面向定向波束自组织网络的多波束约束路由方法

本发明属于无线通信网络。

背景技术：

1、得益于电子技术、通信技术等一系列高新技术的迅速发展，无人飞行器自组网系统以其体积小、机动性强、易于部署等特点，在民用和军事等方面应用广泛。新一代无人协作平台对高可靠、高速率的通信需求，对自组网网络性能提出了更高的挑战。

2、在自组织网络中使用定向天线既可以增强抗截获和抗干扰能力，也可以提升自组织网络的系统容量，应对高可靠、高速率的通信需求。然而，引入定向天线将会给自组织网络带来不小麻烦，特别是对自组织网络路由的影响。在自组织网络中，远距离节点间通过中继节点进行多跳转发实现通信，因此路由协议是自组织网络中不可缺少的组成部分，良好的路由策略可以提升自组织网络的性能。由于定向天线存在的“耳聋”问题，导致通信链路容易失效，在进行数据传输前需要进行对准操作。在动态自组网场景下，节点移动速度快，波束切换频繁，造成网络拓扑变化迅速，将导致路由快速变化。

技术实现思路

1、本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。

2、为此，本发明的目的在于提出一种面向定向波束自组织网络的多波束约束路由方法，用于实现定向链路上数据的有效传输。

3、为达上述目的，本发明第一方面实施例提出了一种面向定向波束自组织网络的多波束约束路由方法，包括：

4、收集全网所有节点的位置信息；

5、通过所述位置信息计算节点间距离，根据所述节点间距离和定向天线传输可达距离，获知节点间潜在链路连接情况，记录至全网定向天线连接关系矩阵；

6、使用深度优先搜索算法寻找所述全网定向天线连接关系矩阵所表示的拓扑图中的环，得到基于环的定向天线控制拓扑；将所述定向天线控制拓扑中不符合波束约束条件的定向链路删除，得到波束约束下的环定向天线控制拓扑；

7、根据所述环定向天线控制拓扑，利用多源最短路径算法得到多波束约束定向路由，并面向时延要求，设置另一份路由，按照距离计算的连接关系矩阵，得到备份路由；对比所述备份路由与所述多波束约束定向路由，选择时间开销较低的作为路由结果，进行定向数据接入。

8、另外，根据本发明上述实施例的一种面向定向波束自组织网络的多波束约束路由方法还可以具有以下附加的技术特征：

9、进一步地，在本发明的一个实施例中，所述收集全网所有节点的位置信息，包括：

10、通过gnss定位系统获取节点自身的位置信息，并通过先验信息，收集全网所有节点的位置信息。

11、进一步地，在本发明的一个实施例中，所述获知节点间潜在链路连接情况，记录至全网定向天线连接关系矩阵，包括：

12、通过收集到的节点位置信息计算节点间的距离，根据定向天线传输可达距离计算节点自身一跳传输范围内的邻居节点，此时节点与邻居节点间的定向链路为潜在链路，记录在全网定向天线连接关系矩阵中，表示为：

13、

14、其中，ai,i(0≤i≤n)取值为0，n表示网络中节点的最大编号为n；每个节点配备有m个定向天线阵面，节点可同时跟踪保持对准m个定向波束；根据节点间的相对位置关系计算定向波束对准方向，定向波束所在方向对应定向天线号记录为ai,j(i≠j)∈{1,2,…,m}，表示节点i可通过定向天线ai,j与节点j保持定向链路连通。

15、进一步地，在本发明的一个实施例中，所述使用深度优先搜索算法寻找所述全网定向天线连接关系矩阵所表示的拓扑图中的环，得到基于环的定向天线控制拓扑，包括：

16、使用环定向路由算法计算基于环的定向天线控制拓扑，作为多波束约束下的定向天线控制拓扑的基础拓扑；

17、在基于环的定向天线控制拓扑中，在严格的波束约束条件下，添加全网定向天线连接关系矩阵中所有可连接链路，丰富网络拓扑，为多波束约束下的定向天线控制拓扑；

18、对所述多波束约束下的定向天线控制拓扑进行割点计算，计算结果定义为三种类型，包括：无割点、存在割点但连通、不连通；

19、其中，当所述定向天线控制拓扑无割点，直接在该拓扑基础上计算定向路由路径；

20、当所述定向天线控制拓扑存在割点但连通，考虑割点是否涉及潜在链路：若涉及潜在链路，则删除与割点相关的定向天线控制拓扑，此时定向天线控制拓扑将会被分割成多个连通分量；考虑潜在链路下是否存在割点，若不存在割点，则将潜在链路至定向天线控制拓扑，否则保持原有定向天线控制拓扑，为1-连通拓扑；

