率，根据接收功率和干扰功率计算得到目的节点处的信干噪比；将信干噪比写入到
ACK
帧中发送给源节点；
[0014]源节点将信干噪比与预先设置的信干噪比阈值进行比较，根据比较结果和上一个
ACK
提供的位置信息调整接收波束的方向并根据接收波束的相邻波束构建波束集合，将波束集合添加到发送波束训练单元中，再将发送波束训练单元附加到数据帧中发送给目的节点；
[0015]目的节点收到数据帧后将各个方向波束的信干噪比测量结果写入
BRP
帧，在
ACK
帧后发送
BRP
帧发送给源节点；
[0016]源节点接收
BRP
帧后对各个方向波束的信干噪比测量结果进行比较，根据比较结果选择通信波束来传输数据分组并退出波束追踪
。
[0017]在其中一个实施例中，预先设置的信干噪比阈值包括链路第一阈值和链路第二阈值；源节点将信干噪比与预先设置的信干噪比阈值进行比较，根据比较结果和上一个
ACK
提供的位置信息调整接收波束的方向并根据接收波束的相邻波束构建波束集合，包括：
[0018]源节点将信干噪比与预先设置的信干噪比阈值进行比较，若信干噪比小于链路第一阈值，则根据上一个
ACK
提供的位置信息调整接收波束的方向并根据接收波束的相邻波束构建波束集合
。
[0019]在其中一个实施例中，源节点接收
BRP
帧后对各个方向波束的信干噪比测量结果进行比较，根据比较结果选择通信波束来传输数据分组并退出波束追踪，包括：
[0020]源节点接收
BRP
帧后对各个方向波束的信干噪比测量结果进行比较，若存在一个或多个波束方向的信干噪比测量结果大于链路第二阈值，则源节点选择信干噪比测量结果中最大波束方向作为通信波束，继续传输数据分组并退出波束追踪；若信干噪比测量结果大于信干噪比并且所有信干噪比测量结果小于链路第二阈值，则认为没有选择到需要的波束，继续执行此步骤；若所有信干噪比测量结果都小于信干噪比，则认为无人机通信链路将断开，重新在公共控制信道上竞争和预约
。
[0021]在其中一个实施例中，采用二进制指数退避机制竞争控制信道，并根据二维马尔可夫模型计算得到饱和吞吐量，包括：
[0022]设置无人机组网中的竞争控制信道的竞争窗口为
W
i
＝2i
W0,i≤m
，其中
W
i
表示第
i
阶竞争窗口的大小，
m
表示最大退避阶数，
W0代表退避过程所采用的最小竞争窗口；
[0023]在退避过程中本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种面向无人机组网的双频协作
MAC
协议的性能分析方法，其特征在于，所述方法包括：将无人机组网中的节点分别配置全向天线的收发机和定向天线的收发机，所述全向天线的收发机工作在低频信道，定向天线的收发机工作在高频信道；所述低频信道为控制信道；所述高频信道为数据信道；所述无人机组网包括一对源节点和目的节点；所述源节点和目的节点之间根据双频协作
MAC
协议进行数据传输，对数据传输过程中控制信道的成功预约时长和数据信道的数据传输时长进行比较，若所述成功预约时长不小于数据传输时长，则采用二进制指数退避机制竞争控制信道，并根据二维马尔可夫模型计算得到饱和吞吐量；若所述成功预约时长小于数据传输时长，则将并发链路的数量建模为空间复用系数，再根据节点的位置关系和链路关系判定准则对空间复用系数求解，并根据求解后的空间复用系数计算得到饱和吞吐量；所述饱和吞吐量为所述双频协作
MAC
协议的性能分析结果
。2.
