一种基于人工势场进行能量异构星联网路由设计方法与流程

本发明属于星联网路由方法技术领域，具体涉及一种基于人工势场进行能量异构星联网路由设计方法。

背景技术：

随着航天技术的进展，航天任务不断进行多样化发展，包括气象探测，环境监测，军事侦察，通信服务和大地测量等。每种任务由单个卫星或者多个卫星构成编队共同完成，所有完成各种任务的卫星组成一个网络，称为星联网。

由于每个卫星配备初始能量不同，执行务不同导致每个卫星消耗能量不同，新卫星的加入导致新旧节点能量不同，所有这些导致了没给个卫星携带能量的不同，形成一种能量异构的星联网。

为了实现对不同任务收集的数据进行综合处理，需要星联网中所有卫星能够向汇聚节点进行数据传输，目前并没有具体的针对能量异构星联网的路由方法，现有的无线传感器异构网络中所用到的路由方法大都比较复杂，算法的关注点并没有考虑空间卫星稀缺的能量资源，实时性和高效性都不够完善，或者对整个网络拓扑结构的依赖度非常高。其次现有的传感器网络大部分针对的是二维网络，不适合用在具有三维拓扑结构的能量异构星联网中。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种基于人工势场进行能量异构星联网路由设计方法，运算复杂度低，实时性好，设计简单、应用范围广，能够根据卫星携带能量进行路径选择。

本发明采用以下技术方案：

一种基于人工势场进行能量异构星联网路由设计方法，首先建立能量异构星联网数据传输模型，然后利用邻居节点到汇聚节点的距离，对每个卫星邻居节点进行分组确定集合ωb和ωc；再根据卫星邻居节点所在组以及其所携带能量，以当前卫星几点为中心构建人工势场，求取当前节点所受到的合力；再根据合力的大小和方向，在当前卫星邻居节点中选择最优节点作为下一跳进行信息的传输；最后将下一跳节点作为当前节点，继续进行数据传输，直到数据传输到汇聚节点为止。

具体的，建立能量异构星联网数据传输模型具体为：星联网包括执行不同任务的多个航天器网络的互联，包括m个卫星节点，每个节点的通信范围为rm，m个卫星节点通过多跳数据传输向汇聚节点传输数据，然后在汇聚节点进行集中分析处理。

具体的，利用邻居节点到汇聚节点的距离对每个卫星邻居节点进行分组具体如下：

当前节点的传输范围内的节点为邻居节点，当邻居节点到汇聚节点(sink)的距离小于当前节点到汇聚节点的距离时，邻居节点属于集合ωb，当邻居节点到汇聚节点的距离大于当前节点到汇聚节点的距离时，邻居节点属于集合ωc。

进一步的，集合ωb和ωc计算如下：

其中，a为当前节点，i为集合ωb中节点的数量，j为集合ωc中节点的数量，dsa为当前节点到汇聚节点的距离，为节点bi到汇聚节点的距离，为节点cj到汇聚节点的距离。

具体的，当前节点所受到的合力具体如下：

当集合ωb为非空时，设集合ωb中的节点携带负电荷，汇聚节点携带负电荷，当前节点a携带正电荷，则当前节点a受到集合ωb中所有节点的引力以及来自汇聚节点的引力，所有引力之和为当前节点a受到合力f；

当集合ωb中有节点时，令qa＝1/kc，集合ωb中的节点bi对当前节点产生引力当前节点受到的合力fa为：

其中，为汇聚节点对当前节点产生的引力。

进一步的，集合ωb中的节点bi对当前节点产生引力如下：

其中，kc为库伦常数，qa为节点a携带的电荷量，为节点bi携带的电荷量，β为，为邻居节点所携带的能量，为节点a到节点bi的距离，为向量abi的单位向量。

具体的，当集合ωb为非空时，则在集合ωb中选择节点作为下一跳，具体选择方式为：分别将当前节点到集合ωb中所有节点的向量在合力f上做投影，投影最长的即作为下一跳，b2将作为a节点的下一跳，继续进行数据的传输，具体为：

其中，表示从节点a到节点bi的向量。表示合力f的单位向量，i表示集合ωb中节点的个数。

具体的，当集合ωb为空时，在集合ωc中选择距离当前节点a最近的节点作为下一跳，根据邻居节点在当前节点所受到的合力的投影大小选择下一跳，选择投影最大的作为下一跳。

进一步的，当集合ωb中没有节点时，在集合ωc中选择距离当前节点最近的节点作为下一跳，具体为：

其中，为节点s与节点cj之间的距离。ap为上一跳节点。

具体的，将下一跳节点作为当前节点，当当前节点a选择的下一跳b2不是汇聚节点的时候，将b2作为当前节点，继续执行以上步骤。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

本方法一种基于人工势场进行能量异构星联网路由设计方法，首先建立能量异构星联网数据传输模型，然后利用邻居节点到汇聚节点的距离，对每个卫星邻居节点进行分组确定集合ωb和ωc；再根据卫星邻居节点所在组以及其所携带能量，以当前卫星几点为中心构建人工势场，求取当前节点所受到的合力；再根据合力的大小和方向，在当前卫星邻居节点中选择最优节点作为下一跳进行信息的传输；最后将下一跳节点作为当前节点，继续进行数据传输，直到数据传输到汇聚节点为止，考虑到了执行不同任务的航天器网络，针对多个航天器网络组成的异构星联网进行路由设计，可以将多个任务数据收集在某个节点上进行统一处理，对比与分析，得到更为准确的分析结果。

