一种基于无人机多跳转发的频谱监测方法和系统与流程

1.本发明属于频谱监测技术领域，尤其涉及一种基于无人机多跳转发的频谱监测方法和系统。


背景技术：

2.随着通信技术的发展，无线用频设备不断增长，为了加强电磁频谱管理和维护电磁频谱安全，国家有关部门利用监测设备对电磁频谱进行了全方位地监控和管理。传统的频谱监测设备一般位于地面，如地面监测车、监测站，频谱监测结果易受障碍物遮挡、环境限制、多径效应干扰等不利因素影响。因此，可利用无人机搭载频谱监测装置，从空中进行频谱监测，提高频谱监测的正确性。
3.目前，通常是利用多架无人机搭载频谱监测装置与地面站建立链路连接，形成自组网络，即每架无人机仅与地面站建立单条链路，将监测到的频谱数据通过链路发送至地面站，地面站再对频谱数据进行相应的处理。
4.然而，多架无人机与地面站构成的自组网络中，无人机会随时改变飞行速度和所在位置，自组网络保持流动性，造成各链路间歇性的建立，即一条链路短暂中断后又重新建立。链路间歇性的建立导致链路中传输的频谱数据丢包率增加和建立链路的吞吐量降低。


技术实现要素：

5.本发明提供一种基于无人机多跳转发的频谱监测方法和系统，可用于解决现有技术中链路间歇性的建立导致链路中传输的频谱数据丢包率增加和建立链路的吞吐量降低的问题。
6.第一方面，本发明提供一种基于无人机多跳转发的频谱监测方法，所述方法应用于多台频谱监测设备，多台所述频谱监测设备分别配置于多架无人机上，得到多个节点；其中，一台频谱监测设备配置于一架无人机上，构成一个节点；多个节点构成一个自组网络；
7.所述频谱监测方法包括：
8.将n个节点划分为n
‑
m
‑
1个源节点、m个中继节点和一个终端节点；其中，n为所有节点的总个数，m为中继节点的总个数；源节点用于采集频谱数据并将采集的频谱数据发送至中继节点，中继节点用于接收源节点采集的频谱数据并将接收的源节点采集的频谱数据发送至终端节点；
9.获取每个节点以及与每个节点自身进行单条链路连接的节点，其中，单条链路指示一条链路上只有两个节点；
10.将每个节点以及与每个节点进行单条链路连接的节点发送至自组网络中，直至每个节点获取整个自组网络中所有节点的链路连接关系；
11.计算每个节点将数据包从自身发送到与每个节点自身进行单条链路连接的节点所需的预期传输次数；
12.在源节点到终端节点的多条路径上，选择所述预期传输次数最少的单条链路，依
次组成源节点到终端节点最短链路路径；
13.根据源节点到终端节点最短链路路径，获取终端节点接收频谱数据的标准丢包率和链路的标准吞吐量；其中，标准丢包率为终端节点正常接收频谱数据的丢包率，标准吞吐量为终端节点正常接收频谱数据的链路的吞吐量；
14.获取目标源节点发送频谱数据至终端节点的实际丢包率和终端节点到目标源节点的实际吞吐量；
15.判断实际丢包率是否大于标准丢包率；
16.如果是，降低目标源节点的频谱数据的采样率；
17.如果否，提高目标源节点的频谱数据的采样率；
18.判断实际吞吐量是否大于标准吞吐量；
19.如果是，提高目标源节点的频谱数据的采样率；
20.如果否，降低目标源节点的频谱数据的采样率。
21.进一步地，计算每个节点将数据包从自身发送到与每个节点自身进行单条链路连接的节点所需的预期传输次数，包括：
22.根据以下公式计算每个节点将数据包从自身发送到与每个节点自身进行单条链路连接的节点所需的预期传输次数：
[0023][0024]
其中，etx为每个节点将数据包从自身发送到与每个节点自身进行单条链路连接的节点所需的预期传输次数；为每个节点一跳发送的数据包被与每个节点自身进行单条链路连接的节点接收的概率；ρ为每个节点接收到与每个节点自身进行单条链路连接的节点发送的ack数据包的概率。
[0025]
进一步地，所述根据源节点到终端节点最短链路路径，获取终端节点接收频谱数据的标准丢包率和链路的标准吞吐量，包括：
[0026]
根据源节点到终端节点最短链路路径，在目标采样率下多次获取终端节点正常接收频谱数据的丢包率和链路的吞吐量；
[0027]
将多次获取终端节点正常接收频谱数据的丢包率取平均值，得到标准丢包率；
[0028]
