CN100536619C - 空中移动节点的集群方法及空地一体化集群系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种空中移动节点的集群方法，包括以下步骤：对空中移动节点进行航迹预测；利用航迹预测结果，在地面站预先对空中移动节点进行分群；将分群结果发送给空中移动节点；空中移动节点参考分群结果，结合空中实时情况做出集群调整。该集群方法有效提高临近空间集群的稳定性和灵活性，降低空中高速移动节点的计算量。本发明还涉及一种空地一体化集群系统，包括地面站、浮空器和空中移动节点，其中：浮空器用于连接地面站和空中移动节点，上行时执行两点间的信息转发功能；下行时进行有选择的处理集群调整。在该系统中，不仅让浮空器执行转发功能，还让其承担部分计算量，进行有选择的处理，从而保证空地之间通信的实时性和高效性。

Description

空中移动节点的集群方法及空地一体化集群系统

技术领域

本发明涉及一种应用于航空航天信息领域空中移动节点的集群方法，尤其是一种基于临近空间中移动节点航迹预测的空中移动节点的集群方法；本发明还涉及一种应用于航空航天信息领域空中移动节点的集群系统，尤其是一种基于临近空间中移动节点航迹预测的空地一体化集群系统。

背景技术

临近空间网络主要由骨干网(多个与地面呈准静止关系的浮空器)和多个高速无人机子网组成，负责完成空基移动通信系统的用户终端之间、空基与天基用户终端之间、以及用户终端、地面站和部分天基、空基网络应用节点之间的通信数据的处理和转发。

临近空间中的移动节点主要包括无人机、飞机、导弹、中继节点、用户终端等。其中的高速无人机根据任务，随机编队，以所组成的编队作为一个整体网段动态接入骨干网或天基、地基移动通信网络，用以扩展骨干网的服务范围。但是，由于高速无人机机动编队的灵活性，导致空基移动通信系统呈现出特殊的拓扑动态性。因此，根据临近空间中移动节点的特点，为了方便对其进行网络管理，减少通信和路由开销，通常采用集群算法将移动节点分群，每个群由一个群首和多个群成员组成，并且可通过优化分群进一步提高网络性能。

集群算法主要包括集群创立、节点加入、集群维护等方面。其中，如何合理选择群首以充分发挥其管理集群的能力、减少由于节点移动需要维护群结构而引入的开销是重点，也是难点。目前，基于一种特殊的多跳移动无线网络(以下简称：Ad-hoc网络)的集群算法已经很成熟，主要分为以下三类：

第一类是以最小移动节点标识ID算法和最大节点度(一个节点的相邻节点数)算法为代表的传统集群算法。最小ID算法选取ID最小的节点作为群首，计算简单，实现方便，分群速度快，但确定群首耗能多，分群时两节点相互确认的往返时延较长，且没有考虑该网络中各负载的工作平衡等问题；最大节点度算法选择度数最大的节点作为群首，利用该算法网络中的所分群数较少，分组往返时延也短，但是，节点的吞吐量会随着节点数目的增加而急剧下降，群首的更新频率会随着节点移动性的增强而急剧上升，该网络系统的整体性能就会随之降低。

第一类算法中群首的选择都只考虑了某个方面的因素，不够优化，然而群首的选举对于网络的性能至关重要，需要考虑多种因素，并基于网络环境和业务需求进行合理的折衷。因此，第二类按需加权集群算法也就应运而生。按需加权算法中，根据考虑因素，每个节点被分配一个权值，权值最大者充当群首。该算法改善了系统的灵活性和通用性，并且群首更新速率低，系统的稳定性强。

以上两类算法主要适用于一跳网络，第三类是适用于大型网络的多跳集群算法，更能体现分群的优点，不会造成过多的群。Max-Mind跳集群算法是一种基于节点ID来选择群首的多跳集群算法，可以有效减少群首数量，在群首间提供较好的负载平衡能力。

