无人机自组织网络动态分簇与机会路由研究

摘要

在现代信息化战争中，无人机已成为重要的信息传递节点和作战单元。无人机自组织网络是无线自组网技术在无人机编队组网中应用的产物。无人机编队通过构建灵活、高效、抗毁性强的无人机自组织网络，不仅能够保证无人机编队协同完成作战任务，而且可以通过空中无线“热区”的方式覆盖作战区域，实现作战单元之间信息、战术和火力的高效协同。本文紧密结合无人机编队飞行和网络拓扑动态变化的特点，深入分析了网络分簇及簇间机会路由在无人机自组织网络中应用的优势，探索了基于无人机路径规划的网络分簇算法和基于链路可用带宽预测的簇间机会路由协议的设计方法，研究成果为无人机网络数据链系统研制提供技术支持和储备。 本文的主要创新性工作包括： （1）设计了基于路径规划的无人机自组织网络加权高效分簇算法。在实战中，无人机地面控制站采用路径规划算法预设无人机编队的飞行轨迹，从而针对存在威胁障碍的作战区域，计算出从初始位置到目标位置的最优路径。针对这一特点，本文首先采用粒子群算法实现了多障碍物环境下的无人机路径规划，然后在此基础上，提出了两种适用于无人机自组织网络的加权高效分簇算法（WHEA-P，WCAA-P）。两种算法均以面向路径规划的分簇稳定度、节点分布状况、节点剩余能量为分簇加权代价因子，分别以簇首节点稳定和簇成员节点稳定为优化目标。仿真结果证明，本文设计的算法充分考虑了无人机编队网络拓扑结构对分簇性能的影响，与传统的最小ID号算法和WCA算法相比，分簇维护开销小，分簇稳定度高，且能获得更优的网络生存时间性能。 （2）设计了基于链路可用带宽预测的无人机自组织网络簇间机会路由协议。簇间路由协议是保证分簇无人机自组织网络性能的关键。如果采用传统的路由协议，在无人机编队飞行过程中，簇首的重新选举、网络拓扑结构的动态变化、远距离无线链路的断裂均会引发新的路由发现过程，消耗宝贵的无线链路传输资源。相比之下，机会路由协议无需节点维护路由表，采用中继节点间竞争的方法确定下一跳转发节点，直至数据包到达目的节点。本文假定无人机节点数据链路层采用载波检测/冲突避免（CSMA/CA）的信道接入方式，首先针对高动态环境下的无人机节点链路可用带宽预测方法展开研究，然后提出了一种基于链路可用带宽预测的簇间机会路由协议。该协议以节点当前的链路可用带宽和前进距离为依据，计算中继节点的优先级排序，确定下一跳路由。仿真结果证明了协议的优越性。

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第一章 绪论

1.1.1 无人机自组织网络概述

1.1.2 无人机自组织网络体系结构

第二章 无人机自组织网络分簇路由协议概述

2.1无人机自组织网络分簇路由协议的设计思路

2.2 无人机自组织网络典型的分簇算法

2.3 基于路径规划的分簇算法优势分析

2.4 无人机自组织网络簇间路由协议分类

2.4.1基于路由表的路由协议

2.4.2机会路由协议

2.5 无人机自组织网络机会路由优势

2.6 本章小结

第三章 无人机自组织网络加权高效分簇算法

3.1 引言

3.2 路径规划算法

3.2.1 典型的路径规划算法

3.2.2 路径规划算法的粒子群实现

3.3 WHEA-P算法原理

3.3.1 相对移动速率的局限性

3.3.2 稳定度S的计算

3.3.3 WHEA-P算法具体步骤

3.4 WCAA-P算法原理

3.5 WHEA-P和WCAA-P比较分析

3.6仿真与结果分析

3.6.1稳定度S的权重系数的取值区间

3.6.2基于路径规划的无人机分簇算法的仿真与分析

3.7 本章小结

第四章 无人机自组织网络簇间机会路由协议

4.1 相关工作

4.2 ABOR总体思路

4.3 链路可用带宽预测方法ABEN

4.3.1 链路可用带宽预测难点问题

4.3.2 链路可用带宽的初步估计

4.3.3 链路可用带宽的修正

4.3.4 ABEN方法准确性的仿真验证

4.4 ABOR协议实现

4.4.1 候选转发节点的选择与排序

4.4.2 ABOR协议执行过程

4.4.3 ABOR协议仿真验证与分析

4.4 本章小结

第五章 总结与展望

5.1 研究总结

5.2 研究展望

致 谢

在学期间的研究成果及发表的学术论文