本发明属于无线通信，更进一步涉及用于定义路由集成员中的一种基于宽窄带融合的无人机集群自组网通信系统及方法。本发明可应用于由多架无人机组建的无人机集群之间的自组网通信，满足在动态拓扑变化下对无人机集群管理维护的需求，实现实时地根据传输业务和最优路径选择对时隙资源的有效动态分配。
背景技术：
1、无人机自组织网络(flying ad hoc network，fanet)是指由无人机(unmannedaerial vehicle，uav)组成的自组织网络。随着民用无人机技术的快速发展，fanet开始引起更广泛的关注，并出现了一系列相关的研究和应用。近年来，fanet已经在农业、林业、环境监测、物流配送以及通信覆盖不便区域等领域得到了一定程度的应用和探索。fanet由于无人机节点运动速度快、拓扑变化频繁等特点，导致传统的自组网协议已不能适应高动态移动节点的需要，当前fanet在媒体接入(medium access，mac)层遇到的挑战主要有动态拓扑、多通道操作和不稳定链路三个方面。因此需要设计更加适合fanet的协议解决方案。
2、重庆大学在其申请的专利文献“一种适用于无人机自组网的多跳tdma时隙分配方法”(申请号：202310096038.2申请日：2023.02.09申请公布号：cn 116131927 a)中公开了一种适用于无人机自组网的多跳tdma时隙分配方法。该专利公开的方法的实现步骤是，第一步，将每个tdma时帧按照时间先后划分为预约子帧和数据子帧，并定义控制短帧、业务长帧、时隙占用表；第二步，完成入网的各节点根据当前业务需求和时隙占用情况在其占用的预约周期对数据时隙发送预约申请帧和预约通知帧；第三步，一个tdma时帧的预约子帧结束后，各节点之间预约到的数据时隙发送业务长帧进行通信。该方法存在的不足之处是，在无人机拓扑快速变化的环境下，该方法在处理多跳选路时未考虑集群动态拓扑变化的因素，动态拓扑变化会导致通信网络不稳定以及网络信息拥塞，因此该方法无法适用于高动态拓扑变化的无人机集群时隙分配问题。
3、中国船舶工业系统工程研究院在其申请的专利文献“无人机集群自组织通信网络时隙资源动态分配方法”(申请号：202210140692.4申请日：2022.02.16申请公布号：cn114650603a)中公开了一种无人机集群自组织通信网络时隙资源动态分配方法。该专利公开的方法的实现步骤是，第一步，网络成员节点计算节点度中心性、介数中心性、剩余电量系数以及信噪比估计，统计节点业务流量；第二步，头节点计算成员节点重要性加权系数；第三步，头节点计算成员节点加权重要性和时隙分配参数，统计全网待分配的时隙资源，从而计算各成员节点应分配的时隙数量。该方法存在的不足之处是，该方法未考虑到在大规模集群具有高动态拓扑变化的场景下，分配的时隙数量较多，时延会相应地变高，从而不适应时间敏感信息的传输。
4、南京航空航天大学在其申请的专利文献“面向战术无人机网络的mac协议切换方法及系统”(申请号：202410212520.2申请日：2024.02.27申请公布号：cn 117938979 a)中公开了一种面向战术无人机网络的mac协议切换系统。该专利公开的系统是由接收模块和决策模块组成，接收模块用于驱动所述簇首无人机收集全部簇内无人机的状态信息，决策模块用于根据计算得到的发送无人机数目以及网络流量负载来做出协议决策。该系统存在的不足之处是，该系统未考虑到在大规模集群的场景下，无人机的状态信息以及网络流量负载都会高速动态变化，频繁的协议切换会带来额外的开销，需要占用大量带宽进行频繁的协议切换以及集群维护，浪费通信资源。
技术实现思路
1、本发明的目的是针对上述现有技术存在的不足，提出一种基于宽窄带融合的无人机集群自组网通信系统及方法，用于解决现有技术中存在的集群动态拓扑变化的网络信息拥塞问题、大规模集群下的通信时延较高的问题，以及占用大量带宽进行维护集群的通信资源浪费问题。
