CN102905392A - 高速节点自组网中节点安全退出方法 - Google Patents

Abstract

一种高速节点自组网中节点安全退出方法，所述的自组网结构是由低空节点、高空节点和中心节点构成的三级树形移动自组网拓扑结构，网络中每个节点分配有唯一ID，根据不同的退出因素对节点退出顺序的影响，建立节点退出因素集函数，区分正常退出和异常退出两种情况，建立正常退出序列，并针对异常退出情况构建的退出列表。本发明能够有效确保节点退出时的网络拓扑结构的稳定性；提高高速节点抗干扰性和抗损毁性。

Description

高速节点自组网中节点安全退出方法

技术领域

本发明涉及移动自组网技术领域，尤其是自组网中节点安全退出方法，具体地说是一种高速节点自组网中节点安全退出方法。

背景技术

高速节点组网国际上主要是引入移动自组网技术，将组成高速节点网络的每个高空通信节点所获得的信息通过战术数据链技术达到实时的共享，充分利用数据链有限带宽，从而极大地提高高速节点对信息的处理速度，提高对特殊情况的响应能力，综合利用获得的信息资源快速决策，大大地提高高速节点在实际应用中的攻击能力和生存能力。

高速节点自组网中使用的分簇算法，面向高速节点自组网的三级树形结构令牌双簇首分簇方法，将移动自组网拓扑结构模型设计为三级树形结构，引入高速节点通信强度优先级概念，并将其应用到中心节点及高空节点等簇首节点选举中，同时针对高速节点移动自组网的特性，对分簇算法的很多方面，针对性的做出分析，提出改进的思想，并对簇维护算法进行了分析，增强了分簇算法的针对性与实用性，有助于提高高速节点生存能力及系统稳定性能，更好的完成作战任务。但是对通信节点组成三级树形网络后，由于外力损坏、电子屏蔽失去联系等原因造成节点的退出情况并没有具体的实施方案来确保节点退出时的网络拓扑结构的稳定性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高速节点自组网中节点安全退出方法，从而确保由于外力损坏、电子屏蔽、拦截失去联系等原因造成节点的加入情况下协同通信组网的拓扑结构稳定，提高高速节点抗干扰性及系统稳定性。

一种高速节点自组网中节点安全退出方法，所述的自组网结构是由低空节点、高空节点和中心节点构成的三级树形移动自组网拓扑结构，网络中每个节点分配有唯一ID，根据不同的退出因素对节点退出顺序的影响，建立节点退出因素集函数，区分正常退出和异常退出两种情况，建立正常退出序列，并针对异常退出情况构建的退出列表。

本发明的正常退出序列在自组网的上位控制中心确立，控制中心根据节点的退出因素，建立各个因素对各节点退出的因素影响函数，将各因素影响函数与对应因素影响该节点退出所占的权重相乘，得到该节点正常退出序列并预先存储于各个节点信息列表中，遇到退出因素集中因素导致节点退出时，首先依据正常退出序列进行判定，如果正常退出过程中发现异常则转入异常退出策略。

本发明的建立正常退出序列的具体步骤如下：

（1）、确定节点退出因素集：在自组网的上位控制中心建立节点退出因素集，以影响退出序列的各种因素组成的集合用U来表示，U＝{u₁,u₂......u_n},其中u_i，i∈[1,n]代表节点的各退出因素，包括湿度、温度和遭遇拦截的概率，n表示退出因素的个数；

（2）、建立退出因素集函数：建立退出因素集中的各个因素对每个节点退出的因素影响函数F(u_i)，各退出因素函数均是关于节点位置的函数；退出因素集U对每个节点的影响总和为 $F\left(U_i\right)=\underset{i}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}F\left(u_i\right);$

（3）、建立权重集：根据退出因素集中的各个因素对每个节点退出序列顺序的影响程度，采用层次分析法计算各退出因素u_i相应的权重w_i，得到因素集所对应的权重集合；

（4）、建立正常退出序列：计算每个节点在退出序列中的取值T(i)=F(U_i)×w_i，对比每个节点的T值，按照节点T值从大至小排列，通过每个节点唯一ID建立正常退出序列。

本发明的步骤（4）中，增加决定调节算子λ；即建立正常退出序列：计算每个节点在退出序列中的取值T(i)=F(U_i)×w_i×λ，λ是决定调节算子，用于调整T值贴近实际要求，对比每个节点的T值，按照节点T值从大至小排列，通过每个节点唯一ID建立正常退出序列。

本发明中，如果正常退出过程中发现异常则转入异常退出策略，所述的异常退出策略包括以下步骤：

Step1：中心节点发现某节点异常退出时，发送Connect消息，确认此节点是否存在，有回应则重新建立链接；如无回应根据此异常退出节点失去联系前的消息信息，确定其附近一跳节点，发送Hello消息请求此节点附近节点二次确认节点是否存在；

Step2：其他节点收到消息后，通过微波、红外或短距离雷达的方式确认此节点是否存在，如果节点存在则通知该节点启用备用线路链接入网络，如果节点不存在，则通知中心节点此节点异常退出；

