CN120166375A - 一种无人机蜂群网络化测控通信系统及通信方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及通信技术领域，提供一种无人机蜂群网络化测控通信系统及通信方法，所述通信系统的架构包括网络层、链路层和物理层；所述网络层中的路由协议使用跨层脉冲路由协议，所有节点跨层复用链路层的两跳内邻居连接关系；所述链路层采用基于时分多址接入协议的预分配加动态协商资源管理策略和基于服务质量等级的存储调度策略；所述物理层采用MIMO技术和自适应调制编码技术，支持多用户不同业务传输需求。本发明能够解决信道利用率低、对动态拓扑变化响应慢的问题，以及同时支持大容量信息传输、机间协同信息分发、无人机网络化测控业务。

Description

一种无人机蜂群网络化测控通信系统及通信方法

技术领域

本发明涉及通信技术领域，具体而言，涉及一种无人机蜂群网络化测控通信系统及通信方法。

背景技术

现有的无人机蜂群网络化测控通信系统和通信方法，想定的应用场景较为理想，对实际作战环境、应用场景、机动性、可扩展性等方面考虑不够全面。比如发明专利《一种无人机蜂群组网测控通信链路及通信方法》(专利公开号CN114697902A)只适用于单跳网络，未考虑实际作战环境复杂，无人机节点移动会导致拓扑变化剧烈，需要路由协议维护通信链路的稳健连接的需求。发明专利《一种基于时隙动态分配的多节点中继通信方法》(专利号公开CN114125784A)中需要主节点进行时隙动态分配，未考虑网络的抗毁性，以及无人机蜂群组网的机动性等需求。

无人机蜂群数量庞大、机动灵活，具有快速部署和协同能力优秀等突出特点，具有独特的战场优势。无人机蜂群自主组网、编队协同的基础是各无人机节点能通过机间通信链路互联互通，而操控人员对无人机蜂群实现有效指挥或监督的前提是要有稳健的测控通信链路，现有的无人机蜂群网络化测控通信系统存在对拓扑变化响应慢、信道利用率低导致任务节点规模受限等问题亟待解决。

(1)解决信道利用率低问题。

现有的无人机蜂群网络化测控通信系统通常采用的链路层设计主要包括分配式的时分多址接入(Time Division Multiple Access，TDMA)类型和竞争式的随机接入类型的控制协议，例如，IEEE 802.11提供的载波侦听多址访问/冲突避免协议(Carrier SenseMultiple Access/Collision Avoid，CSMA/CA)。CSMA/CA采用竞争式的资源分配方式，使用RTS/CTS机制进行冲突避免，当网络中单播业务流数较少时，可以快速完成信道抢占，时延较小；而当网络中单播业务流数较多时，需要采用退避机制进行冲突避免，这导致数据包在队列中等待时间较长，进而端到端时延加大。此外，CSMA/CA协议难以保证广播业务的可靠传输。传统的TDMA协议采用时隙轮询的方式给网络中的所有节点分配资源，每个节点预先知道接入信道的时间和占用信道的时间，能够根据网络规模合理的设置数据包发送时间，降低数据包碰撞概率，提高信道利用率，能很好的支持广播和单播业务。但在大规模网络情况下，网络中不同链路负载差异较大，而网络节点仍然按照固定的时隙轮询机制，缺乏一定的灵活性，使大流量链路的数据包延迟增大，性能较低。

(2)解决对动态拓扑变化响应慢问题

当无人机蜂群工作在城市、山地等复杂环境下，障碍物遮挡、多径效应、节点高速移动、单点故障等因素都会导致链路状态频繁变化。使用传统主动式链路状态类路由或是按需类路由时，局部链路状态变化或活跃路径发生中断，都将导致路由向全网广播控制消息，对于战术网络节点动中通的适应能力较差，路由灵敏度不高，无法保证通信链路的稳健性。

(3)解决同时支持大容量信息传输、机间协同信息分发、无人机网络化测控问题。

无人机蜂群网络化测控通信系统典型业务包括指控节点对所有无人机的上行遥控业务，无人机对指控节点的下行遥测业务及任务载荷；机间交互的位置信息、在线状态、目标数据以及协同信息；所设计的无人机蜂群网络化测控通信系统及通信方法需要保障遥控、遥测信息的高效可靠传输的同时，支撑大流量回传业务、机间交互业务的有效传输。