将多次获取终端节点正常接收频谱数据的链路的吞吐量取平均值，得到链路的标准吞吐量。
[0029]
第二方面，本发明提供一种基于无人机多跳转发的频谱监测系统，包括多台频谱监测设备，多台所述频谱监测设备分别配置于多架无人机上，得到多个节点；其中，一台频谱监测设备配置于一架无人机上，构成一个节点；多个节点构成一个自组网络；
[0030]
所述频谱监测系统还包括：
[0031]
划分模块，用于将n个节点划分为n
‑
m
‑
1个源节点、m个中继节点和一个终端节点；其中，n为所有节点的总个数，m为中继节点的总个数；源节点用于采集频谱数据并将采集的频谱数据发送至中继节点，中继节点用于接收源节点采集的频谱数据并将接收的源节点采集的频谱数据发送至终端节点；
[0032]
第一获取模块，用于获取每个节点以及与每个节点自身进行单条链路连接的节点，其中，单条链路指示一条链路上只有两个节点；
[0033]
发送模块，用于将每个节点以及与每个节点进行单条链路连接的节点发送至自组网络中，直至每个节点获取整个自组网络中所有节点的链路连接关系；
[0034]
计算模块，用于计算每个节点将数据包从自身发送到与每个节点自身进行单条链路连接的节点所需的预期传输次数；
[0035]
选择模块，用于在源节点到终端节点的多条路径上，选择所述预期传输次数最少的单条链路，依次组成源节点到终端节点最短链路路径；
[0036]
第二获取模块，用于根据源节点到终端节点最短链路路径，获取终端节点接收频谱数据的标准丢包率和链路的标准吞吐量；其中，标准丢包率为终端节点正常接收频谱数据的丢包率，标准吞吐量为终端节点正常接收频谱数据的链路的吞吐量；
[0037]
第三获取模块，用于获取目标源节点发送频谱数据至终端节点的实际丢包率和终端节点到目标源节点的实际吞吐量；
[0038]
第一判断模块，用于判断实际丢包率和标准丢包率的大小；
[0039]
第一采样率降低模块，用于在第一判断模块确定实际丢包率大于标准丢包率的情况下，降低目标源节点的频谱数据的采样率；
[0040]
第一采样率提高模块，用于在第一判断模块确定实际丢包率小于标准丢包率的情况下，提高目标源节点的频谱数据的采样率；
[0041]
第二判断模块，用于判断实际吞吐量和标准吞吐量的大小；
[0042]
第二采样率提高模块，用于在第二判断模块确定实际吞吐量大于标准吞吐量的情况下，提高目标源节点的频谱数据的采样率；
[0043]
第二采样率降低模块，用于在第二判断模块确定实际吞吐量小于标准吞吐量的情况下，降低目标源节点的频谱数据的采样率。
[0044]
进一步地，所述计算模块包括：
[0045]
计算单元，用于根据以下公式计算每个节点将数据包从自身发送到与每个节点自身进行单条链路连接的节点所需的预期传输次数：
[0046][0047]
其中，etx为每个节点将数据包从自身发送到与每个节点自身进行单条链路连接的节点所需的预期传输次数；为每个节点一跳发送的数据包被与每个节点自身进行单条链路连接的节点接收的概率；ρ为每个节点接收到与每个节点自身进行单条链路连接的节点发送的ack数据包的概率。
[0048]
进一步地，所述第二获取模块包括：
[0049]
获取单元，用于根据源节点到终端节点最短链路路径，在目标采样率下多次获取终端节点正常接收频谱数据的丢包率和链路的吞吐量；
[0050]
第一均值取值模块，用于将多次获取终端节点正常接收频谱数据的丢包率取平均值，得到标准丢包率；
[0051]
第二均值取值模块，用于将多次获取终端节点正常接收频谱数据的链路的吞吐量取平均值，得到链路的标准吞吐量。
[0052]
本发明提供一种基于无人机多跳转发的频谱监测方法和系统，其中所述方法包括将n个节点划分为n
‑
m
‑
1个源节点、m个中继节点和一个终端节点；其中，n为所有节点的总个
