[發明專利]一種無人機自組織網絡的路由建立方法及系統

有效

• 申請號: 202110019348.5
• 申請日: 2021-01-07
• 公開（公告）號: CN112822752B
• 公開（公告）日: 2022-10-25
• 發明（設計）人: 郭晶晶;高華敏;馬建峰;劉志全;李興華;魏旭亮
• 申請（專利權）人: 西安電子科技大學
• 主分類號: H04W40/32
• 分類號: H04W40/32;H04L45/02;H04B7/185;H04W84/06
• 代理公司: 西安通大專利代理有限責任公司 61200
• 代理人: 房鑫

1.一種無人機自組織網絡的路由建立方法，其特征在于，包括以下步驟：

預定義默認分簇策略，基于默認分簇策略進行網絡分簇，得到網絡的初始簇結構；

所述預定義默認分簇策略時，假設無人機自組織網絡擁有N個節點，每個節點具有獨一無二的身份標識，對于第i個節點，其身份標識記為ID_i；對于身份標識記為ID_i的任意節點，與其相關的記號如下：

W_table_i：節點的效用消息列表，用于存儲接收到的效用消息；

CH_table_i：節點的簇頭消息列表，用于存儲接收到的簇頭聲明消息；

N_table_i：節點的鄰居列表，用于存儲接收到的Hello消息中攜帶的鄰居節點的信息；

GP_i＝{La_i，Lo_i}：節點的地理位置，其中La_i表示節點的緯度，Lo_i表示節點的經度；

節點ID_i的速度，v表示節點的當前速率，θ表示節點的當前飛行角度；

節點的角色；

節點的當前效用；簇頭節點擁有簇內所有節點中最大的效用值，其中，s_k_i表示該節點的效用因子的值，w_k表示效用因子的權重，滿足

ID_i與身份標識記為ID_j的節點在分簇過程中能夠發送以下幾類消息：

消息；ID_i向外廣播其基本信息；

M_i＝ID_i||W_i：ID_i的效用值的消息；

CH_i＝ID_i||W_i||CH：簇頭聲明消息；ID_i向外廣播其角色為簇頭節點的消息；

join(i，j)＝ID_i||ID_j||REQ_JOIN：簇加入請求消息；ID_i請求加入ID_j作為簇頭的簇；

res_join(j，i)＝ID_j||ID_i||RES_JOIN：簇加入響應消息；ID_j允許ID_i加入其所在簇；

所述網絡分簇的方法包括以下步驟：

S1、初始化：

每個無人機節點向外廣播Hello消息，根據接收到的外部Hello信息更新鄰居列表N_table_i；

S2、簇頭選舉：

每個無人機節點根據當前的鄰居列表和自身的信息計算自己的效用因子；

每個無人機節點根據效用因子計算效用值；

向外廣播消息M_i，同時接受其他鄰居節點發送的消息M_j，j≠i，并將這些消息按照降序存儲于效用消息列表W_table_i中；如果節點ID_i的效用值為效用消息列表W_table_i中的最大值，則節點ID_i將作為簇頭節點，記R_i＝0，并向外廣播消息CH_i；否則，進入S3；

S3、將簇節點加入簇；

3.1.節點ID_i接收來自其他節點的消息CH_j，j≠i，并存儲于簇頭消息列表CH_table_i中；

3.2.節點ID_i順序查找CH_table_i中的每一個元素CH_j，j≠i，若：

(1)W_j＞W_i，且

(2)LHTP^i，j＞σ，LHTP^i，j表示節點ID_i與ID_j的鏈路保持時間，

則節點ID_i向節點ID_j發送簇加入請求消息join(i，j)；

如果節點ID_i接收到節點ID_j發送的響應消息res_join(j，i)，節點ID_i加入節點ID_j為簇頭節點的簇，節點ID_i的角色R_i＝j；否則查找CH_table_i中的下一個元素，重復步驟3.2的過程；

3.3如果步驟3.2結束后，節點ID_i仍未成功加入簇，則節點ID_i將聲明為簇頭，R_i＝0，并向外廣播消息CH_i；

S4、建立骨干網：無人機節點ID_i定期獲取鄰居節點的簇信息，如果節點ID_i發現其鄰居節點ID_j與自己不屬于同一個簇，則通知其簇頭并申請成為簇間轉發節點，節點ID_i與其簇頭將記錄節點ID_j及其簇頭信息，形成簇間路由轉發的骨干網架構；

S5、無人機節點定期廣播并接收Hello消息進行簇維護；

所述的步驟S5分為以下情況進行簇維護：

新節點加入：簇頭節點ID_i收到節點ID_j發送的消息join(j，i)，節點ID_i向ID_j發送消息res_join(i，j)并更新其簇成員列表；

簇成員表維護：簇頭節點定期檢查其簇成員列表中的節點是否保持在簇內，刪除無效簇內節點；

簇頭更換：普通節點定期檢查與簇頭的通信鏈路是否有效，若與簇頭無法通信，則退出該簇頭所在的簇，并進入簇節點加入簇階段重新選擇簇頭；

骨干網維護：所有節點定期發送與接收Hello消息，結合骨干網建立方法動態決定承擔或放棄轉發節點；

重新分簇：當節點接收到分簇策略服務器發送的分簇策略更新消息，則重新進行分簇；

基于強化學習設計無人機自組織網絡的路由動態調整模型；

對各網絡節點設置基于網絡拓撲穩定性的懲罰函數，各網絡節點反饋懲罰函數的輸出，根據反饋信息動態更新路由動態調整模型，并選取最優分簇策略提供給各網絡節點；

獲取穩定的基于分簇的簇結構，建立各網絡節點的路由；

采用Q-learning算法進行強化學習，節點的四個效用因子所組成的四元組ss＝s_1_i，s_2_i，s_3_i，s_4_i表示節點的狀態空間，四個效用因子的權重值所組成的四元組as＝w₁，w₂，w₃，w₄表示網絡的動作空間，k時刻下網絡的全局狀態用記號S^(k)表示，其計算方法如公式(8)，(9)：

H_i＝-∑P_ilogP_i (9)

公式(8)中的H_i表示網絡中所有無人機節點的狀態空間中第i個元素s_i的信息熵；

定期收集各無人機節點的狀態來計算S^(k)，基于Q-table利用公式(10)選擇最優動作a^(k)＝{w1，w2，w3，w4}作為各節點的四個效用因子的權重；

a^(k)＝a′，Q(S^(k)，a′)＝max{Q(S^(k)，a)|a∈as} (10)

無人機自組織網絡基于分簇策略進行分簇，并在分簇結束后定期計算激勵值進行反饋；

激勵值計算方式按照公式(11)與(12)中的激勵函數：

公式(12)中的λ的取值被設置為0.75，為指標函數，count_role是T時間內節點的角色變換次數，如果count_role值小于返回1，否則返回-1；

E_c用來描述T時間內節點能量的變化，其計算方式如公式(13)與(14)：

E_c＝1-2ΔE (13)

式中，E_t+T1表示t+T1時刻節點ID_i的剩余能量，E_t表示t時刻節點ID_i的剩余能量，E₀表示節點ID_i的初始能量；

將所有節點的激勵值的平均值作為當前動作的激勵值并更新其R-table，根據公式(15)更新Q-table；其中s為網絡當前狀態，a為當前動作，R^(k)為當前動作的激勵值，γ為折扣因子，α為學習速率，根據無人機網絡應用環境，設置γ＝0，α＝0.8：

Q(s，a)←Q(s，a)+α[R^(k)+γmax_a′Q(s′，a′)-Q(s，a)] (15)。