发明内容

本发明旨在提供一种无人机蜂群网络化测控通信系统及通信方法，以解决上述存在的问题。

本发明提供一种无人机蜂群网络化测控通信系统，所述通信系统的架构包括网络层、链路层和物理层；

所述网络层中的路由协议使用跨层脉冲路由协议，所有节点跨层复用链路层的两跳内邻居连接关系；

所述链路层采用基于时分多址接入协议的预分配加动态协商资源管理策略和基于服务质量等级的存储调度策略；

所述物理层采用MIMO技术和自适应调制编码技术，支持多用户不同业务传输需求。

在一些实施例中，所述跨层脉冲路由协议包括：

选择地面指控节点作为脉冲源节点；脉冲源节点在整个网络中周期性地洪泛脉冲消息；

节点接收到脉冲消息后，通过更新到脉冲源节点的距离度量构建最小无环生成树，将所有节点连接到脉冲源节点；

每个节点对链路层上报的两跳内的邻居关系进行跨层复用，周期性更新本地路由表中到两跳内邻居的路径；

如果业务源节点接收到与目标节点通信的请求，检查本地路由表中有无到目标节点的路径，若无，则业务源节点沿着最小无环生成树上节点向脉冲源节点单播路由请求包；

从业务源节点到脉冲源节点路径上的节点的一跳邻居，根据广播监听到的路由请求包，建立到发送路由请求包的业务源节点的路由；

当脉冲源节点接收到业务源节点的路由请求包时，首先检查本地路由转发表中是否有指向目标节点的有效路径：如果是，则响应业务源节点，从脉冲源节点发送路由响应消息单播给业务源节点；如果没有，则脉冲源节点在下一个脉冲泛洪时，将目标节点地址标签放在脉冲消息的寻呼字段内发出；

当目标节点接收到本节点的地址标签在脉冲消息的寻呼字段中时，将路由响应消息单播到脉冲源节点；

在业务源节点和目标节点之间形成端到端的捷径，捷径靠一跳邻居监听后，发现更短路径时广播发送路由修改消息获得。

在一些实施例中，所述脉冲消息包含：脉冲源节点地址标签、到脉冲源节点的距离度量、当前序列号和脉冲源节点当前正在寻呼的目标节点列表。

在一些实施例中，业务源节点通向脉冲源节点的路径上的每个节点需要完成：

在其路由转发表中创建朝向业务源节点的反向路径；

更新来自业务源节点的距离度量；

沿着树结构向脉冲源节点发送更新后的路由请求包。

在一些实施例中，目标节点通向脉冲源节点的路径上的每个节点需要完成：

在其路由转发表中创建朝向目标节点的反向路径；

更新来自目标节点的距离度量；

沿着树结构向脉冲源节点发送更新后的路由响应包。

在一些实施例中，所述基于时分多址接入协议的预分配加动态协商资源管理策略包括：

预分配的静态时隙已在帧结构设计时为每个节点提前预留出来，剩余时隙由各节点根据实时流量变化，动态协商按需占用；

邻居交互，建立两跳邻居连接关系；

根据当前业务负载，计算当前需要的数据时隙数目N；

根据需要的数据时隙数目N和目前节点已经占有的时隙数目计算需要申请或者释放的时隙个数；

节点在预分配的时隙发送资源申请消息和资源反馈消息；

节点根据收到的资源反馈消息得到最新占用的时隙位置。

在一些实施例中，计算当前需要的数据时隙数目N的公式如下：

N＝totalUnicastResDemandNum+totalBroadcastResDemandNum

其中，totalUnicastResDemandNum表示本节点发往各邻居节点的单播流量需求资源个数总和，totalBroadcastResDemandNum表示广播流量资源需求个数。

在一些实施例中，本节点发往给邻居节点的单播流量需求资源个数总和的计算公式如下：

totalUnicastResDemandNum＝totalUnicastFlow/tbSize_current

其中，totalUnicastFlow表示本节点发往给邻居节点的总单播流量，tbSize_current表示当前链路状态下通过AMC得出的单个时隙可承载的流量。

在一些实施例中，所述基于服务质量等级的存储调度策略包括：

网络层识别业务类型，为不同类型的数据包打上对应服务质量等级标签；

链路层识别由上层来的数据包的服务质量等级标签，将数据包分不同优先级队列、不同目的节点ID存储，其中节点ID从1开始计数，广播报文存储在每个队列的0号下标索引位置；

根据时隙占用结果，若当前时隙为本节点的预分配时隙，则从最高优先级队列开始逐级遍历，发送0号索引位置的广播报文，根据0号索引位置对应的承载力进行组帧；若当前时隙为本节点动态协商到的数据时隙，则先检查是否仍有高优先级广播业务需要传输：若是，则优先发送高优先级队列0号索引位置的广播报文；若无，则从最高优先级队列开始逐级遍历，发送到某个目的节点的单播报文，根据AMC结果进行组拆帧；

