一种无人机集群的通信管理方法及系统

技术领域

本发明涉及无人机集群通信技术领域，具体涉及一种无人机集群的通信管理方法及系统。

背景技术

信息之间的可靠交换和快速处理在无人机网络系统的设计中显得尤为重要，网络结构设计的多样化可以保证无人机系统在各种复杂情况下，实现多个节点之间的可靠通信。因此，设计一种合理的数据链网络具有重要的意义。

传统的蜂窝网络依赖固定的基础设施，在军用领域或一些紧急场所无法实现可靠的通信，应用受到限制。随着近年来移动自组织网络的发展及其网络的特殊性，人们将这一技术广泛应用到各种领域，尤其在军用、民用、救灾、偏远地区等场合十分适用。移动自组织网络具有无依赖性，灵活性强，可以随时随地的快速进行构建等特点。无人机网络系统采用自组织网络结构，可以加快节点入网时间、提高网络系统的容量，且自组织网络结构特点增强了网络的抗毁性，极大地适应无人机这样的高动态网络。

现有的无人机集群自组织网络的拓扑结构一般采用平面结构。平面结构又称为多跳对等网络结构。自组织网络中的每个节点都各自装载着一套收发装置，由于天线发射功率有限，当网络中某一节点超出自己的通信范围时，需要通过其他节点的转发。由于自组织网络中每一个节点地位是相等的，同时担任两种角色：主机和路由器。所以任何普通节点都可以完成路由器转发这一功能，并不需要专门的路由器来完成。

目前，无人机集群组网通信通常采用时分多址的信道接入方式，时隙资源分配策略是影响时分多址接入(TDMA)网络吞吐量和平均转发时延的重要因素。通常的时隙资源分配策略为静态时隙分配或CSMA竞争接入机制。但是，由于静态时隙分配信道利用效率低、单体传输时延无法保障，因此在实际中采用的并不多，主要还是采用CSMA竞争接入机制，但是在CSMA竞争接入机制下，若无人机交互频繁，还是会导致消息碰撞频繁，信道利用效率低，并且碰撞过于严重还会无法保证无人机基本的信息交互需求。而在消息碰撞的产生原因中，节点重复申请相同时隙是其中最为主要的原因，但在针对相同时隙重复申请这一技术问题上，现有技术中并没有有效的技术手段。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种无人机集群的通信管理方法及系统，用于解决针对相同时隙重复申请现有技术中并没有有效的技术手段的技术问题，从而达到降低消息碰撞频率以及提高信道利用效率的目的。

