一種基于容時延容中斷網(wǎng)絡(luò)的平流層主動路由設(shè)計方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于容時延容中斷網(wǎng)絡(luò)的平流層主動路由設(shè)計方法，采用先聚類，后分層，再由無人機巡航的方式進行主動路由。首先采用聚類算法，依據(jù)地理位置將用戶節(jié)點劃分為若干個互不相交的小區(qū)，并選擇各小區(qū)的匯聚節(jié)點。若小區(qū)內(nèi)的節(jié)點希望向小區(qū)外的用戶發(fā)送消息，則通過小區(qū)內(nèi)無人機先將消息發(fā)送至匯聚節(jié)點。全網(wǎng)范圍內(nèi)專門有一架無人機負責(zé)在各個匯聚節(jié)點之間的巡航。當全網(wǎng)無人機經(jīng)過匯聚節(jié)點的時候，匯聚節(jié)點將目的地不屬于本小區(qū)的消息上傳至無人機，由全網(wǎng)無人機負責(zé)將消息轉(zhuǎn)發(fā)給目的小區(qū)的匯聚節(jié)點，再由目的匯聚節(jié)點的無人機負責(zé)將信息轉(zhuǎn)發(fā)給目的節(jié)點。
【專利說明】-種基于容時延容中斷網(wǎng)絡(luò)的平流層主動路由設(shè)計方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種受限網(wǎng)絡(luò)的主動路由設(shè)計方法，特別涉及一種基于容時延容中斷 (DTN)網(wǎng)絡(luò)的平流層主動路由設(shè)計方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 容時延容中斷網(wǎng)絡(luò)（Delay/Disruption Tolerant Networks)，簡記為 DTN，是一種 計算機網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)方法，該方法旨在解決異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中缺乏可持續(xù)網(wǎng)絡(luò)連接或超長傳輸時 延情況下的可靠數(shù)據(jù)傳輸問題。
[0003] DTN網(wǎng)絡(luò)是一類沒有穩(wěn)定的端到端傳輸路徑的網(wǎng)絡(luò)形態(tài)，它由一組帶有無線接收 裝置的移動主機組成并且不需要依賴基礎(chǔ)設(shè)施控制就可以相互通信。此類網(wǎng)絡(luò)也被稱為受 限網(wǎng)絡(luò)，其特質(zhì)計有：長時延或可變時延，間歇性的連接，非對稱數(shù)據(jù)傳輸率和高數(shù)據(jù)鏈路 差錯率。在這類應(yīng)用環(huán)境中，設(shè)備之間的通信信道不穩(wěn)定，有很大的延時及延時抖動，并且 長時間處于斷開的狀態(tài)，無法保證端到端連接的存在；另一方面又常常伴隨著動態(tài)非結(jié)構(gòu) 化拓撲的影響以及節(jié)點能力的限制，如CPU主頻不高、存儲空間有限、能量受限等。
[0004] 平流層的網(wǎng)絡(luò)就是一種受限網(wǎng)絡(luò)。平流層網(wǎng)絡(luò)是空天信息網(wǎng)的一部分?？仗煨畔?網(wǎng)可分為天、空、地三個層次，天基以衛(wèi)星為主，空基主要是指無人機和飛艇這類飛行器，地 基主要是地面站、信息中心和數(shù)據(jù)處理中心等應(yīng)用系統(tǒng)。在平流層中的飛行器，如無人機和 飛艇等，將這些飛行器進行組網(wǎng)是非常必要的。例如，在對地觀測系統(tǒng)中，飛艇組網(wǎng)觀測平 臺不僅能夠適應(yīng)高分對地觀測環(huán)境的要求，并且可以有效提高觀測系統(tǒng)的時間分辨率和空 間分辨率，此外，飛艇組網(wǎng)還能夠建立快速回傳數(shù)據(jù)通道，增加系統(tǒng)容量，并且進一步提高 系統(tǒng)的魯棒性。