数，m为中继节点的总个数；源节点用于采集频谱数据并将采集的频谱数据发送至中继节点，中继节点用于接收源节点采集的频谱数据并将接收的源节点采集的频谱数据发送至终端节点；获取每个节点以及与每个节点自身进行单条链路连接的节点，其中，单条链路指示一条链路上只有两个节点；将每个节点以及与每个节点进行单条链路连接的节点发送至自组网络中，直至每个节点获取整个自组网络中所有节点的链路连接关系；计算每个节点将数据包从自身发送到与每个节点自身进行单条链路连接的节点所需的预期传输次数；在源节点到终端节点的多条路径上，选择所述预期传输次数最少的单条链路，依次组成源节点到终端节点最短链路路径；根据源节点到终端节点最短链路路径，获取终端节点接收频谱数据的标准丢包率和链路的标准吞吐量；其中，标准丢包率为终端节点正常接收频谱数据的丢包率，标准吞吐量为终端节点正常接收频谱数据的链路的吞吐量；获取目标源节点发送频谱数据至终端节点的实际丢包率和终端节点到目标源节点的实际吞吐量；判断实际丢包率和标准丢包率的大小；若实际丢包率大于标准丢包率，则降低目标源节点的频谱数据的采样率；若实际丢包率小于标准丢包率，则提高目标源节点的频谱数据的采样率；判断实际吞吐量和标准吞吐量的大小；若实际吞吐量大于标准吞吐量，则提高目标源节点的频谱数据的采样率；若实际吞吐量小于标准吞吐量，则降低目标源节点的频谱数据的采样率。采用上述方案，源节点可以根据终端节点接收频谱数据的丢包率和链路的吞吐量调整频谱数据的采样率，解决了链路间歇性的建立导致链路中传输的频谱数据丢包率增加和建立链路的吞吐量降低的问题。
附图说明
[0053]
为了更清楚地说明本技术的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0054]
图1为本发明实施例提供的一种基于无人机多跳转发的频谱监测方法的流程示意图；
[0055]
图2为本发明实施例提供的一种基于无人机多跳转发的频谱监测系统的结构示意图；
[0056]
图3为本发明实施例提供的多架无人机多跳转发时的飞行轨迹示意图。
具体实施方式
[0057]
现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。
[0058]
需要注意的是，发明中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。
[0059]
如图1所示，本发明提供一种基于无人机多跳转发的频谱监测方法，所述方法应用于多台频谱监测设备，多台所述频谱监测设备分别配置于多架无人机上，得到多个节点；其中，一台频谱监测设备配置于一架无人机上，构成一个节点；多个节点构成一个自组网络。
[0060]
频谱监测设备配置有树莓派通信装置，树莓派通信装置采用arm处理器内核的raspberry pi 4b开发板作为系统硬件，该开发板体积小，功耗和成本低，适合作为自组网
开发的验证样机平台。其板载基于ieee 802.11的无线网卡支持2.4ghz和5ghz信道，可以使用该无线网卡作为系统的物理层和mac层实现。树莓派就是小型计算机，可以烧录系统，该系统选用5.10linux内核的debian系统作为嵌入式系统。烧录完系统后，将网卡配置在ad hoc模式使其工作在一个自组网模式下，然后进行路由协议的配置。配置完成后将其装载到无人机上作为自组网节点的一部分组成自组网系统。
[0061]
所述频谱监测方法包括：
[0062]
步骤s101，将n个节点划分为n
‑
m
‑
1个源节点、m个中继节点和一个终端节点；其中，n为所有节点的总个数，m为中继节点的总个数；源节点用于采集频谱数据并将采集的频谱数据发送至中继节点，中继节点用于接收源节点采集的频谱数据并将接收的源节点采集的频谱数据发送至终端节点。
[0063]
本步骤中，终端节点布置在靠近地面站一侧，便于及时观测到所收集到的频谱数据的接收情况，并对其根据任务要求做出相应处理。中继节点布置在在两节点最大通信距离范围之内，确保不会因超出最大通信距离而使采集到的频谱数据丢失。源端节点根据所采集频谱数据区域的地形特点，事先规划好无人机飞行航线。如图3所示，可选的，源端无人机能以协同的方式以直线、长方形、圆形的航迹周期性地对所监测的区域进行频谱数据的收集。
[0064]
步骤s102，获取每个节点以及与每个节点自身进行单条链路连接的节点，其中，单条链路指示一条链路上只有两个节点。
[0065]
步骤s103，将每个节点以及与每个节点进行单条链路连接的节点发送至自组网络中，直至每个节点获取整个自组网络中所有节点的链路连接关系。
