[發明專利]基于量子退火算法的無人機通信網絡路由規劃方法有效
| 申請號: | 202110114960.0 | 申請日: | 2021-01-28 |
| 公開(公告)號: | CN112954584B | 公開(公告)日: | 2022-12-02 |
| 發明(設計)人: | 朱暢華;朱云鵬;權東曉;何先燈;趙楠;易運暉;陳南 | 申請(專利權)人: | 西安電子科技大學 |
| 主分類號: | H04W4/02 | 分類號: | H04W4/02;H04W4/06;H04W4/44;H04W40/20;H04W40/32 |
| 代理公司: | 陜西電子工業專利中心 61205 | 代理人: | 陳宏社;王品華 |
| 地址: | 710071*** | 國省代碼: | 陜西;61 |
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| 摘要: | |||
| 搜索關鍵詞: | 基于 量子 退火 算法 無人機 通信 網絡 路由 規劃 方法 | ||
1.一種基于量子退火算法的無人機通信網絡路由規劃方法,其特征在于,包括如下步驟:
(1)初始化無人機機群通信網絡模型:
初始化包括分布在空間直角坐標系O-XYZ空間中的無人機機群A={a1,a2,...,an,...,aN}和位于O-XY平面內的地面控制站G的無人機機群通信網絡模型,an的位置坐標為(xn,yn,zn),an通信使用的電池的剩余能量為en,G的位置坐標為(xG,yG,0),其中,an表示第n架無人機,N表示無人機的數量,N≥2;
(2)無人機機群A進行簇劃分:
(2a)每架無人機an根據地面控制站G發送的通知信息,向其它無人機廣播自己的位置坐標信息(xn,yn,zn);
(2b)無人機機群A中的第一架無人機a1生成一個0到1的隨機數,并判斷該隨機數是否比預設判斷閾值T(n)大,若是,將自己作為簇首,否則,將自己作為簇成員,第二架無人機至第N架無人機依次判斷,得到簇首無人機集合CH={ch1,ch2,...,chm,...,chM},其中,0<T(n)<1,chm表示第m架簇首無人機,M表示簇首無人機的數量,M≥1;
(2c)每架簇成員無人機向距離最近的簇首無人機發送加入簇的請求,每架發送加入簇請求的簇成員無人機和接收加入簇請求的簇首無人機組成一個簇,得到M個簇;
(3)無人機機群A進行群劃分:
(3a)每架簇首無人機chm向其它簇首無人機廣播自己的位置坐標信息(xn,yn,zn);
(3b)簇首無人機集合CH中的第一架簇首無人機ch1生成一個0到1的隨機數,并判斷該隨機數是否比預設判斷閾值T(n)大,若是,將自己作為群首,而后第二架簇首無人機至第N架簇首無人機依次判斷,得到群首無人機集合GH={gh1,gh2,...,ghl,...,ghL},其中,ghl表示第l架群首無人機,L表示群首無人機的數量,L≥1;
(3c)每架簇首無人機向距離最近的群首無人機發送加入群的請求,每架發送加入群請求的簇首無人機和接收加入群請求的群首無人機組成一個群,得到L個群;
(4)無人機機群A向地面控制站G發送數據信息:
(4a)每架簇成員無人機以單跳的形式將包含位置信息和剩余能量信息的數據信息傳遞到所在簇的簇首無人機;
(4b)每架簇首無人機以單跳的形式將本簇內所有無人機的數據信息傳遞到所在群的群首無人機;
(4c)每架群首無人機ghl以單跳的形式將本群內所有無人機的數據信息傳遞到地面控制站G;
(5)地面控制站G利用路徑積分蒙特卡羅量子退火算法對無人機機群A進行路由規劃:
(5a)地面控制站G根據接收到的無人機機群A的所有無人機數據信息,將群首無人機集合GH和地面控制站G組成特殊節點集合ghall={G,gh1,gh2,...,ghl,...,ghL};將每一個群中包含的群首無人機和簇首無人機組成群節點集合得到L個群節點集合,并將L個群節點集合與ghall進行組合,得到節點集合集R={r1,r2,...,rk,...,rL,ghall},其中,k_num表示群節點集合rk中節點數量,k_num≥3;
(5b)地面控制站G分別對節點集合集R中的每一個節點集合構造哈密頓量H:
(5b1)地面控制站G構造可以代表路由方案的二維路由矩陣s和二維權重矩陣w,并通過對s進行P次隨機賦值得到的副本集合S={s1,s2,...,sz,...,sP}計算動能項Hk,然后通過s和w建立目標函數C0,再通過C0計算勢能項HP:
其中,sa,b表示節點a和節點b之間的路由連接狀態,sa,b=1表示節點a和節點b有路由連接,sa,b=0表示節點a和節點b沒有路由連接,B表示當前節點集合中節點的數量,B≥3,wa,b表示節點a和節點b之間的連接權重,值為節點a和節點b之間傳輸單位比特數據消耗的能量,表示從第一個副本到第P-1個副本依次運算的結果之和,sz,a,b表示第z個副本sz中第a行第b列的值,表示對二維矩陣中每個位置依次運算的結果之和,wmax表示二維權重矩陣w中的最大值,C1表示第一約束項,C2表示第二約束項;
(5b2)地面控制站G根據勢能項HP和動能項Hk,計算哈密頓量H:
其中,JΤ表示橫向磁場耦合項,JΤ>0;
(5c)地面控制站G對節點集合集R中的每一個節點集合進行路由規劃:
(5c1)初始化迭代次數為t,最大迭代次數為Mc,Mc>10,當前最優解為副本集合S={s1,s2,...,sz,...,sP}中的s1,并令t=1;
(5c2)令z=1;
(5c3)地面控制站G由當前副本sz產生新的副本sz',并判斷sz'是否滿足HP(sz')-HP(sz)≤0或H(sz')-H(sz)≤0,若是,令sz=sz',并執行步驟(5c4),否則,執行步驟(5c5),其中,地面控制站G由當前副本sz產生新的副本sz',采用如下方法中的一種:
方法一,地面控制站G在當前副本sz中找到任意一個值為1的位置,將其值變為0,再找到任意一個值為0的位置,將其值變為1,并將得到的二維路由矩陣作為新的副本sz';
方法二,地面控制站G在當前副本sz中找到任意一個值為1的位置,將其值變為0,再將它在矩陣中對稱位置的值變為1,并將得到的二維路由矩陣作為新的副本sz';
方法三:地面控制站G在當前副本sz中找到任意一個值為1的位置,將其值變為0,在同一列中,再找到任意一個值為0的位置,將其值變為1,并將得到的二維路由矩陣作為新的副本sz';
(5c4)地面控制站G判斷sz'是否滿足若是,令并執行步驟(5c5),否則,直接執行步驟(5c5);
(5c5)地面控制站G判斷z≥P是否成立,若是,得到更新的副本集合S,并執行步驟(5c6),否則,令z=z+1,并執行步驟(5c3);
(5c6)地面控制站G判斷t≥Mc是否成立,若是,得到當前節點集合規劃路由則節點集合集R所有節點的路由組成無人機機群A的規劃路由否則,令t=t+1,并執行步驟(5c2)。
2.根據權利要求1所述的基于量子退火算法的無人機通信網絡路由規劃方法,其特征在于,步驟(5b1)中所述的第一約束項C1和第二約束項C2,其計算公式分別為:
其中,sz,a,b表示第z個副本sz中節點a和節點b的路由連接狀態,表示第z個副本sz中第b列值為1的位置個數,表示第z個副本sz中第a行值為1的位置個數,Δ表示節點可連接其它節點的最大數量,Δ>5,Ez,a,e表示二進制數,對于Ez,a,e=1,否則Ez,a,e=0。
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