若当前时隙不是本节点的发送时隙，则查询本地保存的时隙占用表进行接收，同时根据本次链路测量结果，自适应调整调制编码等级。

在一些实施例中，所述自适应调制编码技术就是根据当前收发链路状态，自适应的选择出适宜的调整编码等级进行收发，包括：

接收节点通过无线链路测量获取接收功率大小；

通过接收功率计算出信噪比SNR；

通过信噪比SNR能够感知出与当前发送节点之间的链路状态优劣，选择合适的MCS档位进行收发，并更新本地节点接收发送节点的最新MCS档位；

将最新MCS档位在下次邻居信息交互时携带出去，以使发送节点收到后，使用最新MCS档位发往本节点。

本发明还提供一种无人机蜂群网络化测控通信方法，所述方法基于上述的无人机蜂群网络化测控通信系统实现，包括如下步骤：

初始选取指控节点作为跨层脉冲路由协议的脉冲源节点；

所有节点上线，获取时间同步后，指控节点周期性泛洪脉冲消息，建立全网所有无人机节点到指控节点的最小无环生成树；

每个节点在预分配给自身的静态TDMA时隙内交互控制信息，链路层更新两跳内邻居连接关系，并定期上报给网络层；

业务流驱动节点按需查找本节点到目的节点的路径，若本地路由表项中有到目的节点的有效路径，则按照已有路径转发数据包；若无路径，则根据跨层脉冲路由协议进行寻址后再转发；

链路层实时感知本节点发送队列中的单播业务流量大小，根据基于时分多址接入协议的预分配加动态协商资源管理策略进行动态时隙占用和释放；

节点查询本地保存的时隙占用表，若当前时隙是本节点的发送时隙，则链路层基于服务质量等级的存储调度策略，对数据包进行组拆帧，并下发给物理层，发出数据；

其他节点查询本地保存的时隙占用表进行接收，同时根据本次链路测量结果，自适应调整调制编码等级。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

1、本发明具有大规模组网应用支持和可扩展性。本发明采用无中心分布式自组网设计，扁平化组网结构，节点间关系对等，没有主节点，无中继传输跳数限制，支持任意节点在网络范围内任意移动，机动性、抗毁性强，无需像分层分簇的网络结构那样对网络节点进行子网规划和子网间互联协调，本发明具有较高的组网灵活性和可扩展性。其中，物理层利用MIMO技术，保证大量用户组网通信可获得充足的传输带宽；链路层采用预分配与动态协商的TDMA协议，提高大规模组网场景下的资源复用度以及资源分配的公平性；网络层采用跨层脉冲路由协议，信令开销可控，对拓扑变化响应灵敏，随网络用户规模增长带来的开销增加影响较小。

2、本发明提供服务质量(Quality of Service，QoS)保障支持，提供协议栈多个层面的区分服务保障功能，确保低时延的实时业务传输。

3、本发明中基于时分多址接入协议(TDMA)的预分配加动态协商资源管理策略可实时感知资源需求变化情况，进行资源动态协商，有效避免冲突，能够在不稳定链路下保持高时隙申请成功率和不会导致占用冲突，预分配时隙保障广播信令的高优先级传输的同时，也可用于业务数据传输，进一步保障了高优先级测控业务的实时传输；动态协商时隙灵活保障大流量任务载荷回传业务传输。

4、本发明具备复杂环境下的高可靠通信应用支持。跨层脉冲路由具有快速自形成和自修复能力，适应拓扑变化的全动态无人机蜂群网络。城市、山地等环境下，节点移动导致链路状态频繁变化。本发明路由机制不需要全网通告链路状态变化，节点移动不会导致路由开销的显著增加，脉冲源一次脉冲泛洪，可快速修复受损路径，并且跨层复用了链路层的两跳邻居关系，节省了机间通信寻路开销的同时，使得动中通网络环境下所选择的路径有更高的可靠性和健壮性。

5、本发明适用于无人机蜂群网络化测控通信系统多种典型业务的通信特点。一般来说，在无人机蜂群网络化测控通信系统应用场景中，网络中大量的数据将向指控节点或情报处理节点等进行回传。针对这种“回传”通信模式的特点，本发明将指控节点作为脉冲源，利用跨层脉冲路由协议以主动脉冲泛洪机制，生成并维护的所有无人机节点到指控节点的最小无环生成树结构，能够为这些“回传”业务提供零等待的可用路由，且不需要增加明显的网络开销。不仅如此，利用最小无环生成树结构，还能为网络中广播业务的传输提供高效分发支持，使来自指控节点的数据沿着树结构路径进行全网广播扩散，减少洪泛式广播中不必要的转发动作，提高网络对于由指控节点发往无人机蜂群的遥控等广播业务的承载容量和实时性。此外，路由协议中的跨层设计帮助机间通信业务缩短寻路时间、降低寻路开销，提供更短路径，减少传输时延。

附图说明

图1为本发明实施例中无人机蜂群网络化测控通信系统典型应用场景示意图。

图2为本发明实施例中无人机蜂群网络化测控通信系统架构整体框图。

图3为本发明实施例中无人机蜂群网络化测控通信系统仿真拓扑图。

图4为本发明实施例中路由协议开销仿真结果对比结果图。

图5为本发明实施例中传输成功率仿真结果对比结果图。

图6为本发明实施例中传输4种QoS等级业务的端到端时延仿真结果图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例