但是由于临近空间的特殊性，现有的基于地面Ad-hoc网络的集群算法无法有效应用于临近空间中。这些特殊性主要表现为以下三方面：1)临近空间中，移动网络接入表现为一个或多个路由器(网关)携带整个网段或终端集合，整体的接入其它网络，从而带来整个系统通信骨干拓扑的改变，导致系统呈现出特殊的拓扑动态性；2)临近空间网络环境复杂，移动节点类型多，任务机动性强，发生突发事件的概率大，为了保证这种情况下通信的畅通，要求集群要有较强的通用性和稳定性，避免群首的高频率变换；3)根据任务需要和高速移动节点的机动性，临近空间中节点计算量不能过大。

发明内容

本发明的一个方面是提供一种空中移动节点的集群方法，有效提高了临近空间集群的稳定性和灵活性，降低了空中高速移动节点的计算量；

本发明的另一个方面是提供一种空地一体化集群系统，使得在空地通信过程中不仅让浮空器执行转发功能，还让其承担了部分计算量。

为了实现本发明的第一方面，本发明的一些实施例的空中移动节点的集群方法包括以下步骤：

对空中移动节点进行航迹预测；

利用航迹预测结果，在地面站预先对所述空中移动节点进行分群；

将预先分群的结果发送给所述空中移动节点；

所述空中移动节点参考预先分群的结果，结合空中实时情况做出集群调整。

为了实现本发明的第二方面，本发明的另一些实施例的空地一体化集群系统包括地面站、浮空器和空中移动节点，其中：

所述地面站用于进行空中移动节点的航迹预测；进行分群规划；为空中移动节点提供分群参考；

所述浮空器用于连接地面站和空中移动节点，上行时执行两点间的信息转发功能；下行时进行有选择的处理集群调整；

所述空中移动节点用于接收地面站的分群参考信息，并进行实时集群调整。

由以上技术方案可知，本发明的一些实施例的空中移动节点的集群方法，极大的降低了空中移动节点的集群计算量，提高了业务通信的速率和容量；本发明的另一些实施例的空地一体化集群系统，在空地通信过程中不仅让浮空器执行转发功能，还让其承担了部分计算量，进行有选择的处理，从而保证了空地之间通信的实时性和高效性。

下面通过具体实施例并结合附图对本发明做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明空中移动节点的集群方法的实施例1的流程图；

图2为本发明空中移动节点的集群方法的实施例2的流程图；

图3为本发明空中移动节点的集群方法的实施例2的另一流程图；

图4为本发明空中移动节点的集群方法的实施例3的流程图；

图5为本发明空地一体化集群系统实施例结构图。

具体实施方式

本发明的一些实施例是针对空天地一体化网络对临近空间节点的特殊性要求，采用空地一体化集群算法，通过基于航迹预测的地面分群参考和空中实时集群调整的一体化设计，有效提高了临近空间集群的稳定性和灵活性，降低了空中高速移动节点的计算量，大大节省了节点间的相互通信量。

空中移动节点的集群方法的实施例1

该实施例概括的介绍了基于空地一体化的空中移动节点集群方法。由于基于地面Ad-hoc网络的集群算法无法有效应用于临近空间中，本发明的实施例将分群策略划分到空和地两个层面，通过空地一体进行规划和调整，使临近空间移动节点很好的得到了集群和维护。

临近空间中移动节点航迹可由地面站的航迹系统进行规划和监控，即具有可预测性，所以该集群算法首先由地面站对空中移动节点进行航迹预测；利用航迹预测结果，在空中移动节点执行某阶段任务前，在地面站预先对空中移动节点进行分群；然后将未来一个任务阶段时间以内的集群情况提供给空中节点作为参考；空中移动节点根据参考，结合空中实时情况做出集群调整。如图1所示，步骤为：

