[發明專利]基于位置預測的編隊無人機路由協議

在審

• 申請號: 202110264134.4
• 申請日: 2021-03-11
• 公開（公告）號: CN115087065A
• 公開（公告）日: 2022-09-20
• 發明（設計）人: 江虹;朱笛;張秋云
• 申請（專利權）人: 西南科技大學
• 主分類號: H04W40/10
• 分類號: H04W40/10;H04W40/20;H04W40/24;H04W84/18
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

本發明提出了一種基于位置預測的編隊無人機路由協議，涉及路由協議領域，包括：發現鄰居節點并建立組網結構；計算節點間的最大通信距離；預測節點軌跡并計算節點間通信概率；結合Dijkstra算法與A?Star算法計算出最多3條備選路徑；分別計算每條路徑的連通率，并記錄路徑上的最小電池剩余量；綜合評估備選路徑，將評估出的最優路徑作為本發明涉及路由協議的數據傳輸路徑。該協議緩解了由于拓撲結構變化而引起的洪泛資源占用問題，并同時保證了數據傳輸的成功率和時效性。

技術領域

本發明涉及無線通信領域，具體涉及基于位置預測的編隊無人機路由協議。

背景技術

隨著無人機技術的發展，編隊無人機組憑借其低成本的優勢越來越多地被應用到各種場景下完成復雜的任務。在無人機高速移動的狀態下，編隊無人機組的拓撲結構會有較大的變化。傳統路由協議在拓撲結構不穩定情況下的數據丟包、信道阻塞、命令時延高等問題亟待解決，這些問題會極大地降低無人機組的工作能力。

Optimized Link State Routing（OLSR）是一種先應式路由協議，在整個生存周期里每個節點都周期性地發送HELLO信息進行鄰居尋找，并將拓撲結構加入TC信息通過MPR中繼節點洪泛到整個網絡。當有數據包傳輸時，源節點直接在當前的路由表中計算出最短路徑并按照此路徑將數據包傳輸到目標節點。這一過程相對于其他路由具有較高的時效性，但路由性能受拓撲結構影響較大，頻繁變化的拓撲結構會使得節點不停地洪泛TC信息占用組網資源，極大地降低網絡性能。

Dhurandher等人在《Journal of Parallel and Distributed Computing》（2018，vol.118，pp.369-378）上發表的“A location Prediction-based routing scheme foropportunistic networks in an IoT scenario”中提出采用馬爾科夫鏈進行位置預測的路由方案，該方案通過劃分源節點的通信范圍來構造馬爾科夫轉移概率矩陣，有效地提高了位置預測的準確性。雖然該方案相對于EDR、HBPR、Epidemic等方案有性能上的提升，但預測算法僅能預測出節點出現在某一范圍的概率，無法準確預測出節點坐標。

Lin Lin等人在“2012 IEEE Globecom Workshops”（3-7 Dec. 2012）會議上的“AGeographic Mobility Prediction Routing Protocol for Ad Hoc UAV Network”中提出了一種地理移動性預測的路由協議，該協議推導出了無人機位置概率密度函數的高斯分布，能夠有效減小高機動性的影響，并提出基于兩跳節點的轉發策略來減少路由空洞的影響。雖然該協議有效減小了高機動性的影響，但數據的轉發策略卻僅依賴當前節點的一跳鄰居和二跳鄰居，沒有考慮系統的整體拓撲結構，導致選擇的策略總是局部最優而不是全局最優。

本發明提出一種基于位置預測的編隊無人機路由協議，旨在克服無人機系統中拓撲結構頻繁變化的問題，并保證數據包的傳輸成功率和時效性。

發明內容

本發明所要解決的問題是提供基于位置預測的編隊無人機路由協議，解決編隊環境下洪泛資源占用過高，數據包傳輸失敗率高和時效性低的問題。

本發明為解決上述問題所采用的技術方案是基于位置預測的編隊無人機路由協議，所述路由流程框圖如圖1所示，包括如下步驟：

步驟一：無人機按照傳統先應式路由協議建立拓撲結構；

步驟二：計算節點間的最大通信距離d_max；

步驟三：在預測間隔內將無人機加速度看作均值為零方差為恒定值的高斯變量，經推導得到無人機三維坐標的聯合概率密度函數，由聯合概率密度求得無人機的位置軌跡坐標點集合；

步驟四：根據節點的坐標預測結果計算節點間在預測間隔內的歐氏距離，將此距離和節點間最大通信距離相比較得到節點預測位置間的通信概率P；

步驟五：結合Dijkstra算法與A-Star算法計算出最多3條備選路徑，并在計算過程中參考預測位置間的通信概率P；