Step3：中心节点确认节点异常退出后，在正常退出序列中，删除此节点信息，并上报控制中心后，重新建立新的正常退出序列广播给其他节点，其他节点收到消息后更新自己正常退出列表。

本发明中，异常退出节点为低空节点时，当高空节点检测到分簇中某低空节点不存在时，直接在消息列表中将其删除，具体步骤如下：

Step1：高空节点定时向分簇内成员低空节点传送Command消息控制低空节点运行传递控制中心命令，低空节点接收到消息后，向高空节点发送包含自己ID的Receive消息；

Step2：如果高空节点在约定时间内没有收到低空节点Receive消息，再次重新发送Command消息；

Step3：在两次高空节点发送消息后，仍没有收到低空节点回复，则采用二次确认的方法查询此节点最后一次通信范围内节点发送Connect消息，通过微波雷达等方式查询确认节点是否存在，如果节点存在重新建立链接；

否则高空节点在正常退出序列中进行查询，确认节点是否属于正常退出，如果属于正常退出，将其从邻居列表中删除，并发送Member消息告知分簇成员。

Step4：如果节点不在正常退出序列，经二次确认节点已经异常退出，则通知中心节点有节点异常退出，中心节点收到消息后删除此节点，重新建立新的正常退出序列，并报控制中心及其他节点更新正常退出序列。

本发明中，异常退出节点为高空节点时，若其分簇成员只有一个，则分簇直接解散，分簇内低空节点作为新节点加入其他分簇；若是分簇成员较多，通过三级树形结构的令牌双簇首分簇方法直接选举一个新的高空节点，并广播给中心节点。

本发明中，分簇解散，具体步骤如下：

Step1：中心节点定时向分簇内成员高空节点传送Command消息，高空节点接收到消息后，向中心节点发送包含自己ID的Receive消息并向分簇内低空节点传递Command消息；

Step2：如果中心节点在给定时间内没有收到高空节点Receive消息，再次重新发送Command消息；

Step3：在两次中心节点发送消息后，仍没有收到高空节点回复，则查询此节点最后一次通信范围内节点发送Connect消息通过微波雷达方式查询确认节点是否存在，如果节点存在重新建立链接，否则中心节点在正常退出序列中进行查询，确认是否节点属于正常退出，如果属于正常退出，将其从邻居列表中删除，并发送消息告知分簇成员；

Step4：如果节点不在正常退出序列，经二次确认节点已经异常退出，查询发现此高空节点分簇内低空节点数只有一个，则发送Hello消息，将失效高空节点分簇内的低空节点信息广播给其他高空节点，其他高空节点收到Hello消息后向低空节点广播发送Join消息，低空节点在收到高空节点Join消息后，对比选接其中ID较小的高空节点，发送Sure消息，并将高空节点信息计入自己消息列表；

Step5：高空节点根据收到的应答，将新节点作为低空节点加入自己消息列表，并广播Hello消息给中心节点更新分簇内所有节点的信息。中心节点收到消息后，启动异常退出策略，删除异常退出节点，重新建立新的正常退出序列，并更新邻居节点列表，报控制中心及其他节点更新正常退出序列；

所述的重新选举高空节点，具体步骤如下：

Step1：中心节点定时向分簇内成员高空节点传送Command消息，高空节点接收到消息后，向中心节点发送包含自己ID的Receive消息并向分簇内低空节点传递Command消息；

Step2：如果中心节点在给定时间内没有收到高空节点Receive消息，再次重新发送Command消息；

Step3：在两次中心节点发送消息后，仍没有收到高空节点回复，则查询此节点最后一次通信范围内节点发送Connect消息通过微波雷达方式查询确认节点是否存在，如果节点存在重新建立链接，否则中心节点在正常退出序列中进行查询，确认是否节点属于正常退出，如果属于正常退出，将其从邻居列表中删除，并发送消息告知分簇成员；

Step4：如果节点不在正常退出序列，经二次确认节点已经异常退出，查询发现此高空节点分簇内低空节点数较多，则直接发送Hello消息给失效高空节点分簇内的低空节点，重新选举高空节点，低空节点在收到中心节点Hello消息后，依据第三章中高空节点选举步骤重新选举出高空节点；

Step5：新选举出的高空节点向中心节点发送包含自己分簇成员信息的Member信息，中心节点收到消息后，删除异常退出节点，重新按照退出序列构建步骤，计算新产生高空节点T值，如果没有变化则只需在原有序列中删除异常退出节点，其他节点重新建立新的正常退出序列；