构建无人机蜂群网络化测控通信系统典型应用场景如图1所示，由1个地面的指控节点，和空中的59架无人机节点构成，全网共60个节点。指控节点一对多，在网节点之间多跳连接。在此应用场景中，实施本发明提供的一种无人机蜂群网络化测控通信系统及通信方法，采用扁平化组网结构，节点间关系对等，没有主节点，无中继传输跳数限制，测控通信链路与机间通信链路工作在同一频点，选取指控节点作为脉冲源节点。

如图2所示，本发明实施例提供的一种无人机蜂群网络化测控通信系统中，所述通信系统的架构包括网络层、链路层和物理层；

所述网络层中的路由协议使用跨层脉冲(PULSE)路由协议，所有节点跨层复用链路层的两跳内邻居连接关系；

所述链路层采用基于时分多址接入协议(TDMA)的预分配加动态协商资源管理策略和基于服务质量(Quality of Service，QoS)等级的存储调度策略；

所述物理层采用MIMO技术和自适应调制编码技术，支持多用户不同业务传输需求。

以下对网络层、链路层和物理层的具体实施方案进行详述。

(1)网络层中跨层脉冲路由协议实施方案

本发明实施例采用的跨层脉冲路由协议具有快速自形成和自修复能力，对拓扑变化响应灵敏，随网络用户规模增长带来的开销增加影响较小，能够为“回传”业务提供零等待的可用路由，且不需要增加明显的网络开销，适用于无人机蜂网络化测控通信系统。

跨层脉冲路由协议是一种混合式路由协议，兼具主动式路由和按需式路由的优点，核心思想是选取指控节点作为脉冲源节点，通过脉冲源节点周期性泛洪脉冲消息，建立全网所有无人机节点到指控节点的最优路径(最小无环生成树)，为网络中广播业务的传输提供高效分发支持，使来自指控节点的数据沿着树结构路径进行全网广播扩散，减少泛洪式广播中不必要的转发动作，提高网络对于由指控节点发往无人机蜂群的遥控等广播业务的承载容量和实时性；此外，由业务流触发其他节点按需通过脉冲源节点寻呼到目的节点的路由；同时考虑到无人机节点间空空链路条件较好，大多数节点间两跳可达，因此使用跨层设计，复用链路层邻居交互过程中收集到的两跳内邻居连接关系，来周期性更新两跳内的路由，减少机间交互业务的寻路时间。

在一些实施例中，所述跨层脉冲路由协议包括如下步骤：

S101，选择地面指控节点作为脉冲源节点；脉冲源节点在整个网络中周期性地洪泛脉冲消息。在一些实施例中，脉冲消息包含：脉冲源节点地址标签、到脉冲源节点的距离度量、当前序列号和脉冲源节点当前正在寻呼的目标节点列表(若有)。

S102，节点接收到脉冲消息后，更新到脉冲源节点的距离度量，并且如果距离更新的度量低于先前接收到的距离度量，则修改路由表中到脉冲源节点的下一跳地址，并重新广播脉冲消息；否则，将丢弃该脉冲消息；一旦脉冲消息在整个网络中传播，网络就构建了一个最小无环生成树，将所有节点连接到脉冲源节点。注意，所有节点路由表中只建立到脉冲源节点的最优路径，不建立到上一跳节点的路径，旨在产生单向的、任意节点到脉冲源节点的最优路径(最小无环生成树)。

S103，每个节点对链路层上报的两跳内的邻居关系进行跨层复用，周期性更新本地路由表中到两跳内邻居的路径。

S104，如果业务源节点(SRC)接收到与目标节点(DEST)通信的请求，先检查本地路由表中有无到目标节点的路径，若无，则业务源节点沿着最小无环生成树上节点向脉冲源节点单播路由请求包；寻址到脉冲源节点的路由请求包中包含目标节点地址标签、到业务源节点的距离度量以及到目标节点的距离度量。其中：

业务源节点通向脉冲源节点的路径上的每个节点做三件事：

(1)在其路由转发表中创建朝向业务源节点的反向路径；

(2)更新来自业务源节点的距离度量；

(3)沿着树结构向脉冲源节点发送更新后的路由请求包。

目标节点通向脉冲源节点的路径上的每个节点做三件事：

(1)在其路由转发表中创建朝向目标节点的反向路径；

(2)更新来自目标节点的距离度量；

(3)沿着树结构向脉冲源节点发送更新后的路由响应包。

S105，从业务源节点到脉冲源节点路径上的节点的一跳邻居，根据广播监听到的路由请求包，建立到发送路由请求包的业务源节点的路由。

S106，当脉冲源节点接收到业务源节点的路由请求包时，首先检查本地路由转发表中是否有指向目标节点的有效路径。如果是，则响应业务源节点，从脉冲源节点发送路由响应消息单播给业务源节点。如果没有，则脉冲源节点在下一个脉冲泛洪时，将目标节点地址标签放在脉冲消息的寻呼字段内发出。