[0005] 平流層路由主要解決的是地面用戶和平流層用戶（主要是用于對地觀測和預(yù)警 的飛艇和高空氣球）之間通過平流層飛行器實現(xiàn)可靠數(shù)據(jù)交付的問題。由于地面用戶的移 動范圍很有限，而飛艇和高空氣球的機動性不佳，故本方案采用DTN主動路由技術(shù)，以機動 性能良好的無人機作為擺渡節(jié)點，為用戶節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)。平流層路由方案的核心就是無人 機航跡規(guī)劃方案。
[0006] 航跡規(guī)劃是指無人機等飛行器為了完成特定的飛行任務(wù)，在綜合考慮飛行器的機 動性能約束、飛行環(huán)境、油耗因素等一系列特定約束條件的基礎(chǔ)上，自動規(guī)劃從飛行器起始 點到目標點的最優(yōu)化航空軌跡或者其他滿足一定要求的航空軌跡。在無人機的航跡規(guī)劃過 程中，不僅要考慮無人機的起飛區(qū)、目標區(qū)的各種信息，對于飛行途中飛過的區(qū)域也要滿足 一定的條件限制。這些限制包括飛行器自身的各種飛行限制性條件，比如匹配區(qū)、導(dǎo)航點、 最小轉(zhuǎn)彎半徑和最低飛行高度等。
[0007] 航跡規(guī)劃問題類似于旅行商問題，主要面臨在龐大空間內(nèi)的路徑搜索問題，因而 規(guī)劃過程相當耗時。而航跡規(guī)劃的精度與航跡規(guī)劃的時間是一對突出的矛盾，在保證航跡 規(guī)劃質(zhì)量的情況下，如何提高航跡規(guī)劃的速度用以縮短航跡規(guī)劃的時間是一個必須解決的 問題。航跡規(guī)劃問題要求找到從預(yù)設(shè)的起點到終點的一條最佳飛行航跡，是個復(fù)雜的多目 標優(yōu)化過程，要求滿足環(huán)境下外部威脅約束及無人機本身機動性能約束。
[0008] 將主動路由技術(shù)應(yīng)用到DTN的平流層中，存在以下兩個問題。
[0009] -方面，傳統(tǒng)路由策略的目標是找到源節(jié)點與目的節(jié)點之間的最短路徑，減少數(shù) 據(jù)傳輸?shù)奶鴶?shù)，但延遲容忍網(wǎng)絡(luò)中的路由目標并不是如此簡單。延遲容忍網(wǎng)絡(luò)中的消息在 中間節(jié)點的等待時間比傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中的長的多，這樣會由于緩沖的溢出導(dǎo)致丟失消息的情況 出現(xiàn)，所以需要以降低消息丟失的可能性為目標進行路由的設(shè)計。
[0010] 另一方面，已有的航跡規(guī)劃方案無法適應(yīng)平流層的特點，因此，需要針對平流層的 特點，如飛行高度，大氣環(huán)境等進行航跡規(guī)劃算法的設(shè)計。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0011] 本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是：提出一種基于容時延容中斷（DTN)網(wǎng)絡(luò)的平流層主 動路由設(shè)計方法，解決平流層網(wǎng)絡(luò)中缺乏可持續(xù)網(wǎng)絡(luò)連接時的可靠數(shù)據(jù)傳輸問題。
[0012] 本發(fā)明所采取的技術(shù)方案為：
[0013] 一種基于容時延容中斷網(wǎng)絡(luò)的平流層主動路由設(shè)計方法，其特征在于包括以下步 驟：
[0014] (1)采集容時延容中斷網(wǎng)絡(luò)的基本信息；容時延容中斷網(wǎng)絡(luò)的基本信息包括節(jié) 點、節(jié)點的度、節(jié)點間的邊以及邊的長度。
[0015] (2)采用聚類算法，依據(jù)地理位置和傳輸時延將全網(wǎng)范圍內(nèi)的全部節(jié)點劃分為若 干個互不相交的小區(qū)，并在每個小區(qū)中選擇一個節(jié)點作為匯聚節(jié)點；
[0016] (3)當源節(jié)點向目的節(jié)點發(fā)送信息時，如果目的節(jié)點與源節(jié)點位于同一小區(qū)內(nèi)，則 轉(zhuǎn)入步驟⑷；否則，則轉(zhuǎn)入步驟（5);
