一种基于虚拟拓扑的飞机组网与路由方法

1.本发明涉及无线通信网络领域，尤其涉及一种基于虚拟拓扑的飞机组网与路由方法。


背景技术：

2.下一代(6g)网络架构中，空天地一体化网络通信格局逐渐成为研究热点，在此架构下卫星、飞机、地面以星际骨干网、飞机骨干网、地面骨干网三层立体化网络为框架，星
‑
空，星
‑
地，空
‑
地互联网络连通为纽带，将实现数据的全融合共享，组网真正做到无缝切换、全联通、全覆盖。其中飞机骨干网作为空天地一体化网络的中间部分上接卫星，下连地面，为空天地一体化网络的桥梁，在全覆盖任务实现中占有重中之重的地位。
3.然而飞机组网的实现存在下面诸多困难。首先飞机链路生存周期短，拓扑更新频繁；其次基站部署成本高，信号接收距离有限，覆盖范围小，不适合长距离广域的数据传输；最后，飞机飞行规律易变更(延误、提前到达)，飞行轨迹难以干涉控制。目前针对动态组网的相关方法主要分为三类：
4.1、主动路由算法(如fsr)：旨在为每一对源
‑
目的地在动态场景下维护一条可达路径。但是当节点规模扩大时，为同步彼此状态达成一致性，并维护可达路径而产生的周期泛洪通信代价较大，无法接受。
5.2、被动路由算法(如aodv)：旨在当需要通信时，通过广播创建并维护一条源
‑
目的地的有效路径。但是在高速移动的网络中可能面临拓扑失效快，需要频繁的路径发现问题，因此往往会为数据传输带来较大的时延。
6.3、地理路由算法(如gpsr)：旨在采用基于地理位置的贪婪转发策略，节点转发数据包只需要依据目的节点位置选择邻居中距其最近的节点贪婪转发。但是这种方法路径转发失败风险大，在转发失败后路径重新恢复需要很久时间，在数据有较高的时效性时是不可接受的。


技术实现要素：

7.本发明的目的是提供一种基于虚拟拓扑的飞机组网与路由方法，能够适应飞机网络的高动态性，保证通信质量。
8.本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
9.一种基于虚拟拓扑的飞机组网与路由方法，包括：
10.组网的初始阶段，由两个不属于任何簇的飞机节点相互连接，形成一个新的簇，并为两个飞机节点分配所属网络内唯一的虚拟id与链路属性；未加入簇的飞机节点如果能够连接到簇内的飞机节点，则作为新的飞机节点加入簇，并根据与簇内飞机节点连接的数量、簇内飞机节点的链路属性与虚拟id，为所述新的飞机节点分配虚拟id与链路属性；其中，一个区域内的飞机节点能够形成多个簇；每个飞机节点记录自身的链路属性，链路属性指示了飞机节点为主路节点或者支路节点，一个簇内连通首飞机节点至尾飞机节点的单向有序
路径上的所有飞机节点为主路节点，其余的飞机节点称为支路节点；
11.路由时，链路属性为支路节点的飞机节点将数据汇聚到链路属性为主路的节点，再由链路属性为主路节点的飞机节点根据簇内飞机节点的连接关系将数据包发送至目的飞机节点。
12.由上述本发明提供的技术方案可以看出，该方法相对于现有可用于动态节点组网的算法而言，更加适应飞机网络的高动态性，有较高通信质量；同时，飞机节点的加入和路径的维护信息只需在局部区域完成，不需要周期性的广播泛洪通讯，因此可以有效减少用于维护网络状态的广播包数量，降低网络负荷。
附图说明
13.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，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附图。
14.图1为本发明实施例提供的一种基于虚拟拓扑的飞机组网与路由方法的流程图；
15.图2为本发明实施例提供的飞机节点加入网络的的示意图；
16.图3为本发明实施例提供的区域内飞机组网情况示意图；
