CN108377480B - 基于无人机的应急物联通信方法 - Google Patents

基于无人机的应急物联通信方法 Download PDF

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Abstract

一种基于无人机的物联应急通信方案：第一步构建基于无人机的应急物联网数据传输***，在原有平面通信网络的基础上引入无人机通信平台，通过快速构建新的地面通信节点到无人机的通信链路形成立体通信网络；第二步，为基于无人机的应急通信网络设计网络通信协议，应急通信网络设计网络通信协议的核心设计如下：首先，设定无人机指定的数据优先度最高，并且该优先度将突破原先网络按照数据类型区分的优先度的分配方式；其次，由于指挥中心需要的信息可能会随时间改变，因而指令也有所不同，该网络最高优先级的数据呈动态变化；最后，给出优先级实现的方案并对***模型进一步优化。

Description

基于无人机的应急物联通信方法
技术领域
本发明涉及一种基于无人机的应急物联通信方案涉及物联网通信领域。
背景技术
随着物联网的快速发展，基于物联网平台处理紧急情况成为趋势。然而对于一个正常工作的物联网平台，一旦发生紧急状况，如发生火灾、***等事件，指挥中心对现场数据的需求量会剧增，短时间通信数据大量堆积，传感器节点数据无法快速传送出去，容易导致局部网络因数据堆积而发生拥塞甚至瘫痪。目前，针对应急状态下网络拥塞的问题，有学者提出利用一些传输调度的算法来解决，如Kyasanur等指出采用多个信道传输可以有效避免冲突，缓解网络拥塞；Tasssiulas和Ephremides提出背压式的节点传输调度方案，该方案可以有效控制网络拥塞并保证网络吞吐量。然而现有的传输调度算法分配方式固定，开销较大，没有充分考虑无线环境的时变特性，对可靠性和实时性考虑也较少。近年来，有关无人机通信中继的研究越来越多，尤其是突发情况下，当地面通信设备受损无法正常工作时，常利用无人机搭载通信设备，组建临时的通信网络。然而，现有的针对无人机的工作主要还集中在无人机的位置部署、任务分配、飞行轨迹、飞行模式等，以及通过这些参数的设置对网络吞吐量进行研究，但是对网络数据的优先度以及数据类型考虑得较少。
发明内容
为解决应急状态下指挥中心对数据需求量剧增而导致的网络拥塞甚至瘫痪的问题，本发明提供了一种基于无人机的应急物联通信方法。
本发明的基于无人机的应急物联通信方法包括如下步骤：
第一步构建基于无人机的应急物联网数据传输***；
物联网通常由多个传感器、通信网络以及用户组成；常态下，传感器网络获得的各类数据按照网络通信协议有序传输至数据中心或者直接传输至终端用户；一旦发生紧急情况，如火灾、地震等，指挥中心(用户)需要通过实时收集由传感器提供的大量的现场数据来了解现场情况进而实施救援，这将导致短时间内通信数据量剧增，进而导致网络拥塞甚至瘫痪；此时依靠原有的网络拓扑结构的优化已无法满足通信要求；因此，本发明提出新的通信网络结构，即在原有平面通信网络的基础上引入无人机通信平台，通过快速构建新的地面通信节点到无人机的通信链路形成立体通信网络；与原有的平面通信网络相比，新构建的无人机通信链路相当于为通信网络增加了空间信道资源；通过无人机链路来传输一部分应急数据，缓解数据传输的压力；
第二步为基于无人机的应急通信网络设计网络通信协议，协议的核心设计如下：
1.设定无人机指定的数据的优先度最高；
基于某一具体应用的物联网往往产生多种类型的数据，而不同类型的数据在传输过程中通常具有不同的QoS(Quality of Service)要求，根据数据的QoS要求设定不同的传输优先度是网络通信协议的通行做法，因此，传输数据的优先度往往与数据类型对应；
在紧急情况下，为更好地决策和实施救援，指挥中心需要大量的来自现场的动态监测数据；针对这一需求，在本发明构建的应急通信网络中，指挥中心可通过无人机向原有的传感网络发出现场监测数据的调度指令，为保证指挥中心调度所指向的数据的实时性，本发明设定调度数据具有最高的优先度；这一设定将引入新的优先度特点：由于调度数据类型随时间动态变化(比如这一刻调度烟雾数据，下一刻可能调度温度数据)，且不排除调度所指向的部分数据在原有的优先度体系中层级较低，因此将在同一个网络里形成两个独立并行的优先度体系；
2.建立基本实现方案；
该网络的数据优先级随需求度不同将呈现动态变化，围绕着优先级的实现，本发明给出一个方案：假设原先网络有两种类型的数据，分别定义成数据a和数据b，指挥中心调度的数据设为c；具体实现如下：
1)多址接入协议设定；本方案选择随机接入协议，将时间轴分成若干个时隙，各传输节点只能在时隙开始的时候才能发送分组；
2)优先级设定；指挥中心调度指向的数据c优先度最高，设为1级，数据b的优先度次之，设为2级，数据a的优先度最低，设为3级；
3)分组数据发送；节点在发送分组数据前先在信道上进行数次载波侦听，为保障优先度高的数据最先发送出去，设定1级优先度的数据在发送前只需侦听一次，若信道空闲，即可发送，其他优先级的数据需连续侦听两次；若信道忙，节点将随机等待一段时间后再重复该分组数据发送步骤；其中等待时间设定为：1级到3级优先度的数据对应的参数设为k1，k2，k3，等待时间分别为
Figure GDA0002595595880000021