[0017] (4)通過負責(zé)小區(qū)內(nèi)節(jié)點巡航的無人機將信息由源節(jié)點發(fā)送至目的節(jié)點；
[0018] (5)通過負責(zé)小區(qū)內(nèi)節(jié)點巡航的無人機將信息由源節(jié)點發(fā)送至該小區(qū)的匯聚節(jié) 點，再由負責(zé)全網(wǎng)范圍內(nèi)匯聚節(jié)點巡航的無人機將信息發(fā)送至目的節(jié)點所在小區(qū)的匯聚節(jié) 點，最后由目的節(jié)點所在小區(qū)內(nèi)負責(zé)節(jié)點巡航的無人機將信息發(fā)送至目的節(jié)點。
[0019] 其中，步驟（2)具體包括以下步驟：
[0020] (201)獲取全網(wǎng)范圍內(nèi)的全部節(jié)點的連接關(guān)系，生成數(shù)據(jù)集；數(shù)據(jù)集包括：節(jié)點、 節(jié)點間的邊、節(jié)點度與TTL時間；
[0021] (202)從N個節(jié)點中選取節(jié)點度最大排序的前k個節(jié)點作為初始中心節(jié)點；其中， N為全網(wǎng)范圍內(nèi)的節(jié)點個數(shù)，k的數(shù)值為N的開平方；設(shè)定初始中心節(jié)點為當前中心節(jié)點；
[0022] (203)對剩余的每個節(jié)點測量其到每個當前中心節(jié)點的距離，將到同一初始中心 節(jié)點距離最近的節(jié)點劃分到一個小區(qū)；
[0023] (204)計算小區(qū)內(nèi)每個節(jié)點的節(jié)點度，將節(jié)點度最大的節(jié)點設(shè)置為新的中心節(jié) 點；如果新的中心節(jié)點與當前中心節(jié)點相同，則該中心節(jié)點為該小區(qū)的匯聚節(jié)點；如果新 的中心節(jié)點與當前中心節(jié)點不相同，則設(shè)定新的中心節(jié)點為當前中心節(jié)點，之后轉(zhuǎn)入步驟 (203)；
[0024] 其中，步驟（203)中的距離量化為TTL時間。
[0025] 其中，步驟（204)中，當小區(qū)內(nèi)的節(jié)點與當前中心節(jié)點的節(jié)點度同為最大值，則選 擇當前中心節(jié)點為新的中心節(jié)點。
[0026] 其中，步驟（4)和步驟（5)中，無人機巡航的航跡規(guī)劃過程如下：
[0027] (401)獲取全網(wǎng)范圍內(nèi)的全部節(jié)點的連接關(guān)系，包括節(jié)點數(shù)量N、節(jié)點之間的距離 矩陣和最大迭代次數(shù)NC;
[0028] (402)無人機按照需巡航的節(jié)點選擇巡航路線，并分別計算各巡航路線的無人機 巡航綜合代價，將綜合代價最小的巡航路線作為最終的巡航路線。
[0029] 其中，步驟（402)中無人機巡航綜合代價的計算方式為：
[0030]

【權(quán)利要求】
1. 一種基于容時延容中斷網(wǎng)絡(luò)的平流層主動路由設(shè)計方法，其特征在于包括以下步 驟： (1) 采集容時延容中斷網(wǎng)絡(luò)的基本信息；容時延容中斷網(wǎng)絡(luò)的基本信息包括節(jié)點、節(jié) 點的度、節(jié)點間的邊以及邊的長度； (2) 采用聚類算法，依據(jù)地理位置和傳輸時延將全網(wǎng)范圍內(nèi)的全部節(jié)點劃分為若干個 互不相交的小區(qū)，并在每個小區(qū)中選擇一個節(jié)點作為匯聚節(jié)點； (3) 當源節(jié)點向目的節(jié)點發(fā)送信息時，如果目的節(jié)點與源節(jié)點位于同一小區(qū)內(nèi)，則轉(zhuǎn)入 步驟⑷；否則，則轉(zhuǎn)入步驟（5); (4) 通過負責(zé)小區(qū)內(nèi)節(jié)點巡航的無人機將信息由源節(jié)點發(fā)送至目的節(jié)點； (5) 通過負責(zé)小區(qū)內(nèi)節(jié)點巡航的無人機將信息由源節(jié)點發(fā)送至該小區(qū)的匯聚節(jié)點，再 由負責(zé)全網(wǎng)范圍內(nèi)匯聚節(jié)點巡航的無人機將信息發(fā)送至目的節(jié)點所在小區(qū)的匯聚節(jié)點，最 后由目的節(jié)點所在小區(qū)內(nèi)負責(zé)節(jié)點巡航的無人機將信息發(fā)送至目的節(jié)點。