2、实现本发明目的的思路是：本发明的系统采用基于多通道宽窄带融合的信道接入模块、时隙分配模块以及多跳转发模块，通过宽窄带无线电分别管理无人机之间的不同类型数据的收发，宽带无线电用于数据传输操作，窄带无线电用于控制、管理及数据确认操作，集群头节点收集并维护集群内以及相邻集群间的拓扑信息，解决了传统单一宽带通信组网系统在面对大规模集群以及高动态拓扑变化的场景下需占用大量带宽进行频繁的集群维护、拓扑更新的问题，具有窄带的大覆盖面积以及宽带的高速数据传输优点。本发明的方法采用负载感知与拓扑感知方法，集群头节点在时隙请求阶段通过窄带无线电接收汇总各节点传输请求和各个节点负载积压程度，根据集群的拓扑图、各个无人机的节点度以及节点度变化率，将集群内的多跳转发选路问题转化为满足最高节点度最低节点变化率以及轻负载路径节点选择的多目标选择问题，选择出一条链接最稳定、时延最低的多跳传输路径，并通过窄带维护大规模集群拓扑以及集群重叠区域的通信冲突，解决了传统宽带短距网络只能通过多跳转发方式反馈传输情况导致网络信息拥塞的问题。本发明的方法在宽带链路上采用csma/ca与mc-tdma的混合接入方法以及低时延时隙分配优化模型，各个无线电在集群的不同时期采用不同的mac协议，集群头节点根据每个周期内的传输请求任务来动态分配时隙，避免因时隙预约时间长导致的信道资源浪费并提高单个时隙的任务负载量，解决了传统使用tdma进行接入的大规模网络占用了很多时隙资源导致资源浪费以及时延过高的问题。
3、为实现上述目的，本发明的无人机集群自组网通信系统包括：信道接入模块、集群形成模块、集群维护模块、时隙分配模块、多跳转发模块，其中：
4、所述信道接入模块，用于管理各个无线电通道在集群不同的时期进行csma/ca与mc-tdma的协议切换；
5、所述集群形成模块，对所有游离的无人机节点进行自组网，得到集群的头节点；
6、所述集群维护模块，构建每个集群的拓扑图，维护集群内的拓扑信息，并在集群内部中进行节点的加入与退出握手交互；在有碰撞干扰的两个相邻集群之间，共享碰撞干扰信息用来维护拓扑信息，并在各个集群中头节点并行分配动态无线电频点；
7、所述时隙分配模块，利用集群头节点收集下一周期的所有数据传输请求，对下一周期的时隙进行分配；
8、所述多跳转发模块，利用负载感知与拓扑感知方法选择转发路径。
9、本发明的无人机集群自组网通信方法包括以下步骤：
10、步骤1，信道接入模块管理各个无线电通道在集群不同的时期进行csma/ca与mc-tdma的协议切换；
11、步骤2，集群形成模块对所有游离的无人机节点进行自组网，得到集群的头节点；
12、步骤3，构建每个集群的拓扑图，维护集群内的拓扑信息，并在集群内部中进行节点的加入与退出握手交互；
13、步骤4，在有碰撞干扰的两个相邻集群之间，共享碰撞干扰信息用来维护拓扑信息，并在各个集群中头节点并行分配动态无线电频点；
14、步骤5，时隙分配模块利用集群头节点收集下一周期的所有数据传输请求，对下一周期的时隙进行分配；
15、步骤6，多跳转发模块利用负载感知与拓扑感知方法选择转发路径。
16、本发明与现有技术相比，具有以下优点：
17、第一，本发明的系统采用基于多通道宽窄带融合的信道接入模块、时隙分配模块以及多跳转发模块，克服了传统单一宽带通信组网系统在面对大规模集群以及高动态拓扑变化的场景下需占用大量带宽进行频繁的集群维护、拓扑更新的缺陷，运用了窄带的大覆盖面积以及宽带的高速数据传输优点，使得本发明具有减少通信开销、提升网络整体通信性能的优点。
18、第二，本发明的方法采用负载感知与拓扑感知方法，选择出一条链接最稳定、时延最低的多跳传输路径，并通过窄带维护大规模集群拓扑以及集群重叠区域的通信冲突，克服了传统宽带短距网络只能通过多跳转发方式反馈传输情况导致网络信息拥塞的缺陷，使得本发明提高了网络通信稳定性以及端到端的成功递交率。