S107，当目标节点接收到本节点的地址标签在脉冲消息的寻呼字段中时，将路由响应消息单播到脉冲源节点。这同样会在树上的节点转发表中创建朝向目标节点的反向路由。同时一跳邻居会监听路由响应包，建立到发送响应包的目标节点的路由(此段过程同步骤S104)。

S108，在业务源节点和目标节点之间形成端到端的捷径，捷径靠一跳邻居监听后，发现更短路径时广播发送路由修改消息获得。即一跳邻居获取到数据包在网络中存在更短路径，会向其邻居广播发送一跳无偿响应——路由修改消息，则收到这个广播的路由修改消息的节点，可以修改路由转发表，以更短的路径到达目的节点。

(2)链路层中基于时分多址接入协议(TDMA)的预分配加动态协商资源管理策略的实施方案

本发明实施例的链路层接入方式使用基于时分多址接入协议(TDMA)的预分配加动态协商资源管理策略，不使用竞争式CSMA/CA，因为在无人平台组网规模较大时，竞争式冲突大，退避时间长，导致丢包率高，不适合节点密集场景，且对广播业务的支持性不好；而基于时分多址接入协议(TDMA)的预分配加动态协商资源管理策略可实时感知资源需求变化情况，进行资源动态协商，有效避免冲突，能够在不稳定链路下保持高时隙申请成功率和不会导致占用冲突，预分配时隙保障广播信令的高优先级传输的同时，也可用于业务数据传输，进一步保障了高优先级测控业务的实时传输；动态协商时隙灵活保障大流量任务载荷回传业务传输。

在一些实施例中，基于时分多址接入协议(TDMA)的预分配加动态协商资源管理策略包括如下步骤：

S201，预分配的静态时隙已在帧结构设计时为每个节点提前预留出来，剩余时隙由各节点根据实时流量变化，动态协商按需占用；

S202，邻居交互，建立两跳邻居连接关系；

S203，根据当前业务负载，计算当前需要的数据时隙数目N。

N＝totalUnicastResDemandNum+totalBroadcastResDemandNum

其中，totalUnicastResDemandNum表示本节点发往各邻居节点的单播流量需求资源个数总和，totalBroadcastResDemandNum表示广播流量资源需求个数。

其中，本节点发往给邻居节点的单播流量需求资源个数：

totalUnicastResDemandNum＝totalUnicastFlow/tbSize_current

其中，totalUnicastFlow表示本节点发往给邻居节点的总单播流量，tbSize_current表示当前链路状态下通过AMC得出的单个时隙可承载的流量；

S204，根据需要的数据时隙数目N和目前节点已经占有的时隙数目计算需要申请或者释放的时隙个数；

S205，节点在预分配的时隙发送资源申请消息和资源反馈消息；

S206，节点根据收到的资源反馈消息得到最新占用的时隙位置。

(3)链路层中基于服务质量(Quality of Service，QoS)等级的存储调度策略实施方案

S301，网络层识别业务类型，为不同类型的数据包打上对应服务质量等级标签；

S302，链路层识别由上层来的数据包的服务质量等级标签，将数据包分不同优先级队列、不同目的节点ID存储，其中节点ID从1开始计数，广播报文存储在每个队列的0号下标索引位置；

S303，根据时隙占用结果，若当前时隙为本节点的预分配时隙，则从最高优先级队列开始逐级遍历，发送0号索引位置(MCS)的广播报文，根据0号索引位置对应的承载力进行组帧，保证高优先级广播业务的可靠性传输；若当前时隙为本节点动态协商到的数据时隙，则先检查是否仍有高优先级广播业务需要传输，若是，则优先发送高优先级队列0号索引位置的广播报文，保证高优先级广播业务的实时传输；若无，则从最高优先级队列开始逐级遍历，发送到某个目的节点的单播报文，根据AMC结果进行组拆帧，保证大流量任务载荷业务的高效回传；

S304，若当前时隙不是本节点的发送时隙，则查询本地保存的时隙占用表进行接收，同时根据本次链路测量结果，自适应调整调制编码等级。

(4)物理层实施方案

本发明实施例可根据任务环境和应用的不同选择工作在L、S、C波段等波段，信道带宽可根据需求定制。物理层工作采用了MIMO多天线技术，并基于正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM)多载波调制传输方案，支持包括最大比合并(Maximal Ratio Combining，MRC)、空时分组编码(Space-Time Block Coding，STBC)以及空间复用等MIMO技术，还充分利用了无线信号的多径传播特性。不仅如此，通过接收处理周围无线环境中产生的多路射频反射传播信号，MIMO技术扩展了用户在城市、地下、海上等复杂环境下的通信距离范围，并提升了网络的链路传输吞吐量和通信可靠性。这些先进技术的运用，使得本发明网络工作在城市、隧道、建筑物等环境中时能够体现出明显的性能优势。

