大规模无人集群传感器数据采集网络的传输方法及系统

本发明属于无人集群无线通信，涉及一种大规模无人集群传感器数据采集网络的传输方法及系统。

背景技术：

1、大规模无人集群（如无人机群、无人车群与机器人编队等）在执行区域环境监测、目标监测、协同测绘或灾情监测等任务时，集群内大量分布的无人节点需要将各自搭载的传感器（如光学相机、红外探测器、多光谱传感器、气象传感器和声呐等）所采集的感知数据，通过无线网络实时回传至指定的数据汇聚节点或地面控制中心，供后续的数据融合与态势研判使用。在上述应用场景中，由于节点数量众多且作业区域广阔，单个节点的通信距离有限，大规模无人集群传感器数据采集网络通常采用“多跳接力”（即多跳）的方式将传感器数据从源节点传输至数据汇聚节点。

2、大规模无人集群传感器数据采集网络的特点包括：单个无线节点通信距离有限，多跳方式可让数据通过中间节点传递，使集群的传感器监测覆盖区域大幅扩展，突破单点通信半径的限制；节点无需大功率传输信号，减少电量消耗以延长集群续航时间；同时降低对节点硬件性能的要求，以节约系统成本。若某一节点故障或链路中断，数据可通过其他路径传输，以提升集群在复杂环境下的抗干扰能力和容错性。从源节点到数据汇聚节点的无线多跳路由转发对于集群传感器数据的稳定高效传输至关重要，因此较多现有技术侧重针对不同目标提出了不同的路由协议。从网络拓扑结构角度，可以将这些协议分为平面路由协议和层次路由协议两类。然而，现有的层次路由协议并不能最大化信道利用率，实现吞吐量最优。

技术实现思路

1、针对上述传统技术中存在的问题，本发明提出了一种大规模无人集群传感器数据采集网络的传输方法及系统，能够显著提高大规模无人集群传感器数据采集网络端到端吞吐量，进而提升传感器采集数据的频率。

2、为了实现上述目的，本发明实施例采用以下技术方案：

3、一方面，提供一种大规模无人集群传感器数据采集网络的传输方法，包括步骤：

4、以数据汇聚节点为根节点且各链路权重值均为1，基于最小生成树算法对大规模无人集群传感器数据采集网络构建最小生成树a；

5、对最小生成树a进行初始分簇，分别将每个树枝上的全部源节点划分为一个簇；

6、对初始分簇后的簇执行第一轮簇合并；从最左侧树枝起，若当前树枝与其右侧树枝之间不存在任何并行传输链路、且当前树枝的簇头节点能够将右侧树枝所产生的数据全部聚合，则将右侧树枝的簇合并至当前树枝并对右侧树枝执行剪枝，遍历全部树枝后得到仅保留并行传输路径的最小生成树b；

7、对最小生成树b执行第二轮簇合并；从最左侧树枝起，采用图着色方法分别计算当前树枝与其右侧树枝合并后的吞吐量以及两个树枝独立并发传输的吞吐量，若合并后的吞吐量优于独立并发传输的吞吐量且当前树枝的簇头节点能够将右侧树枝所产生的数据全部聚合，则将右侧树枝的簇合并至当前树枝并剪枝，得到最小生成树c；

8、对最小生成树c采用图着色方法进行各无人节点发送数据的时隙调度次序配置后，各无人节点按照时隙调度次序以时分多址方式执行传感器数据的发送。

9、在其中一个实施例中，在构建最小生成树a之前，还包括：

10、在数据汇聚节点启动泛洪协议，查询大规模无人集群传感器数据采集网络中所有无人节点的一跳邻节点信息表；一跳邻节点信息表包含各无人节点相对于数据汇聚节点的层级及下一层级的一跳邻节点信息。

11、在其中一个实施例中，最小生成树a中的顶点对应大规模无人集群传感器数据采集网络中的无人节点，属于同一树枝且直接相连的两个顶点之间以实线连接表示两个顶点之间的边，不属于同一树枝但直接相连的两个顶点之间以虚线连接表示两个顶点之间存在相互干扰关系。