17.图4为本发明实施例提供的链路属性为主路节点的中间节点发生故障的示意图；
18.图5为本发明实施例提供的恢复图4所示故障时形成两个簇的示意图；
19.图6为本发明实施例提供的飞机节点a到飞机节点b的路由过程示意图。
具体实施方式
20.下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
21.随着网络技术发展，空天地一体化网络通信格局成为未来网络系统的发展方向，飞机组网则是空天地一体化格局的重要一环。而现有的动态组网方案尚各有欠缺，不足以应付飞机组网的场景。基于以上问题，本发明提出了一种基于虚拟拓扑的飞机组网与路由方法，该方法可以适用于飞机的组网通讯场景，实现区域内飞机的通信，如图1所示，该方法主要包括两个部分：
22.组网部分：
23.组网的初始阶段，由两个不属于任何一个簇的飞机节点相互连接，形成一个新的簇，并为两个飞机节点分配虚拟id与链路属性；未加入簇的飞机节点如果能够连接到簇内的飞机节点，则作为新的飞机节点加入簇，并根据与簇内飞机节点连接的数量、簇内飞机节点的链路属性与虚拟id，为所述新的飞机节点分配虚拟id与链路属性；其中，一个区域内的飞机节点能够形成多个簇，簇与簇之间无法互相通讯，如果两个簇之间存在飞机节点使彼此互相联通，则会合并为一个新的簇；每个飞机节点记录自身的链路属性，链路属性指示了飞机节点为主路节点或者支路节点，一个簇内连通首飞机节点至尾飞机节点的单向有序路
径上的所有飞机节点称为主路节点，其余的节点称为支路节点。
24.路由部分：
25.路由时，链路属性为支路的飞机节点首先会将数据汇聚到链路属性为主路的节点，之后由主路的飞机节点根据簇内飞机节点的连接关系将数据包发送至目的飞机节点。
26.为了便于理解，下面针对本发明方案中的组网与路由两个部分做详细的介绍。
27.一、组网部分。
28.本发明实施例中，将属于同一个网络的飞机节点集合称为簇，一个区域内的飞机节点可能形成多个簇，只有属于同一个簇的两个飞机节点间才能通过此方案进行通信。为每一个簇中飞机节点分配虚拟id，一个簇中，虚拟id最小值、最大值各自对应了簇内位于首飞机节点、尾飞机节点；由首飞机节点至尾飞机节点之间单向有序路径中，飞机节点的虚拟id的值逐渐增大；示例性的，虚拟id的取值区间可设置为[0,1]。
[0029]
每个飞机节点都记录了自己的链路属性，分为主路、支路和待加入三种，分别代表自己是某个簇的主路节点、某个簇的支路节点和自由节点。一个簇内位于首飞机节点至尾飞机节点之间单向有序路径上的所有飞机节点称为主路节点，其余的称为支路节点，自由节点是指未加入簇的飞机节点。
[0030]
本发明实施例中，组网部分包括：飞机节点加入网络的方案和链路故障的恢复方案。
[0031]
1、飞机节点加入网络的方案。
[0032]
飞机节点加入网络的过程如图2所示：
[0033]
1)、最初阶段，由两个飞机节点相互连接，形成一个簇；两个飞机节点分配的虚拟id为设定的虚拟id的最小值、最大值，例如，0和1，两个飞机节点的链路属性设置为主路；此阶段如图2的(a)部分所示，图2中的所有数值指代相应飞机节点虚拟id的值。
[0034]
2)、当自由节点能连接到簇时，主要分为三种情况：
[0035]
2.1)当自由节点能连接到簇内的一个邻居飞机节点s，且邻居飞机节点s是簇内的首飞机节点或者尾飞机节点(即虚拟id的值为0或1)，则自由节点作为新的飞机节点加入簇，将新的飞机节点的链路属性设置为主路节点，虚拟id设为其邻居飞机节点s的虚拟id，并为邻居飞机节点s分配一个新的虚拟id，所述新的虚拟id的值介于新的飞机节点的虚拟id与邻居飞机节点s的邻居飞机节点s’的虚拟id的值之间。此情况如图2的(b)部分所示，最左侧虚拟id为0的飞机节点为首飞机节点，最右侧虚拟id为1的飞机节点为新加入的飞机节点，其可以连接簇内的尾飞机节点后，获得了尾飞机节点的id作为新的尾飞机节点，之前尾飞机节点的id取0与1的中间值，即0.5。
