基于通感一体节点互感知的无人机分布式集群网络拓扑构建方法研究.pdf

摘要

无人机集群系统内节点的物理状态和相对关系直接影响网络的构建和互连性

能。现有的拓扑构建方法将节点间物理状态关系获取过程和通信过程独立，使得所

构建网络拓扑连通稳定性低，且由于频繁进行链路维护，造成了额外资源的浪费。

针对这一问题，本文开展了基于通感一体节点互感知的无人机分布式集群网

络拓扑构建方法研究。主要研究内容及贡献包括：

一、提出基于OFDM通感一体的节点感知方法。该方法基于OFDM感知系

统，采用频分双工模式，结合通感一体化手段，实现对不同类型节点的感知。

首先，对于OFDM感知系统，为提升OFDM信号的质量，提出基于粒子群优

化的峰均功率比抑制方法，对比于传统选择映射方法，在相同条件下峰均功率比降

低了0.736dB，并基于慢衰落信道下的信道估计方法，通过信道均衡对感知系统质

量进行改善。然后，为实现不同类型节点的感知，结合OFDM感知系统，针对初

始节点提出了基于TDOA和AOA的谱峰有哪些信誉好的足球投注网站感知方法以及基于TDOA距离集的

三点感知方法；针对移动节点，联合TDOA和AOA信息提出基于噪声辅助矢量的

移动节点二步加权感知方法。接下来，为实现基于通感一体的节点感知，采用频分

双工模式，利用下行反射信号进行感知，指出了基于OFDM通感一体的节点感知

方法，并设计了帧结构来传递相关信息。最后，对所采用的通感一体节点感知方法，

从通信层面和感知层面建立了性能度量体系来进行验证。仿真结果表明，低噪环境

中，在满足无人机集群网络的通信误码率以及和速率指标条件下，所提出的初始节

点感知方法能够实现0.2m位置精度感知，所提出的移动节点感知方法能够实现

0.5m位置精度感知和0.2m/s速度精度感知，且接近理论最低误差界。

二、提出基于节点互感知矩阵的分布式集群网络拓扑构建方法。该方法通过节

点互感知方法来得到节点互感知矩阵，用其表征节点在不同时刻的物理状态信息

和节点间相对关系，并基于此矩阵和拓扑构建约束实现节点移动过程中连通稳定

的网络拓扑构建。

首先，为快速实现对初始节点的感知，按照完全连通子块的方式对无人机集群

系统进行初始节点区域划分，针对不同区域进行节点感知。然后，基于OFDM通

感一体节点感知方法和初始节点区域划分，建立节点互感知矩阵来表征互感知结

果，并从互感知误差和误差界对互感知矩阵进行验证。最后，为实现集群网络不同

时刻连通稳定的网络拓扑构建，基于节点互感知矩阵和集群网络移动模型，结合最

大0-hop链路数和最大链路维持时间的拓扑构建目标以及包含网络响应时间和实

际吞吐量的拓扑构建约束，提出一种基于节点互感知矩阵的网络拓扑构建方法，实

现集群网络移动过程中不同时刻的最优网络拓扑构建。节点互感知仿真结果表明，

所提出的节点互感知方法能够实现对初始节点和移动节点物理状态信息的感知，

并能够基于此构建节点互感知矩阵，描述节点的物理状态信息和相对关系。此外，

网络通信仿真结果表明，所提出方法构建的网络拓扑相比于传统方法，在节点移动

的不同时刻具有更大的0-hop链路数和更高的实际吞吐量，在节点移动的整个过程

中有更长的链路维持时间。但在响应时间方面，所提出的方法引入了节点互感知时

间和链路处理消耗时间，相比传统最短路径树方法响应时间会增长，但也明显低于

传统最小生成树方法。

本文研究的基于通感一体节点互感知的分布式集群网络拓扑构建方法通过在

集群移动过程中获取节点间物理动态关系来进行拓扑构建，能够增强集群系统移

动过程中拓扑网络的连通稳定性，对无人机集群网络具有重要的理论和现实意义。

关键词：分布式集群网络，通感一体，节点互感知矩阵，拓扑构建

ABSTRACT

Anunmannedaerialvehicle(UAV)clustersystemsnetworkarchitectureand

connectivityperformancearedirectlyimpactedbythephysicalconditionsandrelative

positionsofitsnodes.Existingtopologyconstructionmethodsseparatetheprocessof

obtainingphysicalstaterelationshipsbe