Step6：如果新的高空节点T值相比其以前值发生变化，则中心节点重新比较排列各个节点T值，产生新的正常退出序列并更新邻居节点列表；

Step7：新的正常退出序列建立后报控制中心及其他节点更新正常退出序列。

本发明中，所述的中心节点退出时，具体步骤如下：

Step1：中心节点接收到控制中心Command消息后，向分簇内高空节点传送Command消息，并向控制中心发送包含自己ID的Receive消息；

Step2：如果控制中心在固定时间内没有收到中心节点Receive消息，再次重新发送Command消息；

Step3：在两次控制中心发送消息后，仍没有收到中心节点回复，则查询中心节点最后一次通信范围内其他高空节点发送Connect消息通过微波、雷达方式查询确认中心节点是否存在，如果节点存在重新建立链接，否则控制中心在正常退出序列中进行查询，确认是否中心节点属于正常退出，如果属于正常退出，则控制中心认定中心节点已经失效，直接发送Hello信息广播给备用中心节点宣布其成为新的中心节点。

Step4：备用中心节点在收到控制中心Hello消息后，向控制中心发送Sure消息删除退出列表中原中心节点信息，更新新的正常退出列表，并同时发送Hello消息向其他高空节点广播其为新中心节点，控制中心与其他高空节点收到消息后更新自己的消息列表及正常退出列表；

Step5：如果在给定时间内控制中心没有收到备用中心节点消息，并且经二次确认其他节点也没有查询到备用中心节点信息则认定备用中心节点已经失效，查询备用中心节点是否属于正常退出，如果是正常退出则直接发送Hello信息广播给其他高空节点宣布选举新的中心节点；

Step6：其他高空节点收到控制中心消息后，依据第三章中中心节点选举算法选出出新的中心节点，新的中心节点选出出来后，再选举出备用中心节点，新的中心节点向网内其他节点发送Hello消息广播自己是新的中心节点；

Step7：其他高空节点收到消息后更新自己的消息列表，并发送包含自己ID在内的Member消息给新的中心节点，新的中心节点在收到Member消息后更新自己的消息列表，并发送包含移动自组网内所有节点信息的Hello信息给控制中心，控制中心删除正常退出节点信息并传输给新的中心节点及其他节点新的正常退出列表。

Step8：如果在Step3中，发现中心节点属于异常退出，并确认备用中心节点存在，则在备用中心节点成为新的中心节点后，计算新的中心节点T值，比较其他节点T值，重新建立正常退出序列，并同时发送Hello消息向其他高空节点广播其为新中心节点，控制中心与其他高空节点收到消息后更新自己的消息列表及正常退出列表；

Step9：如果在Step3中发现中心节点属于异常退出并确认备用中心节点失效，并在Step5中发现备用中心节点属于异常退出经过重新选举出新的中心节点后，控制中心在收到中心节点的Hello信息后更新自己的消息列表，并计算新的中心节点T值，与其他节点T值进行比较产生新的正常退出序列，传输给中心节点及其他节点更新新的正常退出序列。

本发明中，在自组网中节点较少时，采取平面结构由控制中心统一控制，各节点间相互联系，具体步骤如下：

Step1：中心节点在分簇内作战节点退出后，向控制中心发送包含簇成员消息的Member消息及时更新簇内节点信息；

Step2：如果控制中心在收到中心节点Member消息后，检测到节点数目已经少于四个，则向中心发出Kick消息解散分簇；

Step3：在中心节点转发Kick消息给其他节点后，所有节点收到Kick消息后，离开分簇直接向控制中心发送Join消息加入控制中心；

Step4：控制中心收到节点Join消息后，单独控制各个节点并在各个节点间组织协同完成通信。

本发明中，Hello信息为所有的节点在每个Hello时间间隔周期性地向外广播Hello信息通告自身节点情况，每个节点的Hello信息包括它的邻居表和簇首邻表。Accept消息用于回复节点加入分簇申请，Change消息用于更新簇首，Control消息用于控制中心与中心节点交流，Hello消息用于广播节点自身信息及传递命令节点间信息交流等，Join消息用于申请加入分簇，Sure消息用于确认消息。此过程中还采用了一些三级树形结构令牌双簇首分簇方法中没有的消息，其格式设置考虑数据链技术中多种抗干扰方式以及综合融合检错纠错等技术，Command消息用于节点间命令等信息的传递，Receive消息用于确认收到消息等，Member消息用于广播分簇内成员信息等，Kick消息用于网络重组。

本发明的技术方案是：

本发明的有益效果：

本发明能够有效确保节点退出时的网络拓扑结构的稳定性；提高高速节点抗干扰性和抗损毁性。

本发明能够节约资源，做到退出时的精确控制；抗干扰能力、综合融合检错纠错能力强；增强网络的健壮性，提高网络稳定性。

附图说明

图1是本发明的高速高空节点组网模型示意图。

图2是本发明中任一低空节点退出网络示意图。

图3是本发明的分簇成员只有一个时高空节点退出网络示意图。

图4是本发明的分簇成员较多时高空节点退出网络示意图。

图5是本发明的中心节点退出流程图。

图6是本发明的任一中心节点退出网络示意图。

图7是本发明的节点退出较多时，转换为平面网络的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

如图1所示，一种高速节点自组网中节点安全退出方法，所述的自组网结构是由低空节点、高空节点和中心节点构成的三级树形移动自组网拓扑结构，网络中每个节点分配有唯一ID，根据不同的退出因素对节点退出顺序的影响，建立节点退出因素集函数，区分正常退出和异常退出两种情况，建立正常退出序列，并针对异常退出情况构建的退出列表。

