[发明专利]一种降低软件定义无人机集群网络通信开销与时延的方法

说明书

本发明公开了一种降低软件定义无人机集群网通信开销与时延方法。为降低缓存器合并处理时延，本发明设定中继节点缓存器时长阈值。若来自其他UAV节点的待转发数据包时长超过该阈值，则中继节点不进行数据包合并直接转发；否则，中继UAV节点把待转发数据包与本节点待发送数据包合并后发送到下一跳UAV节点。这样，通过UAV中继节点对数据包进行合并降低通信开销提高通信效率；同时设置缓存器时延降低时延，能够在数据包传输时延与报头开销之间获得合理折衷，提高了UAV节点和SDN控制器间的信息交互效率。

技术领域

本发明涉及无人机网络领域，是一种提高软件定义无人机集群网络通信效率的方法。

背景技术

无人机(UAV)以其体积小、移动性强和成本低等优势在军事和民用方面得到了迅猛发展，军用方面包括侦查敌情、干扰敌方等，民用方面譬如森林火灾探测、交通监控、应急搜救等。然而，单无人机具有抗毁性弱和覆盖范围受限等缺点，这些因素都导致单无人机的通信可靠性不高。把多架无人机组成集群协同通信系统，共享网络资源、相互协作，共同完成相应的通信任务，可以有效解决这些问题。

无人机集群通信系统包含多个相互协同的无人机平台而具有数量优势，当无人机群中的部分无人机由于自身原因或者外部原因出现故障，其他无人机可以协助受损的无人机继续执行任务，这显著提高了无人机集群通信系统的可靠性。同时，借助于无人机集群的彼此协同，可以拓宽单人无机的覆盖范围，进而实现广域无线网络覆盖。

尽管无人机集群通信有着很大的发展潜力，但是也还存在一些尚未解决的关键性研究问题，譬如网络资源利用率较低、不同无人机间协同通信难、网络管控复杂等。具备灵活、开放、可编程等优势的软件定义网络(SDN)为解决上述问题提供了新思路。SDN是近年提出的一种全新的网络范式，网络架构由应用平面、控制平面、数据平面和管理平面构成。其基本特征包括：控制平面与数据平面分离；依靠逻辑集中的控制器进行网络配置；通过软件实现网络控制逻辑；具备标准化的编程接口。SDN受到ONF、IETF等标准化组织和众多互联网厂商的大力支持，且成功应用于数据中心网络(DCN)，其在5G、无线传感网(WSN)、车载自组织网(VANET)、以及物联网(IoT)等领域的应用也得到广泛研究。

把SDN应用于无人机集群网络将增强网络的灵活性和开放性，软件定义网络对网络设备进行集中控制，大大降低了控制UAV网络的难度。同时，控制平面能获得全网信息(譬如用户属性、网络需求变化和实时全网状态)，能够通过发送规则和修改网络设备的行为优化调度和调整资源分配、转发策略、无线配置等。且同一集群网络的所有UAV节点都相互协作完成共同任务，因此，集中控制的SDN是无人机集群网络的合理选择。

在软件定义UAV集群网络中，选取群首节点部署SDN控制器实现集中控制，在其他UAV节点部署SDN交换机完成数据转发功能，且这些UAV节点以多跳组网形式进行通信。每个UAV节点周期地把拓扑相关信息(例如邻居列表)传递给控制器，使得控制器具有网络的最新视图；若网络拓扑结构发生变化，则立即把相应拓扑信息上报至控制器，使得SDN控制器获知最新的网络拓扑。另一方面，SDN控制器可以向UAV节点查询链路容量等各种状态信息，而节点也需将查询到的信息反馈到SDN控制器节点。

可以看到，网内无人机节点与SDN控制器节点之间需要交互大量的数据信息，故SDN控制器与无人机之间的高效通信极其重要。特别是距离SDN控制器较远的UAV节点不能直接与控制器通信，需要通过中继UAV节点以多跳方式把数据包传输到SDN控制器，这导致较大的通信开销。因此，需要找到一种降低节点间数据传输开销的方法，达到提高软件定义UAV集群网络通信效率目的。

发明内容

本发明解决的技术问题是如何在一定缓存时延限制的条件下，降低软件定义无人机集群网络节点与SDN控制器之间通信开销，在中继节点时延—开销之间合理折衷。