[发明专利]一种无人机自组网定向接入协议优化设计方法

说明书

本发明公开了一种无人机自组网定向接入协议优化设计方法，该方法通过对无人机自组网中邻居发现过程和链路维持时间进行建模，得到了不同波束宽度下的邻居发现速度和链路持续时间的结果，随后，本发明建立了最小化协议时间开销模型，创新地在优化模型中引入网络链路平衡的思想，并以网络总链路数为评价指标，对网络时间开销进行分析，得到了最优网络结构。本方法解决了无人机自组网在装备定向天线条件下的MAC协议的结构优化问题，能够提升协议性能，为实际无人机自组网的协议设计和网络构建提供了一定的参考和指导。

技术领域

本发明涉及无人机自组网定向接入领域，尤其涉及一种无人机自组网定向接入协议优化设计方法。

背景技术

其次，在军事领域，受无人机大小、载荷和能源限制，单架无人机的作战能力通常不足，其侦察范围和载弹量相较于有人作战飞机通常较小。而无人机集群就是为了提升无人机作战效能和增强抗毁性的一种新型作战方式。考虑到对网络抗毁性的要求，无人机集群通常采用分布式方法，即采用无人机自组网的网络形式来解决完成预定任务，这种网络不依靠地面基础设施，并且网络中的每个无人机节点处于同等地位，有较强的抗毁性能。集群中每架无人机通过特定的算法，相互配合并最终能够自主地完成特定的任务。在现实中，无人机应用最多的场景仍然为对山区、高原，近海等区域的各类侦察工作，在对任务区域的侦察和无人机自组网通信过程中，无人机需要采用定向天线以减少被敌方发现的概率，但在这种情况下，无人机自组网需要定向MAC协议来完成组网，并且需要针对网络的不同参数而对协议结构进行优化，这是一个极其重要并具有现实意义的研究方向。

发明内容

发明目的：针对上述无人机自组网定向接入的场景，本发明提出一种无人机自组网定向接入协议优化设计方法，对无人机自组网的邻居发现和链路断开过程进行建模，得到了不同波束宽度下的邻居发现速度和链路持续时间的结果。然后，本发明建立了最小化协议时间开销模型，创新地在优化模型中引入网络链路平衡的思想，并以网络总链路数为评价指标，对网络时间开销进行分析，得到了最优网络结构。

技术方案：为实现本发明的目的，本发明所采用的技术方案是：一种无人机自组网定向接入协议优化设计方法，具体包括以下步骤：

步骤1：给定无人机定向自组网接入协议结构，确定无人机自组网的节点数目，无人机运动速度、无人机天线波束宽度；

步骤2：根据无人机天线波束宽度计算网络中每架无人机的邻居发现速度；

步骤3：根据无人机天线波束宽度和无人机运动速度，计算无人机链路断开速度；

步骤4：建立最小化协议时间开销的协议单帧邻居发现子帧数目、网络期望链路数和协议时帧长度三参数优化模型；

步骤5：简化协议结构优化模型为只和网络期望链路数有关的单参数优化模型，对网络期望链路数进行一维搜索，求得全局最优的协议时间开销以及此时的协议单帧邻居发现子帧数目和协议时帧长度。

无人机定向自组网接入协议结构，确定无人机自组网的节点数目，无人机运动速度、无人机天线波束宽度的具体步骤如下：

步骤1-1：设定MAC协议时帧结构为同步协议类型，把时间划分为连续同步的时帧，每个时帧均包含三个部分，即邻居发现阶段、邻居轮询阶段和数据传输阶段；

步骤1-2：设定每个时帧的邻居发现阶段中包含了η个发现子帧，而每一个发现子帧都包含一个基于随机退避的三次握手过程，也就是两个无人机节点会随机选择一个天线波束方向后，发送节点先发送TONE帧，接收节点会回复TONE-ACK帧，随后发送节点会回复ACK帧完成邻居发现，其中第一二个过程均需要进行选取一个[0，W]之间的整数作为退避值进行退避；

步骤1-3：设定数据轮询阶段包含若干个轮询子帧，每个轮询子帧内已经建立的通信链路中的两个无人机节点会相互通信进行周期性的链路维护工作；