中任一时间，其中参数ki,i∈N+与***时延有关，并且当m<n，m,n∈N+时，km<kn；
3.建立基本方案基础上的优化方案；
在由多架无人机覆盖的通信网络中，可能出现不同无人机覆盖的区域间等待传输的数据的优先度等级差异明显，比如：无人机A覆盖的区域内优先度高的数据堆积严重，而相邻的由无人机B覆盖的区域内堆积的主要是优先度较低的数据，此时，无人机A覆盖的区域内优先度高的数据可以首先传输给无人机B覆盖的区域内的节点，再通过无人机B构建的链路传出；上述过程中，如果无人机B覆盖的区域并非是目的区域，则可进一步传输给无人机B覆盖区域的相邻区域内的节点，再经由该区域的无人机链路传输；以此类推；
本发明的优点在于：利用无人机和地面节点组成新的通信链路，在原有的通信网络基础上增加了新的通信资源，有效缓解突发情况下网络拥塞问题；同时，也为应急指挥中心通过无人机指定和传输急需的数据提供了可能；进一步，通过设定应急指挥中心的调度数据具有最高优先度，可以更好地保障指挥中心的调度数据的及时和准确传输；对应急状态下物联网通信***的设计、对救灾***的完善有非常重要的意义。
附图说明
图1是在原先网络基础上加入无人机通信平台，构建的三维立体通信网络模型。
图2是选用的随机多址接入协议传输示意图。
图3是不同优先级的数据传输示意图。
图4是在建立的基本方案基础上的优化示意图。
具体实施方式
下面结合附图，进一步说明本发明的技术方案。
如图1至图4所示，基于无人机的应急物联网络通信方法的具体步骤如下：
第一步构建基于无人机的应急物联网数据传输***；
物联网通常由多个传感器、通信网络以及用户组成；常态下，传感器网络获得的各类数据按照网络通信协议有序传输至数据中心或者直接传输至终端用户；一旦发生紧急情况，如火灾、地震等，指挥中心(用户)需要通过实时收集由传感器提供的大量的现场数据来了解现场情况进而实施救援，这将导致短时间内通信数据量剧增，进而导致网络拥塞甚至瘫痪；此时依靠原有的网络拓扑结构的优化已无法满足通信要求。因此，如图1所示，本发明提出新的通信网络结构，即在原有平面通信网络的基础上引入无人机通信平台，通过快速构建新的地面通信节点到无人机的通信链路形成立体通信网络；与原有的平面通信网络相比，新构建的无人机通信链路相当于为通信网络增加了空间信道资源；通过无人机链路来传输一部分应急数据，缓解数据传输的压力；
第二步为基于无人机的应急通信网络设计网络通信协议，协议的核心设计如下：
1.设定无人机指定的数据的优先度最高；
基于某一具体应用的物联网往往产生多种类型的数据，而不同类型的数据在传输过程中通常具有不同的QoS(Quality of Service)要求，根据数据的QoS要求设定不同的传输优先度是网络通信协议的通行做法，因此，传输数据的优先度往往与数据类型对应；
在紧急情况下，为更好地决策和实施救援，指挥中心需要大量的来自现场的动态监测数据；针对这一需求，在本发明构建的应急通信网络中，指挥中心可通过无人机向原有的传感网络发出现场监测数据的调度指令，为保证指挥中心调度所指向的数据的实时性，本发明设定调度数据具有最高的优先度；这一设定将引入新的优先度特点：由于调度数据类型随时间动态变化(比如这一刻调度烟雾数据，下一刻可能调度温度数据)，且不排除调度所指向的部分数据在原有的优先度体系中层级较低，因此将在同一个网络里形成两个独立并行的优先度体系；
2.建立基本实现方案；
该网络的数据优先级随需求度不同将呈现动态变化，围绕着优先级的实现，本发明给出一个方案：假设原先网络有两种类型的数据，分别定义成数据a和数据b，指挥中心调度的数据设为c；具体实现如下：
1)多址接入协议设定；如图2所示，本方案选择随机接入协议，将时间轴分成若干个时隙，各传输节点只能在时隙开始的时候才能发送分组；
2)优先级设定；如图3所示，指挥中心调度指向的数据c优先度最高，设为1级，数据b的优先度次之，设为2级，数据a的优先度最低，设为3级；
3)分组数据发送；节点在发送分组数据前先在信道上进行数次载波侦听，为保障优先度高的数据最先发送出去，设定1级优先度的数据在发送前只需侦听一次，若信道空闲，即可发送，其他优先级的数据需连续侦听两次；若信道忙，节点将随机等待一段时间后再重复该分组数据发送步骤。其中等待时间设定为：1级到3级优先度的数据对应的参数设为k1，k2，k3，等待时间分别为
Figure GDA0002595595880000041
中任一时间，其中参数ki,i∈N+与***时延有关，并且当m<n，m,n∈N+时，km<kn；
3.建立基本方案基础上的优化方案；
如图4所示，在由多架无人机覆盖的通信网络中，可能出现不同无人机覆盖的区域间等待传输的数据的优先度等级差异明显，比如：无人机A覆盖的区域内优先度高的数据堆积严重，而相邻的由无人机B覆盖的区域内堆积的主要是优先度较低的数据，此时，无人机A覆盖的区域内优先度高的数据可以首先传输给无人机B覆盖的区域内的节点，再通过无人机B构建的链路传出；上述过程中，如果无人机B覆盖的区域并非是目的区域，则可进一步传输给无人机B覆盖区域的相邻区域内的节点，再经由该区域的无人机链路传输；以此类推；
本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也及于本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。