步骤101、对空中移动节点进行航迹预测；

步骤102、利用航迹预测结果，在地面站预先对空中移动节点进行分群；

步骤103、将预先分群的结果发送给空中移动节点；

步骤104、空中移动节点参考预先分群的结果，结合空中实时情况做出集群调整。

该基于空地一体化的空中移动节点集群方法，极大的降低了空中移动节点的分群计算量，提高了业务通信的速率和容量。

空中移动节点的集群方法的实施例2

在上述空中移动节点集群方法中，地面站对空中移动节点进行了航迹预测后，进行预先分群的。该地面站预先对空中移动节点分群的具体方法如图2所示，为：

步骤201、在一定的区域范围内，根据对群内移动节点数范围的规定进行初步分群；

步骤202、应用广度优先算法，搜索、确定所述初步分群后群内的连通分支情况，并对其进行调整，完成集群划分；

步骤203、计算群内各节点加权表达式值，产生群首，分群进入动态结束状态。

在步骤201中，由于每个分群中节点数的多少有一个范围，各个群内的节点数目都应该在该范围之内。根据未来一个任务阶段初始的空中节点网络拓扑，在一定的区域范围内，根据节点的横纵坐标将网络区域划分成若干大小固定、彼此不相交的规则图形的不同区域，使得每个区域内的节点数目满足分群的大小范围。

在步骤202中，初步分群之后，根据移动节点的通信半径确定节点间的无向链路，获得每个区域内的网络拓扑结构，每个节点建立各自的邻居链表。利用广度优先搜索算法，确定每个区域内的连通分支数目，每个连通分支上节点数并为每个连通分支编号；确定每个连通分支上节点的ID号，以及节点所属的连通分支号。如果此时各个群内的每个连通分支的大小均已达到在群大小范围之内，则分群结束；否则进入合并和拆分连通分支的循环，直至每个群内所有连通分支的大小均在群大小范围之内。

上述步骤202如图3所示，具体为：

步骤301、搜索并确定初步分群群内连通分支情况；

步骤302、判断群内所有连通分支上的节点数是否均在规定的群大小范围之内，若在，则执行步骤306；若不在，则执行步骤303；

步骤303、判断连通分支上节点数是小于群大小的下限，还是大于群大小的上限，若小于群大小的下限，则执行步骤304；若大于群大小的上限，则执行步骤305；

步骤304、合并连通分支，执行步骤302；

步骤305、拆分连通分支，执行步骤302；

步骤306、分群结束。

在步骤203中，采用的是按需加权集群算法，并将求得的加权表达式值最大的节点作为该群的群首。在通用的按需加权集群算法中，一般考虑节点度、剩余能量、移动性等因素。而根据临近空间中移动节点的特点、分群的性能要求和空间网络环境情况，本实施例中按需加权表达式值＝a*连接稳定度+b*节点度+c*与浮空器距离+d*剩余能量，其中a，b，c，d为常系数，a+b+c+d＝1，且a＞b，c，d，各群中此表达式值最大的节点即为该群群首。在该按需加权集群算法中，增加了“与浮空器节点距离”这个有很强针对性的考虑因素，主要是考虑到浮空器的覆盖范围远小于卫星，因而在作为空地中继时最大的技术难度在于对大量高速移动目标的支持。高动态空中节点群移动范围广、速度快，这些节点群有很大概率将脱离浮空器的覆盖区，因而需要解决浮空器如何通过有限的接入点接入大量分散的空中移动节点问题。所以在选择群首的时候，应该判断各集群是否能够提供其群首给浮空器作为接入点来实现高动态空中目标群的信息传输，如果部分集群无法提供，则需要借助其他可提供群首作为浮空器接入点的集群进行信息传输。增加了浮空器的考虑因素后，使得利用地面分群参考对空中移动节点进行集群更加准确、可靠。

同时，连接稳定度优化了移动性因素的表现形式，能够更加清晰的体现移动性因素对群首选择的影响。在现有技术中，通常用某节点与其邻居节点连接的变化率来表现移动性因素，本发明的一些实施例则通过链路连接时间来表示。基于航迹预测所获得的临近空间网络中各节点的坐标、运动速度、运动方向，将任意两节点的链路连接稳定度表示为链路连接时间LET：

$\mathrm{LET}=\frac{-(\mathrm{mn}+\mathrm{pq})+\sqrt{(m^2+n^2)r^2-{(\mathrm{mq}-\mathrm{np})}^2}}{m^2+p^2}$

