[发明专利]面向多无人艇协同控制的混合通信网络架构、管理方法及通信质量评价

权利要求书

1.一种面向多无人艇协同控制场景下的混合式通信网络组网管理方法，在近海、内河、湖泊具备移动基站信号地域，采用4/5G移动通信技术与ZigBee、WIFI无线自组网技术相结合的通信网络架构，无人艇之间组成Ad hoc网络，并在无人艇上配备4G-DTU模块组成混合通信网络硬件，该混合网络架构既可以充分利用无线自组网的灵活性，借助远程通信技术实现无人艇不受地域限制的通信需求；

作为补充，在远海以及没有移动通信基站信号覆盖的区域，可采用卫星通信技术，海上浮标与WIMAX组网通信技术相结合的通信网络架构，其特征在于包含以下五个步骤：

(1)将大规模无人艇编队节点分为簇头节点和普通节点，记录每个节点的当前剩余能量和距离当前节点通信范围以内的邻居节点数量即节点度；

(2)有些通信场景无人艇之间的通信能量消耗占比大，而有些场景无人艇与基站通信的能量消耗大，为了适应不同的能量消耗场景，提出修正因子项如下式：

其中A，B，C是控制因子项，E_i(r)代表第r轮组网过程中第i个节点的剩余能量值，E_max(r)代表第r轮组网过程中节点能量的最大值，D(i)代表节点i的节点度数，D_max代表第r轮组网过程中所有无人艇节点中节点度数最大值，d_avg代表节点距离移动通信基站或远程卫星网络通信基站的平均距离，通过调整修正因子中的控制因子项，可以提高无人艇组网的网络生存周期；

(3)在步骤(2)的基础上，修正传统LEACH算法中普通节点的门限值，提出改进的LEACH算法用于计算门限值，选举簇头，其门限值计算公式如下：

W为步骤(2)所定义的修正因子项，p代表簇头节点占全部节点的比例，r为组网的轮次，其中修正因子项W可以通过改变控制因子项A，B，C来调整在选举簇头的过程中节点剩余能量、节点度数以及节点距离和移动通信基站或远程卫星网络通信基站的距离三个因素的占比，使组网管理方法更加灵活；

(4)基于步骤(3)的改进LEACH算法选举出簇首节点，具体方式为待选节点产生一个数值范围在0-1的随机数，比较产生随机数与门限值T(n)之间的大小，若随机数小于门限值，则该节点被选为该轮通信网络中的簇首节点；

(5)为了满足大规模无人艇系统的协同控制通信需求，在步骤(4)选举出若干簇头节点的基础上，对于非簇首节点，计算其与所有簇首节点之间的距离，选择距离最近的簇首节点加入以成簇，在通信过程中，簇成员只与该分簇的簇首进行数据交互，每个簇的簇首可以收集该簇全部成员的位置、航向控制信息，并将该信息在簇内共享，簇与簇之间可通过基站交互数据。

2.一种多无人艇协同控制场景下的通信质量评价方法，在近海、内河、湖泊具备移动基站信号地域，采用4/5G移动通信技术与ZigBee、WIFI无线自组网技术相结合的通信网络架构，无人艇之间组成Ad hoc网络，并在无人艇上配备4G-DTU模块组成混合通信网络硬件，该混合网络架构既可以充分利用无线自组网的灵活性，借助远程通信技术实现无人艇不受地域限制的通信需求；

作为补充，在远海以及没有移动通信基站信号覆盖的区域，可采用卫星通信技术，海上浮标与WIMAX组网通信技术相结合的通信网络架构，无人艇在协同过程中相互之间的位置关系与时延、丢包率通信质量指标存在关联，对于指导无人艇协同过程中不同队形位置的规划具有参考价值，评价无人艇组网的通信质量，其特征在于包含以下步骤：

(1)在不计外部环境与节点间通信干扰的前提下，并假设网络中不存在拥塞情况，计算节点间数据传输过程中的端到端网络时延：

τ_end-to-end＝N(delay_trans+delay_prop)

N为端到端通信经过的跳数，delay_trans为网络传输时延，表达式如式为：

delay_prop为网络的传播时延，表达式为：

其中L为数据包长度，R为网络传输速率，M为传播媒介长度，c为电磁波在介质中的传输速率；

(2)考虑多无人艇组网通信过程中来自环境白噪声以及无人艇节点之间的通信干扰问题，结合实际的网络信道模型理论，鉴于无人艇位于水面上，可视为同一高度面，可将无人艇之间的通信链路为视线链路，其信道质量取决于无人艇之间的距离，此外，假设由无人艇移动性引起的多普勒效应在接收机处得到了很好的补偿，则在一个时隙期间从无人艇i到j的信道功率增益遵循自由空间路径损耗模型，计算簇内无人艇节点间的距离矩阵L，从而计算得节点间的信道增益，

(3)基于步骤(2)，计算无人艇组网通信中的网络信号与干扰噪声比P_i为节点信号传输功率，σ²为环境噪声，

集合I代表对无人艇节点i发送数据给节点j过程中产生干扰的节点集合，然而在组网通信过程中，实际产生干扰的节点集不易获取，可运用概率知识进行估计，假设无人艇节点中通信设备的MAC层遵循TDMA协议允许多个节点在不同时间片同时使用频率资源，假设各节点互不相关地以概率r随机发送数据，则节点i发送数据给节点j过程中信干噪比可表示为：

根据上述公式计算无人艇编队网络节点间通信的信干噪比；

(4)基于步骤(3)得到的网络通信的信干噪比，可以估算节点间组网通信的丢包率、以及端到端时延，丢包率可表示为：

其中a_n，g_n是与传输模式相关的参数，γ_pn是节点间连通的最小信干噪比值；

(5)基于步骤(4)，估算考虑环境干扰以及节点间通信干扰的端到端时延评估方法，其中τ为不计干扰的端到端时延，γ_ij为节点间通信的信干噪比