根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述源节点和目的节点之间根据双频协作
MAC
协议进行数据传输的过程包括：源节点通过二进制指数退避机制竞争控制信道，在信道竞争成功后，将目的节点
ID、
源节点的本地位置信息写入到
RTS
帧，发给目的节点；目的节点根据所述源节点的本地位置信息计算出接收波束方向并在邻居信息列表中检查对应波束的多波束网络分配矢量，得到目的节点的信道标志；将源节点
ID、
目的节点的本地位置信息和所述信道标志写入
CTS
帧中发给源节点；源节点根据所述目的节点的本地位置信息计算出接收波束方向并在邻居信息列表中检查对应波束的多波束网络分配矢量，得到源节点的信道标志；将源节点的本地位置信息
、
目的节点的本地位置信息
、
数据传输时间
、
源节点的信道标志位写入到
RES
帧中广播给无人机组网中的其他所有节点；目的节点接收到
RES
帧后调整接收波束方向接收数据帧，在接收的过程中计算所述目的节点的接收功率和干扰功率，根据所述接收功率和干扰功率计算得到目的节点处的信干噪比；将信干噪比写入到
ACK
帧中发送给源节点；源节点将所述信干噪比与预先设置的信干噪比阈值进行比较，根据比较结果和上一个
ACK
提供的位置信息调整接收波束的方向并根据接收波束的相邻波束构建波束集合，将所述波束集合添加到发送波束训练单元中，再将发送波束训练单元附加到数据帧中发送给目的节点；目的节点收到数据帧后将各个方向波束的信干噪比测量结果写入
BRP
帧，在
ACK
帧后发送
BRP
帧发送给源节点；源节点接收
BRP
帧后对各个方向波束的信干噪比测量结果进行比较，根据比较结果选择通信波束来传输数据分组并退出波束追踪
。3.
根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述预先设置的信干噪比阈值包括链路第一阈值和链路第二阈值；源节点将所述信干噪比与预先设置的信干噪比阈值进行比较，根据比较结果和上一个
ACK
提供的位置信息调整接收波束的方向并根据接收波束的相邻波束构建波束集合，包括：源节点将所述信干噪比与预先设置的信干噪比阈值进行比较，若信干噪比小于链路第
一阈值，则根据上一个
ACK
提供的位置信息调整接收波束的方向并根据接收波束的相邻波束构建波束集合
。4.
根据权利要求3所述的方法，其特征在于，源节点接收
BRP
帧后对各个方向波束的信干噪比测量结果进行比较，根据比较结果选择通信波束来传输数据分组并退出波束追踪，包括：源节点接收
BRP
帧后对各个方向波束的信干噪比测量结果进行比较，若存在一个或多个波束方向的信干噪比测量结果大于链路第二阈值，则源节点选择信干噪比测量结果中最大波束方向作为通信波束，继续传输数据分组并退出波束追踪；若信干噪比测量结果大于信干噪比并且所有信干噪比测量结果小于链路第二阈值，则认为没有选择到需要的波束，继续执行此步骤；若所有信干噪比测量结果都小于信干噪比，则认为无人机通信链路将断开，重新在公共控制信道上竞争和预约
。5.
根据权利要求1所述的方法，其特征在于，采用二进制指数退避机制竞争控制信道，并根据二维马尔可夫模型计算得到饱和吞吐量，包括：设置无人机组网中的竞争控制信道的竞争窗口为
W
i
＝2i
W0,i≤m
，其中
W
i
表示第
i
阶竞争窗口的大小，
m
表示最大退避阶数，
W0代表退避过程所采用的最小竞争窗口；在退避过程中，如果信道空闲每经过一个时隙，计数器减1；若检测到信道忙，计数器停止并且保存剩余的退避时隙数；当控制信道再次空闲一个
DIFS
后，每经过一个空闲时隙，计数器从上次剩余的时隙数继续减1；当计数器的值减至0时，节点发送控制帧
RTS
，假设控制帧
RTS
发生冲突的条件概率为
p
，二维状态
(i,k)
中的
i
表示退避级数，
k
表示退避计数器中的当前值，则状态转移概率为根据所述状态转移概率设置二维马尔科夫链的稳态概率为对所述稳态概率进行归一化处理，根据归一化后的稳态概率计算得到节点在每个时刻的发送概率为其中，
p
可以表示为
p
＝1‑
(1
‑
τ
)
n
‑1则节点总数为
根据所述节点在每个时刻的发送概率和节点总数设置信道空闲概率，成功传输概率和传输碰撞概率；利用双频协作
MAC
协议的机制设置控制帧
RTS
传输的...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵海涛，魏急波，王喆，熊俊，张姣，王海军，黄圣春，辜方林，张晓瀛，刘潇然，
申请(专利权)人：中国人民解放军国防科技大学，
类型：发明
国别省市：