式中，m＝v_icosθ_i-v_jcosθ_j，n＝x_i-x_j，p＝v_isinθ_i-v_jsinθ_j，q＝y_i-y_j；r为节点i和j的有效传输距离，(x_i，y_i)和(x_j，y_j)分别为节点i和j的坐标；v_i和v_j分别为节点i和j的平均移动速度，θ_i和θ_j分别为节点i和j的移动方向，且0≤θ_i，θ_i＜2π。当v_i＝v_j且θ_i＝θ_j时，即两个节点的运动方向一致，LET→∞，此时认为相邻两节点可以一直保持连接状态；如果LET＜0，则认为相邻两节点不可以连接；LET＞0且值越大，表示连接稳定度越大。该连接稳定度是基于航迹预测来表现移动稳定性因素的，因此对连接稳定度设置了较大的权重。

伴随着分群进入动态结束状态。所谓动态，即是说，分群和群首选择结束后，将进入集群调整状态，将产生新的集群和新的群首，之后，集群将再次进入分群和群首选择结束状态；空中节点拓扑不断变化，集群状态不断更新。

需要说明的是，由于空地通信和集群调整的数据传输速度相对于空中高速移动节点的移动速度很小，所以在空地通信和集群调整期间，可视空中移动节点位置、状态没有发生改变。

空中移动节点的集群方法的实施例3

在上述过程中，当分群和群首选择进入动态结束点后，地面站会将预先分群的结果发送给空中移动节点；当空中移动节点接收到地面的分群参考之后，只需确认是否可以与分群参考中自己所在群的其他成员进行通信连接即可。如果可以与分群参考中自己所在群的其他成员进行通信连接，则可按照分群参考形成集群、确定群首，极大的节省了空中节点的计算量和节点之间的通信量；否则，按照实时分群进行集群调整。调整过程可包括下述三个方面：即可视未与参考集群连通的节点为离开此群的节点；由此群邻居节点申请加入该群的可视为有新节点加入该群；该参考集群的群首离开。

该三种集群调整的步骤如图4所示，具体为：

步骤401a、参考集群中有成员节点离开原群；

步骤402a、向原群首发送离开报文，并向非原群邻居节点发送加入申请；

步骤403a、非原群邻居节点发出应答信息；

步骤404a、接收非原群邻居节点的应答信息，依照一定规则选择加入新群；

步骤405a、原群群首进行群有效性校验；

步骤406a、群内各分支的节点数小于群下限，进行群的融合。

步骤401b、有新节点加入参考集群；

步骤402b、参考集群进行群有效性校验；

步骤403b、群内各分支的节点数大于群上限，进行群的分割。

步骤401c、参考集群的群首离开；

步骤402c、与临近的群进行合并；

步骤403c、临近群的群首进行群有效性校验；

步骤404c、群内各分支的节点数大于群上限，进行群的分割。

在上述步骤进行群的分割或融合后形成新的集群划分，然后再执行：

步骤407、计算群内各节点加权表达式值；

步骤408、产生群首，重新进入动态结束点。

上述调整情况将由参考群和调整后加入的群的群首向浮空器报告；浮空器节点依照一定的规则进行判断，如果调整情况将影响整体分群规划达到一定程度，则向地面报告调整情况，等待地面更新分群参考，否则将直接告知空中移动节点分群参考的更新情况。如此分层次的进行分群参考更新以应对集群调整的方法，有效的保证了空地之间通信的数据量，保证了分群参考和集群调整的实时性。

空地一体化集群系统实施例

如图5所示，该系统主要包括地面站1、浮空器2和空中移动节点3，其中，所述地面站用于进行空中移动节点的航迹预测；进行分群规划；为空中移动节点提供分群参考；所述浮空器用于连接地面站和空中移动节点，执行两点间的信息转发功能；进行有选择的处理集群调整；所述空中移动节点用于接收地面站的分群参考信息，并进行实时集群调整。