本发明将高速节点组成的网络分为三级的树形结构。第一级节点中心节点，即根结点，负责与控制中心例如卫星等的通信，同时兼顾管理其他高空节点；第二级节点高空节点，即根结点的子节点，负责与中心节点通信，管理低空节点；第三极节点低空节点即叶子节点与高空节点通信。

分簇算法的主要思想如下：

A：预先发射时赋予各个高速节点唯一ID，使用最小ID分簇算法对网络初始化分簇，采用协同通信优先级调整分簇产生高空节点，进而选举出中心节点，最后再产生一个备用中心节点。

B：选举出的中心节点向控制中心通报网络状况后，控制中心产生一个令牌交给中心节点，即根结点，令牌在通讯过程中使用。

C：需要重新选举中心节点时依据备用中心节点是否存活采取不同策略。

D：需要重新选举高空节点时依据分簇算法产生。

通信时，在各节点中选举出的中心节点由控制中心赋予令牌，节点消失令牌重新产生，令牌在中心节点与高空节点组成的令牌环间流转，其地址为中心节点ID，其他节点需要使用信道传输信息，拿到令牌后使用信道，信道使用完毕释放令牌，每个节点申请使用令牌时间固定，未传递完毕信息再次申请，令牌每轮转一次，信息数加一，如果中心节点在申请使用时间完毕未收到返回令牌，则认定令牌失效，重新产生新令牌。

本发明中，正常退出序列在自组网的上位控制中心确立，控制中心根据节点的退出因素，建立各个因素对各节点退出的因素影响函数，将各因素影响函数与对应因素影响该节点退出所占的权重相乘，得到该节点正常退出序列并预先存储于各个节点信息列表中，遇到退出因素集中因素导致节点退出时，首先依据正常退出序列进行判定，如果正常退出过程中发现异常则转入异常退出策略。

本发明中，建立正常退出序列的具体步骤如下：

（1）、确定节点退出因素集：在自组网的上位控制中心建立节点退出因素集，以影响退出序列的各种因素组成的集合用U来表示，U＝{u₁,u₂......u_n},其中u_i，i∈[1,n]代表节点的各退出因素，包括湿度、温度和遭遇拦截的概率，n表示退出因素的个数；

（2）、建立退出因素集函数：建立退出因素集中的各个因素对每个节点退出的因素影响函数F(u_i)，各退出因素函数均是关于节点位置的函数；退出因素集U对每个节点的影响总和为 $F\left(U_i\right)=\underset{i}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}F\left(u_i\right);$

（3）、建立权重集：根据退出因素集中的各个因素对每个节点退出序列顺序的影响程度，采用层次分析法计算各退出因素u_i相应的权重w_i，得到因素集所对应的权重集合；

（4）、建立正常退出序列：计算每个节点在退出序列中的取值T(i)=F(U_i)×w_i，对比每个节点的T值，按照节点T值从大至小排列，通过每个节点唯一ID建立正常退出序列。

本发明中，步骤（4）中，增加决定调节算子λ；即建立正常退出序列：计算每个节点在退出序列中的取值T(i)=F(U_i)×w_i×λ，λ是决定调节算子，用于调整T值贴近实际要求，对比每个节点的T值，按照节点T值从大至小排列，通过每个节点唯一ID建立正常退出序列。

本发明中，如果正常退出过程中发现异常则转入异常退出策略，所述的异常退出策略包括以下步骤：

Step1：中心节点发现某节点异常退出时，发送Connect消息，确认此节点是否存在，有回应则重新建立链接；如无回应根据此异常退出节点失去联系前的消息信息，确定其附近一跳节点，发送Hello消息请求此节点附近节点二次确认节点是否存在；

Step2：其他节点收到消息后，通过微波、红外或短距离雷达的方式确认此节点是否存在，如果节点存在则通知该节点启用备用线路链接入网络，如果节点不存在，则通知中心节点此节点异常退出；

Step3：中心节点确认节点异常退出后，在正常退出序列中，删除此节点信息，并上报控制中心后，重新建立新的正常退出序列广播给其他节点，其他节点收到消息后更新自己正常退出列表。

本发明中，异常退出节点为低空节点时，当高空节点检测到分簇中某低空节点不存在时，直接在消息列表中将其删除，具体步骤如下：

Step1：高空节点定时向分簇内成员低空节点传送Command消息控制低空节点运行传递控制中心命令，低空节点接收到消息后，向高空节点发送包含自己ID的Receive消息；

Step2：如果高空节点在约定时间内没有收到低空节点Receive消息，再次重新发送Command消息；

Step3：在两次高空节点发送消息后，仍没有收到低空节点回复，则采用二次确认的方法查询此节点最后一次通信范围内节点发送Connect消息，通过微波雷达等方式查询确认节点是否存在，如果节点存在重新建立链接；