[0036]
2.2)当自由节点能连接到簇内的两个直接相连且链路属性相同的邻居飞机节点对，则自由节点作为新的飞机节点加入簇，将两个邻居飞机节点虚拟id的中间值作为新的飞机节点的虚拟id的值，链路属性与邻居飞机节点相同。此情况如图2的(c)部分所示。
[0037]
当两个直接相连的邻居飞机节点对的链路属性不同，则自由节点作为新的飞机节点加入簇，将两个邻居飞机节点虚拟id的中间值作为新的飞机节点的虚拟id的值，将新的飞机节点链路属性设为支路节点，作为原相连主路节点和支路节点的中继节点。
[0038]
2.3)当自由节点不存在簇内直接相连的飞机节点对，则选择其能连接到簇内的一个主路邻居飞机节点o，作为新的飞机节点加入簇，链路属性为支路节点，虚拟id的值为邻
居飞机节点o为一个虚拟节点id的中间值；所述虚拟节点id介于邻居飞机节点o的虚拟id与其后继节点虚拟id之间，所述后继节点是靠近尾飞机节点的链路属性为主路节点的下一跳飞机节点。此情况如图2的(d)部分所示，双连接线条代表支路连接，单连接线条代表主路连接，虚拟id为0.52的表示新加入的飞机节点，它的虚拟id介于邻居飞机节点o(即虚拟id的值为0.5)及其后继节点(即虚拟id的值为0.6)之间。
[0039]
如图3所示，展示了一个区域内飞机节点组网情况；该区域内飞机节点组建了两个网络，所有数值指代相应飞机节点虚拟id的值，双连接线条代表支路连接，单连接线条代表主路连接，即虚拟id的值为0.72的飞机节点为支路节点，其余均为主路节点。
[0040]
此外，当属于不同的簇的飞机节点能相连时，发生簇之间的融合，飞机节点数量较小的簇中的节点全部释放，并依次加入飞机节点数量较大的簇中。
[0041]
2、链路故障的恢复方案。
[0042]
本发明实施例中，当飞机节点发生故障时，将发生故障的飞机节点从簇中移除，并根据发生故障的飞机节点的链路属性采用相应方式修复链路故障。
[0043]
1、当发生故障的飞机节点的链路属性为主路节点时，采用以下方式修复链路故障：
[0044]
1)当发生故障的飞机节点为首飞机节点时，如果其后继节点具有支路节点，则释放所有支路节点，并将其后继节点设置为新的首飞机节点，使释放所有支路节点依次重新加入簇。
[0045]
2)当发生故障的飞机节点为尾飞机节点时，如果其前驱节点具有支路节点，则释放所有支路节点，并将其前驱节点设置为新的尾飞机节点，使释放所有支路节点依次重新加入簇；其中，前驱节点是靠近尾飞机节点的链路属性为主路节点的上一跳飞机节点。
[0046]
3)当发生故障的飞机节点为中间飞机节点时：
[0047]
若前驱节点和后继节点能直接连接，则将前驱节点和后继节点直接连接，簇中飞机节点的虚拟id不变，如果发生故障的飞机节点具有支路节点，则释放所有支路节点，释放的所有支路节点依次重新加入簇。
[0048]
若前驱和后继节点不能直接连接，如果发生故障的飞机节点具有支路节点，则释放所有支路节点；若存在释放的支路节点p能够连接前驱节点和后继节点，则支路节点p称为新的主路节点，其虚拟id的值为前驱节点和后继节点的虚拟id的中间值，其它被释放的支路节点依次重新加入簇。
[0049]