其中浮空器的第一模块4，用于接收由所述空中移动节点发送的集群调整信息；第二模块5，用于选择判断是否向所述地面站报告所述空中移动节点的集群调整情况；第三模块6，用于向所述地面站报告所述空中移动节点的集群调整情况，并等待地面站更新分群参考；第四模块7，用于发送分群参考的更新情况。

本发明的实施例中，在空地通信过程中不仅让浮空器2执行转发功能，还让其承担了部分计算量，进行有选择的处理，从而保证了空地之间通信的实时性和高效性。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1、一种空中移动节点的集群方法，其特征在于，主要包括以下步骤：

对空中移动节点进行航迹预测；

利用航迹预测结果，在地面站预先对所述空中移动节点进行分群；

将预先分群的结果发送给所述空中移动节点；

所述空中移动节点参考预先分群的结果，结合空中实时情况做出集群调整。

2、根据权利要求1所述的空中移动节点的集群方法，其特征在于：所述利用航迹预测结果，在地面站预先对所述空中移动节点进行分群的具体步骤为：

在一定的区域范围内，根据对群内移动节点数范围的规定进行初步分群；

应用广度优先算法，搜索、确定所述初步分群后群内的连通分支情况，并对其进行调整，完成集群划分；

计算群内各节点加权表达式值，产生群首，分群进入动态结束状态。

3、根据权利要求2所述的空中移动节点的集群方法，其特征在于：所述加权表达式值＝a*连接稳定度+b*节点度+c*与浮空器距离+d*剩余能量，其中a，b，c，d为常系数，a+b+c+d＝1，且a最大。

4、根据权利要求2或3所述的空中移动节点的集群方法，其特征在于：所述群内各节点加权表达式值最大的节点即为该群群首。

5、根据权利要求3所述的空中移动节点的集群方法，其特征在于：所述连接稳定度是通过群内某一移动节点与其邻居节点间链路连接时间来表示的。

6、根据权利要求5所述的空中移动节点的集群方法，其特征在于：所述链路连接时间表达式为： $\mathrm{LET}=\frac{-(\mathrm{mn}+\mathrm{pq})+\sqrt{(m^2+n^2)r^2-{(\mathrm{mq}-\mathrm{np})}^2}}{m^2+p^2},$ 其中：m＝v_icosθ_i-v_jcosθ_j，n＝x_i-x_j，p＝v_isinθ_i-v_jsinθ_j，q＝y_i-y_j；r为节点i和j的有效传输距离，(x_i，y_i)和(x_j，y_j)分别为节点i和j的坐标；v_i和v_j分别为节点i和j的平均移动速度，θ_i和θ_j分别为节点i和j的移动方向，且0≤θ_i，θ_j＜2π。

7、根据权利要求1所述的空中移动节点的集群方法，其特征在于：所述空中移动节点参考预先分群的结果，结合空中实时情况做出集群调整的步骤具体为：

按照所述预先分群的结果，确认是否可以与所述预先分群的结果中自己所在群的其他成员进行通信连接；

若可以，则可按照分群参考形成集群，确定群首；

若不可以，按照实时分群进行集群调整。

8、根据权利要求7所述的空中移动节点的集群方法，其特征在于：所述按照实时分群进行集群调整的情况将由参考群和调整后加入的群的群首向浮空器节点报告。

9、一种空地一体化集群系统，包括地面站、浮空器和空中移动节点，其特征在于：

所述地面站用于进行空中移动节点的航迹预测；进行分群规划；为空中移动节点提供分群参考；

所述浮空器用于连接地面站和空中移动节点，上行时执行两点间的信息转发功能；下行时进行有选择的处理集群调整；

所述空中移动节点用于接收地面站的分群参考信息，并进行实时集群调整。

10、根据权利要求9所述的空地一体化集群系统，其特征在于，所述浮空器包括：

第一模块，用于接收由所述空中移动节点发送的集群调整信息；

第二模块，用于选择判断是否向所述地面站报告所述空中移动节点的集群调整情况；

第三模块，用于向所述地面站报告所述空中移动节点的集群调整情况，并等待地面站更新分群参考；

第四模块，用于发送分群参考的更新情况。

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