自适应调制编码功能(AMC)就是根据当前收发链路状态，自适应的选择出适宜的调整编码等级(MCS)进行收发，包括如下步骤：

S401，接收节点通过无线链路测量获取接收功率大小；

S402，通过接收功率计算出信噪比SNR；

S403，通过信噪比SNR能够感知出与当前发送节点之间的链路状态优劣，选择合适的MCS档位进行收发，并更新本地节点接收发送节点的最新MCS档位；

S404，将最新MCS档位在下次邻居信息交互时携带出去，以使发送节点收到后，使用最新MCS档位发往本节点。

基于上述构建的无人机蜂群网络化测控通信系统，本发明实施例提供的一种无人机蜂群网络化测控通信方法，包括如下步骤：

S1，初始选取指控节点作为跨层脉冲路由协议的脉冲源节点；

S2，所有节点上线，获取时间同步后，指控节点周期性泛洪脉冲消息，建立全网所有无人机节点到指控节点的最优路径(最小无环生成树)；

S3，每个节点在预分配给自身的静态TDMA时隙内交互控制信息，链路层更新两跳内邻居连接关系，并定期上报给网络层；

S4，业务流驱动节点按需查找本节点到目的节点的路径，若本地路由表项中有到目的节点的有效路径，则按照已有路径转发数据包；若无路径，则根据跨层脉冲路由协议进行寻址后再转发；

S5，链路层实时感知本节点发送队列中的单播业务流量大小，根据基于时分多址接入协议的预分配加动态协商资源管理策略进行动态时隙占用和释放；

S6，节点查询本地保存的时隙占用表，若当前时隙是本节点的发送时隙，则链路层基于服务质量等级的存储调度策略，对数据包进行组拆帧，并下发给物理层，发出数据；

S7，其他节点查询本地保存的时隙占用表进行接收，同时根据本次链路测量结果，自适应调整调制编码等级。

以下通过仿真试验对本发明进一步说明。

1、试验条件

操作系统：Windows 10；

CPU：intel i7 7700以上；

内存：16GB以上；

硬盘：512GB以上；

仿真软件：OMNeT++6.0Preview10+INET 4.3.0；

2、试验方法

在OMNET++软件中构建无人机蜂群网络化测控通信系统仿真拓扑如图3所示，host[0]为地面的指控节点，host[1]～host[59]为空中的59个无人机节点，全网共由60个节点构成。指控节点一对多，在网节点之间多跳互联。首先与典型的自组网路由协议：主动式的优化链路状态路由协议(Optimized Link State Routing，OLSR)和按需平面距离向量路由协议(A dhoc On-Demand Distance Vector Routing，AODV)对比路由开销，分析本发明所使用的跨层脉冲路由协议的性能表现；再与典型的竞争式链路层接入协议IEEE802.11b对比传输成功率，分析本发明所使用的预分配加动态协商的TDMA协议的性能表现；最后配置无人机蜂群网络化测控通信系统典型业务，验证本发明的网络综合性能及信息链路设计的正确性。

基于服务质量等级对无人机蜂群网络化测控通信系统业务进行建模，如表1、表2所示，本发明中规定QoS0为最高优先级。

表1，无人机蜂群网络化测控通信系统典型业务模型：

表2，仿真参数配置表：

3、试验内容与结果

(1)路由协议性能验证。首先依次为网络配置1条、5条、10条回传业务流，即发送节点依次从无人机节点中随机选择1个、5个、10个，接收节点均为指控节点。在预分配加动态协商资源分配方案TDMA协议和竞争式资源分配方案IEEE802.11b协议下，使用主动式OLSR路由、按需式AODV路由，与本发明中的跨层脉冲路由进行对比，观察随着回传业务流数增加，三种路由协议开销变化情况。

由图4可得，在两种不同链路层接入方案下，路由协议具有相似的趋势，三种路由协议中，路由开销最大的是主动式路由OLSR，其次是混合式路由跨层PULSE，开销最小的是按需式路由AODV，其中随着业务流数(收发节点对数)的增多，OLSR和跨层PULSE的路由开销无明显浮动，而AODV的路由开销随业务流数增多而上升，这是由于OLSR作为主动式路由，每个节点主动建立起全网所有路径，路由开销不随回传业务流数改变；跨层PULSE通过脉冲源节点周期性脉冲泛洪同样预先建立起所有无人机节点到指控节点的回传路径，路由开销随回传业务流数改变不大；而AODV作为按需式路由，随着业务流数增多后，更多业务源节点需要发起新的路径请求去寻址，增加了开销。