12、在其中一个实施例中，数据聚合包括应用层聚合和网络层聚合；

13、应用层聚合为对多个传感器采集的数据进行整合处理和提炼，去除冗余信息后重新提炼为紧凑的数据；

14、网络层聚合为将多个传感器采集的小包数据合并为一个大包数据在同一时隙内传输。

15、在其中一个实施例中，第一轮簇合并中，若当前树枝与右侧树枝之间存在至少一条并行传输链路，则不对当前树枝与右侧树枝执行簇的合并。

16、在其中一个实施例中，剪枝为将待合并的树枝上非簇头的叶子节点全部删除。

17、在其中一个实施例中，采用图着色方法进行各无人节点发送数据的时隙调度次序配置的过程包括：

18、根据当前最小生成树生成干扰矩阵；干扰矩阵的元素值表示两个对应发送节点之间是否存在干扰；

19、基于干扰矩阵构建无向连通图；将每个发送节点作为无向连通图中的一个顶点，若两个发送节点之间存在干扰则将无向连通图中对应的两个顶点以边连接；

20、对无向连通图求解图着色问题，以所得最少颜色数量作为当前最小生成树中各源节点将数据发送至数据汇聚节点所需的最小时隙数量，并得到各发送节点的时隙调度次序。

21、在其中一个实施例中，簇头节点每个时隙内能够传输的最大报文长度等于时隙长度与传输速率的乘积。

22、另一方面，提供一种大规模无人集群传感器数据采集网络的传输系统，包括：

23、多个无人节点，各无人节点搭载传感器采集设备用于周期性地采集传感器监测数据；

24、数据汇聚节点，用于接收经由多跳无线网络传输的各无人节点的传感器数据；

25、数据汇聚节点被配置为以自身为根节点且各链路权重值均为1，基于最小生成树算法对大规模无人集群传感器数据采集网络构建最小生成树a；对最小生成树a进行初始分簇，分别将每个树枝上的全部源节点划分为一个簇；对初始分簇后的簇执行第一轮簇合并；从最左侧树枝起，若当前树枝与其右侧树枝之间不存在任何并行传输链路、且当前树枝的簇头节点能够将右侧树枝所产生的数据全部聚合，则将右侧树枝的簇合并至当前树枝并对右侧树枝执行剪枝，遍历全部树枝后得到仅保留并行传输路径的最小生成树b；对最小生成树b执行第二轮簇合并；从最左侧树枝起，采用图着色方法分别计算当前树枝与其右侧树枝合并后的吞吐量以及两个树枝独立并发传输的吞吐量，若合并后的吞吐量优于独立并发传输的吞吐量且当前树枝的簇头节点能够将右侧树枝所产生的数据全部聚合，则将右侧树枝的簇合并至当前树枝并剪枝，得到最小生成树c；对最小生成树c采用图着色方法进行各无人节点发送数据的时隙调度次序配置后，各无人节点按照时隙调度次序以时分多址方式执行传感器数据的发送。

26、在其中一个实施例中，在构建最小生成树a之前，在数据汇聚节点启动泛洪协议，查询大规模无人集群传感器数据采集网络中所有无人节点的一跳邻节点信息表；一跳邻节点信息表包括各无人节点相对于数据汇聚节点的层级及下一层级。

27、上述技术方案中的一个技术方案具有如下优点和有益效果：

28、上述大规模无人集群传感器数据采集网络的传输方法及系统，由初始分簇、第一轮合并和第二轮合并协同构建的最小生成树结构，通过图着色方法被精确映射为具体的并发时隙调度方案，每个时隙内的并发传输链路充分发挥了之前保留的并行传输路径的潜力。其中，初始分簇实现了簇内数据聚合减少传输次数，第一轮合并消除了不必要的冗余路径降低了网络复杂度，第二轮合并确保保留的并行路径在吞吐量上优于合并方案，最终的图着色时隙调度将这些优化后的路径映射为具体的并发传输时刻表，实现了从网络层路由设计到链路层时隙调度的跨层联合优化。通过综合采用数据聚合和多路数据并发传输，能够显著提高大规模无人集群在执行协同感知与数据采集任务时无线多跳网络的端到端吞吐量，进而提升集群内各无人节点传感器数据的采集频率与传输实时性。