[0066]
本步骤中，每个节点周期性的广播报文，将自己以及与每个节点自身进行单条链路连接的节点信息封装在此报文中向自组网络中广播，任意节点收到报文后继续向自组网络中转发。节点从收到的报文中获取与其进行单条链路连接的节点信息，在下一个广播时间点将其获得的与其进行单条链路连接的节点信息封装在报文中继续向自组网络中广播。进而，每个节点可从其收到的报文中获取整个网络的拓扑结构，即整个自组网络中所有节点的链路连接关系。
[0067]
步骤s104，计算每个节点将数据包从自身发送到与每个节点自身进行单条链路连接的节点所需的预期传输次数。
[0068]
本步骤中，根据以下公式计算每个节点将数据包从自身发送到与每个节点自身进行单条链路连接的节点所需的预期传输次数：
[0069][0070]
其中，etx为每个节点将数据包从自身发送到与每个节点自身进行单条链路连接的节点所需的预期传输次数；为每个节点一跳发送的数据包被与每个节点自身进行单条链路连接的节点接收的概率；ρ为每个节点接收到与每个节点自身进行单条链路连接的节点发送的ack数据包的概率。
[0071]
步骤s105，在源节点到终端节点的多条路径上，选择所述预期传输次数最少的单条链路，依次组成源节点到终端节点最短链路路径。
[0072]
步骤s106，根据源节点到终端节点最短链路路径，获取终端节点接收频谱数据的
标准丢包率和链路的标准吞吐量；其中，标准丢包率为终端节点正常接收频谱数据的丢包率，标准吞吐量为终端节点正常接收频谱数据的链路的吞吐量。
[0073]
本步骤中，首先根据源节点到终端节点最短链路路径，在目标采样率下多次获取终端节点正常接收频谱数据的丢包率和链路的吞吐量；然后将多次获取终端节点正常接收频谱数据的丢包率取平均值，得到标准丢包率；最后将多次获取终端节点正常接收频谱数据的链路的吞吐量取平均值，得到链路的标准吞吐量。
[0074]
步骤s107，获取目标源节点发送频谱数据至终端节点的实际丢包率和终端节点到目标源节点的实际吞吐量。
[0075]
步骤s108，判断实际丢包率是否大于标准丢包率。
[0076]
步骤s109，如果是，降低目标源节点的频谱数据的采样率。
[0077]
步骤s110，如果否，提高目标源节点的频谱数据的采样率。
[0078]
步骤s111，判断实际吞吐量是否大于标准吞吐量。
[0079]
步骤s112，如果是，提高目标源节点的频谱数据的采样率。
[0080]
步骤s113，如果否，降低目标源节点的频谱数据的采样率。
[0081]
步骤s108
‑
s110中，例如，实际丢包率大于标准丢包率5个百分点的情况下，以降采样系数2
n
，n取1、2、3，
……
，n，降低源节点的频谱数据的采样率，即每次降低采样率是在原有采样率的基础上除以2。继续获取当前的实际丢包率，若当前实际丢包率仍大于标准丢包率5个百分点，重复此步骤。
[0082]
实际丢包率小于标准丢包率5个百分点的情况下，以升采样系数2
n
，n取1、2、3，
……
，n，提高源节点的频谱数据的采样率，即每次提高采样率是在原有采样率的基础上乘以2，继续获取当前的实际丢包率，若当前实际丢包率仍大于标准丢包率5个百分点，重复此步骤，但提高采样率的上限是源节点初始阶段设置的采样率。
[0083]
步骤s111
‑
s113中，例如，实际吞吐量大于标准吞吐量2mbit/sec的情况下，以升采样系数2
n
，n取1、2、3，
……
，n，提高源节点的频谱数据的采样率，即每次提高采样率是在原有采样率的基础上乘以2，继续获取当前的实际吞吐量，若当前实际吞吐量仍大于标准吞吐量2mbit/sec，重复此步骤，但提高采样率的上限是源节点初始阶段设置的采样率。
[0084]
实际吞吐量小于标准吞吐量的情况下，以降采样系数2
n
，n取1、2、3，
……
，n，降低源节点的频谱数据的采样率，即每次降低采样率是在原有采样率的基础上除以2，继续获取当前的实际吞吐量，若当前实际吞吐量仍小于标准吞吐量2mbit/sec，重复此步骤。
[0085]
源节点可以根据终端节点接收频谱数据的丢包率和链路的吞吐量调整频谱数据的采样率，解决了链路间歇性的建立导致链路中传输的频谱数据丢包率增加和建立链路的吞吐量降低的问题。