21、当所述定向天线控制拓扑不连通，将考虑添加时分连通链路：计算定向天线控制拓扑中的连通分量，遍历不同连通分量中的节点，不考虑波束约束条件，若不同连通分量间存在潜在链路，则直接将潜在链路添加至定向天线控制拓扑；否则全网定向天线连接关系矩阵本身就为不连通。

22、为达上述目的，本发明第二方面实施例提出了一种面向定向波束自组织网络的多波束约束路由装置，包括以下模块：

23、收集模块，用于收集全网所有节点的位置信息；

24、第一计算模块，用于通过所述位置信息计算节点间距离，根据所述节点间距离和定向天线传输可达距离，获知节点间潜在链路连接情况，记录至全网定向天线连接关系矩阵；

25、第二计算模块，用于使用深度优先搜索算法寻找所述全网定向天线连接关系矩阵所表示的拓扑图中的环，得到基于环的定向天线控制拓扑；将所述定向天线控制拓扑中不符合波束约束条件的定向链路删除，得到波束约束下的环定向天线控制拓扑；

26、第三计算模块，用于根据所述环定向天线控制拓扑，利用多源最短路径算法得到多波束约束定向路由，并面向时延要求，设置另一份路由，按照距离计算的连接关系矩阵，得到备份路由；对比所述备份路由与所述多波束约束定向路由，选择时间开销较低的作为路由结果，进行定向数据接入。

27、进一步地，在本发明的一个实施例中，所述收集模块，还用于：

28、通过gnss定位系统获取节点自身的位置信息，并通过先验信息，收集全网所有节点的位置信息。

29、进一步地，在本发明的一个实施例中，所述第一计算模块，还用于：

30、通过收集到的节点位置信息计算节点间的距离，根据定向天线传输可达距离计算节点自身一跳传输范围内的邻居节点，此时节点与邻居节点间的定向链路为潜在链路，记录在全网定向天线连接关系矩阵中，表示为：

31、

32、其中，ai,i(0≤i≤n)取值为0，n表示网络中节点的最大编号为n；每个节点配备有m个定向天线阵面，节点可同时跟踪保持对准m个定向波束；根据节点间的相对位置关系计算定向波束对准方向，定向波束所在方向对应定向天线号记录为ai,j(i≠j)∈{1,2,…,m}，表示节点i可通过定向天线ai,j与节点j保持定向链路连通。

33、进一步地，在本发明的一个实施例中，所述第二计算模块，还用于：

34、使用环定向路由算法计算基于环的定向天线控制拓扑，作为多波束约束下的定向天线控制拓扑的基础拓扑；

35、在基于环的定向天线控制拓扑中，在严格的波束约束条件下，添加全网定向天线连接关系矩阵中所有可连接链路，丰富网络拓扑，为多波束约束下的定向天线控制拓扑；

36、对所述多波束约束下的定向天线控制拓扑进行割点计算，计算结果定义为三种类型，包括：无割点、存在割点但连通、不连通；

37、其中，当所述定向天线控制拓扑无割点，直接在该拓扑基础上计算定向路由路径；

38、当所述定向天线控制拓扑存在割点但连通，考虑割点是否涉及潜在链路：若涉及潜在链路，则删除与割点相关的定向天线控制拓扑，此时定向天线控制拓扑将会被分割成多个连通分量；考虑潜在链路下是否存在割点，若不存在割点，则将潜在链路至定向天线控制拓扑，否则保持原有定向天线控制拓扑，为1-连通拓扑；

39、当所述定向天线控制拓扑不连通，将考虑添加时分连通链路：计算定向天线控制拓扑中的连通分量，遍历不同连通分量中的节点，不考虑波束约束条件，若不同连通分量间存在潜在链路，则直接将潜在链路添加至定向天线控制拓扑；否则全网定向天线连接关系矩阵本身就为不连通。

40、为达上述目的，本发明第三方面实施例提出了一种计算机设备，其特征在于，包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时，实现如上所述的一种面向定向波束自组织网络的多波束约束路由方法。

41、为达上述目的，本发明第四方面实施例提出了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如上所述的一种面向定向波束自组织网络的多波束约束路由方法。

42、本发明实施例提出的面向定向波束自组织网络的多波束约束路由方法，针对定向波束自组网系统中定向波束切换引起的网络拓扑高动态性，通过对定向波束对应的节点数量进行约束，减少波束切换引起的网络拓扑动态变化，进而降低定向波束重对准及网络重构产生的开销，实现定向链路上数据的有效传输。