[发明专利]基于位置和速度预测信息的FANET组网方法及系统

说明书

本发明提供一种基于位置和速度预测信息的FANET组网方法及系统，属于移动自组通信技术领域，初始化所有节点的速度和位置信息，采用轮廓系数确定初始化聚类数，对所有初始化节点进行聚类；将当前时刻节点速度和位置的测量结果与上一时刻的先验预测结果综合考虑在内，估计当前时刻的节点速度和位置，并利用上一时刻所预测的簇首速度和位置信息作为当前时刻的聚簇初始化中心，对当前时刻的所有节点进行聚簇；每隔固定周期重新计算簇的数目并对所有节点进行聚类。本发明通过Kalman滤波器动态预测节点速度和位置信息，并进行动态聚簇组网，弥补了现有组网中未考虑簇的演化这一特性，降低了FANET海量节点间的通信开销，提高了FANET通信网络的可靠性。

技术领域

本发明涉及移动自组通信技术领域，具体涉及一种基于位置和速度预测信息的高动态FANET组网方法及系统。

背景技术

当今，随着轻量级远程无线通信设备的出现，Ad Hoc迎来了广泛的应用，如军事应用、灾害救援、物流运输等。Ad Hoc网络具有高机动性和高适应性的优点，可以在无信号覆盖的紧急场景或受限场所内使用。Ad Hoc网络将多个节点协同编排成一个群体，通过节点协作来完成复杂的任务，如救援、搜索等。

Ad Hoc网络根据其不同的应用场景可分为以下几种类型：用于蜂窝电话场景的移动Ad Hoc网络(MANET)，用于车辆场景的车载Ad Hoc网络(VANET)，用于传感器场景的无线传感器网络(WSN)和用于无人机(UAV)场景的飞行Ad Hoc网络(FANET)。其中，FANET以高机动性和灵活性的优势吸引着学术界、工业界和军事领域越来越多的兴趣。

FANET网络通过协同组织、管理多个节点来高效地完成一些难度较高的任务。然而，现今FANET仍面临着一些新的挑战，如高移动性、频繁的网络拓扑结构变化、外部干扰等，特别是在高移动性大规模网络场景中。

FANET网络管理与节点的移动速度和位置密切相关，然而，高移动场景带来了一些新的挑战：一方面，由于高移动速度导致节点间链路产生严重的多普勒频移，增加了数据传输丢包率；另一方面，高速移动的节点更容易受到风、不稳定气流等外部干扰的影响导致节点偏离预定的轨迹。

因此，高移动性场景下准确、可靠的FANET组网方案对后续的路由协议设计和网络性能优化等方面具有至关重要的作用。

现有的FANET组网方案中，往往采用聚类的方式将网络内的节点划分为若干簇，然而其并未考虑当前FANET网络拓扑架构与下一时刻拓扑结构动态演化的影响，其次，这些研究也并未考虑外界干扰对节点移动轨迹的影响。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于位置和速度预测信息的高动态FANET组网方法及系统，以解决上述背景技术中存在的至少一项技术问题。

为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案：

一方面，本发明提供一种基于位置和速度预测信息的高动态FANET组网方法，采用分簇的拓扑架构，即：将节点划分为若干簇，簇内节点仅与簇首通信，簇首与簇首间进行通信；所述节点为网络中的基本单元，每个节点搭载有传感器，可测得节点的位置和速度信息；该方法主要包括：

初始化所有节点的速度和位置信息；

采用轮廓系数确定初始化聚类数目；

对所有节点进行聚类，在聚类过程中计算节点间距时将节点间的相对速度差和相对距离考虑在内，找出初始化时的簇首；

获取当前时刻所有节点的测量速度和测量位置，基于Kalman滤波器估计当前时刻节点的速度和位置，并预测所有节点下一时刻的速度和位置；

若当前时刻不是簇更新时间间隔的整数倍，则利用上一时刻所预测的簇首速度和位置信息作为当前时刻的聚簇初始化中心，对当前时刻的所有节点进行聚簇，直至达到仿真指定时间。