否则高空节点在正常退出序列中进行查询，确认节点是否属于正常退出，如果属于正常退出，将其从邻居列表中删除，并发送Member消息告知分簇成员。

Step4：如果节点不在正常退出序列，经二次确认节点已经异常退出，则通知中心节点有节点异常退出，中心节点收到消息后删除此节点，重新建立新的正常退出序列，并报控制中心及其他节点更新正常退出序列。

本发明中，异常退出节点为高空节点时，若其分簇成员只有一个，则分簇直接解散，分簇内低空节点作为新节点加入其他分簇；若是分簇成员较多，通过三级树形结构的令牌双簇首分簇方法直接选举一个新的高空节点，并广播给中心节点。

所述的分簇解散，具体步骤如下：

Step1：中心节点定时向分簇内成员高空节点传送Command消息，高空节点接收到消息后，向中心节点发送包含自己ID的Receive消息并向分簇内低空节点传递Command消息；

Step2：如果中心节点在给定时间内没有收到高空节点Receive消息，再次重新发送Command消息；

Step3：在两次中心节点发送消息后，仍没有收到高空节点回复，则查询此节点最后一次通信范围内节点发送Connect消息通过微波雷达方式查询确认节点是否存在，如果节点存在重新建立链接，否则中心节点在正常退出序列中进行查询，确认是否节点属于正常退出，如果属于正常退出，将其从邻居列表中删除，并发送消息告知分簇成员；

Step4：如果节点不在正常退出序列，经二次确认节点已经异常退出，查询发现此高空节点分簇内低空节点数只有一个，则发送Hello消息，将失效高空节点分簇内的低空节点信息广播给其他高空节点，其他高空节点收到Hello消息后向低空节点广播发送Join消息，低空节点在收到高空节点Join消息后，对比选接其中ID较小的高空节点，发送Sure消息，并将高空节点信息计入自己消息列表；

Step5：高空节点根据收到的应答，将新节点作为低空节点加入自己消息列表，并广播Hello消息给中心节点更新分簇内所有节点的信息。中心节点收到消息后，启动异常退出策略，删除异常退出节点，重新建立新的正常退出序列，并更新邻居节点列表，报控制中心及其他节点更新正常退出序列。

举例示意如图3所示，中心节点1高空节点2-3低空节点4-8组成的如图网络，低高空节点3网络，其中点虚线表示簇内成员间的通讯，实线表示簇首与成员间的通讯。

一是重新选举高空节点，具体步骤如下：前三步与上述分簇解散步骤相同。

Step4：如果节点不在正常退出序列，经二次确认节点已经异常退出，查询发现此高空节点分簇内低空节点数较多，则直接发送Hello消息给失效高空节点分簇内的低空节点，重新选举高空节点，低空节点在收到中心节点Hello消息后，依据第三章中高空节点选举步骤重新选举出高空节点。

Step5：新选举出的高空节点向中心节点发送包含自己分簇成员信息的Member信息，中心节点收到消息后，启动异常退出策略，删除异常退出节点，重新按照退出序列构建步骤，计算新产生高空节点T值，如果没有变化则只需在原有序列中删除异常退出节点，其他节点重新建立新的正常退出序列即可。

Step6：如果新的高空节点T值，相比其以前值发生变化，则中心节点重新比较排列各个节点T值，产生新的正常退出序列并更新邻居节点列表。

Step7：新的正常退出序列建立后报控制中心及其他节点更新正常退出序列。

举例示意如图4所示，中心节点1高空节点2-3低空节点4-8组成的如图网络，低高空节点2网络，其中点虚线表示簇内成员间的通讯，实线表示簇首与成员间的通讯。

中心节点退出时，应对策略具体步骤如下：

Step1：中心节点接收到控制中心Command消息后，向分簇内高空节点传送Command消息，并向控制中心发送包含自己ID的Receive消息。

Step2：如果控制中心在固定时间内没有收到中心节点Receive消息，再次重新发送Command消息。

Step3：在两次控制中心发送消息后，仍没有收到中心节点回复，则查询中心节点最后一次通信范围内其他高空节点发送Connect消息通过微波雷达等方式查询确认中心节点是否存在，如果节点存在重新建立链接，否则控制中心启动退出机制查询功能，确认是否中心节点属于正常退出，如果属于正常退出，则控制中心认定中心节点已经失效，直接发送Hello信息广播给备用中心节点宣布其成为新的中心节点。

Step4：备用中心节点在收到控制中心Hello消息后，向控制中心发送Sure消息删除退出列表中原中心节点信息，更新新的正常退出列表，并同时发送Hello消息向其他高空节点广播其为新中心节点，控制中心与其他高空节点收到消息后更新自己的消息列表及正常退出列表。

Step5：如果在给定时间内控制中心没有收到备用中心节点消息，并且经二次确认其他节点也没有查询到备用中心节点信息则认定备用中心节点已经失效，查询备用中心节点是否属于正常退出，如果是正常退出则直接发送Hello信息广播给其他高空节点宣布选举新的中心节点。