(2)链路层接入协议性能验证。在(1)中所述场景下，观察不同接入协议下的传输成功率情况。由图5可以看出，“回传”业务流数为1条时，两种链路层协议搭配三种路由协议的业务包传输成功率均接近100％；但是随着“回传”业务流数增多，802.11b协议搭配三种路由协议的传输成功率逐渐降低，这是由于802.11b协议中对广播报文是直接发送的，不通过RTS/CTS机制来确保信道空闲，对于广播信令开销最大的主动式路由OLSR，造成广播碰撞的几率更高，路由建立失败，因此802.11b搭配OLSR的网络丢包最严重；TDMA协议搭配三种路由协议均能保持较高的传输成功率，是由于TDMA采用预分配加动态协商资源管理策略，会根据业务量大小为每个节点协商好资源，避免冲突，保证建路由成功。因此，对于无人机蜂群组网这样节点密集、网络中业务流数较多时，链路层采用TDMA协议的传输成功率更高。

进一步地，通过对比TDMA协议搭配3种路由协议的传输成功率可得，TDMA搭配跨层PULSE脉冲路由的组合，始终能获得较高的传输成功率，原因在于OLSR的路由开销大，会占用业务的发送机会，导致业务丢包，传输成功率降低；而AODV对抗移动性较差，节点移动过程中对拓扑变化响应慢，导致链路断开时产生业务丢包，传输成功率降低；而跨层脉冲路由作为混合式路由，选择指控节点作为脉冲源定期维护所有节点到脉冲源的最小无环生成树，兼顾了移动场景下对路径的自修复，又避免网络中大量广播泛洪开销，天然适用于无人机蜂群网络化测控通信系统“回传”业务场景。

(3)无人机蜂群网络化测控通信系统性能验证。为网络中的节点配置4种QoS等级的典型业务，仿真观察传输时延和传输成功率结果。

表3，无人机蜂群组网业务配置：

仿真结束后，统计4种QoS等级的业务传输成功率均为100％，端到端时延结果如图6所示，本方案根据QoS等级不同，优先保障高优先级业务的传输，因此最高优先级业务的传输时延最短，最低优先级业务的传输时延最长。

试验结果表明，本发明可以有效地解决无人机蜂群网络化测控通信系统的通信需求，支持大容量信息传输、机间协同信息分发、无人机网络化测控。能维护多跳高动态大规模扁平化网络的稳健连接。保障遥控、遥测信息的高效可靠传输的同时，支撑大流量回传业务的有效传输。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种无人机蜂群网络化测控通信系统，其特征在于，所述通信系统的架构包括网络层、链路层和物理层；

所述网络层中的路由协议使用跨层脉冲路由协议，所有节点跨层复用链路层的两跳内邻居连接关系；

所述链路层采用基于时分多址接入协议的预分配加动态协商资源管理策略和基于服务质量等级的存储调度策略；

所述物理层采用MIMO技术和自适应调制编码技术，支持多用户不同业务传输需求。

2.根据权利要求1所述的无人机蜂群网络化测控通信系统，其特征在于，所述跨层脉冲路由协议包括：

选择地面指控节点作为脉冲源节点；脉冲源节点在整个网络中周期性地洪泛脉冲消息；

节点接收到脉冲消息后，通过更新到脉冲源节点的距离度量构建最小无环生成树，将所有节点连接到脉冲源节点；

每个节点对链路层上报的两跳内的邻居关系进行跨层复用，周期性更新本地路由表中到两跳内邻居的路径；

如果业务源节点接收到与目标节点通信的请求，检查本地路由表中有无到目标节点的路径，若无，则业务源节点沿着最小无环生成树上节点向脉冲源节点单播路由请求包；

从业务源节点到脉冲源节点路径上的节点的一跳邻居，根据广播监听到的路由请求包，建立到发送路由请求包的业务源节点的路由；

当脉冲源节点接收到业务源节点的路由请求包时，首先检查本地路由转发表中是否有指向目标节点的有效路径：如果是，则响应业务源节点，从脉冲源节点发送路由响应消息单播给业务源节点；如果没有，则脉冲源节点在下一个脉冲泛洪时，将目标节点地址标签放在脉冲消息的寻呼字段内发出；

当目标节点接收到本节点的地址标签在脉冲消息的寻呼字段中时，将路由响应消息单播到脉冲源节点；

在业务源节点和目标节点之间形成端到端的捷径，捷径靠一跳邻居监听后，发现更短路径时广播发送路由修改消息获得。

3.根据权利要求2所述的无人机蜂群网络化测控通信系统，其特征在于，所述脉冲消息包含：脉冲源节点地址标签、到脉冲源节点的距离度量、当前序列号和脉冲源节点当前正在寻呼的目标节点列表。

