[發明專利]一種基于立方體空間區域劃分的無人機網絡路由選取方法

有效

• 申請號: 201711281440.9
• 申請日: 2017-12-07
• 公開（公告）號: CN108234316B
• 公開（公告）日: 2019-05-31
• 發明（設計）人: 張奇勛;張鵬毅;姜夢磊;馮志勇
• 申請（專利權）人: 北京郵電大學
• 主分類號: H04L12/721
• 分類號: H04L12/721;H04W40/02
• 代理公司: 北京永創新實專利事務所 11121
• 代理人: 姜榮麗

1.一種基于立方體空間區域劃分的無人機網絡路由選取方法，其特征在于：包括如下步驟，

第一步，建立無人機網絡空間區域劃分模型；

假設多個無人機隨機分布在三維的無人機網絡空間中，且無人機類型一致，通信能力相同，移動速度從0到V_max隨機選擇，將無人機看成無人機網絡空間中的一個節點，無人機節點之間的最小的安全距離為L_min，所有無人機均采用全向通信，即滿足通信距離的無人機節點之間均可實現通信；

假設無人機網絡空間符合自由空間模型，且忽略任意兩個無人機節點之間的干擾，則無人機節點i向無人機節點j傳輸信號的信號噪聲比SNR_ij的計算公式為：

其中，P_ij表示無人機節點i向無人機節點j傳輸信號的信號功率，d_ij表示無人機節點i和無人機節點j之間的初始距離，α為大尺度衰落模型的衰減指數，H_ij表示小尺度衰落信道的功率增益，N₀表示無人機節點i和無人機節點j傳輸信號的信道中的高斯白噪聲，且N₀服從(0,N)分布，N為方差；

則無人機節點i向無人機節點j傳輸信號的傳輸成功概率為：

其中，η表示信噪比閾值；

為了保證無人機節點i和無人機節點j之間通信鏈路的服務質量QoS，信號的傳輸成功概率應滿足：

P(SNR_ij≥η)≥ψ (3)

其中，ψ表示QoS在信噪比傳輸概率上的約束閾值，傳輸成功概率大于此約束閾值時信號才能被成功接收；

根據公式(2)，當信號功率P_ij、信道中的高斯白噪聲N₀、衰減指數α一定時，當信號的傳輸成功概率P(SNR_ij≥η)＝ψ時，得到無人機節點之間的最大通信距離d_max為：

假定無人機網絡空間為長為L_l、寬為L_w、高為L_h的大長方體，L_h滿足L≤L_h≤2L，則無人機網絡空間被分割為個邊長為L的小立方體，所述小立方體的邊長L為：

第二步，基于小立方體的路由選擇；

第三步，小立方體中最優無人機節點的選擇；

第四步、求解最優路徑；

第二步所述的基于小立方體的路由選擇，具體如下：

假設無人機路由的最大跳數為4，定義源節點S所在小立方體的位置坐標為g_S(i,j,k)，定義目標節點D所在小立方體的位置坐標為g_D(i,j,k)；

源節點S一跳到達的小立方體的位置坐標g_S1(i,j,k)應滿足：max|g_S(i,j,k)-g_S1(i,j,k)|＝1；

源節點S兩跳到達的小立方體的位置坐標g_S2(i,j,k)應滿足max|g_S(i,j,k)-g_S2(i,j,k)|＝2；

源節點S三跳到達的小立方體的位置坐標g_S3(i,j,k)應滿足max|g_S(i,j,k)-g_S3(i,j,k)|＝3；

目標節點D一跳到達的小立方體位置坐標g_D1(i,j,k)應滿足max|g_D(i,j,k)-g_D1(i,j,k)|＝1；

目標節點D兩跳到達的小立方體的位置坐標g_D2(i,j,k)應滿足max|g_D(i,j,k)-g_D2(i,j,k)|＝2；

目標節點D三跳到達的小立方體的位置坐標g_D3(i,j,k)應滿足max|g_D(i,j,k)-g_D3(i,j,k)|＝3；

以此類推；

假設信息通過無人機網絡空間中每個無人機節點時傳輸失敗的概率相同且定義為p，若第i跳到達的小立方體中無人機節點的數量為C_i，則信息通過這個小立方體傳輸失敗的概率為

端到端連接成功的概率P_C計算公式如下：

其中，h是端到端的跳數，C_i是第i跳到達的小立方體中無人機節點的數量；基于公式(7)，當第i跳到達的小立方體中無人機節點數量增加時，端到端連接成功的概率P_C也會增加；