Step6：其他高空节点收到控制中心消息后，依据第三章中中心节点选举算法选出出新的中心节点，新的中心节点选出出来后，再选举出备用中心节点，新的中心节点向网内其他节点发送Hello消息广播自己是新的中心节点。

Step7：其他高空节点收到消息后更新自己的消息列表，并发送包含自己ID在内的Member消息给新的中心节点，新的中心节点在收到Member消息后更新自己的消息列表，并发送包含移动自组网内所有节点信息的Hello信息给控制中心，控制中心删除正常退出节点信息并传输给新的中心节点及其他节点新的正常退出列表。

Step8：如果在Step3中，发现中心节点属于异常退出，并确认备用中心节点存在，则在备用中心节点成为新的中心节点后，计算新的中心节点T值，比较其他节点T值，重新建立正常退出序列，并同时发送Hello消息向其他高空节点广播其为新中心节点，控制中心与其他高空节点收到消息后更新自己的消息列表及正常退出列表。

Step9：如果在Step3中发现中心节点属于异常退出并确认备用中心节点失效，并在Step5中发现备用中心节点属于异常退出经过重新选举出新的中心节点后，控制中心在收到中心节点的Hello信息后更新自己的消息列表，并计算新的中心节点T值，与其他节点T值进行比较产生新的正常退出序列，传输给中心节点及其他节点更新新的正常退出序列。

中心节点退出流程如图5所示。举例示意如图6所示，中心节点1高空节点2-3低空节点4-8组成的网络如图所示，中心节点1退出网络。

在剩余节点较少时，采取平面结构由控制中心统一控制，各节点间相互联系。具体步骤如下：

Step1：中心节点在分簇内作战节点退出后，向控制中心发送包含簇成员消息的Member消息及时更新簇内节点信息。

Step2：如果控制中心在收到中心节点Member消息后，检测到节点数目已经少于四个，则向中心发出Kick消息解散分簇。

Step3：在中心节点转发Kick消息给其他节点后，所有节点收到Kick消息后，离开分簇直接向控制中心发送Join消息加入控制中心。

Step4：控制中心收到节点Join消息后，单独控制各个节点并在各个节点间组织协同完成作战目标。

举例示意如图7所示，中心节点1高空节点2-3低空节点4-8组成的网络如图所示，节点退出网络后仅余1，5，8三个节点。

其中，算法中应用到的消息，Hello信息为所有的节点在每个Hello时间间隔周期性地向外广播Hello信息通告自身节点情况，每个节点的Hello信息包括它的邻居表和簇首邻表。Accept消息用于回复节点加入分簇申请，Change消息用于更新簇首，Control消息用于控制中心与中心节点交流，Hello消息用于广播节点自身信息及传递命令节点间信息交流等，Join消息用于申请加入分簇，Sure消息用于确认消息。此过程中还采用了一些三级树形结构令牌双簇首分簇方法中没有的消息，其格式设置考虑数据链技术中多种抗干扰方式以及综合融合检错纠错等技术，Command消息用于节点间命令等信息的传递，Receive消息用于确认收到消息等，Member消息用于广播分簇内成员信息等，Kick消息用于网络重组。

本发明未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。

Claims (10)

1.一种高速节点自组网中节点安全退出方法，所述的自组网结构是由低空节点、高空节点和中心节点构成的三级树形移动自组网拓扑结构，网络中每个节点分配有唯一ID，其特征在于，根据不同的退出因素对节点退出顺序的影响，建立节点退出因素集函数，区分正常退出和异常退出两种情况，建立正常退出序列，并针对异常退出情况构建的退出列表。

2.根据权利要求1所述的高速节点自组网中节点安全退出方法，其特征在于，所述的正常退出序列在自组网的上位控制中心确立，控制中心根据节点的退出因素，建立各个因素对各节点退出的因素影响函数，将各因素影响函数与对应因素影响该节点退出所占的权重相乘，得到该节点正常退出序列并预先存储于各个节点信息列表中，遇到退出因素集中因素导致节点退出时，首先依据正常退出序列进行判定，如果正常退出过程中发现异常则转入异常退出策略。

3.根据权利要求1或2所述的高速节点自组网中节点安全退出方法，其特征在于，所述的建立正常退出序列的具体步骤如下：

（1）、确定节点退出因素集：在自组网的上位控制中心建立节点退出因素集，以影响退出序列的各种因素组成的集合用U来表示，U＝{u₁,u₂......u_n},其中u_i，i∈[1,n]代表节点的各退出因素，包括湿度、温度和遭遇拦截的概率，n表示退出因素的个数；

（2）、建立退出因素集函数：建立退出因素集中的各个因素对每个节点退出的因素影响函数F(u_i)，各退出因素函数均是关于节点位置的函数；退出因素集U对每个节点的影响总和为 $F\left(U_i\right)=\underset{i}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}F\left(u_i\right);$