[0086]
如图2所示，本发明还提供了一种基于无人机多跳转发的频谱监测系统，包括多台频谱监测设备，多台所述频谱监测设备分别配置于多架无人机上，得到多个节点；其中，一台频谱监测设备配置于一架无人机上，构成一个节点；多个节点构成一个自组网络。
[0087]
所述频谱监测系统还包括：
[0088]
划分模块1101，用于将n个节点划分为n
‑
m
‑
1个源节点、m个中继节点和一个终端节点；其中，n为所有节点的总个数，m为中继节点的总个数；源节点用于采集频谱数据并将采集的频谱数据发送至中继节点，中继节点用于接收源节点采集的频谱数据并将接收的源节
点采集的频谱数据发送至终端节点。
[0089]
第一获取模块1102，用于获取每个节点以及与每个节点自身进行单条链路连接的节点，其中，单条链路指示一条链路上只有两个节点。
[0090]
发送模块1103，用于将每个节点以及与每个节点进行单条链路连接的节点发送至自组网络中，直至每个节点获取整个自组网络中所有节点的链路连接关系。
[0091]
计算模块1104，用于计算每个节点将数据包从自身发送到与每个节点自身进行单条链路连接的节点所需的预期传输次数。
[0092]
选择模块1105，用于在源节点到终端节点的多条路径上，选择所述预期传输次数最少的单条链路，依次组成源节点到终端节点最短链路路径。
[0093]
第二获取模块1106，用于根据源节点到终端节点最短链路路径，获取终端节点接收频谱数据的标准丢包率和链路的标准吞吐量；其中，标准丢包率为终端节点正常接收频谱数据的丢包率，标准吞吐量为终端节点正常接收频谱数据的链路的吞吐量。
[0094]
第三获取模块1107，用于获取目标源节点发送频谱数据至终端节点的实际丢包率和终端节点到目标源节点的实际吞吐量。
[0095]
第一判断模块1108，用于判断实际丢包率和标准丢包率的大小。
[0096]
第一采样率降低模块1109，用于在第一判断模块确定实际丢包率大于标准丢包率的情况下，降低目标源节点的频谱数据的采样率。
[0097]
第一采样率提高模块1110，用于在第一判断模块确定实际丢包率小于标准丢包率的情况下，提高目标源节点的频谱数据的采样率。
[0098]
第二判断模块1111，用于判断实际吞吐量和标准吞吐量的大小。
[0099]
第二采样率提高模块1112，用于在第二判断模块确定实际吞吐量大于标准吞吐量的情况下，提高目标源节点的频谱数据的采样率。
[0100]
第二采样率降低模块1113，用于在第二判断模块确定实际吞吐量小于标准吞吐量的情况下，降低目标源节点的频谱数据的采样率。
[0101]
可选的，所述计算模块包括：
[0102]
计算单元，用于根据以下公式计算每个节点将数据包从自身发送到与每个节点自身进行单条链路连接的节点所需的预期传输次数：
[0103][0104]
其中，etx为每个节点将数据包从自身发送到与每个节点自身进行单条链路连接的节点所需的预期传输次数；为每个节点一跳发送的数据包被与每个节点自身进行单条链路连接的节点接收的概率；ρ为每个节点接收到与每个节点自身进行单条链路连接的节点发送的ack数据包的概率。
[0105]
可选的，所述第二获取模块包括：
[0106]
获取单元，用于根据源节点到终端节点最短链路路径，在目标采样率下多次获取终端节点正常接收频谱数据的丢包率和链路的吞吐量。
[0107]
第一均值取值模块，用于将多次获取终端节点正常接收频谱数据的丢包率取平均值，得到标准丢包率。
[0108]
第二均值取值模块，用于将多次获取终端节点正常接收频谱数据的链路的吞吐量
取平均值，得到链路的标准吞吐量。
[0109]
本说明书中各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。尤其，对于系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例中的说明即可。
[0110]
以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。