为解决上述问题，本发明所采用的技术方案如下：

一种无人机集群的通信管理方法，包括以下步骤：

所述无人机集群中的无人机通过时隙信号监听，更新时隙占用状态；

所述无人机集群中的无人机通过查找所述时隙占用状态中的空闲时隙，并将查找到的空闲时隙进行占用；

当所述无人机集群中的无人机接收到其他无人机的时隙占用消息时，根据申请冲突机制发送时隙冲突消息；

当所述无人机集群中的无人机接收到所述时隙冲突消息，根据重申请机制进行空闲时隙的申请，占用空闲时隙。

作为本发明优选的实施方式，在根据申请冲突机制发送时隙冲突消息时，包括：

若针对特定时隙没有重复申请，则发送指示该时隙申请成功的申请应答消息；

若针对特定时隙收到多个时隙申请，则发送指示该时隙申请失败的申请冲突消息。

作为本发明优选的实施方式，在根据重申请机制进行所述空闲时隙的申请时，包括：

在剩余的空闲时隙中随机选取一个空闲时隙再次申请；

当随机选取的空闲时隙二次申请仍然失败，则随机延后一或两个时隙周期申请时隙，并随机选取空闲时隙进行申请。

作为本发明优选的实施方式，在查找所述时隙占用状态中的空闲时隙时，包括：

采用由后往前的策略查找所述空闲时隙。

作为本发明优选的实施方式，所述通信管理方法，还包括：

所述无人机集群中的无人机根据时隙释放机制进行时隙释放。

作为本发明优选的实施方式，在根据时隙释放机制进行时隙释放时，包括：

所述无人机集群中的无人机在时隙占用消息中设置对应时隙状态为非占用状态，并发送时隙占用消息；

所述无人机集群中的无人机持续地接收其它无人机发送的时隙占用消息，并更新自身的时隙占用记录。

作为本发明优选的实施方式，在根据时隙释放机制进行时隙释放时，包括：

所述无人机集群中的无人机进行时隙信号监听，当n个时隙周期未监听到特定时隙有发送消息，则更新该时隙为未占用。

作为本发明优选的实施方式，所述通信管理方法，还包括：

无人机根据时隙周期周期性地发送时隙冲突消息、时隙占用消息。

作为本发明优选的实施方式，所述通信管理方法，还包括：

所述无人机集群中的无人机持续监听其它无人机发送的所述时隙冲突消息、所述时隙占用消息，并综合所有其它无人机发送的消息更新自身记录。

一种无人机集群的通信管理系统，包括：

占用状态更新单元：用于所述无人机集群中的无人机通过时隙信号监听，更新时隙占用状态；

时隙占用单元：用于所述无人机集群中的无人机通过查找所述时隙占用状态中的空闲时隙，并将查找到的空闲时隙进行占用；

申请反馈单元：用于当所述无人机集群中的无人机接收到其他无人机的时隙申请消息时，根据申请冲突机制发送时隙冲突消息；

重申请单元：用于当所述无人机集群中的无人机接收到所述时隙冲突消息，根据重申请机制进行空闲时隙的申请，占用空闲时隙。

相比现有技术，本发明的有益效果在于：

(1)本发明通过采用重申请机制大大提高无人机在对空闲时隙进行申请时的成功率，从而大大降低消息碰撞的概率，提高了信道的利用效率；

(2)本发明通过固定时隙及动态申请的结合保证了无人机至少保留一个时隙通道，保证了基本通信需求，同时可以动态申请、释放自由时隙，提高了时隙利用效率；

(3)本发明在进行动态申请时，采用冲突-失败-重申请机制，相较于现有技术的优先级机制，避免了优先级设置不合理导致重要业务节点无法占用信道，导致通信效率低的问题；

(4)本发明在进行动态申请时，采用冲突-失败-重申请机制，相较于现有技术通过中心节点进行时隙申请的方案，能够解决集群节点与中心节点通信受阻，无法进行时隙管理的问题；

(5)本发明在进行动态申请时，采用由后往前搜索并申请的策略，避免占用其他无人机的固定时隙导致冲突和重新申请，进一步降低消息碰撞的概率和提高信道的利用效率。

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

附图说明

图1-是本发明实施例的500ms内的5个时隙周期的示意图；

图2-是本发明实施例的场景下64个节点的拓扑结构图；

图3-是本发明实施例的无人机集群的通信管理方法步骤图。

具体实施方式

本发明所提供的无人机集群的通信管理方法，如图3所示，包括以下步骤：

步骤S1：无人机集群中的无人机通过时隙信号监听，更新时隙占用状态；

步骤S2：无人机集群中的无人机通过查找时隙占用状态中的空闲时隙，并将查找到的空闲时隙进行占用；

步骤S3：当无人机集群中的无人机接收到其他无人机的时隙占用消息时，根据申请冲突机制发送时隙冲突消息；

步骤S4：当无人机集群中的无人机接收到时隙冲突消息，根据重申请机制进行空闲时隙的申请，占用空闲时隙。

具体地，在本发明中，上述步骤S1属于时隙状态机制，上述步骤S2属于时隙占用机制，无人机则是根据时隙状态机制更新时隙占用状态，以及根据时隙占用机制进行时隙占用。

在上述步骤S3中，在根据申请冲突机制发送时隙冲突消息时，包括：

若针对特定时隙没有重复申请，则发送指示该时隙申请成功的申请应答消息；

若针对特定时隙收到多个时隙申请，则发送指示该时隙申请失败的申请冲突消息。

在上述步骤S4中，在根据重申请机制进行所述空闲时隙的申请时，包括：

在剩余的空闲时隙中随机选取一个空闲时隙再次申请；

当随机选取的空闲时隙二次申请仍然失败，则随机延后一或两个时隙周期申请时隙，并随机选取空闲时隙进行申请。

具体地，根据重申请机制，若无人机申请时隙失败，则说明有其它无人机同时申请同个空闲时隙。无人机发送二次申请时，在剩余空闲时隙随机选取一个空闲时隙再次申请，因为两个无人机发送二次申请的时隙都是随机选取的，再次冲突的概率很小。