进一步的，建立能量异构星联网数据传输模型，考虑了卫星上携带的能量，携带能量高的卫星，负担着更多的传输能量的任务，减小携带能量少的卫星的通信负担，可以延长整个网络生存时间，根据携带能量的变化进行实时的路径更新，平衡整个网络的节点携带能量。

进一步的，分组设置可以更好的处理路由空洞的情况。

进一步的，设置当前节点所受到的合力，选择与该合力投影最大的节点作为下一跳，可以尽可能的使每一跳的长度更长，缩短多跳数，减小处理时间。

进一步的，当集合ωb为非空时选择下一跳，可以让数据包朝着汇聚节点方向传输，简化路由，提高路由效率。

进一步的，当集合ωb为空时选择下一跳，解决了拓扑结构复杂时所遇到的路由空洞的问题。

进一步的，只考虑局部的拓扑结构，不需要提前知道整个网络的拓扑结构，可以尽可能的减小搜索路径的时间，提高数据传输效率。

综上所述，运算复杂度低，实时性好，设计简单、应用范围广，能够根据卫星携带能量进行路径选择。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明的星联网模型示意图；

图2为本发明的邻居节点分组示意图；

图3为本发明的当前节点所受合力示意图；

图4为本发明的路径选择示意图。

具体实施方式

本发明公开了一种基于人工势场进行能量异构星联网路由设计方法，考虑到不同卫星所携带能量的不同，充分利用星联网的三维空间结构进行人工势场的构建，有效延长网络时间，缩短路由选择时间，提高数据传输效率，将不同任务收集到的额数据传送至汇聚节点进行处理，提高数据处理与分析效率。

本发明一种基于人工势场进行能量异构星联网路由设计方法，利用多跳路由的方法进行数据的传输，包括以下步骤：

s1、建立能量异构星联网数据传输模型；

请参阅图1，模型包括执行多种任务的航天器网络，网络中的所有节点需要向汇聚节点传输数据，然后在汇聚节点进行集中分析处理。不同颜色表示不同的任务，并且每个卫星的通信范围有限，不能直接将数据传送至汇聚节点，需要进行多跳数据传输，数据到达某个节点，该节点称作当前节点。

星联网主要包括执行不同任务的多个航天器网络的互联，共包括m个卫星节点，每个节点的通信范围为rm。

s2、利用邻居节点到汇聚节点的距离，对每个卫星邻居节点进行分组；

请参阅图2所示，当前节点的传输范围内的节点称作邻居节点，当邻居节点到汇聚节点(sink)的距离小于当前节点到汇聚节点的距离时，邻居节点属于ωb，当邻居节点到汇聚节点的距离大于当前节点到汇聚节点的距离时，邻居节点属于ωc，即

式中，a为当前节点，i为ωb中节点的数量，j为ωc中节点的数量，dsa为当前节点到汇聚节点的距离，为节点bi到汇聚节点的距离，为节点cj到汇聚节点的距离。

图1中a的传输范围内的蓝色节点组成的集合为ωc，黑色节点组成的集合为ωb。

s3、根据卫星邻居节点所在组以及其所携带能量，以当前卫星几点为中心构建人工势场，求取当前节点所受到的合力；

请参阅图3所示，当ωb为非空时，假设ωb中的节点携带负电荷，汇聚节点携带负电荷，当前节点a携带正电荷，则当前节点a受到ωb中所有节点的引力以及来自汇聚节点的引力，引力大小于卫星携带的能量有关，所有引力之和为a受到合力f。

当ωb中有节点时，令qa＝1/kc，ωb中的节点bi对当前节点产生引力即

其中，kc为库伦常数，qa为节点a携带的电荷量，为节点bi携带的电荷量，为节点a到节点bi的距离，为向量abi的单位向量。

当前节点受到的合力fa为

其中，为汇聚节点对当前节点产生的引力。

邻居节点所携带的电荷量与其所携带的能量成正比，即

其中，β为，为邻居节点所携带的能量。

s4、根据合力的大小和方向，在当前卫星节点中选择最优节点作为下一跳进行信息的传输；

请参阅图4所示，如果当ωb为非空时，则在ωb中选择节点作为下一跳，具体选择方式为：分别将当前节点到ωb中所有节点的向量在合力f上做投影，投影最长的即作为下一跳，如图4所示，b2将作为a节点的下一跳，继续进行数据的传输。

ωb为空时，则在ωc中选择距离当前节点a最近的节点作为下一跳。

根据邻居节点在当前节点所受到的合力的投影大小选择下一跳，选择投影最大的作为下一跳，即

其中，表示从节点a到节点bi的向量，表示合力f的单位向量，i表示集合ωb中节点的个数。

当ωb中没有节点时，在ωc中选择距离当前节点最近的节点作为下一跳，即

其中，为节点s与节点cj之间的距离，ap为上一跳节点。

s5、将下一跳节点作为当前节点，继续进行数据传输，直到数据传输到汇聚节点为止。

当a选择的下一跳b2不是汇聚节点的时候，将b2作为当前节点，继续执行以上步骤。

整个方法设计简单，运算复杂度较低，考虑到不同卫星所携带能量的不同，充分利用的星联网的三维空间结构进行人工势场的构建，有效延长网络时间，缩短路由选择时间，提高数据传输效率，将所有数据传送至汇聚节点进行处理，提高数据处理与分析效率。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。