（3）、建立权重集：根据退出因素集中的各个因素对每个节点退出序列顺序的影响程度，采用层次分析法计算各退出因素u_i相应的权重w_i，得到因素集所对应的权重集合；

（4）、建立正常退出序列：计算每个节点在退出序列中的取值T(i)=F(U_i)×w_i，对比每个节点的T值，按照节点T值从大至小排列，通过每个节点唯一ID建立正常退出序列。

4.根据权利要求3所述的高速节点自组网中节点安全退出方法，其特征在于，步骤（4）中，增加决定调节算子λ；即建立正常退出序列：计算每个节点在退出序列中的取值T(i)=F(U_i)×w_i×λ，λ是决定调节算子，用于调整T值贴近实际要求，对比每个节点的T值，按照节点T值从大至小排列，通过每个节点唯一ID建立正常退出序列。

5.根据权利要求1或2所述的高速节点自组网中节点安全退出方法，其特征在于，如果正常退出过程中发现异常则转入异常退出策略，所述的异常退出策略包括以下步骤：

Step1：中心节点发现某节点异常退出时，发送Connect消息，确认此节点是否存在，有回应则重新建立链接；如无回应根据此异常退出节点失去联系前的消息信息，确定其附近一跳节点，发送Hello消息请求此节点附近节点二次确认节点是否存在；

Step2：其他节点收到消息后，通过微波、红外或短距离雷达的方式确认此节点是否存在，如果节点存在则通知该节点启用备用线路链接入网络，如果节点不存在，则通知中心节点此节点异常退出；

Step3：中心节点确认节点异常退出后，在正常退出序列中，删除此节点信息，并上报控制中心后，重新建立新的正常退出序列广播给其他节点，其他节点收到消息后更新自己正常退出列表。

6.根据权利要求5所述的高速节点自组网中节点安全退出方法，其特征在于，所述的异常退出节点为低空节点时，当高空节点检测到分簇中某低空节点不存在时，直接在消息列表中将其删除，具体步骤如下：

Step1：高空节点定时向分簇内成员低空节点传送Command消息控制低空节点运行传递控制中心命令，低空节点接收到消息后，向高空节点发送包含自己ID的Receive消息；

Step2：如果高空节点在约定时间内没有收到低空节点Receive消息，再次重新发送Command消息；

Step3：在两次高空节点发送消息后，仍没有收到低空节点回复，则采用二次确认的方法查询此节点最后一次通信范围内节点发送Connect消息，通过微波雷达等方式查询确认节点是否存在，如果节点存在重新建立链接；

否则高空节点在正常退出序列中进行查询，确认节点是否属于正常退出，如果属于正常退出，将其从邻居列表中删除，并发送Member消息告知分簇成员。

Step4：如果节点不在正常退出序列，经二次确认节点已经异常退出，则通知中心节点有节点异常退出，中心节点收到消息后删除此节点，重新建立新的正常退出序列，并报控制中心及其他节点更新正常退出序列。

7.根据权利要求5所述的高速节点自组网中节点安全退出方法，其特征在于，所述的异常退出节点为高空节点时，若其分簇成员只有一个，则分簇直接解散，分簇内低空节点作为新节点加入其他分簇；若是分簇成员较多，通过三级树形结构的令牌双簇首分簇方法直接选举一个新的高空节点，并广播给中心节点。

8.根据权利要求5所述的高速节点自组网中节点安全退出方法，其特征在于，所述的分簇解散，具体步骤如下：

Step1：中心节点定时向分簇内成员高空节点传送Command消息，高空节点接收到消息后，向中心节点发送包含自己ID的Receive消息并向分簇内低空节点传递Command消息；

Step2：如果中心节点在给定时间内没有收到高空节点Receive消息，再次重新发送Command消息；

Step3：在两次中心节点发送消息后，仍没有收到高空节点回复，则查询此节点最后一次通信范围内节点发送Connect消息通过微波雷达方式查询确认节点是否存在，如果节点存在重新建立链接，否则中心节点在正常退出序列中进行查询，确认是否节点属于正常退出，如果属于正常退出，将其从邻居列表中删除，并发送消息告知分簇成员；

Step4：如果节点不在正常退出序列，经二次确认节点已经异常退出，查询发现此高空节点分簇内低空节点数只有一个，则发送Hello消息，将失效高空节点分簇内的低空节点信息广播给其他高空节点，其他高空节点收到Hello消息后向低空节点广播发送Join消息，低空节点在收到高空节点Join消息后，对比选接其中ID较小的高空节点，发送Sure消息，并将高空节点信息计入自己消息列表；

Step5：高空节点根据收到的应答，将新节点作为低空节点加入自己消息列表，并广播Hello消息给中心节点更新分簇内所有节点的信息。中心节点收到消息后，启动异常退出策略，删除异常退出节点，重新建立新的正常退出序列，并更新邻居节点列表，报控制中心及其他节点更新正常退出序列；

所述的重新选举高空节点，具体步骤如下：

Step1：中心节点定时向分簇内成员高空节点传送Command消息，高空节点接收到消息后，向中心节点发送包含自己ID的Receive消息并向分簇内低空节点传递Command消息；