进一步地，当无人机随机选取空闲时隙二次申请仍然失败，则说明剩余的空闲时隙很少，资源随机的冲突概率提高了；此时无人机采用时间随机的概率，随机延后一两个时隙周期申请时隙，并随机选取空闲时隙进行申请，避免申请冲突。

本发明在动态申请时，采用冲突-失败-重申请机制，相较于优先级机制，避免了优先级设置不合理导致重要业务节点无法占用信道，进而导致通信效率低的问题；并且无人机集群具有高动态性，而集群通信状况随着集群拓扑变化而变化，静态优先级无法适用集群的动态变化。采用冲突-失败-重申请机制，相较于现有基于蜂窝基站组网技术，通过中心节点进行时隙申请的方案，本发明能够解决集群节点与中心节点通信受阻，无法进行时隙管理的问题。

在上述步骤S2中，在查找时隙占用状态中的空闲时隙时，包括：

采用由后往前的策略查找空闲时隙。

具体地，固定时隙为由前往后进行设置，因此进行动态申请时，采用由后往前搜索空闲时隙的策略，能降低占用其他无人机的固定时隙的概率，从而有效减少出现冲突和重新申请的次数。

进一步地，通信管理方法，还包括：

无人机集群中的无人机根据时隙释放机制进行时隙释放。

更进一步地，在根据时隙释放机制进行时隙释放时，包括：

无人机集群中的无人机在时隙占用消息中设置对应时隙状态为非占用状态，并发送时隙占用消息；

无人机集群中的无人机持续地接收其它无人机发送的时隙占用消息，并更新自身的时隙占用记录。

更进一步地，在根据时隙释放机制进行时隙释放时，包括：

无人机集群中的无人机进行时隙信号监听，当n个时隙周期未监听到特定时隙有发送消息，则更新该时隙为未占用。

进一步地，通信管理方法，还包括：

无人机根据时隙周期周期性地发送时隙冲突消息、时隙占用消息。

更进一步地，通信管理方法，还包括：

无人机集群中的无人机持续监听其它无人机发送的时隙冲突消息、时隙占用消息，并综合所有其它无人机发送的消息更新自身记录。

本发明所提供的无人机集群的通信管理系统，包括：占用状态更新单元、时隙占用单元、申请反馈单元以及重申请单元。

占用状态更新单元：用于无人机集群中的无人机通过时隙信号监听，更新时隙占用状态。

时隙占用单元：用于无人机集群中的无人机通过查找时隙占用状态中的空闲时隙，并将查找到的空闲时隙进行占用。

申请反馈单元：用于当无人机集群中的无人机接收到其他无人机的时隙占用消息时，根据申请冲突机制发送时隙冲突消息。

重申请单元：用于当无人机集群中的无人机接收到时隙冲突消息，根据重申请机制进行空闲时隙的申请，占用空闲时隙。

以下的实施例是对本发明的进一步说明，但本发明的范围并不限制于此。

在本实施例中，若有64节点，则其中63个节点是无人机，1个节点是地面站系统。所有64个节点每100ms都会发射一个协同交互帧，用于与其他节点共享协同信息。若暂定这个数据包为200字节长，则地面站系统有可能同时监控最多2架无人机的视频信息，每路视频流是1Mbps。无人机会按需要中继协同交互帧以及视频数据帧到目标节点。

基本定义：

1秒可以分为1000个1ms的时隙，由于每个无人机100ms要更新一次数据，所以定义时隙周期为100，图1所示的是500ms内的5个时隙周期。其中1-64是无人机的固定时隙号，按照无人机的编号依次排序，这些时隙一般用于传输协同交互帧。65-100是用于动态分配使用的，当地面监控系统需要查看某一无人机的视频数据时，这架无人机就可以在65-100的时隙中动态申请额外时隙来传输视频数据。1Mbps数据流，分配到100ms，就是100Kbps，可以利用10个额外时隙，每个时隙发射一个10Kbps＝1250字节的视频数据帧来传输。按照以下定义，当63个无人机都在空中时，可以最多同时观察3个无人机的1Mbps视频图像，额外时隙30个，剩余100-64-30＝6个时隙未使用。