19、第三，本发明的方法在宽带链路上采用csma/ca与mc-tdma的混合接入方法以及低时延时隙分配优化模型，克服了传统使用tdma进行接入的大规模网络占用了很多时隙资源导致资源浪费以及时延过高的缺陷，使得本发明在无人机集群网络中充分发挥csma/ca灵活性以及tdma可靠性。
1.一种基于宽窄带融合的无人机集群自组网通信系统，其特征在于，该系统包括信道接入模块、集群形成模块、集群维护模块、时隙分配模块、多跳转发模块，其中：
2.根据权利要求1所述的基于宽窄带融合的无人机集群自组网通信系统，其特征在于，每个无人机都配备有一个宽带无线电wbr和两个窄带无线电nbr，标记为nbr1和nbr2；wbr作为数据通道wbdc，用于集群成员节点间的双向数据传输，nbr1作为集群内窄带管理通道intrac-nbmc，适用于集群内大范围吞吐量要求较小的集群头节点和集群成员节点之间的上行和下行的控制管理传输；nbr2作为辅助集群数据通信的窄带通道nbadc，用于数据帧的确认等操作，且为了减小对周围其他节点的干扰，将nbr2的传输范围调整到和wbr的传输范围一致；宽带无线电和窄带无线电均可调频，以调整自己的频带范围。
3.根据权利要求1所述的自组网通信系统的一种基于宽窄带融合的无人机集群自组网通信方法，其特征在于，采用csma/ca与tdma的混合接入方法进行信道接入，采用负载感知与拓扑感知方法进行多跳转发；该通信方法包括以下步骤：
4.根据权利要求3所述的基于宽窄带融合的无人机集群自组网通信方法，其特征在于，步骤1中所述的管理各个无线电通道在集群不同的时期进行csma/ca与mc-tdma的协议切换是指：
5.根据权利要求3所述的基于宽窄带融合的无人机集群自组网通信方法，其特征在于，步骤2中所述对所有游离的无人机节点进行自组网是指：在所有无人机的游离分布空间随机分布的游离无人机中，选出一个集群临时头节点，每个游离无人机的通信协议栈的mac层都设置有一个集群临时头宣告定时器，宣告定时器的初始定时值是随机的，最早定时到期的无人机向其一跳邻域广播临时集群头宣告帧，从而成为集群临时头节点；集群临时头节点使用窄带通道对所有无人机节点的数据进行汇总，对收集的数据信息采用kmeans算法划分集群，并采用加权聚类算法选择一个固定的集群头节点。
6.根据权利要求5所述的基于宽窄带融合的无人机集群自组网通信方法，其特征在于，所述采用kmeans算法划分集群的步骤如下：
7.根据权利要求5所述的基于宽窄带融合的无人机集群自组网通信方法，其特征在于，所述采用加权聚类算法选择集群头节点的步骤如下：
8.根据权利要求3所述的基于宽窄带融合的无人机集群自组网通信方法，其特征在于，步骤3中所述每个集群的拓扑图是指：拓扑图中的每一个顶点对应于集群内每一个无人机，拓扑图中的每一条边对应于两个可以正常通信的无人机之间的连线；在集群内部，集群成员节点通过集群内的窄带链路向集群头节点发送节点信息，该信息包括当前无人机的位置信息、速度信息、宽窄带节点度与宽窄带节点度变化率，集群头节点汇总这些信息构建整个集群的拓扑图。
9.根据权利要求3所述的基于宽窄带融合的无人机集群自组网通信方法，其特征在于，步骤4中所述对两个相邻集群间拓扑信息进行维护是指：当两个拥有相同通道号的集群相互靠近时，发生碰撞干扰的集群边缘节点会将此碰撞消息通知到本集群头节点，两集群头节点通过集群间窄带链路协商新节点，协商完成后在集群内广播，集群内各节点进行宽窄带通道的频点调整。
10.根据权利要求3所述的基于宽窄带融合的无人机集群自组网通信方法，其特征在于，步骤6中所述利用负载感知与拓扑感知方法选择转发路径是指：