Claims (1)

1.基于无人机的应急物联网通信方法，其特征在于具体步骤如下：
第一步 构建基于无人机的应急物联网数据传输***；
在平面通信网络的基础上引入无人机通信平台，通过构建新的地面通信节点到无人机的通信链路形成立体通信网络；
第二步 为基于无人机的应急通信网络设计网络通信协议，协议的核心设计如下：
(1)设定无人机指定的数据的优先度最高；
在构建的应急通信网络中，指挥中心可通过无人机向传感网络发出现场监测数据的调度指令，为保证指挥中心调度所指向的数据的实时性，设定的调度数据具有最高的优先度；这一设定将引入新的优先度特点：由于调度数据类型随时间动态变化，且不排除调度所指向的部分数据在原有的优先度体系中层级较低，因此将在同一个网络里形成两个独立并行的优先度体系；
(2)基本实现方案；
该网络的数据优先级随需求度不同将呈现动态变化，围绕着优先级的实现，给出一个方案：假设原先网络有两种类型的数据，分别定义成数据a和数据b，指挥中心调度的数据设为c；具体实现如下：
1)多址接入协议设定；选择随机接入协议，将时间轴分成若干个时隙，各传输节点只能在时隙开始的时候才能发送分组；
2)优先级设定；指挥中心调度指向的数据c优先度最高，设为1级，数据b的优先度次之，设为2级，数据a的优先度最低，设为3级；
3)分组数据发送；节点在发送分组数据前先在信道上进行数次载波侦听，为保障优先度高的数据最先发送出去，设定1级优先度的数据在发送前只需侦听一次，若信道空闲，即可发送，其他优先级的数据需连续侦听两次；若信道忙，节点将随机等待一段时间后再重复该分组数据发送步骤；其中等待时间设定为：1级到3级优先度的数据对应的参数设为k1，k2，k3，等待时间分别为
Figure FDA0002595595870000011
中任一时间，其中参数ki,i∈N+与***时延有关，并且当m<n，m,n∈N+时，km<kn；
(3)建立基本方案基础上的优化方案；
在由多架无人机覆盖的通信网络中，会出现不同无人机覆盖的区域间等待传输的数据的优先度等级差异，无人机A覆盖的区域内堆积优先度高的数据，而相邻的由无人机B覆盖的区域内堆积的主要是优先度较低的数据，此时，无人机A覆盖的区域内优先度高的数据可以首先传输给无人机B覆盖的区域内的节点，再通过无人机B构建的链路传出；上述过程中，如果无人机B覆盖的区域并非是目的区域，则可进一步传输给无人机B覆盖区域的相邻区域内的节点，再经由该区域的无人机链路传输；以此类推。
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