[发明专利]基于圆环形全向天线模型的3D-GPSR路由方法

说明书

本发明公开了一种基于圆环形全向天线模型的3D‑GPSR路由方法，主要解决飞行自组网中由于无人机的高移动和能量受限特性引起的链路频繁断裂和能量消耗过快的问题。其实现方案是：在飞行自组网场景下，首先使用基于地理位置信息的GPSR路由方法，利用三维位置信息减少控制包的传播，解决链路频繁断裂问题。获取邻居节点信息后对无线链路进行建模和分析，建立的模型量化了圆环形全向天线增益等信道参数对路由选择的影响。本发明设计一种基于重传能量消耗的下一跳节点选择度量，使得本发明具有重传次数少、能耗小的优点。

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，特别涉及基于圆环形全向天线模型的三维贪心周界无状态路由方法3D-GPSR(3Dimensional-Greedy Perimeter Stateless Routing)路由方法。本发明可用于飞行自组网中高速无人机之间的路由选择。

背景技术

随着无人机(包括微型飞行器，四轴飞行器，小型侦察机等)的发展，无人机群组成的飞行自组网在中继网络、民事安全、农业遥感、交通监控等领域得到了广泛的应用。但由于飞行自组网中无人机的高移动性、能量受限和三维空间特性，传统的路由方法直接应用到飞行自组网中无法满足路由的健壮性和低能耗需求。为了在飞行自组网中实现可靠的通信，需针对能量受限三维移动网络设计一种健壮、高能效的路由方法。

南京航空航天大学在其申请的专利文献“一种可适应不同运动场景的改进的AODV路由协议”(申请号CN201611122427.4，公开号CN107071850A)中公开了一种可适应不同运动场景的改进的AODV路由方法。该方法通过各无人机携带的GPS信号可获得各无人机与临近无人机的平均相对运动速度，进而判断网络拓扑结构变化快慢；通过判断网络拓扑结构变化的快慢选择不同的路由方法，即根据无人机平均相对运动速度选择不同的改进的AODV路由方法，可以适应变换的无人机拓扑结构，减轻网络的带宽，减少端到端时延，减少分组丢失率。该方法存在的不足之处是，该方法在无人机拓扑结构的维护中需要大量的存储空间，以及频繁的传输控制包，使得路由开销大。并且该方法中无人机节点的全向天线增益模型是球形，与实际应用场景中全向天线增益模型所具有的上下凹陷的圆环形结构相差较大，导致实际应用场景中该方法选择的无人机节点在竖直方向上难以进行通信。

中国科学院声学研究所在其申请的专利文献“一种基于能量感知的GPSR动态路由选择方法及系统”(申请号CN201110044119.5，公开号CN102651886A)中公开了一种基于能量感知的GPSR随机路由方法。该方法包含如下步骤：任意一个路由节点确定出该节点的“候选路由邻居集合”，所述候选路由邻居集合为距离目的节点比该节点本身近的所有邻居节点；计算该节点的候选路由邻居集合中的每个邻居节点的相对能量；以相对能量为概率随机选择m个候选路由邻居集合中的某节点i为该节点的下一跳路由节点；节点i再重复以上步骤，选择节点i的下一跳路由节点，直至传送数据从源节点到达目的节点。该方法提供一种基于能量感知的GPSR确定路由方法，参考候选路由邻居节点的相对能量和节点到目的节点的相对距离根据设定的公式选择下一跳节点。该方法存在的不足之处是，该方法在下一跳路由节点选择方面仅考虑单次传输的能量消耗，计算能量花费时忽略了重传引起的额外能量消耗，所设计的能量消耗模型健壮性差，导致额外能量消耗大。

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提出一种基于圆环形全向天线模型的3D-GPSR路由方法，解决飞行自组网的无人机高移动性和能量受限问题，提高路由方法的健壮性和能量效率。

本发明的技术思路是：在飞行自组网中使用基于三维地理位置信息的3D-GPSR路由方法来减少控制包的传播，解决飞行自组网中无人机高移动性所引起的路由链路频繁断裂问题。根据飞行自组网中无人机之间的角度和位置信息计算下一跳节点的待选区域。获取邻居节点信息后对无线链路进行建模和分析，建立的模型中量化圆环形全向天线增益等信道参数对路由选择的影响，设计一种基于重传能量消耗的下一跳节点选择度量，使得改进的三维GPSR路由方法重传次数少、能耗小。

本发明具体实现步骤包括如下：