4.根据权利要求2所述的无人机蜂群网络化测控通信系统，其特征在于，业务源节点通向脉冲源节点的路径上的每个节点需要完成：在其路由转发表中创建朝向业务源节点的反向路径；更新来自业务源节点的距离度量；沿着树结构向脉冲源节点发送更新后的路由请求包；目标节点通向脉冲源节点的路径上的每个节点需要完成：在其路由转发表中创建朝向目标节点的反向路径；更新来自目标节点的距离度量；沿着树结构向脉冲源节点发送更新后的路由响应包。

5.根据权利要求1所述的无人机蜂群网络化测控通信系统，其特征在于，所述基于时分多址接入协议的预分配加动态协商资源管理策略包括：

预分配的静态时隙已在帧结构设计时为每个节点提前预留出来，剩余时隙由各节点根据实时流量变化，动态协商按需占用；

邻居交互，建立两跳邻居连接关系；

根据当前业务负载，计算当前需要的数据时隙数目N；

根据需要的数据时隙数目N和目前节点已经占有的时隙数目计算需要申请或者释放的时隙个数；

节点在预分配的时隙发送资源申请消息和资源反馈消息；

节点根据收到的资源反馈消息得到最新占用的时隙位置。

6.根据权利要求5所述的无人机蜂群网络化测控通信系统，其特征在于，计算当前需要的数据时隙数目N的公式如下：

N＝totalUnicastResDemandNum+totalBroadcastResDemandNum

其中，totalUnicastResDemandNum表示本节点发往各邻居节点的单播流量需求资源个数总和，totalBroadcastResDemandNum表示广播流量资源需求个数。

7.根据权利要求6所述的无人机蜂群网络化测控通信系统，其特征在于，本节点发往给邻居节点的单播流量需求资源个数总和的计算公式如下：

totalUnicastResDemandNum＝totalUnicastFlow/tbSize_current

其中，totalUnicastFlow表示本节点发往给邻居节点的总单播流量，tbSize_current表示当前链路状态下通过AMC得出的单个时隙可承载的流量。

8.根据权利要求1所述的无人机蜂群网络化测控通信系统，其特征在于，所述基于服务质量等级的存储调度策略包括：

网络层识别业务类型，为不同类型的数据包打上对应服务质量等级标签；

链路层识别由上层来的数据包的服务质量等级标签，将数据包分不同优先级队列、不同目的节点ID存储，其中节点ID从1开始计数，广播报文存储在每个队列的0号下标索引位置；

根据时隙占用结果，若当前时隙为本节点的预分配时隙，则从最高优先级队列开始逐级遍历，发送0号索引位置的广播报文，根据0号索引位置对应的承载力进行组帧；若当前时隙为本节点动态协商到的数据时隙，则先检查是否仍有高优先级广播业务需要传输：若是，则优先发送高优先级队列0号索引位置的广播报文；若无，则从最高优先级队列开始逐级遍历，发送到某个目的节点的单播报文，根据AMC结果进行组拆帧；

若当前时隙不是本节点的发送时隙，则查询本地保存的时隙占用表进行接收，同时根据本次链路测量结果，自适应调整调制编码等级。

9.根据权利要求1所述的无人机蜂群网络化测控通信系统，其特征在于，所述自适应调制编码技术就是根据当前收发链路状态，自适应的选择出适宜的调整编码等级进行收发，包括：

接收节点通过无线链路测量获取接收功率大小；

通过接收功率计算出信噪比SNR；

通过信噪比SNR能够感知出与当前发送节点之间的链路状态优劣，选择合适的MCS档位进行收发，并更新本地节点接收发送节点的最新MCS档位；

将最新MCS档位在下次邻居信息交互时携带出去，以使发送节点收到后，使用最新MCS档位发往本节点。

10.一种无人机蜂群网络化测控通信方法，其特征在于，所述方法基于如权利要求1-9任一项所述的无人机蜂群网络化测控通信系统实现，包括如下步骤：

初始选取指控节点作为跨层脉冲路由协议的脉冲源节点；

所有节点上线，获取时间同步后，指控节点周期性泛洪脉冲消息，建立全网所有无人机节点到指控节点的最小无环生成树；

每个节点在预分配给自身的静态TDMA时隙内交互控制信息，链路层更新两跳内邻居连接关系，并定期上报给网络层；

业务流驱动节点按需查找本节点到目的节点的路径，若本地路由表项中有到目的节点的有效路径，则按照已有路径转发数据包；若无路径，则根据跨层脉冲路由协议进行寻址后再转发；

链路层实时感知本节点发送队列中的单播业务流量大小，根据基于时分多址接入协议的预分配加动态协商资源管理策略进行动态时隙占用和释放；

节点查询本地保存的时隙占用表，若当前时隙是本节点的发送时隙，则链路层基于服务质量等级的存储调度策略，对数据包进行组拆帧，并下发给物理层，发出数据；

其他节点查询本地保存的时隙占用表进行接收，同时根据本次链路测量结果，自适应调整调制编码等级。