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于容時延容中斷網(wǎng)絡(luò)的平流層主動路由設(shè)計方法，其 特征在于：步驟（2)具體包括以下步驟： (201) 獲取全網(wǎng)范圍內(nèi)的全部節(jié)點的連接關(guān)系，生成數(shù)據(jù)集；數(shù)據(jù)集包括：節(jié)點、節(jié)點 間的邊、節(jié)點度與TTL時間； (202) 從N個節(jié)點中選取節(jié)點度最大排序的前k個節(jié)點作為初始中心節(jié)點；其中，N為 全網(wǎng)范圍內(nèi)的節(jié)點個數(shù)，k的數(shù)值為N的開平方；設(shè)定初始中心節(jié)點為當前中心節(jié)點； (203) 對剩余的每個節(jié)點測量其到每個當前中心節(jié)點的距離，將到同一初始中心節(jié)點 距離最近的節(jié)點劃分到一個小區(qū)； (204) 計算小區(qū)內(nèi)每個節(jié)點的節(jié)點度，將節(jié)點度最大的節(jié)點設(shè)置為新的中心節(jié)點；如 果新的中心節(jié)點與當前中心節(jié)點相同，則該中心節(jié)點為該小區(qū)的匯聚節(jié)點；如果新的中心 節(jié)點與當前中心節(jié)點不相同，則設(shè)定新的中心節(jié)點為當前中心節(jié)點，之后轉(zhuǎn)入步驟（203)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種基于容時延容中斷網(wǎng)絡(luò)的平流層主動路由設(shè)計方法，其 特征在于：步驟（203)中的距離量化為TTL時間。
4. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種基于容時延容中斷網(wǎng)絡(luò)的平流層主動路由設(shè)計方法，其 特征在于：步驟（204)中，當小區(qū)內(nèi)的節(jié)點與當前中心節(jié)點的節(jié)點度同為最大值，貝U選擇當 前中心節(jié)點為新的中心節(jié)點。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于容時延容中斷網(wǎng)絡(luò)的平流層主動路由設(shè)計方法，其 特征在于：步驟（4)和步驟（5)中，無人機巡航的航跡規(guī)劃過程如下： (401) 獲取全網(wǎng)范圍內(nèi)的全部節(jié)點的連接關(guān)系，包括節(jié)點數(shù)量N、節(jié)點之間的距離矩陣 和最大迭代次數(shù)NC ; (402) 無人機按照需巡航的節(jié)點選擇巡航路線，并分別計算各巡航路線的無人機巡航 綜合代價，將綜合代價最小的巡航路線作為最終的巡航路線。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種基于容時延容中斷網(wǎng)絡(luò)的平流層主動路由設(shè)計方法，其 特征在于：步驟（402)中無人機巡航綜合代價的計算方式為：
式中，L為巡航路線，W為巡航綜合代價，w(s)表示為各種代價，Σ δ w(s)= δ，?+ δ HwH(s)+ δ cwc(s)+ δ RwK(s)，其中：w?表示油耗代價，wH(s)表示高度代價， wjs)表示大氣威脅代價，wK(s)表示其他代價，系數(shù)δ分別表示各代價的權(quán)重，各代價權(quán)重 的總和值等于1。
【文檔編號】G08G5/00GK104158741SQ201410453112
【公開日】2014年11月19日 申請日期:2014年9月9日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月9日
【發(fā)明者】楊悅 申請人:中國電子科技集團公司第五十四研究所