Step2：如果中心节点在给定时间内没有收到高空节点Receive消息，再次重新发送Command消息；

Step3：在两次中心节点发送消息后，仍没有收到高空节点回复，则查询此节点最后一次通信范围内节点发送Connect消息通过微波雷达方式查询确认节点是否存在，如果节点存在重新建立链接，否则中心节点在正常退出序列中进行查询，确认是否节点属于正常退出，如果属于正常退出，将其从邻居列表中删除，并发送消息告知分簇成员；

Step4：如果节点不在正常退出序列，经二次确认节点已经异常退出，查询发现此高空节点分簇内低空节点数较多，则直接发送Hello消息给失效高空节点分簇内的低空节点，重新选举高空节点，低空节点在收到中心节点Hello消息后，依据第三章中高空节点选举步骤重新选举出高空节点；

Step5：新选举出的高空节点向中心节点发送包含自己分簇成员信息的Member信息，中心节点收到消息后，删除异常退出节点，重新按照退出序列构建步骤，计算新产生高空节点T值，如果没有变化则只需在原有序列中删除异常退出节点，其他节点重新建立新的正常退出序列；

Step6：如果新的高空节点T值相比其以前值发生变化，则中心节点重新比较排列各个节点T值，产生新的正常退出序列并更新邻居节点列表；

Step7：新的正常退出序列建立后报控制中心及其他节点更新正常退出序列。

9.根据权利要求5所述的高速节点自组网中节点安全退出方法，其特征在于，所述的中心节点退出时，具体步骤如下：

Step1：中心节点接收到控制中心Command消息后，向分簇内高空节点传送Command消息，并向控制中心发送包含自己ID的Receive消息；

Step2：如果控制中心在固定时间内没有收到中心节点Receive消息，再次重新发送Command消息；

Step3：在两次控制中心发送消息后，仍没有收到中心节点回复，则查询中心节点最后一次通信范围内其他高空节点发送Connect消息通过微波、雷达方式查询确认中心节点是否存在，如果节点存在重新建立链接，否则控制中心在正常退出序列中进行查询，确认是否中心节点属于正常退出，如果属于正常退出，则控制中心认定中心节点已经失效，直接发送Hello信息广播给备用中心节点宣布其成为新的中心节点。

Step4：备用中心节点在收到控制中心Hello消息后，向控制中心发送Sure消息删除退出列表中原中心节点信息，更新新的正常退出列表，并同时发送Hello消息向其他高空节点广播其为新中心节点，控制中心与其他高空节点收到消息后更新自己的消息列表及正常退出列表；

Step5：如果在给定时间内控制中心没有收到备用中心节点消息，并且经二次确认其他节点也没有查询到备用中心节点信息则认定备用中心节点已经失效，查询备用中心节点是否属于正常退出，如果是正常退出则直接发送Hello信息广播给其他高空节点宣布选举新的中心节点；

Step6：其他高空节点收到控制中心消息后，依据第三章中中心节点选举算法选出出新的中心节点，新的中心节点选出出来后，再选举出备用中心节点，新的中心节点向网内其他节点发送Hello消息广播自己是新的中心节点；

Step7：其他高空节点收到消息后更新自己的消息列表，并发送包含自己ID在内的Member消息给新的中心节点，新的中心节点在收到Member消息后更新自己的消息列表，并发送包含移动自组网内所有节点信息的Hello信息给控制中心，控制中心删除正常退出节点信息并传输给新的中心节点及其他节点新的正常退出列表。

Step8：如果在Step3中，发现中心节点属于异常退出，并确认备用中心节点存在，则在备用中心节点成为新的中心节点后，计算新的中心节点T值，比较其他节点T值，重新建立正常退出序列，并同时发送Hello消息向其他高空节点广播其为新中心节点，控制中心与其他高空节点收到消息后更新自己的消息列表及正常退出列表；

Step9：如果在Step3中发现中心节点属于异常退出并确认备用中心节点失效，并在Step5中发现备用中心节点属于异常退出经过重新选举出新的中心节点后，控制中心在收到中心节点的Hello信息后更新自己的消息列表，并计算新的中心节点T值，与其他节点T值进行比较产生新的正常退出序列，传输给中心节点及其他节点更新新的正常退出序列。

10.根据权利要求5所述的高速节点自组网中节点安全退出方法，其特征在于，在自组网中节点较少时，采取平面结构由控制中心统一控制，各节点间相互联系，具体步骤如下：

Step1：中心节点在分簇内作战节点退出后，向控制中心发送包含簇成员消息的Member消息及时更新簇内节点信息；

Step2：如果控制中心在收到中心节点Member消息后，检测到节点数目已经少于四个，则向中心发出Kick消息解散分簇；

Step3：在中心节点转发Kick消息给其他节点后，所有节点收到Kick消息后，离开分簇直接向控制中心发送Join消息加入控制中心；

Step4：控制中心收到节点Join消息后，单独控制各个节点并在各个节点间组织协同完成通信。

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