[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

摘要

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。

主权项

1.一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：/n(1)数据中心u₀获取无线网络中M个传感节点的位置w_S,m(m＝1,…,M)，设定无人机飞行高度h和速度v的值，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，数据中心u₀计算传感节点m到候选无人机数据收集点k的上传时间初始化分簇权重γ、最大分簇权重γ_max和迭代步长为Δγ；/n(2)数据中心u₀根据上述传感节点的上传时间和分簇权重γ，执行分簇算法：/n(2a)将M个传感节点分成K簇，将每簇节点关联到一个无人机数据收集点，确定数据收集点k关联的传感节点集合J_k(k＝1,…,K)，根据每簇内传感节点位置w_S,i(i∈J_k)，更新无人机数据收集点k的位置w_k；/n(2b)根据上述数据收集点位置w_k(k＝1,…,K)和传感节点位置w_S,i(i∈J_k)，重新计算传感节点m到无人机收集点k的数据上传时间对数据收集点k关联的传感节点集合J_k中的节点上传时间从大到小进行排序，以此作为|J_k|个传感节点的上传次序V_k；/n(2c)根据上述数据收集点位置w_k，计算无人机在任意两个数据收集点k和k′之间的飞行时间η_k,k′，以及数据收集点k到数据中心的飞行时间η_k,0；/n(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，确定节点信息年龄效用函数最大的无人机飞行轨迹：/n(3a)根据得到的数据上传时间计算数据收集点k关联的传感节点总的上传时间计算无人机在数据中心的数据卸载时间/n(3b)执行信息年龄最优的无人机飞行轨迹规划算法，确定无人机沿着数据收集点的飞行路径u＝[u₀,u₁,…,u_K,u₀]，其中u_k是第k个访问的数据收集点，计算无人机沿着u中每一小段路径的飞行时间η_k,k+1(k＝0,1,…,K)；/n(3c)根据上述得到的无人机飞行路径u，数据上传时间总的上传时间χ_k和飞行时间η_k,k+1，计算传感节点信息年龄的效用函数值A_u；/n(4)存储当前分簇权重γ对应的无人机数据收集方案，包括无人机数据收集点数K及其坐标w_k、每个数据收集点k关联的传感节点集合J_k及其最优的上传次序V_k、无人机沿着数据收集点的飞行轨迹u、传感节点信息年龄的效用函数值A_u。更新分簇权重γ＝γ+Δγ，如果γ≤γ_max，执行步骤(2)；否则，比较多组传感节点信息年龄的效用函数值，选择使信息年龄效用函数值最小的分簇权重γ^*，确定最优的无人机数据收集方案(K^*，u^*)(k＝1,…,K^*)，执行步骤(5)；/n(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^*，逐一访问数据收集点，收集并存储所关联的传感节点的感知数据，飞回数据中心进行数据卸载和处理：/n(5a)无人机从u_k(k＝0,1,…,K^*)出发，以速度v直线飞向下一站u_k+1；/n(5b)如果u_k+1是数据收集点，执行步骤(5c)；否则执行步骤(5g)；/n(5c)无人机向此数据收集点u_k+1关联的传感节点广播一个握手消息，传感节点收到握手消息后将回传一个确认消息，建立无人机与传感节点之间的通信链路，初始化上传节点次序i＝1；/n(5d)按照规定的上传次序，无人机向传感节点广播一个上传指令消息，其中包含第i个上传的传感节点的ID；/n(5e)传感节点收到上传指令消息后，将节点ID与自身ID比较，如果相同，执行感知数据采样，将数据和时间戳一起封装在数据包中，以功率P_m向无人机上传数据包，否则忽略该消息；/n(5f)无人机接收并存储来自传感节点m的数据包，更新上传节点次序i＝i+1；如果上传节点次序执行步骤(5d)；否则，更新数据收集点序号k＝k+1，执行步骤(5a)；/n(5g)无人机向数据中心发送握手消息，在收到确认消息后与其建立通信链路，以功率P传输所存储的感知数据；数据中心收到所有节点的感知数据包。/n