[发明专利]一种基于最小化信息年龄的无人机数据收集方法

说明书

本发明公开一种基于最小化信息年龄的无人机数据收集方法，包括如下步骤：(1)数据中心u_0获取无线网络中M个传感节点的位置；(2)数据中心u_0根据上述传感节点的上传时间和分簇权重γ；(3)根据得到的数据上传时间和无人机的飞行时间η_(k,k^')，执行路径规划算法；(4)存储当前分簇权重γ对应的无人机数据收集方案；(5)无人机从数据中心出发，根据上述得到的最优的无人机飞行轨迹u^*。本发明提供一种采用分簇方法来预先调整无人机数据收集点位置及其与传感节点之间的距离，有效地平衡了所有传感节点数据传输时间与无人机飞行时间，使得传感节点的信息年龄不随网络规模增大而急剧增加，从而适用于不同的无线传感网络规模。

技术领域

本发明涉及无线传感网络数据采集领域，尤其涉及一种基于最小化信息年龄的新型无人机数据收集方法。

背景技术

无线传感网络本质是通过灵活部署的传感器从监视场景中获取应用所需要的有效数据，它是感知层与应用层之间的纽带，因此设计合理的无线数据收集方案至关重要；目前广泛使用的无线数据收集方式包括多跳无线路由转发、物联网和卫星通信等，因其功耗大可靠性低、系统维护费用高、建设成本高等缺点，无法有效地应用到一些特殊场景中，尤其对于数据时效性敏感的场景，比如火灾、地震等自然灾害场景，因此，保证感知数据新鲜度的数据采集方式成为解决上述问题的关键。

无人机具有机动性高、部署灵活、运营成本低等特点，近来被广泛应用到巡航、物流、测绘等各种场景；作为操控性极强的移动数据采集器，无人机特别适用于人烟稀少或不适合人类活动的应用场合，通过飞行和通信控制来提高数据采集性能，一方面，传感节点无需时刻保持工作状态，可以在无人机飞近时从休眠状态中苏醒，根据无人机指令进行数据采集，做到何时需要何时采集，节省了传感节点的能量；另一方面，无人机可以在飞近传感节点时与之建立视距通信链路，随后进行感知数据的传输，有效降低了传感节点的发射功率，也能降低数据包的丢失率；因此，无人机数据采集能够提高传感节点的能量效率，延长无线传感网络的使用寿命。

为了提高数据采集性能，现有无人机数据采集技术主要在无人机通信与飞行控制两个方面进行改进和优化；Abdulla等人在“An optimal data collection technique forimproved utility in UAS-aided networks”一文中提出一种基于自适应调制与时分复用的高能效无人机数据收集方法，传感节点被分成不同的簇，每个簇的簇头得到公平的时分接入信道机会，与无人机进行直接通信，但是他们并没有考虑所采集数据的时效性。Tripathi等人在“Age optimal information gathering and dissemination on graphs”一文中提出基于网络图的最小化平均和峰值信息年龄的数据收集与传播方法，无人机作为移动数据中继节点，在网络图中沿着最优的随机路径飞行，遍历访问每一个传感节点，当网络中传感节点数增多时，所采集的数据信息年龄会增大，数据的时效性无法得到保障。

发明内容

本发明的目的是针对上述现有技术的不足，提出一种基于最小化信息年龄的无人机数据收集方法，通过平衡无人机数据传输时间和飞行时间来最小化传感节点所采样数据的信息年龄，从而保证采样数据的时效性。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方法包括如下步骤：

(1)以一个数据中心、M个地面传感节点和一架无人机的无线传感网络为基础，数据中心获知M个传感节点的位置，设定无人机飞行高度和速度，将任意一个传感节点位置设为无人机数据收集点的水平坐标，计算所有M个传感节点到候选无人机数据收集点的数据上传时间；

(2)根据传感节点数据上传时间，执行分簇算法，确定一组无人机数据收集点及其坐标、每个收集点关联的传感节点及其上传次序：

(2a)执行分簇算法，将所有M个传感节点分成K簇，将每簇传感节点关联到一个无人机数据收集点；