若前驱和后继节点不能直接连接，如果发生故障的飞机节点具有支路节点，则释放所有支路节点；若不存在释放的支路节点能够连接前驱节点和后继节点，则释放前驱节点和后继节点的所有支路节点，将前驱节点的虚拟id设为最大值(例如，1)，将后继节点的虚拟id设为最小值(例如，0)，即将簇分为两个新的簇，前驱节点作为其中一个簇的尾飞机节点，后继节点作为另一个簇的首飞机节点，释放的所有支路节点依次重新加入两个新的簇。如图4所示，中间椭圆框表示发生故障的飞机节点，其虚拟id的值为0.5，由于不存在释放的支路节点能够连接前驱节点和后继节点(即虚拟id的值为0.4、0.6的飞机节点)，因此，将簇分为两个新的簇，如图5所示。
[0050]
本发明实施例中，虚拟id的可以用来保证飞机节点排列单向有序，两个飞机节点之间新加入的节点虚拟id必须保证位于两个飞机节点虚拟id之间；当然，取中间值更为严
谨，但是考虑到实际情况下的精度限制，多次取中间会导致位数过多；因此，在实际应用中用户可根据情况选择相关算法来计算具体的虚拟id值，保证位于两个飞机节点虚拟id之间即可。
[0051]
2、当发生故障的飞机节点的链路属性为支路节点时，释放发生故障的飞机节点同一支路上之后的所有支路节点，使释放所有支路节点依次重新加入簇。
[0052]
二、路由部分。
[0053]
飞机加入簇内时，会向其余簇内节点报告自己的未来的飞行状态，包括位置，高度和速度分别随时间变化的函数。
[0054]
组网时，链路属性为主路节点的飞机节点保存所有自己支路上飞机节点的虚拟id，并通知k(k的取值在0和整个主路节点长度之间)跳内的链路属性为主路节点的邻居飞机节点，每个链路属性为主路节点的飞机节点都有k跳内邻居飞机节点上的所有链路属性为支路节点的飞机节点的信息，并依此生成表1所示的{飞机id
‑
>虚拟id}的映射表，所述飞机id为飞机节点全局唯一的标识。k为动态调整的参数，一个更大的k值会使主路节点存储更多节点的映射关系，但同时相应地通讯开销也会增加。
[0055]
飞机id虚拟id70.590.53120.55
…………
.
[0056]
表1映射表
[0057]
链路属性为支路节点的飞机节点发出数据包时，优先将路由到自己的链路属性为主路节点的飞机节点上，由链路属性为主路节点的飞机节点决定下一步路由；由链路属性为主路节点的飞机节点根据簇内飞机节点的连接关系将数据包发送(或者转发)至目的飞机节点，包括如下情况：
[0058]
1、通过映射表查，如果能够查询到目的飞机节点对应表项，则解析出相应的虚拟id，并将数据包发送给虚拟id位于当前飞机节点和目标飞机节点虚拟id之间，且虚拟id最靠近目的飞机节点的邻居飞机节点。
[0059]
2、若无法查询到目的飞机节点对应表项，则使用缓存的飞行状态，估计目标飞机节点当前时刻的位置，将数据包发送给距离估计的目的地位置最近的邻居飞机节点。
[0060]
如图6所示，为路由示例，该实例中k取值为1，其中，a～e表示5个飞机节点；a
‑
d
‑
e的过程采用基于地理位置的粗略贪婪路由(也就是上述2中的情况)，e节点开始可以解析目的飞机节点b的虚拟id，因此e
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c
‑
b的过程采用基于虚拟id的精确路由(也就是上述1中的情况，即将数据转发给虚拟id介于当前飞机节点和目的节点之间且最接近目的节点的一个飞机节点)。
[0061]
本发明实施例提供的方案使用程序仿真数据，采用实际的飞机飞行数据进行模拟，对比其它路由算法的平均延迟、广播包数量和组网成功率，测试结果表明本发明在保证通信质量的同时有效减少了组网代价，降低了网络负荷。
[0062]
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，
都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。