[发明专利]一种异构无人机自组织网络的路由优化方法

说明书

本发明是一种异构无人机自组织网络的路由优化方法，针对人工智能(AI)驱动的软件定义网络(SDN)控制器辅助下的无人机自组织网络，提出了一种具有移动性估计和预测的集中式路由方案。具体来说，SDN控制器可以通过一种先进的最优估计技术来进行精确的移动估计和预测。在此基础上，通过簇头无人机(CHUs)或集中式控制器(CC)对网络拓扑频繁变化下各无人机请求的传输路由成本进行估计。SDN控制器根据全局网络信息为CHUs计算最优路由路径。本发明将扩展卡尔曼滤波(EKF)应用于无人机的精确机动估计和预测，将基于SDN的异构无人机自组织网络的路由问题转化为NP难的图决策问题，本发明出了一种定向粒子群优化算法(DPSO)，并结合DPSO路由协议进行快速路由决策，提高服务质量(QoS)。

技术领域

本发明涉及无线通信的技术领域，特别涉及一种异构无人机自组织网络的路由优化方法。

背景技术

基于体积小、机动灵活、造价低廉等多个优势，无人机吸引了工业界和学术界的大量关注，成为各国竞相发展的热点，其应用领域十分广泛包括监视、侦查、巡逻、军事、目标探测、灾害传感等。在无人机的众多应用中，无人机实施的多目标定位被广泛应用于军事侦察以及目标检测中。一方面无人机具有体积小、机动灵活、不易被发现的优点，可以在敌占区上空进行长时间低空侦察；另一方面无人机可以携带多种传感器，能提供多种形式高分辨率的目标信息；其次无人机造价低廉，不会造成人员伤亡，具有经济、安全的特点。在很多实际场景中，例如侦察、检测无人区或核辐射区的目标等，并不适合派遣人员进入去完成任务，而与无人车相比，无人机对地面地形、道路的要求较低且就多径效应而言，空中的通信质量高于地面，由于无人机特有的优越性和灵活性，无人机在这类场景中更胜一筹。

随着任务范围的扩大以及难度和复杂度的加强，单架无人机完成任务所需的时间变长、任务的完成度大打折扣。随着无人机不断小型化的发展以及对无人机续航时间等局限的考虑，多无人机协作完成多目标定位成为一种趋势。与其他Ad-hoc网络一样，路由协议对于保证 FANETs的性能至关重要，近二十年来，FANETs路由协议的大量研究都在研究如何解决高机动性无人机和动态拓扑造成的路由失败。

基于软件定义网络(SDN)的异构无人机自组织网络(FANETs)近年来被越来越多的引起研究者的兴趣。首先，同构或者平面的FANETs存在着管理难、易丢失、协调差、端到端通信弱等诸多问题。然后，随着无人机技术的发展和制造成本的降低，基于SDN的异构型FANETs 已经可以实现，但在很大程度上还有待探索。最后，这种基于SDN的异构FANETs可以防止同构 FANETs的路由表过大、路径发现效率低下、跳数过多、路径过长等问题。

然而，对于基于SDN的异构FANETs，传统的路由协议已不能满足路由发现、维护和决策的需要。例如，基于拓扑的路由协议可能很难在FANETs中保持路由路径和较高的路由性能。然后,传统的路由协议不能满足动态拓扑和高反应流动无人机因为反应式路由协议的路由方法, 寻找一个路由路径时需要从源节点到目标节点的数据包传输。此外，地理协议在数据路由中可能会失败，因为无论无人机是通过卫星还是NUs都无法感知到每个无人机的实时位置。此外，蜂窝/多跳Wi-Fi架构在信道质量低或发生拥塞时，通过将流量从该小区转发到其他非拥塞小区来中继数据包，但仅仅是小区间的中继已然没办法避免单一路径的失效问题。

总之，基于SDN的异构FANETs需要解决几个挑战。无人机的高机动性特性导致了无人机之间或无人机与集群头之间的连接是间歇性的。此外，FANETs中的通信链路在交换信息时可能会经常中断。另外，由于网络拓扑高度动态，此时的路由路径可能不适用于下一刻，但传统的路由方案对于基于SDN的异构FANETs进行快速路由决策效率不高或完全适用。

发明内容

本发明的目的是提供一种异构无人机自组织网络的路由优化方法，能够解决多无人机群通信的路由需求。

为实现上述技术目的，本发明采取的技术方案为：