[發明專利]一種無人機自組網定向接入協議優化設計方法

在審

• 申請號: 202110273497.4
• 申請日: 2021-03-06
• 公開（公告）號: CN113038512A
• 公開（公告）日: 2021-06-25
• 發明（設計）人: 雷磊;范兼睿;蔡圣所;張莉涓;王睿;黃加紅;趙楠
• 申請（專利權）人: 南京航空航天大學
• 主分類號: H04W24/02
• 分類號: H04W24/02;H04W24/06;H04W40/24;H04W48/04;H04W84/18
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• 代理人: 暫無信息

本發明公開了一種無人機自組網定向接入協議優化設計方法，該方法通過對無人機自組網中鄰居發現過程和鏈路維持時間進行建模，得到了不同波束寬度下的鄰居發現速度和鏈路持續時間的結果，隨后，本發明建立了最小化協議時間開銷模型，創新地在優化模型中引入網絡鏈路平衡的思想，并以網絡總鏈路數為評價指標，對網絡時間開銷進行分析，得到了最優網絡結構。本方法解決了無人機自組網在裝備定向天線條件下的MAC協議的結構優化問題，能夠提升協議性能，為實際無人機自組網的協議設計和網絡構建提供了一定的參考和指導。

技術領域

本發明涉及無人機自組網定向接入領域，尤其涉及一種無人機自組網定向接入協議優化設計方法。

背景技術

其次，在軍事領域，受無人機大小、載荷和能源限制，單架無人機的作戰能力通常不足，其偵察范圍和載彈量相較于有人作戰飛機通常較小。而無人機集群就是為了提升無人機作戰效能和增強抗毀性的一種新型作戰方式。考慮到對網絡抗毀性的要求，無人機集群通常采用分布式方法，即采用無人機自組網的網絡形式來解決完成預定任務，這種網絡不依靠地面基礎設施，并且網絡中的每個無人機節點處于同等地位，有較強的抗毀性能。集群中每架無人機通過特定的算法，相互配合并最終能夠自主地完成特定的任務。在現實中，無人機應用最多的場景仍然為對山區、高原，近海等區域的各類偵察工作，在對任務區域的偵察和無人機自組網通信過程中，無人機需要采用定向天線以減少被敵方發現的概率，但在這種情況下，無人機自組網需要定向MAC協議來完成組網，并且需要針對網絡的不同參數而對協議結構進行優化，這是一個極其重要并具有現實意義的研究方向。

發明內容

發明目的：針對上述無人機自組網定向接入的場景，本發明提出一種無人機自組網定向接入協議優化設計方法，對無人機自組網的鄰居發現和鏈路斷開過程進行建模，得到了不同波束寬度下的鄰居發現速度和鏈路持續時間的結果。然后，本發明建立了最小化協議時間開銷模型，創新地在優化模型中引入網絡鏈路平衡的思想，并以網絡總鏈路數為評價指標，對網絡時間開銷進行分析，得到了最優網絡結構。

技術方案：為實現本發明的目的，本發明所采用的技術方案是：一種無人機自組網定向接入協議優化設計方法，具體包括以下步驟：

步驟1：給定無人機定向自組網接入協議結構，確定無人機自組網的節點數目，無人機運動速度、無人機天線波束寬度；

步驟2：根據無人機天線波束寬度計算網絡中每架無人機的鄰居發現速度；

步驟3：根據無人機天線波束寬度和無人機運動速度，計算無人機鏈路斷開速度；

步驟4：建立最小化協議時間開銷的協議單幀鄰居發現子幀數目、網絡期望鏈路數和協議時幀長度三參數優化模型；

步驟5：簡化協議結構優化模型為只和網絡期望鏈路數有關的單參數優化模型，對網絡期望鏈路數進行一維搜索，求得全局最優的協議時間開銷以及此時的協議單幀鄰居發現子幀數目和協議時幀長度。

無人機定向自組網接入協議結構，確定無人機自組網的節點數目，無人機運動速度、無人機天線波束寬度的具體步驟如下：

步驟1-1：設定MAC協議時幀結構為同步協議類型，把時間劃分為連續同步的時幀，每個時幀均包含三個部分，即鄰居發現階段、鄰居輪詢階段和數據傳輸階段；

步驟1-2：設定每個時幀的鄰居發現階段中包含了η個發現子幀，而每一個發現子幀都包含一個基于隨機退避的三次握手過程，也就是兩個無人機節點會隨機選擇一個天線波束方向后，發送節點先發送TONE幀，接收節點會回復TONE-ACK幀，隨后發送節點會回復ACK幀完成鄰居發現，其中第一二個過程均需要進行選取一個[0，W]之間的整數作為退避值進行退避；

步驟1-3：設定數據輪詢階段包含若干個輪詢子幀，每個輪詢子幀內已經建立的通信鏈路中的兩個無人機節點會相互通信進行周期性的鏈路維護工作；