[发明专利]基于无人机-地面站链路预测的无人机网关选择方法

说明书

本发明提出了一种减少传输时延增加吞吐量的无人机自组网网关选择算法，属于无线移动自组网领域，该算法在网关节点选择时加入了权函数计时机制和无人机‑地面站链路预测机制，并且将两个创新机制有效的结合了起来；在进行网关节点选择的过程中，该算法通过建立的马尔科夫位置预测模型和基于无人机运动趋势的位置预测模型对无人机未来一段时间内与地面站相对位置情况进行预测，进而得出无人机与地面站之间链路的状态将继续保持连接的概率；通过权函数计时机制就可以优先将与地面站链路连接持续时间长并且节点稳定性高的节点选作网关节点，从而整体上减小了无人机与地面站之间的通信时延并提高了无人机自组网的吞吐量。

技术领域

本发明属于无线移动自组网通信技术领域，主要针对的应用场景为无人机自组网网络，且主要应用是针对无人机自组网网络节点和地面控制站进行通信时网关节点选择的场景，更具体地，涉及一种选择合适的无人机节点做为网关节点的网关选择算法。

背景技术

目前，无人机自组网具体到网络层的相关技术还不是很成熟，目前提出的无人机自组网网络层协议离最终应用还有一定的距离。网关的选择与切换的研究开始的还是比较早，自组网的出现使得关于这一方面的研究显得越加的重要，其进展也越加的深入；但是随着自组网应用成果不断增加，其应用场景也不断变换；无人机自组网与传统的移动自组网相比有很大的不同，其主要特点有：无人机的高移动性、低延迟的要求、通信的高可靠性和频繁快速的拓扑变换。由于这些特点，传统的移动自组网网关的相关协议算法并不能完全的切合于无人机自组网这一特殊的场景，因此需要对已有的网关选择机制进行改进。

无人机自组网网关节点具备普通节点的全部功能，同时也是无人机网络与外部沟通的接口。无人机自组网网络在空中建立后，无人机网络与地面控制站、地面指挥车等外部通信的通信任务是全部由网关节点完成，同时网关节点还是网络的管理节点，负责网络拓扑的更新、节点出入网去确认等管理工作。无人机网关节点是从普通无人机节点中选举出来的，除了选举出执行网关任务的主网关节点外，还会同时选举备份网关。当主网关发生故障或战陨时，备份网关在规定时间内没有收到主网关的握手信号，则自动依次替补为主网关。

网关是通信节点与网络控制中心通信的桥梁，网关的选择与切换对网络的性能有着至关重要的影响。无人机自组网的网关选择与Ad Hoc网络的簇头选择非常相似。但是，相比于传统的Ad Hoc网络，无人机组网覆盖范围更广，节点移动速度快，造成网络拓扑结构变化频繁。节点的高度移动造成网络拓扑快速变化，会导致网关和地面控制站及网关与普通节点之间的链路极不稳定，这将直接影响到无人机自组网中网关的性能，会对无人机节点和外部的通信质量，包括通信时延、吞吐率等都会受到影响。因为网关时无人机自组网与外部通信的接口，几乎所有的数据都要经过网关，所以高移动性对网关的影响远大于对普通节点的影响。现有的关于 Ad Hoc网络分簇的研究在选择簇头时或者没有考虑节点的移动性或者所考虑的节点移动速度远远小于无人机，因此不能很好的在无人机自组网中应用。

目前来说，关于无人机自组网网关选择的研究非常少，本次研究首先整理研究了目前移动自组网中网关选择与切换算法，虽然这些场景和无人机自组网的场景有很大的不同，但其中网关选择时考虑的参数及网关选择与切换的流程和时机均对本次研究具有启发性的意义。除此之外，还对现有的分布式无人机自组网网络网关选择算法进行了研究总结，参考其中的无人机节点稳定性的计算的数学模型来进行节点稳定性的计算，并且节点该研究中无人机网络分区的思想来进行网络的划分。