场景定义：

如图2所示的拓扑结构，1-63号无人机都能相互接收数据，而64号地面监控系统只能通过63号进行数据中转才能获得1-62号机的数据。现在需要在地面监控端，查看62号作业机以及63号中继机的视频数据流数据。那么按照上述的基本定义，可以推导出62号机需要额外申请10个时隙来传输数据流，而63号机需要额外申请10+10＝20个时隙来转发62号机的视频数据流以及自身的视频数据流。

时隙申请冲突机制：

表1中列出了400ms内的4个时隙周期所有节点的交互内容。

100ms：1-61是61架无人机的固定时隙，每个节点都会发射一个数据包，这个数据包的内容只有协同交互帧。到了62号时隙，62号需要申请额外10个时隙，所以在这一个时隙内发射的数据包，包含了协同交互帧、时隙管理帧。而时隙管理帧的内容是告诉附近所有节点，我将会占用哪10个时隙。同理的，63号时隙，63号需要申请额外20个时隙，也会在发射的数据包中包含了协同交互帧和时隙管理帧。64号时隙，地面监控端，发射数据包只包含了协同交互帧。

到了65-100号时隙，62和63号节点会在对应的时隙发射视频流数据帧。这里要注意[67，68，72，76，85]这5个时隙是两者都占用了的，所以是冲突的，但上述冲突在第一个时隙周期内未能解决。

200ms：1-61固定时隙，由于这些节点都能收到62和63的时隙管理帧，而且这两个节点都申请到了[67，68，72，76，85]这5个时隙，所以1-61号节点在发射数据包中，除了协同交互帧，还会增加时隙管理帧，而这个时隙管理帧的内容是指明[67，68，72，76，85]是冲突时隙，请附近所有节点释放这些时隙资源。到了62号时隙，62号收到了1-61的时隙管理帧，就会释放[67，68，72，76，85]这5个时隙，另外从空闲时隙中随机再抽取5个时隙[93，94，96，97，98]。并且在其时隙管理帧中包含了新申请的时隙号。同理63号节点也会进行相同的操作，释放时隙，并申请新的时隙。到了64号时隙，因为64只能接收到63的时隙管理帧，所以64是无法判断到63与64申请了相同的时隙号，那么64号不会发出冲突告知的时隙管理帧。到了65-100号时隙，62和63会在对应时隙发射视频流数据帧，这里目前只剩下98是冲突的。

300ms：1-61固定时隙，由于这些节点都能收到62和63的时隙管理帧，而且这两个节点都申请到了[98]时隙，所以1-61号节点在发射数据包中，除了协同交互帧，还会增加时隙管理帧，而这个时隙管理帧的内容是指明[98]是冲突时隙，请附近所有节点释放这些时隙资源。到了62号时隙，62号收到了1-61的时隙管理帧，就会释放[98]时隙，另外从空闲时隙中随机再抽取1个时隙[68]。并且在其时隙管理帧中包含了新申请的时隙号。同理63号节点也会进行相同的操作，释放时隙，并申请新的时隙。到了64号节点，与之前200ms一样，只发射协同交互帧。到了65-100号时隙，62和63节点会在相应时隙号上发射视频数据帧，至此，时隙已经动态分配稳定，无冲突。

400ms：1-61固定时隙，这些节点都能收到62和63的时隙管理帧，但是没有发现冲突时隙，所以只发射协同交互帧。到了62号时隙，62号节点需要继续发射时隙管理帧，以表明这额外10个时隙还在自己的使用期内，使得其他节点不要占用。到了63号时隙，同理类推。到了64号时隙，64号节点只发射协同交互帧。到了65-100号时隙，62和63节点会在相应时隙上发射视频数据帧。

总结：通过引入上述的随机时隙申请和冲突告知机制，在网络拓扑结构发生变化时，新的时隙分配会很快收敛，基本在1秒内能完成新的时隙分配。

表1 400ms内的4个时隙周期所有节点的交互内容表

上述实施方式仅为本发明的优选实施方式，不能以此来限定本发明保护的范围，本领域的技术人员在本发明的基础上所做的任何非实质性的变化及替换均属于本发明所要求保护的范围。