源節點到目標節點之間跳數h分如下四種情況：

(1)當源節點到目標節點之間跳數h＝1時，源節點直接與目標節點實現通信；

(2)當源節點到目標節點之間跳數h＝2時，第一跳到達的小立方體應在位置坐標為g_S1(i,j,k)的小立方體集合G_S1和位置坐標為g_D1(i,j,k)的小立方體集合G_D1的交集之中，通過使端到端連接成功的概率P_C最大化來選擇出最優的第一跳到達的小立方體，從而得到最優路徑；

(3)當源節點到目標節點之間跳數h＝3時,第一跳到達的小立方體應在位置坐標為g_S1(i,j,k)的小立方體集合G_S1和位置坐標為g_D2(i,j,k)的小立方體集合G_D2的交集之中；同理，第二跳到達的小立方體應在位置坐標為g_S2(i,j,k)小立方體集合G_S2和位置坐標為g_D1(i,j,k)的小立方體集合G_D1的交集之中；如果選擇第一跳到達的小立方體的位置坐標為g_one-hop(i,j,k)，則第二跳到達的小立方體的位置坐標g_two-hop(i,j,k)應滿足|g_one-hop(i,j,k)-g_two-hop(i,j,k)|＝1，遍歷所有符合條件的小立方體路徑，通過使端到端連接成功的概率P_C最大化來選擇出最優的第一跳和第二跳到達的小立方體，從而得到最優的路徑；

(4)當源節點到目的節點之間跳數h＝4時，第一跳到達的小立方體應在位置坐標為g_S1(i,j,k)小立方體集合G_S1和位置坐標為g_D3(i,j,k)的小立方體集合G_D3的交集之中，如果選擇的第一跳到達的小立方體的位置坐標為g_one-hop(i,j,k)，接下來的過程同(3)，遍歷所有符合條件的小立方體，通過使端到端連接成功的概率P_C最大化來選擇出最優的第一跳、第二跳和第三跳到達的小立方體，從而得到最優的路徑；

第三步具體為，

首先定義一個時間ΔT，滿足L_min為任意兩個無人機節點之間的最小安全距離，Δd_ij表示在ΔT時間內無人機節點i和無人機節點j的距離變化量，V_max表示無人機節點的最大移動速度，即在時間ΔT內，兩個無人機節點之間距離的變化小于假設在ΔT這一時間段內無人機節點移動速度不變，則ΔT后無人機節點i和無人機節點j之間的距離變化為：

其中，Δd_x(t)＝(x_i+V_ixt)-(x_j+V_jxt)，Δd_y(t)＝(y_i+V_iyt)-(y_j+V_jyt)，Δd_z(t)＝(z_i+V_izt)-(z_j+V_jzt)；

(x_i,y_i,z_i)表示無人機節點i的初始位置坐標，(V_ix,V_iy,V_iz)表示無人機節點i的移動速度；

(x_j,y_j,z_j)表示無人機節點j的初始位置坐標，(V_jx,V_jy,V_jz)表示無人機節點j的移動速度；

則無人機節點i和無人機節點j之間信號的傳輸成功概率表示為：

無人機節點i和無人機節點j在ΔT時間內距離變化量為：

其中：

根據公式(9)得到：

從公式(11)看出，P(SNR_ij≥η)的關鍵影響因素為初始距離d_ij、距離變化量Δd_ij和信噪比閾值η；

由二項式展開得：

根據公式(11)和(12)，在ΔT時間段內無人機節點i和無人機節點j之間信號的傳輸成功概率簡化為：

其中：

由于端到端之間信號的傳輸成功概率應為信息經過每跳節點的傳輸成功概率P(SNR_ith-hop≥η)的乘積，如公式(14)中得P_E2E所示：

基于公式(13)和(14)，端到端信號的傳輸成功概率P_E2E簡化為公式(15)：

其中，d_ith-hop表示第i跳無人機節點與第i-1跳無人機節點的距離；

第四步具體為，

當每個小立方體中的無人機節點的初始位置和速度已知，s*t參數矩陣PAR_s×t(P_ij)的行s表示第幾條路由、列t表示每個路由的第幾跳無人機節點；矩陣元素P_ij＝P_i(SNR_jth-hop≥η)表示信號通過第i條路由中第j跳節點時的傳輸成功概率，每個路由的端到端信息傳輸成功概率由PE_s×1(PE_i1)表示，則有，

PAR_s×t(P_ij)＝{P_ij,P_ij＝P_i(SNR_jth-hop≥η)} (16)

其中，S_s×1表示一個所有元素為1的s*1的矩陣，所以，得到最大的端到端信號的傳輸成功概率P_E2Emax和最優的路由N如下：

P_E2Emax＝max(PE_s×1(PE_i1)) (18)

N＝arg max(PE_s×1(PE_i1)) (19)。